一種光拍頻信號發射芯片及制備方法與流程

本發明涉及通信領域的高速半導體光電器件，特別涉及一種光拍頻信號發射芯片及制備方法。

背景技術：

隨著時代的進步，人們對通信的帶寬及速率的要求越來越高，光載無線通信技術的提出，能夠很好的結合帶寬高速長距離光纖通信以及便捷的短距離無線通信的優勢，同時還能夠通過對復雜通信設備的集中化，大大降低通信系統的成本。在現有技術中，光載無線通信技術發核心思想是在蜂窩網絡采用現有的無線技術，而基站與中心局之間的通信則采用光纖通信，且無線信號通過光電轉換后直接加載到光載波上進行傳輸；而光載射頻信號的產生原理一般是兩束不同波長的激光疊加后產生拍頻，主要有四種低噪聲光載射頻的產生技術，分別基于光頻率梳、光反饋回路、邊摸注入鎖定和光混頻的物理原理，而單一地利用這些效應所產生的光載射頻的系統都存在缺點，導致產生的光載射頻信號難以集成、可調諧范圍小或產生的拍頻信號線寬較寬。

技術實現要素：

本發明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種發射線寬窄、發射頻率可調、可直接調制和體積小的光拍頻信號發射芯片，以及提供其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種光拍頻信號發射芯片，包括微環激光器、多模干涉耦合器、靜態分布式反饋式激光器、動態調制分布式反饋式激光器、輸出定向耦合器與輸出波導和半導體晶元；通過在芯片背面增加共地電極，實現片上器件的注入電流獨立可調；所述的靜態分布式反饋式激光器和動態調制分布式反饋式激光器均與多模干涉耦合器連接，同時，在這兩個分布式反饋式激光器上制作共面金屬傳輸線，完成電信號到光信號的直接上轉換，實現電信號的直接調制和發射；所述多模干涉耦合器、輸出定向耦合器與輸出波導均與微環激光器連接；所述的半導體晶元與光拍頻信號發射芯片中的其他器件連接；其中，光拍頻信號發射芯片利用光混頻、邊模注入鎖定以及光反饋回路的物理機理，輸出一個低噪聲的拍頻信號。

在上述方案中，將這兩個分布式反饋式激光器輸出的信號分別對準微環激光器內兩個激射縱模進行注入鎖定，再由微環激光器光混頻效應產生相位關聯，又由微環激光器的背向散射建立光反饋回路，三種物理機理共同起作用，輸出一個低噪聲的拍頻信號；同時，可通過改變注入電流或改變微環激光器的周長以及調節兩個分布式反饋式激光器的輸出波長對準微環激光器的不同縱模，實現輸出拍頻信號的頻率可調。

進一步的，所述的微環激光器、多模干涉耦合器、靜態分布式反饋式激光器、動態調制分布式反饋式激光器和輸出波導均為脊形結構，其中脊形臺寬度范圍在500nm～10mm；所述的微環激光器的周長范圍在50mm～5000mm；所述的靜態分布式反饋式激光器和動態調制分布式反饋式激光器的光柵周期范圍在50nm～10mm，并在其上面制作的共面金屬傳輸線和信號線與底線之間的間距范圍在5mm～500mm。

進一步的，所述的輸出波導上分有介質材料填充，其厚度范圍在100nm～5mm。

其中，本發明還提供動態調制分布式反饋式激光器的制備方法，該方法包括以下步驟：

a)在半導體襯底上依次外延生長n型半導體層，多量子阱有源芯層，以及p型半導體層；

b)依次對外延生長完畢的晶圓進行掩膜生長、圖形產生、臺階刻蝕，得到脊波導、外圍脊形臺和晶圓臺面；

c)在晶圓上依次沉積鈍化層和介質層；

d)在晶圓上依次旋涂光刻膠，曝光，熱回流，等離子體刻蝕，制備電極接觸窗口；

e)在晶圓上進行金屬沉積，制備傳輸線信號電極、傳輸線地電極和背面共地電極。

進一步的，所述的鈍化層的材料為二氧化硅或氮化硅，通過在鈍化層上方增加介質層，實現脊形臺的平坦化，使得點傳輸與半導體有良好接觸而不發生斷裂。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明結合了單一光反饋回路、邊模注入鎖定以及光混頻技術的優點，通過三種技術的共同使用，減小了輸出信號的線寬，提高了輸出信號的質量；同時，通過在某一個分布式反饋式激光器上制作電傳輸線，完成電信號到光信號的轉換，實現電信號的直接調制和發射；因此，本發明具有發射線寬窄、發射頻率可調、可直接調制和體積小等特點。

