[发明专利]VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构及制备方法

权利要求书

1.一种VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构，其特征在于：包括VCSEL相干阵列、MZI阵列和垂直耦合端口；

所述MZI阵列包括集成在LNOI衬底上的光波导结构和电极结构，所述LNOI衬底由下到上依次包括支撑衬底层、掩埋绝缘体层、器件层和缓冲层，所述器件层制备有所述光波导结构，所述缓冲层制备有所述电极结构；

所述LNOI衬底上开设深至支撑衬底层上表面的凹槽，所述垂直耦合端口置于所述凹槽内；所述垂直耦合端口包括依次连接的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段与光波导结构相连，第二贴合段下侧与支撑衬底层相接，所述倾斜段设有光栅耦合器；

所述凹槽两侧的缓冲层上压焊集成有所述VCSEL相干阵列，所述VCSEL相干阵列为底面发射结构，且发射光源位置对应所述光栅耦合器。

2.根据权利要求1所述的光芯片结构，其特征在于：

所述VCSEL相干阵列设有M*N个VCSEL发光单元，M、N均大于1；

所述M*N个VCSEL发光单元设置为四方形阵列或六角形阵列；

所述VCSEL相干阵列的衬底层的厚度与四方形阵列或六角形阵列的间距以及VCSEL相干阵列的激射波长满足Talbot关系式。

3.根据权利要求1所述的光芯片结构，其特征在于：所述倾斜段与水平方向的夹角为5～11°。

4.根据权利要求1所述的光芯片结构，其特征在于：所述光波导结构包括顺次连接的输入波导、3dB分束器、上下平行的波导干涉臂、3dB合束器和输出波导，所述输入波导上设有耦合端口，所述耦合端口连接所述第一贴合段。

5.根据权利要求4所述的光芯片结构，其特征在于：所述电极结构为共面波导结构，包括信号电极和地电极，所述信号电极位于地电极中间，所述上下平行的波导干涉臂位于所述信号电极和地电极之间。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的VCSEL相干阵列与MZI阵列片上集成的光芯片结构的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、在VCSEL外延片上制作背光侧台面，在所述背光侧台面中制备氧化限制孔，在所述氧化限制孔上侧制备第一电极并对台面衬底做钝化处理；

步骤2、对台面衬底上制备第二电极、蒸镀半透半反膜并制作压焊点；

步骤3、对台面衬底进行划片处理，制备VCSEL相干阵列备用；

步骤4、在LNOI衬底的器件层上表面制备掩膜，将MZI阵列和垂直耦合端口的图形转移到所述掩膜上，并制备出光波导结构；

步骤5、在LNOI衬底上，将耦合端口处倾斜段的耦合光栅和第二贴合段下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空；

步骤6、在缓冲层上方制备信号电极和地电极，在垂直耦合端口上侧边缘制备压焊点；

步骤7、将VCSEL相干阵列垂直放置在LNOI衬底上的垂直耦合端口上方，通过压焊点将VCSEL相干阵列焊接在所述垂直耦合端口上。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤2中所述对台面衬底上制备第二电极、蒸镀半透半反膜并制作压焊点，包括：

磨片机将所述台面衬底磨抛至500±20μm厚度；

利用PECVD沉积SiO2对台面衬底上的出射激光片进行保护钝化；

在所述出射激光片上溅射的AuGeNi/Au作为第二电极，然后再根据Talbot距离在相应位置蒸镀半透半反膜；

在电极外侧制作压焊点。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤4中，所述在LNOI衬底的器件层上表面制备掩膜，将MZI阵列和垂直耦合端口的图形转移到所述掩膜上，并制备出光波导结构；包括：

在LNOI衬底的器件层上表面溅射100～320nm厚的金属Cr作为掩膜，然后经过紫外光刻、深紫外光刻或电子束曝光以及显影、坚膜工艺将MZI阵列和垂直耦合端口处的图形转移到Cr掩膜上；

将LNOI衬底置于质子交换炉中，以熔融的苯甲酸为质子源，通过交换温度和时间控制质子交换深度，将质子交换后的LNOI衬底清洗后置于ICP腔室，利用干法刻蚀刻蚀出光波导结构。