铌酸锂光收发器及其形成方法

技术领域

本公开涉及光子集成芯片技术领域，涉及但不限于一种铌酸锂光收发器及其形成方法。

背景技术

由于铌酸锂(LiNbO

然而，目前铌酸锂薄膜光调制器大部分都是单个的器件，较少与光源、光探测器及电驱动芯片实现异质集成，在实际应用过程中存在不足。

发明内容

本公开实施例提供一种铌酸锂光收发器及其形成方法。

第一方面，本公开实施例提供一种铌酸锂光收发器，包括：铌酸锂调制器芯片，以及倒装堆叠在所述铌酸锂调制器芯片上的探测器芯片、激光器芯片、电驱动芯片和跨阻放大器芯片；其中：所述电驱动芯片用于向所述铌酸锂调制器芯片中的调制电极提供调制驱动电压，以使得铌酸锂调制器对所述激光器芯片产生的光信号进行调制；所述探测器芯片，用于对调制后的光信号进行探测并转换为电信号；所述跨阻放大器电芯片，用于对所述电信号进行放大。

在一些实施例中，所述铌酸锂调制器芯片包括：衬底、位于所述衬底上的脊型光波导和所述调制电极；其中，所述脊型光波导包括：铌酸锂薄膜和位于所述铌酸锂薄膜上的氮化硅光波导，或位于所述铌酸锂薄膜中的铌酸锂脊型光波。

在一些实施例中，所述电驱动芯片和所述调制电极通过倒装实现互连；所述跨阻放大器芯片与所述探测器芯片上的金属电极通过倒装实现互连；所述激光器芯片与外围供电电路通过金属打线方式连接。

在一些实施例中，所述脊型光波导包括2×2分束器、马赫曾德尔波导和2×2合束器；其中，所述2×2分束器的输出端通过所述马赫曾德尔波导与所述2×2合束器的输入端连接。

在一些实施例中，所述调制电极包括差分驱动电极；所述铌酸锂薄膜为Z-切，且射频电场垂直穿过所述脊型光波导；或，所述调制电极包括单端推挽式GSG驱动电极，所述铌酸锂薄膜为X-切。

在一些实施例中，所述差分驱动电极包括差分GSGSG驱动电极或差分GSSG驱动电极；其中，S

在一些实施例中，所述铌酸锂调制器芯片还包括：加热金属薄膜，用于所述铌酸锂调制器偏置点调控，和/或所述铌酸锂调制器终端电阻匹配。

在一些实施例中，所述脊型光波导还包括：2×4多模干涉仪混频器，用于实现相干光信号的解调。

第二方面，本公开实施例提供一种铌酸锂光收发器的形成方法，包括：提供铌酸锂调制器芯片；在所述铌酸锂调制器芯片上倒装探测器芯片、激光器芯片、电驱动芯片和跨阻放大器芯片；其中，所述电驱动芯片用于向所述铌酸锂调制器芯片中的调制电极提供调制驱动电压，以使得铌酸锂调制器对所述激光器芯片产生的光信号进行调制；所述探测器芯片，用于对调制后的光信号进行探测并转换为电信号；所述跨阻放大器电芯片，用于对所述电信号进行放大。

在一些实施例中，在所述铌酸锂调制器芯片上倒装探测器芯片、激光器芯片、电驱动芯片和跨阻放大器芯片，包括：在所述调制电极上依次形成第一焊盘和与所述第一焊盘连接的所述电驱动芯片；在所述铌酸锂调制器芯片中的覆盖层中形成所述激光器芯片和所述探测器器芯片；在所述覆盖层上形成与所述探测器芯片连接的金属电极；在所述金属电极上依次形成第二焊盘和与所述第二焊盘连接的所述跨阻放大器电芯片。

本公开实施例中，通过倒装工艺将电驱动芯片、探测器芯片、激光器芯片、跨阻放大器芯片和铌酸锂调制器芯片集成在一起。这样，一方面，集成了其他关键功能芯片，实现了对这些芯片的三维堆叠集成，形成了铌酸锂光收发器，具有制备工艺容忍度大、高集成度、小尺寸、高速率的特点；另一方面，降低高频走线长度，有利于提高信号质量和完整性，也充分实现发挥了各个元件的性能优势；此外，集成了光信号的发射端和接收端，使光源、探测器、调制器实现互连。

