[发明专利]一种集成光子芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本专利涉及光学、集成光电子学、纳米材料、纳米加工、纳米测量、仪器科学等多学科交叉的前沿研究领域。

背景技术

“Lab-on-a-Chip”技术的诞生和发展使得不同的器件或不同的实验阶段的集成成为可能。相对于传统的技术来讲，该技术具有很明显的优势，包括减少了外加的实验设备、也降低了集成器件与外界接触的风险，缩短了分析时间、降低了加工成本，同时更容易使用。“Lab-on-a-Chip”技术由最初的仅仅用于生物医学领域到目前广泛应用于不同领域，这对于光学集成的新方法的诞生具有非常重要的引领作用。

基于“Lab-on-a-Chip”技术，目前使用最多的光学集成方法可以分为两类，即单片集成和混合集成。单片集成在光电子集成电路的制备中是最常用的方法，但是这种方法在实现不同器件的复杂集成中存在局限，这种情况下混合集成相对具有优势。Now-defunct Hommelwerke Sensor GmbH (Villigen-Schwennigen，Germany)和Electronics and Information Technology Laboratory研究开发了最早的的集成芯片并用于了位移测量，1989年Compagnie des Senseurs Optiques实现了产业化。该集成芯片采用混合集成的方法，集成了780nm的激光器、准直透镜和两个光探测器。

发明内容

本发明提出一种集成光子芯片，把基于纳米线阵列的可调谐激光器、集成波导型光隔离器、基于表面等离子体的光耦合器和光探测器集成在同一光学芯片上。同时提出了芯片的制备和集成方法。具体如下：

1)根据纳米表面形貌的测量要求，设计出基于纳米线阵列的可调谐激光器的结构、几何尺寸和加工工艺，研制激光器并采用合适的测试和表征方法对其性能进行测试分析，包括几何特征的测量及物理性能的测试。

2)研制集成光隔离器、光耦合器和光探测器。

3)集成激光器、光隔离器、光耦合器和光探测器，实现光子芯片。

本发明的有益效果是：

分别把基于纳米线阵列的可调谐激光器、集成波导型光隔离器、基于表面等离子体的光耦合器和光探测器制作成为单独的‘子芯片’。在此基础上，把这些单独的‘子芯片’通过混合集成的方法集成到同一‘母芯片’上，形成具有特定功能的集成芯片。

附图说明

图1集成光子芯片示意图。

具体实施方式

如图1所示，集成光子芯片由基于纳米线阵列的可调谐激光器1、集成波导型光隔离器2、基于表面等离子体的光耦合器3和光探测器4组成。首先把激光器1、光隔离器2、光耦合器3和光探测器4分别集成到单独的“子芯片”，然后把这些“子芯片”集成到母板5上，形成集成光子芯片。

根据各“子芯片”的尺寸和结构特点以及图2中的各器件之间的相互关系设计“母芯片”，采用混合集成的方法把不同的“子芯片”集成到“母芯片”上。保证“子芯片”在“母芯片”上的准确定位，并不断调整“子芯片”之间的位置关系，使光子芯片中的光损耗达到设计指标。

本发明中的光探测器的研制采用已有技术，而对于可调谐激光器、光隔离器和光耦合器的研制提出了新的设计和制备方法：

基于纳米线阵列的可调谐激光器1：包括金属薄膜电极、纳米线和绝缘基底；不同波长纳米线在绝缘基底上依次均匀排列，纳米线的两端均覆盖金属薄膜电极形成正负极，金属薄膜电极与绝缘基底接触；在金属薄膜电极上加电压，从而使纳米线两端产生激光。

集成波导型光隔离器2：包括硅基底、SiO₂层和SiO₂层上溅射生长的CeYIG磁光薄膜。

基于表面等离子体的3光耦合器：包括基底和波导层，而波导层由半导体薄膜及其上的金属颗粒共同组成。