一种发射太赫兹信号的混合集成系统及其芯片

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，更具体的说是涉及一种发射太赫兹信号的混合集成芯片，可以应用于医疗诊断、天文、物体成像、工业探伤、宽带移动通信，雷达探测等众多领域。

背景技术

传统无线通信分为无线射频通信和无线光通信，其中无线射频通信载波频率范围为：10KHz-300GHz，无线光通信频率范围为：1012-1017Hz。随着现代社会的发展，对无线通信速率的要求不断提高，利用太赫兹波作为载波进行无线通信成为现代通信技术发展的必然。

太赫兹(THz)波的频率在0.1-10THz之间，是介于微波和红外之间的一种相干电磁辐射，主要应用在光谱、成像和通信领域。

太赫兹通信技术建立在传统无线通信的基础之上，太赫兹通信系统具有带宽大、传输速率高、保密性好等特点。因此，太赫兹通信技术可以实现更高速率的信息传输，抢占带宽资源，这不仅具有很高的经济价值，还具有非常高的战略意义。

另一方面，由于太赫兹频段光子能量较低，不会对被测物体造成损坏，并且对某些非极性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫兹波的穿透性和安全性等优点进行成像技术开发，可对被测物体进行成像，从而实现无损检测和安全检查。

因此，如何提供一种产生信号频率范围广、可稳定发射且可实现信号的连续调制的发射太赫兹信号的结构，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种发射太赫兹信号的混合集成系统及其芯片，旨在解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种发射太赫兹信号的混合集成芯片，包括芯片本体，以及集成在所述芯片本体上的激光器模块、y波导合波模块和高速大带宽PD模块；所述激光器模块的数量为两个，两个所述激光器模块通过y波导合波模块与所述高速大带宽PD模块连接，两个所述激光器模块输出信号到所述y波导合波模块中实现混频，并通过所述高速大带宽PD模块对混频后的信号进行处理，输出太赫兹信号。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，用于拍频的所述激光器模块之间拥有固定的频率差，混频后产生和频和差频信号。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，所述高速大带宽PD模块采用宽带宽高响应的高速大带宽PD模块。使用设计的波导型高速大带宽PD可以有效降低PD器件结面积，获得大带宽与高响应。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，输出信号频率的调节通过改变拍频的所述激光器模块的频率实现，拍频的两个所述激光器模块之间的频率差决定了输出太赫兹信号的频率。不同频率激光器集成为阵列在器件中，实现输出0.1-1.8THz范围太赫兹信号。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，所述激光器模块、所述y波导合波模块和所述高速大带宽PD模块之间的键合使用PWB技术打线，以降低光耦合损耗。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，通过调节外加电压实现所述激光器模块的波长频率的可调，结合所述激光器模块阵列实现输出信号的连续变化。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，所述y波导合波模块由三根单模波导组成。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，三根所述单模波导的汇合处，以及所述激光器模块出光口与所述单模波导的连接处均采用光子引线键合进行连接。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，所述高速大带宽PD模块上沉积微带线输出信号。

优选的，在上述一种发射太赫兹信号的混合集成芯片中，所述激光器模块为分布反馈激光器。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种发射太赫兹信号的混合集成芯片，该芯片集成激光器与PD，通过双波长拍频打到高速大带宽PD中，可以实现太赫兹高频信号的输出。其中，双波长拍频由两个激光器的输出光经过y波导合波后产生高频和低频信号，将这个信号打到高速大带宽PD中，由于PD带宽的限制，会滤掉低频信号，高频信号与PD 相作用，产生可输出的太赫兹信号。

芯片集成不同频率的激光器为阵列，可生成固定频率间隔的光打到大带宽高响应的PD中，波导与波导的连接处使用光子引线键合(PWB)，以降低光耦合损耗。激光器可通过电压调制激射波长，结合激光器阵列可以精准实现0.1-1.8THz范围内信号的连续可调，具有响应快、损耗低等特点。

本发明公开的一种可实现太赫兹信号的混合集成系统及其芯片，产生信号频率范围广、可稳定发射且可实现信号的连续调制，其特性在于使用两个激光器拍频打到高速大带宽PD器件中，以产生稳定且可调的太赫兹信号，使用PWB技术精准集成，光耦合效率高。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的激光器结构示意图；

图2附图为本发明提供的激光器与y波导集成示意图；

图3附图为本发明提供的电极示意图；

图4附图为本发明提供的UTCPD结构示意图；

图5附图为本发明提供的锥形PWB波导连接激光器和单模硅波导示意图；

图6附图为本发明提供的芯片示意图。

其中：

1-激光器模块；2-高速大带宽PD模块；3-y波导合波模块；4-芯片本体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本芯片由三个模块构成，分别为激光器模块1、y波导合波模块3和高速大带宽PD模块2，对应出光、合波、生成信号三个过程。

如图1所示，集成在本芯片中的激光器模块1为分布反馈激光器(DFB 激光器)，设计光栅周期使得激光器模块1工作在1550nm波段，设计激光器波导为单模波导，以保证其在1550nm通信波段的输出光具有比较好的特性。