附图说明

在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1为本公开实施例提供的一种铌酸锂光收发器的形成方法的实现流程示意图；

图2至图9为本公开实施例提供的一种铌酸锂光收发器的组成结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本公开更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本公开可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本公开发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本公开教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本公开必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本公开的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在介绍本公开实施例之前，先对相关技术进行介绍。

硅光子是基于硅和硅基衬底材料例如硅锗/硅(SiGe/Si)、绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)等，利用现有互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性，因而能够实现大规模生产和降低成本。光调制器和探测器都是硅基光子学的核心有源器件。

基于载流子色散效应实现的纯硅光调制器的带宽上限约为80吉赫(GHz)，现阶段很难有提升的空间。铌酸锂薄膜光调制器理论带宽可以达到500GHz，发展前景十分诱人，近几年国内外发展速度十分迅速。三五族及锗硅光探测器带宽上限较高，目前已经报道实现了265GHz。因此，铌酸锂薄膜光调制器和光探测器实现光子芯片集成将是一个技术趋势，有效解决现在带宽受限的问题。更进一步地，将光子芯片、电芯片和激光器芯片通过三维堆叠，实现异质集成的方式将进一步提高芯片的整体性能。

相关技术中有以下两种LN薄膜光调制器异质集成方案：方案(1)将未刻蚀的LN薄膜直接倒装在CMOS工艺加工后的硅基芯片上，形成异质集成有其他硅基无源器件和锗硅光探测器等部件；方案(2)是将刻蚀后的LN薄膜倒装在CMOS工艺加工后的硅基芯片上，两者具有一定的相似性。

相关技术中的铌酸锂薄膜光调制器大部分都是单个的器件，较少与光源、光探测器及电驱动芯片实现异质集成的方案，在实际应用过程中存在不足。具体来说如下：(1)单个铌酸锂薄膜光调制器虽然性能优异，但与其他光子芯片集成时，性能劣化及工艺兼容性和大规模生产需要解决；(2)铌酸锂薄膜光调制器与电驱动芯片集成方式局限于金丝打线，会引入高频损耗和信号质量下降；(3)铌酸锂薄膜光调制器与其他光子芯片结构集成时，工艺误差容忍度低，性能劣化严重；(4)尚未集成激光器。

本公开实施例提供一种铌酸锂光收发器的形成方法，参考图1，该方法包括步骤S101和步骤S102，其中：

步骤S101，提供铌酸锂调制器芯片；

这里，铌酸锂晶体具有较好的热电效应、压电效应、弹光效应、电光效应等。电光效应是指在直流电场(或低频电场)的作用下引起材料折射率明显变化的一种现象，也就是说外加电场改变了介质的光学性质。在某些材料中折射率的变化与所加电场的强度成线性关系，即线性电光效应，也称普克尔斯(Pockels)效应。线性电光效应可认为是入射光场与直流电场混合作用在物质中产生的二阶非线性极化，由于线性电光效应是用二阶非线性极化率描写的，因此它只能在具有空间非对称的晶体中发生。由于高阶效应要比一次效应弱的多，所以在铌酸锂晶体中，我们只需考虑线性电光效应。

铌酸锂调制器芯片中包括铌酸锂调制器；其中，铌酸锂调制器利用的是铌酸锂晶体的电光效应来把电信号转化为光信号。铌酸锂调制器可以为铌酸锂光调制器，铌酸锂光调制器亦可用于构建相干光调制器芯片、相位调制器芯片、偏振光调制器芯片，本公开实施例对此并不限定。

在铌酸锂相位调制器中，对于不同的电场方向，应该选择合适的晶体取向，以便获得最大的电光系数。当电极电场方向平行于铌酸锂薄膜表面，应该选择X切(晶体的横截面与X轴平行)Y传的铌酸锂薄膜，或者选择Y切(晶体的横截面与Y轴平行)X传方向传播的铌酸锂薄膜。当电极电场方向垂直于铌酸锂薄膜表面，应该选择Z切(晶体的横截面与Z轴平行)的铌酸锂薄膜。这样可以充分利用铌酸锂的最大电光系数γ

