一种局部光放大的硅基光电子集成芯片及泵浦耦合方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种局部光放大的硅基光电子集成芯片及泵浦耦合方法。
背景技术
近年来，以硅为主要研究材料的硅基光电子技术得以高速发展，在光通信、数据中心等重要领域重中发挥了重大的作用。类似于像集成电路规模数按照摩尔定律2年翻一倍的速度，硅基光电子学中的光学器件的规模也在不断显著增加，可以满足光通信和光网络中高信息传输率和大信息传输能力的需求。
然而，随着越来越多的硅基光电子学器件集成在此类电路中，光信号在各个器件中的衰减是不可避免的，例如基于硅基光电子集成芯片的硅基调制器(2～3dB)，光电探测器(1～3dB)，以及其他无源器件(0.5dB)，随着集成度的提高，整个片上损耗很容易就会超过20dB，这严重影响了整个系统的传输性能。如果未来像集成电路一样，在芯片上集成成千上万个硅基光电子器件，对信号光衰减的补偿研究也就变得更加重要，是当前硅基光电子技术研究的重点之一。因此，片上集成的光波导放大器是大规模硅基光电子系统中不可或缺的器件，对于光信号的片上放大和损耗补偿方面起着重要作用。
目前实现硅基光波导放大主要是基于传统半导体光放大器(semiconductoroptical amplifier,SOA)，采用键合技术，将半导体光放大器贴到基片上。
虽然Ⅲ-Ⅴ族半导体材料是直接带隙，是良好的光源材料，但Ⅲ-Ⅴ族半导体与硅之间存在较大的晶格失配，直接在硅衬底上生长出高质量的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料很难，更何况Ⅲ-Ⅴ族半导体与硅的制造技术并不兼容；另一方面，半导体材料的载流子寿命较短，也不适合高速调制应用。
发明内容
为克服上述现有问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种局部光放大的硅基光电子集成芯片及泵浦耦合方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种局部光放大的硅基光电子集成芯片，包括光信号处理器件和传输波导，还包括增益层；
所述增益层为在槽状结构中填充增益材料形成的，所述槽状结构为在所述光信号处理器件上引出的至少一根放大波导上蚀刻的；
和/或，
所述增益层为在槽状结构中填充增益材料形成的，所述槽状结构为在所述传输波导上蚀刻的。
在上述技术方案的基础上，本发明实施例还可以作出如下改进。
可选的，所述槽状结构的侧壁光滑，所述槽状结构为在所述放大波导或所述传输波导上通过紫外光刻技术刻蚀而成的。
可选的，所述槽状结构区域下方的放大波导或传输波导为渐变锥型波导结构。
可选的，所述槽状结构的深度和宽度能够根据进入光信号处理器件的光场分布或者进入传输波导的光场分布进行调整；
所述在槽状结构中填充增益材料包括：
利用磁控溅射或激光沉积方法在槽状结构中填充增益材料。
可选的，所述增益材料为掺铒材料。
可选的，槽状结构与下方的所述放大波导之间保持预设距离形成隔离层和/或所述槽状结构与下方所述传输波导之间保持预设距离形成隔离层。
根据本发明实施例第二方面提供一种硅基光电子集成芯片的泵浦耦合方法，包括：
向所述增益层中输入泵浦光，采用泵浦光激活所述增益层的光放大功能；
其中，采用空间泵浦方式或采用波导耦合方式或采用泵浦键合方式向所述增益层中输入泵浦光。
可选的，采用空间泵浦方式向所述增益层中输入泵浦光包括：
直接从所述增益层上方空间发射泵浦光耦合进增益层中。
可选的，采用波导耦合方式向所述增益层中输入泵浦光包括：
从所述增益层侧面上引出一根泵浦波导，通过所述泵浦波导将泵浦光从侧面输入所述增益层。
可选的，采用泵浦键合方式向所述增益层中输入泵浦光包括：
在所述增益层上方采用PECVD沉积二氧化硅和氮化硅薄膜作为键合介质层；
采用键合的方式将半导体泵浦光源集成到所述增益层上方；
通过半导体泵浦光源发射泵浦光源输入所述增益层。