集成在该芯片上的激光器模块1保持固定的频率间隔，两个相邻的激光器出光口与y波导相连，相近频率的光通过y波导混频，连接到高速大带宽 PD中实现太赫兹信号的输出。

混频的原理是两个频率ω1和ω2的正弦波信号相乘，产生“和频”跟“差频”。

得到频率相加的上变频cos((ω

两个激光器与y波导集成之后的结构示意图如图2所示，其中激光器出光口与y波导的连接处、y波导的汇合处使用光子引线键合进行连接以降低光耦合损耗，能很好地提升芯片性能。

如图2中的方向，在y波导结构的右边仅由一根单模波导组成，它支持一个特征模，其横向场分布为E

当输入光在左边时，输入光可写为：

针对输入为对称模情形：

该芯片提供的PD采用掺杂P区作为光吸收区，结合PIN结作为单极性电子输运结构而组成，光吸收和光生电子集结分开在不同的区域进行，只使用电子作为有源载流子。其结构示意图如图4所示。其中在p型半导体与n 型半导体中间加上一层较厚的本征层(i型层)，利用非掺杂的本征层可以抑制由于材料的不连续引起的能带突变，减小电流阻塞，促进电子输运。PIN结中存在内建电场的区域是整个i型层加上两边的空间电荷区，因此势垒区很宽。在PIN结上加反向偏置电压可以减小空间电荷区，增大内建电场，使得载流子更快地穿过结区，获得更大的载流子输运速率。

在收集层与衬底之间设置波导层，使之与i型层的折射率、传播常数匹配，这样光模场就会向上偏移，从而波导的输入光就能耦合到p型吸收层中，实现PD输入光的波导入射。在吸收层和收集层之间增加与之晶格匹配的本征材料层，来增加导带的连续性。同理，设置扩散阻隔层，增加扩散阻隔层与吸收层之间界面的导带不连续性，实现电子的单向移动。

通过仿真聚合物波导结构与激光器模斑耦合效率，确定了与激光器端面最优化的PWB聚合物波导尺寸，并且在0.5μm的误差范围内，耦合效率大于90％，工艺加工容差范围较大。另一方面，由于各个光学器件的端面模斑尺寸差异大，在传输的过程中不可避免的存在损耗。本芯片使用PWB波导设计为锥形如图5所示，利用缓变的结构达到模斑转换的效果。聚合物波导锥形结构耦合效率更好，损耗更低。

将上述三大模块集成在芯片本体4上后，在PD上沉积微带线输出信号。芯片组成示意图如图6所示。

1、本发明包含的PWB混合集成技术：

光子引线键合(Photonic Wire Bonding,PWB)，使用光波导而非传统的金属来实现不同光芯片、芯片与光纤之间的互联。是在光刻胶中利用双光子曝光原理引起多光子聚合效应，再结合3D打印技术可实现任意形状的聚合物波导结构。本发明使用自由基聚合型光刻胶IP-Dip，无需烘烤固化，且不需要使用石英玻璃覆盖，镜头直接浸没在光刻胶里，可以避免像差。

具体来说，PWB方案可以细分为如下步骤：

1)将不同的光芯片放置在同一基片上。可以设计基片的形状，补偿不同芯片间的高度差。两个芯片间的距离受激光写场大小的限制。

2)使用丙酮、酒精等清洗光芯片，在需要互联的两芯片间沉积光刻胶。

3)基于机器视觉技术，借助于marker识别需要互联的区域，曝光形成 PWB。PWB的形状可根据芯片间的距离、MFD等参数做相应的调整。

4)去除未曝光的光刻胶。

2、激光器的制作流程

首先进行取样光栅的制作，做好光栅后进行单模波导的刻蚀，镀氧化膜做电隔离，开电极窗口，以及正蒸镀电极、减薄、蒸镀负电极。最后解离成 bar条，进行端面镀膜。

1)取样光栅的制作

取样光栅的制备方法为：首先在晶片上旋涂光刻胶，之后利用全息曝光技术在基片上形成均匀光栅，然后使用设计好的具有取样结构的掩模版进行接触式二次曝光，得到取样光栅图形。之后再通过显影、刻蚀将曝光图形转移到基片上得到取样光栅结构。其中，基本光栅周期根据设计的激光器波长确定，也即布拉格波长附近。

2)激光器的制作

本发明提供的激光器一端采用抗反射膜，抗反射膜的端面反射率范围在 0.05％到1％的范围内，另一端采用高反射膜，反射率在95％以上，从而能够增加激光器的出光功率。激光器工作在1550波段，光栅周期的值需要根据具体的所需要的激射波长设计。

3、本发明提供的高速大带宽PD

通过分子束外延(MBE)的方法生长该高速大带宽PD的薄层，以实现对组分、厚度以及掺杂的精准控制。外延结构从下往上主要包括衬底、n型接触层、波导层、n型收集层、i型本征层、p型吸收层、扩散阻隔层，p型接触层。层与层之间考虑到晶格匹配的问题，设计组分层的渐变，尽可能减少应力和其造成的压电极化可能会带来的影响。

为了实现大带宽，PD的面积需要设计得比较小，这对加工精度的要求很高。电子束曝光的精度可以达到纳米量级。在该芯片中使用电子束曝光技术刻蚀出PD的结构并在其上沉积电极，可以很好地实现PD的小面积以及电极、波导等图案。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。