铌酸锂调制器芯片可以包括衬底、位于衬底上的脊型光波导和调制电极。脊型光波导可以采用干法刻蚀脊形光波导、湿法腐蚀脊形光波导、镀条形膜形成等效脊形光波导以及离子热扩散、离子交换等方法。在一些实施例中，脊型光波导可以包括铌酸锂薄膜和位于铌酸锂薄膜上的氮化硅光波导。在一些实施例中，脊型光波导也可以包括位于铌酸锂薄膜中的铌酸锂脊型光波导。

在一些实施例中，在脊型光波导包括铌酸锂薄膜和位于铌酸锂薄膜上的氮化硅光波导的情况下，步骤S101的实施可以包括步骤S1011至步骤S1014，其中：

步骤S1011，提供衬底；

这里，衬底可以采用硅衬底；当然，衬底也可采用石英衬底、铌酸锂衬底或者其他合适的衬底。

步骤S1012，在衬底上形成铌酸锂薄膜；

这里，铌酸锂薄膜的厚度可以为200纳米(nm)至800纳米，例如，铌酸锂薄膜的厚度为500nm。

步骤S1013a，在铌酸锂薄膜上形成氮化硅光波导，以形成脊型光波导；

这里，可以在铌酸锂薄膜上通过以下沉积工艺形成氮化硅薄膜，例如，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺、物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition，PVD)工艺、原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)工艺、等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺等。之后，刻蚀氮化硅薄膜形成氮化硅光波导。本公开实施例中的脊型光波导包括铌酸锂平板光波导和氮化硅光波导。在实施时，氮化硅光波导可以将光场转换到铌酸锂平板光波导中继续传输，从而实现对光的调制。

在一些实施例中，还可以通过键合的方式使氮化硅光波导和铌酸锂薄膜相结合，从而可以将高折射率材料、成熟的光波导刻蚀工艺与未刻蚀的铌酸锂薄膜结合起来，这样的结合不仅可以避免直接刻蚀铌酸锂薄膜而带来的困难，而且可以较好地发挥铌酸锂薄膜的电光以及非线性等性能。

在一些实施例中，在脊型光波导包括位于铌酸锂薄膜中的铌酸锂脊型光波导的情况下，步骤S1013a可以替换为步骤S1013b，在铌酸锂薄膜中形成铌酸锂光波导，以形成脊型光波导。

这里，可以先在铌酸锂薄膜上形成掩膜层，掩膜层的材料可以是二氧化硅或者氮化硅。其次，在掩膜层上刻蚀出光波导掩膜窗口，也就是在掩膜层上刻蚀出光波导图形；之后，采用退火质子交换法或钛扩散工艺等合适方法在铌酸锂薄膜上形成光波导。

步骤S1014，在脊型光波导上形成调制电极，以形成铌酸锂调制器芯片。

这里，可以通过镀膜工艺形成金属薄膜，之后电镀在金属薄膜上形成调制电极。调制电极的材料可以包括金或铝等其他合适的材料。调制电极可以为行波电极，行波电极可以包括差分驱动电极，或者单端推挽(Push-Pull)式GSG驱动电极。

其中，差分驱动电极为金属微波信号波导或非金属导体波导。在实施时，差分驱动电极可以由金属微波信号波导构成，也可以由非金属导体材料构成。金属微波信号波导可以为GSGSG(地-信号-地-信号-地)结构，也可以为SS(信号-信号)或GSSG(地-信号-信号-地)等差分电极结构。在一些实施例中，差分驱动电极的结构也可以是一些变种电极结构，如在SS差分电极结构上添加轨道部分形成带轨道的差分电极结构，同样也可以添加各种派生结构，本公开实施例对此并不限定。

步骤S102，在铌酸锂调制器芯片上倒装探测器芯片、激光器芯片、电驱动芯片和跨阻放大器芯片。

其中，激光器芯片用于产生激光。激光器芯片可以包括一个产生激光的激光器；激光器芯片可以集成多个激光器，通过一个激光器芯片即可实现多波长的光的输出。

激光器芯片倒装在铌酸锂调制器芯片上，激光器芯片可以与铌酸锂调制器芯片中的氮化硅光波导耦合，将激光器芯片产生的激光通过倏逝波耦合等方式耦合到氮化硅光波导；本公开实施例还可以采用其他方式将激光高效耦合至氮化硅光波导中。