本发明实施例提供一种局部光放大的硅基光电子集成芯片及泵浦耦合方法，对整个硅基光电子集成芯片中需要光放大的部分进行局部处理，在需要光放大的波导上刻蚀槽状结构，在槽状结构中填充增益材料，实现局部高性能的光放大，能有效补偿整个片上系统的传输损耗，为硅基光电子集成芯片引入可靠的片上放大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的局部光放大的硅基光电子集成芯片的整体结构示意图；
图2(a)为本发明实施例提供的光波导放大器的结构示意图；
图2(b)为本发明实施例提供的光波导放大器的截面图；
图3(a)为空间泵浦方案示意图；
图3(b)为波导耦合泵浦方案示意图；
图3(c)为泵浦键合方案示意图；
图4(a)为传统的硅基光电子集成芯片波导结构示意图；
图4(b)为在波导层上刻蚀槽状结构示意图；
图4(c)为在槽状结构中沉积增益材料示意图；
图5为基于本发明实施例的局部放大有限元建模分析示意图；
图6为本发明实施例的局部放大增益特性仿真结果示意图。
附图中，各标号所代表的部件名称如下：
1、光信号处理器件，2、传输波导，3、槽状结构，4、增益层，5、Si衬底，6、SiO2保护层，7、波导层，8、泵浦激光器，9、电极，10、光探测器，11、CMOS器件，12、光源，13、空间泵浦源，14、泵浦波导，15、键合层，16、掩膜板。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
本发明的一个实施例中提供了一种局部光放大的硅基光电子集成芯片，硅基光电子集成芯片主要包括光信号处理器件1和传输波导2，还包括增益层4；
增益层4为在槽状结构3中填充增益材料形成的，槽状结构3为在光信号处理器件1上引出的至少一根放大波导上蚀刻的；
和/或，
增益层4为在槽状结构3中填充增益材料形成的，槽状结构3为在传输波导2上蚀刻的。
可以理解的是，参见图1，硅基光电子集成芯片主要包括两个光信号处理器件1(以下称为第一光信号处理器件和第二光信号处理器件)和传输波导2，其中，激光器产生的激光(称为光源12)输出通过传输波导2传输进入到第一光信号处理器件中进行处理，输出通过合束器耦合到波导中继续传输，再次进入第二光信号处理器件中进行处理，最后进入光探测器10并与CMOS器件11进行后续集成。
由于光信号在处理以及波导传输过程中不断地衰减，可以针对不同的传输区域进行局部沉积增益材料进行光放大，包括在光信号处理器件1中引出波导进行放大补偿，以及整个传输波导2上进行放大补偿等。这种局部放大结构能更好地与高质量的信号处理模块(调制、检测)在具有兼容CMOS工艺的大尺寸硅基底上协同集成。基于这种局部放大技术的集成系统将在许多应用中有用，包括短程光互连、片上系统以及用于医学和传感设备等。
基于此，本发明实施例可以在光信号处理器件1或者传输波导2上添加增益层4。当在光信号处理器件1部分添加增益层4时，需要在光信号处理器件1上引出一根波导(以下称为放大波导)，在引出的放大波导上蚀刻槽状结构3且在槽状结构3中填充增益材料形成增益层4。或者直接在芯片的传输波导2上蚀刻槽状结构3且在槽状结构3中填充增益材料形成增益层4。其中，槽状结构3的侧壁光滑，槽状结构3为在放大波导或传输波导2上通过紫外光刻技术刻蚀而成的。
本发明实施例对整个硅基光电子集成芯片上需要光放大的部分进行局部处理，在波导上方刻蚀填充槽，之后对该槽选择性沉积增益材料形成增益层4，该增益层4与下方波导(可以是放大波导，也可以是传输波导2)形成混合波导结构，并且通过在波导中设计合适的锥型耦合结构，完成上下层之间的高效耦合，最终光场在传输中再分配并且不断局部的耦合放大，补偿片上波导中的传输损耗。
作为一个可选的实施例，槽状结构3区域下方的放大波导或传输波导2为渐变锥型波导结构。
可以理解的是，其中波导层7(放大波导或者传输波导2称为波导层7)为芯片中的光传输层，为了使波导层7与增益层4之间能高效的耦合，在增益区间内传输方向上的波导采用渐变锥型结构，使该区域波导中的光场能大部分耦合到上方的增益层4中进行放大。通过对渐变结构尺寸的优化，可以提高不同层之间的耦合效率。
