硅光芯片及其形成方法、激光雷达系统与流程

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种硅光芯片及其形成方法、激光雷达系统。

背景技术：

天气的预测对于我们人类活动是一个很重要的内容。现在，随着人们日常需求的增加以及各种领域(新能源、海洋捕鱼、机场天气预警、森林防火等)的需求不断增长，我们对于测风系统有了更高的要求。

现有的测风系统有传统的机械式的以及相对新型的微波或者激光雷达系统。传统的机械式的相对简单、体积小，但是只能测量附近的实时风速。而现有的微波或者激光雷达测风系统虽然距离远，精度相对较高，但是还有体积大，系统复杂，价格昂贵等缺点。

现在，随着半导体光电子领域的发展，光电集成半导体器件已经在多个领域得到应用。这几年硅基光电子也在不断地发展，片上声光调制器的出现，使得基于片上集成硅基光电子芯片的测风激光雷达具有可实施性。通过设置硅光芯片以及集成的信号处理模块，可以提高测风激光雷达的系统集成度，极大地降低成本、提高系统的稳定性。

然而，在现有技术中，激光雷达系统中的移频器(如声光移频器)采用分立器件，导致光学损耗较大，探测灵敏度较低。然而在现有技术的一种具体实施方式中，现有的薄膜材料制成移频器集成至芯片中，存在着压电常数较低、声光效应较差的问题。

亟需一种激光雷达系统，在将移频器集成到芯片上以降低光学损耗，提高探测灵敏度的同时，新型的薄膜材料能够提高移频器的压电常数以及改善声光效应。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种硅光芯片及其形成方法、激光雷达系统，可以在降低光学损耗，提高探测灵敏度的同时，有效提高移频器声光移频效果，也实现了声光移频器的片上集成。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种硅光芯片，其特征在于，包括：第一耦合器，用于从外部的激光光源接收激光并将所述激光分成第一路激光以及第二路激光；移频器，与所述第一耦合器耦合，以对所述第一路激光进行移频处理；环形器，与所述移频器耦合，接收所述移频处理后的第一路激光并发送至外部的探测透镜，以及从所述探测透镜接收外界反射的反射激光；其中，所述移频器采用铌酸锂薄膜形成。

可选的，所述移频器包括第一声波反射器、叉指换能器、第二声波反射器、光学环形腔以及双电极；其中，所述第一声波反射器、叉指换能器、第二声波反射器沿同一直线对齐排列，所述双电极的两个电极分别位于所述叉指换能器的两侧。

可选的，所述移频器还包括直波导，所述直波导包括耦接的第一波导部分和第二波导部分，所述第一波导部分与第二波导部分之间间隔有所述光学环形腔，且均与所述光学环形腔光耦合；其中，所述直波导与所述光学环形腔一同位于第一声波反射器与叉指换能器之间，或者一同位于叉指换能器与第二声波反射器之间。

可选的，在所述移频器内，所述激光由所述直波导的第一波导部分输入，耦合到光学环形腔，经过声光移频后由所述直波导的第二波导部分输出。

可选的，所述第一耦合器包括第一耦合硅波导，所述环形器包括环形器波导；在所述移频器周围的预设范围内，所述直波导分别与所述第一耦合硅波导以及所述环形器波导堆叠并相互连接，以使得所述激光在输入所述移频器时，经由所述第一耦合硅波导传输至所述直波导，并且在输出所述移频器时，经由所述直波导传输至所述环形器波导。

可选的，所述的硅光芯片还包括：第二耦合器，所述第二耦合器的第一输入端与所述第一耦合器耦接并接收第二路激光，所述第二耦合器的第二输入端与所述环形器耦接并接收所述反射激光，所述第二耦合器的输出端输出耦合后的耦合激光。

可选的，所述的硅光芯片还包括：探测器，与所述第二耦合器的输出端耦接，以对所述耦合激光进行光电转换以得到电流信号。

可选的，所述探测器为平衡探测器；其中，所述第二耦合器具有两个耦合输出端，分别输出第一路耦合激光与第二路耦合激光；所述平衡探测器具有两个平衡输入端，分别与所述两个耦合输出端耦合，以分别对所述第一路耦合激光与第二路耦合激光进行光电转换；所述第一路耦合激光与第二路耦合激光的相位相差90度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于上述硅光芯片的激光雷达系统，还包括：激光光源，用于向所述硅光芯片中的第一耦合器发射激光；探测透镜，用于将所述硅光芯片中的环形器输出的激光传输至外部，并传输外部反射的反射激光回所述环形器。

可选的，所述的激光雷达系统还包括：跨阻放大器，与所述硅光芯片耦接，将所述硅光芯片输出的电流信号转换为电压信号并进行放大处理。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于上述硅光芯片的形成方法，包括：提供第一芯片，所述第一芯片包含第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底的正面形成有第一耦合器；提供第二芯片，所述第二芯片包含第二半导体衬底以及铌酸锂材料层，所述铌酸锂材料层位于所述第二芯片的正面并覆盖所述第二半导体衬底；对所述第一芯片的正面与所述第二芯片的正面进行键合处理，以得到键合芯片；对所述第二芯片自晶背去除所述第二半导体衬底，并对所述铌酸锂材料层进行刻蚀、金属溅射以得到所述移频器。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