电驱动芯片(Driver)用于向调制电极提供调制驱动电压，以使得铌酸锂调制器对光信号进行调制。电驱动芯片向铌酸锂调制器提供驱动电压，通过驱动电压变化可以实现对铌酸锂调制器中的马赫曾德尔结构的干涉臂折射率的控制，从而实现激光信号相位的变化，进而改变激光信号的光强。

探测器芯片用于进行光电转换，将接收的高速调制的光信号转换为电信号；探测器芯片可以为半导体光电二极管探测器芯片。跨阻放大器(Trans-ImpedanceAmplifier，TIA)芯片应用于将电流放大至电压的场景，例如光电探测器探测信号的放大。由于是将电流放大为电压，增益定义为输出电压除以输入电流，增益的单位是电阻，因此将这种类型的放大器称为跨阻放大器。

经探测器芯片得到的电信号通过电感电容输入到TIA芯片，经TIA放大后通过引线输入到外部电路。通过选择合适的电感和电容，本公开实施例中的探测器芯片可以大大增大探测器芯片的有效接收带宽，从而利用低成本和低带宽探测器芯片实现高速光信号的接收。

倒装芯片(Flip-chip)是相对于传统的金属线键合连接方法与植球后的工艺而言的。传统的通过金属线键合与基板连接的芯片电气面朝上，而倒装芯片的电气面朝下，相当于将前者翻转过来，故称为倒装芯片。

在实施时，可以在铌酸锂调制器芯片中的调制电极上形成金属焊盘，通过金属焊盘将调制电极和电驱动芯片连接起来，形成铌酸锂光收发器，这样可以降低高频走线长度。

在一些实施例中，步骤S102可以包括步骤S1021至步骤S1024，其中：

步骤S1021，在调制电极上依次形成第一焊盘和与第一焊盘连接的电驱动芯片；

这里，可以采用化学气相沉积、物理气相沉积、等离子增强化学气相沉积、溅射工艺、电镀工艺等合适的工艺形成导电材料，以形成第一焊盘。导电材料可以包括金(Au)、铟(In)和金锡合金(AuSn)中的一种。在其他实施例中，还可以采用金丝植球机在调制电极上形成第一焊盘，这样，制作简单，工艺效率高，成本低，利于批量生产。

步骤S1022，在铌酸锂调制器芯片中的覆盖层中形成激光器芯片和探测器器芯片；

这里，可以在铌酸锂调制器芯片中的覆盖层中形成两个凹槽，在一个凹槽中形成激光器芯片，在另一个凹槽中形成探测器芯片。

步骤S1023，在覆盖层上形成与探测器芯片连接的金属电极；

这里，金属电极的材料可以是金、钛、铂等合适的金属。

步骤S1024，在金属电极上依次形成第二焊盘和与第二焊盘连接的跨阻放大器电芯片。

这里，第二焊盘的形成方法和材料可以参考第一焊盘，此处不再赘述。

在实施时，探测器芯片距离脊型光波导0至500nm，这样可以保证高耦合效率。铌酸锂调制器芯片与金属电极间距应大于30μm，以便降低射频信号的串扰。

本公开实施例中，通过倒装工艺将电驱动芯片、探测器芯片、激光器芯片、跨阻放大器芯片和铌酸锂调制器芯片集成在一起。这样，一方面，集成了其他关键功能芯片，实现了对这些芯片的三维堆叠集成，形成了铌酸锂光收发器，具有制备工艺容忍度大、高集成度、小尺寸、高速率的特点；另一方面，降低高频走线长度，有利于提高信号质量和完整性，也充分实现发挥了各个元件的性能优势；此外，集成了光信号的发射端和接收端，使光源、探测器、调制器实现互连。

本公开实施例还提供一种铌酸锂光收发器，参考图2，铌酸锂光收发器包括：铌酸锂调制器芯片21，以及倒装在铌酸锂调制器芯片21上的电驱动芯片22、激光器芯片23、探测器芯片24、和跨阻放大器芯片25。