作为一个可选的实施例，槽状结构3的深度和宽度能够根据进入光信号处理器件1的光场分布或者进入传输波导2的光场分布进行调整；
在槽状结构3中填充增益材料包括：
利用磁控溅射或激光沉积等成熟微电子工艺方案在槽状结构3中填充增益材料。
可以理解的是，波导层7与增益层4统一组成混合波导，考虑到为了进一步提高混合波导中的传输放大效果，则需要提高波导层7与增益层4之间的光场再分布，在本发明实施例中，通过优化槽状结构3尺寸来达到上述目的。在传输方向上将槽状结构3下方的波导层7设计成渐变锥型结构，反向从波导层7耦合到更大截面的增益层4中，实现光放大。优化波导结构设计的关键参数，如在槽状结构3中填充的增益材料的厚度和宽度、以及波导层7锥型结构的宽度，来改善增益层4中对传输信号的限制因子，并通过波导层7和增益层4之间形成SiO2隔离层加以调节。本发明实施例利用软件模拟计算了传输信号光(1535nm)在波导中的光场分布，计算信号光在增益区的重叠因子超过80％。
其中，槽状结构3与下方的放大波导之间保持预设距离形成隔离层和/或槽状结构3与下方传输波导2之间保持预设距离形成隔离层。
可以理解的是，该处所说的隔离层即为上述的SiO2隔离层，也可称为氧化调节层，氧化调节层为控制光场分布的氧化层，在刻蚀槽状结构3时，槽状结构3的刻蚀深度往往不会穿透波导，会与波导层7保持一定调节距离，以使波导层7和增益层4之间形成SiO2隔离层。该SiO2隔离层可以降低高折射率材料中光场的导光效应，并根据需求调节波导区域对增益层4光场的限制作用。
作为一个可选的实施例，增益材料为掺饵材料，具体可采用掺杂钇或镱的铒硅酸盐材料。
可以理解的是，对于增益材料的选择，要想在小尺寸波导结构上实现较大净增益光学放大就必须满足：较高的铒离子掺杂浓度、较小的传输损耗以及较低的铒离子合作上转换系数。因此，本发明实施例可以采用铒硅酸盐材料体系，依据化学计量原理，铒硅酸盐化合物可提供比掺铒的硅基材料更大的光活性铒浓度。此外，通过采用钇(Y)或者镱(Yb)掺入铒硅酸盐化合物的办法分散铒离子，这可以使铒离子得到均匀分散，而仍然保持晶体结构不变，这对于降低铒离子合作上转换系数起着重要作用，并且可以与氮化硅薄膜形成交替结构来减少薄膜的传输损耗。
其中，在硅基光电子集成芯片上进行局部放大形成的器件也可以理解为光波导放大器，可参见图2(a)和图2(b)，可以理解为，光波导放大器从下到上依次包括Si衬底5、SiO2保护层6、波导层7和增益层4，其中，增益层4为在波导上刻蚀槽状结构3并在槽状结构3中填充增益材料形成的。
本发明实施例还提供了一种局部光放大的硅基光电子集成芯片泵浦耦合方法，包括：
采用空间泵浦方式向增益层4中输入泵浦光，采用泵浦光激活增益层4的光放大功能；或者；
采用波导耦合方式向增益层4中输入泵浦光，采用泵浦光激活增益层4的光放大功能；或者；
采用泵浦键合方式向增益层4中输入泵浦光，采用泵浦光激活增益层4的光放大功能。
可以理解的是，为了使增益层4中的铒离子形成离子数反转，对增益层4进行泵浦激活，发挥其光信号的放大功能，需要采用局部光泵浦的方式对增益层4进行激活处理。
其中，本发明实施例针对增益层4的光泵浦耦合提供了三种思路，如图3所示。第一种为空间泵浦方案，如图3(a)所示，空间泵浦源13直接从增益层4上方空间发射泵浦光耦合进增益层4中，该方案结构简单、设置灵活。
第二种为波导耦合方案，如图3(b)所示，从增益层4侧面上引出一根泵浦博导14，泵浦光从芯片端面输入到芯片之中，再通过泵浦博导14将泵浦光从侧面输入增益层4。这种直接耦合方式用于单模波导器件，用于泵浦的波导通过优化结构可控制其截面大小和折射率，保证模场尺寸与端面光纤相一致，提高耦合效率。这种方式结构紧凑、对准失调容差大。
第三种为泵浦键合方案，如图3(c)所示，将泵浦激光器8通过键合的方式“贴”在增益层4上方，首先在沉积后的增益层4上采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学的气相沉积法)沉积二氧化硅和氮化硅薄膜作为键合层15，并用RIE(ReactiveIonEtching，反应离子刻蚀)进行表面激活，随后以键合的方式将泵浦激光器8集成到增益层4上方，采用两个电极9为泵浦激光器8供电，两个电极9固定于泵浦激光器8上。这种方式将泵浦较好的集成到芯片之上，间接实现电泵浦放大，提高了芯片的集成度。
