[发明专利]一种硅基光电芯片

说明书

本发明提供了一种硅基光电芯片，将激光机构、激光耦合器、光调制器、光波导、光调制器驱动电路、控制电路集成于同一硅基半导体材料中，实现光电芯片单片集成，能够优化光收发性能、减小封装尺寸。为了进一步优化单片集成硅基光电芯片的性能，进一步将激光机构内的光波导层进行优化，采用缓冲光波导层，作为激光机构发光部分三五族化合物层与硅基衬底直接的晶格匹配缓冲带，以增加激光机构的寿命。针对性解决散热问题，可以将缓冲光波导层设计为散热材料或者在缓冲光波导层中增加散热层，以提高硅基光电芯片的散热能力。

技术领域

本发明涉及单片光电集成通信技术领域，主要用于模拟信号、数字信号通信，具体的涉及一种硅基光电芯片。

背景技术

目前，大多数商用的光收发器件是由光探测器、放大器、以及激光器、调制器、调制器驱动、控制电路芯片等分立器件混合封装制造而成。大部分的光探测器、激光器采用化合物工艺制造，如光探测器采用InGaAs材料、激光器采用InP材料等。相对地，放大器、调制器等采用传统的CMOS工艺制造。封装时，通常利用金属线键合的方式来实现各分立器件的通信连接，这种互联方式必然出现较大的寄生效应，影响光收发机性能。同时，采用不同工艺制造的分立器件封装工艺复杂，集成后的器件体积大，不能适应产品小型化的市场发展趋势。并且，化合物工艺制造芯片成本高昂，尤其是在多信道通信应用场景下，成本问题愈发凸显。

CN101485055B公开了一种具有集成调制器阵列和混合键合的多波长激光器阵列的发射器-接收器，在单个半导体材料层中提供多个调制器、光波导，同时键合三五族激光器、三五族光检测器，有效提高了收发器件的集成度。每个传输信道不再分别使用单独的激光器和调制器，也可以降低一部分成本。但是依然采用三五族化合物材料的光检测器，成本控制程度有限。特别是，采用键合方式实现光检测器与单个半导体材料条的通信，即可以理解为，光检测器与放大器（特别是前置放大器）的通信方式依然采用传统金属线键合，并不能解决传统分立器件封装存在的寄生效应、封装体积过大等问题，接收性能无法得到有效提高。

发明内容

本发明提供一种硅基光电芯片，可以有效提升优化光收发性能、减小封装尺寸、降低使用成本。

本发明提供一种硅基光电芯片，包括：设置在同一硅基半导体材料空间中的激光机构、激光耦合器、光调制器、第一光波导、控制电路、光调制器驱动电路，所述激光机构出光端口与激光耦合器输入端口耦合，所述激光耦合器输出端口与所述光调制器输入端口耦合，所述控制电路与所述光调制器、激光机构电连接，所述光调制器输出端口与所述第一光波导耦合，调制后的光经光波导耦合到外部透镜，所述光调制器驱动电路与光调制器电连接。硅基单片集成激光机构与调制器，可以有效缩小线宽、提高集成度，同时因为与成熟CMOS工艺兼容，能够降低制造成本。

所述光调制器为MZM或微环型调制器中的一种。

还包括设置在同一硅基半导体材料空间中的光探测器、放大器、第二光波导，所述光探测器经所述第二光波导与外部光传输单元耦合，所述放大器与所述光探测器电连接。

还包括定向耦合器，所述定向耦合器上行光路与所述第一光波导耦合、下行光路与第二光波导耦合。

还包括设置在同一硅基半导体材料空间的温度检测模块，用于控制芯片温度。

还包括设置于同一硅基半导体材料空间的波长选择光栅、透镜，所述波长选择光栅与所述透镜耦合并经透镜连接外部光传输单元，所述第一光波导与所述波长选择光栅耦合。

单片集成激光机构的集成系统中，由于目前硅本身的材料特性限制，暂时无法实现稳定发光的硅激光器，只能选择目前较为成熟的三五族化合物材料作为激光机构的增益介质，而硅晶格参数与三五族化合物材料的晶格参数不匹配，导致在硅衬底上直接键合三五族化合物激光介质工艺较难实现，并且直接键合后，由于晶格的不匹配依然存在，激光机构的寿命也较短，限制了单片集成芯片的实用时间。