其中，电驱动芯片22用于向铌酸锂调制器芯片21中的调制电极201提供调制驱动电压，以使得铌酸锂调制器对激光器芯片23产生的光信号进行调制。

探测器芯片24，用于对调制后的光信号进行探测并转换为电信号。

跨阻放大器电芯片25，用于对电信号进行放大。

本公开实施例中，通过倒装工艺将电驱动芯片、铌酸锂调制器芯片、探测器芯片、激光器芯片和跨阻放大器芯片集成在一起。一方面，集成了其他关键功能芯片，实现了对这些芯片的三维堆叠集成，形成了铌酸锂光收发器，具有制备工艺容忍度大、高集成度、小尺寸、高速率的特点；另一方面，降低高频走线长度，有利于提高信号质量和完整性，也充分实现发挥了各个元件的性能优势；此外，集成了光信号的发射端和接收端，使光源、探测器、调制器实现互连。

在一些实施例中，参考图4，电驱动芯片22和调制电极201通过倒装实现互连；跨阻放大器芯片25与探测器芯片24上的金属电极26通过倒装实现互连；激光器芯片23与外围供电电路通过金属打线方式连接。这里，打线也叫压焊(Wire Bonding)，也称为绑定、键合或丝焊等，是指使用金属丝例如金线、铝线等，利用热压或超声能源，完成微电子器件中固态电路内部互连接线的连接，即芯片与电路或引线框架之间的连接。

由于铌酸锂薄膜比较硬，刻蚀比较困难。在实施时，可以在铌酸锂薄膜上形成高折射率材料例如氮化硅，让光在氮化硅中传导，通过调节氮化硅的尺寸(宽度和厚度)，形成脊型光波导结构。开始时，氮化硅光波导中的能量较多，在氮化硅光波导中实现分光，一分为二。由于铌酸锂薄膜具有电光效应，而氮化硅没有电光效应，所以期望更多的能量聚集到铌酸锂薄膜中。在实施时，可以调节氮化硅的宽度，使能量更多地逐渐聚集到铌酸锂薄膜中，这样，光场和电场重叠越大，相互作用强度越高，调制效率就越高。

同时参考图2和图3，其中，图3为图2中的脊型光波导的切片图。铌酸锂调制器芯片21包括：衬底202、位于衬底202上的脊型光波导203和调制电极201；其中，脊型光波导203包括：铌酸锂薄膜2031和位于铌酸锂薄膜2031上的氮化硅光波导2032。这样，可以实现光源、探测器和脊型光波导互连，且铌酸锂光波导的光透明窗口支持400nm～3um范围，拓展性强。

在一些实施例中，继续参考图2，铌酸锂调制器芯片21还包括：位于脊型光波导203上的覆盖层204。这里，铌酸锂薄膜材料与覆盖层材料的折射率差可以为0.1～1.2，例如1.0。覆盖层可以采用二氧化硅层或者其他满足折射率要求的材料。

覆盖层可以保护脊型光波导，从而防止物理损伤，并防止折射率高于或接近铌酸锂折射率的其他物质覆盖在脊形光波导的表面，从而破坏或改变铌酸锂脊形光波导的限光结构，导致正常传输光辐射出脊型光波导，使脊型光波导损耗增大。在实施时，调制电极可以位于覆盖层上。

本公开实施例中，采用铌酸锂薄膜和氮化硅光波导异质集成的方式形成脊型光波导，也就是不用刻蚀铌酸锂薄膜，通过沉积氮化硅材料构建光波导结构。这样，一方面不仅可以避免直接刻蚀铌酸锂薄膜而带来的困难，而且可以较好地发挥铌酸锂薄膜的电光以及非线性等性能；另一方面，有利于工艺需求，从而实现大规模生产。

同时参考图4和图5，其中，图5为图4中的脊型光波导的切片图。铌酸锂调制器芯片21包括：衬底202、位于衬底202上的脊型光波导203和调制电极201；其中，脊型光波导203包括：位于铌酸锂薄膜2031中的铌酸锂脊型光波。