附圖說明

圖1為本發明光拍頻信號發射芯片整體結構圖。

圖2為本發明動態調制分布式反饋式激光器的剖面結構圖。

圖3為本發明動態調制分布式反饋式激光器的制備方法流程示意圖。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺寸；

對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。

本發明的光拍頻信號發射芯片整體結構圖如圖1所示，包括微環激光器1、多模干涉耦合器2、靜態分布式反饋式激光器3、動態調制分布式反饋式激光器4、輸出定向耦合器與輸出波導5和半導體晶元6；所述的靜態分布式反饋式激光器3和動態調制分布式反饋式激光器4均與多模干涉耦合器2連接；所述多模干涉耦合器2、輸出定向耦合器與輸出波導5均與微環激光器1連接；所述的半導體晶元6與光拍頻信號發射芯片中的其他器件連接。

其中，所述的微環激光器1、多模干涉耦合器2、靜態分布式反饋式激光器3、動態調制分布式反饋式激光器4和輸出波導均為脊形結構，其中脊形臺寬度范圍在500nm～10mm；所述的微環激光器1的周長范圍在50mm～5000mm；所述的靜態分布式反饋式激光器3和動態調制分布式反饋式激光器4的光柵周期范圍在50nm～10mm，并在其上面制作的共面金屬傳輸線和信號線與底線之間的間距范圍在5mm～500mm；所述的輸出波導上分有介質材料填充，其厚度范圍在100nm～5mm。

在本實施例中，通過在芯片背面增加共地電極，實現片上器件的注入電流獨立可調；同時，在兩個分布式反饋式激光器上制作共面金屬傳輸線，在寬頻帶上實現阻抗匹配，完成電信號到光信號的直接上轉換，實現電信號的直接調制和發射；同時，這兩個分布式反饋式激光器輸出的信號分別對準微環激光器內兩個激射縱模進行注入鎖定，再由微環激光器光混頻效應產生相位關聯，又由微環激光器的背向散射建立光反饋回路，三種物理機理共同起作用，使得三個激光器達到互相鎖定的狀態，兩個被注入鎖定的縱模疊加輸出一個低噪聲的拍頻信號。

其中，可通過改變注入電流或改變微環激光器的周長以及調節兩個分布式反饋式激光器的輸出波長對準微環激光器的不同縱模，實現輸出拍頻信號的頻率可調。

在上述方案中的動態調制分布式反饋式激光器的剖面結構圖如圖2所示，包括分布反饋式激光器的脊波導401、外圍脊形臺402、有源芯層403、半導體襯底404、鈍化層405、介質層406、傳輸線信號電極407、傳輸線地電極408、背面共地電極409。

同時，本發明的動態調制分布式反饋式激光器的制備方法流程示意圖如圖3所示，具體工藝步驟如下：

a)在半導體襯底404上依次外延生長n型半導體層，多量子阱有源芯層403，以及p型半導體層；

b)依次對外延生長完畢的晶圓進行掩膜生長、圖形產生、臺階刻蝕，得到脊波導401、外圍脊形臺402和晶圓臺面；

c)在晶圓上依次沉積鈍化層405和介質層406；

d)在晶圓上依次旋涂光刻膠，曝光，熱回流，等離子體刻蝕，制備電極接觸窗口；

e)在晶圓上進行金屬沉積，制備傳輸線信號電極407、傳輸線地電極408和背面共地電極409。

所述的鈍化層的材料為二氧化硅或氮化硅，通過在鈍化層上方增加介質層，實現脊形臺的平坦化，是電傳輸與半導體有良好接觸而不發生斷裂。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。