波导放大器的制备过程，主要包括：在硅基片上热氧化一层厚的二氧化硅薄膜(SiO2保护层6)，用来减少流向基底的泄漏光，并且起到对整个芯片的保护作用。其中，图4(a)为传统的硅基光电子集成芯片波导结构。然后对于需要放大的部分，在波导上方的SiO2保护层6利用刻蚀技术刻蚀一定深度、一定宽度的槽状结构3，图4(b)为刻蚀槽状结构3示意图。最后利用磁控溅射或激光沉积等方法在槽状结构3中填充一定厚度的增益层4，图4(c)为在槽状结构3中沉积增益层4的示意图。
由于是局部沉积增益层4，需要在芯片上部分区域选择性沉积。本发明实施例主要采用以下集中方式：第一种，用薄玻璃板覆盖不需要增益层4的区域，在薄玻璃板的顶部放置两块厚玻璃板，以确保机械稳定性，第二种，可以使用薄的金属掩模覆盖芯片来代替玻璃板，并使其与实现区域选择性沉积。该第一种和第二种方式均是物理上实现面积选择性沉积的一种有效而简单的方法，其中，薄玻璃板或者厚玻璃板或者薄的金属掩模均可以理解为掩膜板16。
第三种为，可以通过先在整个芯片上进行沉积，然后再除放大区域以外的部分，其中采用化学方法来选择蚀刻掉区域以外的掺铒增益薄膜，实现选择性沉积。该化学方法的问题是芯片中沟道内的残留光刻胶会影响器件的性能，因此更多地采用物理方法来选择性沉积增益材料。
上述各实施例对局部的光波导放大器的结构进行了改进，此处对局部的光波导放大器的增益特性进行仿真分析，可基于铒离子能级模型。所构建的三维波导结构如图5所示，考虑三个方向：沿着信号光传输方向(z方向)、沿着泵浦输入方向(x方向)，在y方向上，可以认为铒离子均匀分布，故整个器件模型可作二维简化。进一步地，可以建立二维速率方程(每个能级上的铒离子总数应为x和z的函数，沿y方向的均匀分布)与二维传输方程(泵浦功率沿x方向输入，信号功率沿z方向传输)。其放大特性的求解思路以三维有限元分析为主，从第一有限元块(x1,y1,z1)根据边界输入条件算起，根据二维速率方程与二维传输方程得到其x方向相邻有限元块(x2,y1,z1)，以及z方向相邻有限元块(x1,y1,z2)，再以此类推等到所有单元的信号、泵浦功率以及能级铒浓度，最终不断迭代直到边界单元满足边界条件。在每一个有限元块中，根据铒-镱能级结构模型，其速率方程如下所示：
其中，Ni表示各个铒能级上的平均铒离子浓度，
其中N1和N2分别代表铒离子在基态能级(4I15/2)与激发态能级(4I13/2)的平均粒子数。σ12与σ21分别为铒离子对信号光的吸收和发射截面。αs是信号光在波导中单位长度的传播损耗。最终增益公式如下式计算：
根据前提假设，同一xy平面的同一z坐标一排的所有单元块中离子浓度和功率密度保持不变，在三维迭代后，整个三维面的信号、泵浦以及放大参数可以拟合出来。其放大特性的仿真预测如图6所示。
本发明实施例提供的局部光放大的硅基光电子集成芯片及泵浦耦合方法，对整个硅基光电子集成芯片中需要光放大的部分进行局部处理，填充增益材料，实现局部高性能的光放大，能有效补偿整个片上系统的传输损耗，为硅基光电子集成芯片引入可靠的片上放大。
其中波导在增益区间内传输方向上采用渐变锥型结构，使该区域波导中的光场能大部分耦合到上方；在波导层与增益层之间增设氧化隔离层，降低高折射率材料中光场的导光效应，调节波导区域对增益层光场的限制作用。根据光场分布确定槽状结构的深度和宽度，提高混合波导中的传输放大效果。
通过采用钇(Y)或者镱(Yb)加入铒硅酸盐材料中分散铒硅酸盐材料中的铒离子，可以使铒离子得到均匀分散，而仍然保持晶体结构不变，这对于降低铒离子合作上转换系数起着重要作用。并且可以与氮化硅薄膜形成交替结构来减少薄膜的传输损耗。提供多种增益层的光泵浦耦合方式，对增益层进行激活。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