在一些实施例中，参考图3或图5，脊型光波导203包括2×2分束器31、马赫曾德尔波导32和2×2合束器33；马赫曾德尔波导32包括两条光波导臂321。其中，2×2分束器31的输出端通过马赫曾德尔波导32与2×2合束器33的输入端连接。也就是说，2×2分束器31和2×2合束器33之间通过两条光波导臂321连接。

这里，2×2分束器和2×2合束器均包括Y分支波导，用于构成铌酸锂调制器中的马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)结构。Y分支波导是集成光学中一种重要的器件单元，它不仅是光束的分波、合波、光调制器、MZI及光开关等光集成器件的基础，还可以单独作为功率分配器或合并器等，而且还能与其他分立元件如激光器集成在一起。一般的Y分支波导由一个入射波导、一个过渡波导和一对输出波导组成。从结构上说，由于折射率的分布和波导宽度的选取不同，可以将其分为对称型和非对称型两种。

在一些实施例中，Y分支波导可以采用对称的二分支光波导结构。其中，二分支波导结构的材料和宽度可以相同，从而使得二分支波导的光传输特性相同。为了防止大的辐射损耗，二分支波导的臂张角可以较小一些。在一些实施例中，Y分支波导可以设计成正余弦型或双圆弧型，从而能有效降低波导分束/合束的传输损耗，且实现更高的集成度。

2×2分束器和2×2合束器均可以是2×2多模干涉仪。在实施时，光波可以由输入光栅进入，通过2×2分束器将光波分为两束，一束经过马赫曾德尔波导32的上光波导臂，一束经过马赫曾德尔波导32的下光波导臂。电驱动芯片向差分电极加载电压，使铌酸锂的折射率发生变化，因此，两束光经过马赫曾德尔波导32的上光波导臂和下光波导臂后会产生相位差，在经过2×2合束器后由于干涉导致输出的光的振幅发生变化，从而实现强度调制。在上下光波导臂完全对称的情况下，若在调制电极上不加电压，则通过上下两个光波导臂汇合后产生直接的激光输出；若在调制电极加有电压，则由于电光感应，从而使得两支路信号出现相位差；根据相位差为0或者π来实现两路激光输出的相干相长或者相干相消，从而完成对激光输出的调制，最终从输出端输出。

在一些实施例中，调制电极与脊型光波导之间的垂直高度范围为500nm至3μm。

在一些实施例中，参考图2，在脊型光波导203包括：铌酸锂薄膜2031和位于铌酸锂薄膜2031上的氮化硅光波导2032的情况下，调制电极201包括差分GSGSG驱动电极，铌酸锂薄膜为Z-切，且射频电场垂直穿过脊型光波导203。如此一来，光场与电场的重叠度较高，可以提高调制效率。

在实施时，差分GSGSG驱动电极中的S

在实施时，S

在一些实施例中，G电极的宽度可以大于S

另外，从图2中可以看出，G电极贯穿覆盖层204与脊型光波导203连接，S

在一些实施例中，在脊型光波导包括铌酸锂薄膜和位于铌酸锂薄膜上的氮化硅光波导的情况下，铌酸锂调制器芯片还包括垂直绝热耦合器。其中，垂直绝热耦合器将氮化硅光波导中的光导入到铌酸锂薄膜中，以及将铌酸锂薄膜中的光导回至氮化硅光波导。

在另一些实施例中，参考图4，在脊型光波导203包括位于铌酸锂薄膜2031中的铌酸锂脊型光波的情况下，铌酸锂薄膜为X-切，调制电极201包括单端推挽式GSG驱动电极。

单端推挽式GSG驱动电极位于马赫曾德尔波导的两条光波导臂的两侧。继续参考图4，光波导臂位于G电极和S电极之间，也就是说G电极和S电极分别位于光波导臂的两侧。单端推挽式GSG驱动电极与脊型光波导垂直高度的范围为500nm至3μm。脊型光波导与单端推挽式GSG驱动电极之间的水平距离大于400nm。

当调制电极采用单端推挽式GSG驱动电极，上、下光波导臂所处电场极性相反，因此产生的相移也相反，使得器件总的相位变化量是单臂相位调制器的两倍，从而可以加快激光的调制速度。

在另一些实施例中，参考图6，在脊型光波导203包括位于铌酸锂薄膜2031中的铌酸锂脊型光波的情况下，铌酸锂薄膜为Z-切，且射频电场垂直穿过脊型光波导203；调制电极201包括差分GSGSG驱动电极。如此一来，光场与电场的重叠度较高，可以提高调制效率。在实施时，差分GSGSG驱动电极中的S

在一些实施例中，参考图7，调制电极201包括差分GSSG驱动电极。电驱动芯片22倒装在G电极、S

在另一些实施例中，参考图8，调制电极201包括差分GSGSG驱动电极。其中，G电极位于覆盖层204中的凹槽中，且G电极的顶表面低于覆盖层204的顶表面，S

在一些实施例中，参考图9，铌酸锂调制器芯片21还包括：加热金属薄膜205，用于铌酸锂调制器偏置点调控，和/或铌酸锂调制器终端电阻匹配。

这里，加热金属薄膜的材料可以为金、铜、锂、铂、钛等金属材料，可以有一定的阻值，比如50欧姆(Ω)或者100Ω，从而实现对波导进行加热以及对终端电阻进行匹配。

由于在实际工作中，铌酸锂调制器的偏置工作点会随带电时间、环境温度变化等产生漂移，因此，需要利用控制电路对加热金属薄膜(即偏置电极)上施加的直流电压大小进行调整控制。通过在铌酸锂调制器芯片上的加热金属薄膜上加上直流电压，可以施加合适的相位差给第一分支波导(即为上光波导臂)和第二分支波导(即为下光波导壁)中的传输光，从而控制铌酸锂调制器的工作点，使其工作在线性工作点(即偏置相位为π/2)、功率最小点(即偏置相位为π)或者功率最大点(即偏置相位为0)上。

在一些实施例中，脊型光波导还包括：2×4多模干涉仪混频器，用于实现相干光信号的解调。2×4多模干涉仪混频器适用于相干光信号检测，提取出光的相位信息。

本公开实施例中提供一种三维堆叠集成有激光器、铌酸锂薄膜调制器、光探测器及Driver和TIA芯片的铌酸锂光收发器，具有制备工艺容忍度大、高集成度、小尺寸、高速率的特点。参考图2、图4、图6、图7、图8或图9，该光收发器包括铌酸锂薄膜区(即为铌酸锂调制器芯片21)、探测器芯片区(即为探测器芯片24)、激光器芯片区(即为激光器芯片23)、电芯片区(即为电驱动芯片22和跨阻放大器芯片25)。

其中，探测器芯片区、激光器芯片区、电芯片区倒装堆叠在铌酸锂薄膜区，形成三维集成光收发器。

铌酸锂薄膜区包括脊型光波导203、调制电极201、加热金属薄膜205(参考图9)、及衬底202(例如石英衬底)；脊型光波导203与激光器芯片23耦合，将连续光引导至铌酸锂光波导，构建MZI架构后，再配合调制电极201及电驱动芯片22，形成调制区，实现光信号发射。在光信号调制端，亦可用于实现相干光调制器信号的发射。

在光信号接收端，脊型光波导203将光信号耦合至探测器芯片区，再配合TIA芯片，实现光信号到电信号的转变与放大。

对于具体的脊型光波导类型、调制电极的类型、位置以及铌酸锂薄膜的切割方式等均可以参考其他实施例。

下面将对本公开实施例中的铌酸锂光收发器的工作过程进行详细说明：

首先，激光器芯片产生激光。其次，将产生的激光通过倏逝波耦合等方式将激光高效耦合到氮化硅光波导中，激光在氮化硅光波导中一分为二，光逐渐传导至铌酸锂薄膜中。

之后，通过电驱动芯片向调制电极上施加电压，改变铌酸锂薄膜的折射率，从而使经过马赫曾德尔波导的上光波导臂和下光波导臂的两束光产生相位差，在经过2×2合束器后由于干涉导致输出的光的振幅发生变化，从而实现强度调制。

最后，探测器芯片对调制后的光信号进行探测并转换为电信号；跨阻放大器电芯片将上述电信号进行放大。

在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过非目标的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

本公开所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。

以上所述，仅为本公开实施例的一些实施方式，但本公开实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开实施例的保护范围之内。因此，本公开实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。