在本发明实施例中，通过设置硅光芯片中的移频器采用铌酸锂薄膜形成，可以实现将移频器集成到芯片上，并且由于铌酸锂薄膜具有高的压电常数，且具有很好地声光效应，因此可以在降低光学损耗，提高探测灵敏度的同时，有效提高移频器声光移频效果，也实现了声光移频器的片上集成。

进一步，所述硅光芯片还包括第一耦合器、环形器，从而可以将第一耦合器、环形器以及所述移频器均集成到同一硅光芯片中，相比于现有技术中各个器件均为分立器件，采用本发明实施例的方案，可以集成更多器件至同一芯片中，从而进一步降低光学损耗，提高探测灵敏度。

进一步，所述移频器包括第一声波反射器、叉指换能器、第二声波反射器、光学环形腔、双电极以及直波导，通过设置直波导与其他结构之间的位置关系，可以高效地激发传输的激光的表面声，提高雷达系统的测量精确性。

进一步，所述硅光芯片中的探测器为平衡探测器，通过设置所述第一路耦合激光与第二路耦合激光的相位相差90度，可以在光电转换的过程中，抑制第一路耦合激光与第二路耦合激光的共模噪声，进一步提高雷达系统的测量精确性。

进一步，所述移频器是采用所述第一芯片与第二芯片正面键合后，对所述第二芯片自晶背去除半导体衬底，然后刻蚀铌酸锂材料层、金属溅射得到的，通过采用倒装键合的方式，可以有效地实现在芯片上制成所述移频器，从而形成所述硅光芯片。

附图说明

图1是本发明实施例中第一种激光雷达系统的结构示意图；

图2是图1中示出的移频器104的第一种具体实施方式的结构示意图；

图3是图1中示出的移频器104的第二种具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种硅光芯片的形成方法的流程图；

图5至图10是本发明实施例中一种硅光芯片的形成方法中各步骤对应的器件在第一方向上的剖面结构示意图；

图11是本发明实施例中一种硅光芯片在第二方向上的剖面结构示意图。

具体实施方式

如前所述，在现有技术中，激光雷达系统中的移频器(如声光移频器)采用分立器件，导致光学损耗较大，探测灵敏度较低。如果直接将移频器集成至芯片中，存在着压电常数较低、声光效应较差的问题。

本发明的发明人经过研究发现，铌酸锂薄膜具有高的压电常数，通过设置适当的形貌形成移频器，可以高效地激发表面声，而且铌酸锂薄膜也具有很好地声光效应，有助于解决本发明实施例中的问题。

在本发明实施例中，通过设置硅光芯片中的移频器采用铌酸锂薄膜形成，可以实现将移频器集成到芯片上，并且由于铌酸锂薄膜具有高的压电常数，且具有很好地声光效应，因此可以在降低光学损耗，提高探测灵敏度的同时，有效提高移频器声光移频效果，也实现了声光移频器的片上集成。进一步，所述硅光芯片还包括第一耦合器、环形器，从而可以将第一耦合器、环形器以及所述移频器均集成到同一硅光芯片中，相比于现有技术中各个器件均为分立器件，采用本发明实施例的方案，可以集成更多器件至同一芯片中，从而进一步降低光学损耗，提高探测灵敏度。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图1，图1是本发明实施例中第一种激光雷达系统的结构示意图。所述第一种激光雷达系统包括如虚线方框示出的硅光芯片，还可以包括激光光源101以及探测透镜106。

其中，所述硅光芯片可以包括第一耦合器102、移频器104以及环形器105。

所述第一耦合器102可以用于从外部的激光光源101接收激光并将所述激光分成第一路激光以及第二路激光。

进一步地，所述激光光源101可以用于向所述硅光芯片中的第一耦合器102发射激光。

所述移频器104可以与所述第一耦合器102耦合，以对所述第一路激光进行移频处理。其中，所述移频器104可以采用铌酸锂薄膜形成。

所述环形器105可以与所述移频器104耦合，接收所述移频处理后的第一路激光并发送至外部的探测透镜106，以及从所述探测透镜106接收外界反射的反射激光。

进一步地，所述探测透镜106可以用于将所述硅光芯片中的环形器105输出的激光传输至外部，并传输外部反射的反射激光回所述环形器105。

在本发明实施例中，通过设置硅光芯片中的移频器104采用铌酸锂薄膜形成，可以实现将移频器104集成到芯片上，并且由于铌酸锂薄膜具有高的压电常数，且具有很好地声光效应，因此可以在降低光学损耗，提高探测灵敏度的同时，有效提高移频器声光移频效果，也实现了声光移频器的片上集成。进一步，所述硅光芯片还包括第一耦合器102、环形器105，从而可以将第一耦合器102、环形器105以及所述移频器104均集成到同一硅光芯片中，相比于现有技术中各个器件均为分立器件，采用本发明实施例的方案，可以集成更多器件至同一芯片中，从而进一步降低光学损耗，提高探测灵敏度。

进一步地，所述移频器104可以包括第一声波反射器、叉指换能器、第二声波反射器、光学环形腔以及双电极。

参照图2，图2是图1中示出的移频器104的结构示意图。

如图2所示，所述第一声波反射器201、叉指换能器202、第二声波反射器203可以沿同一直线对齐排列，所述双电极205的两个电极分别位于所述叉指换能器202的两侧。

其中，所述叉指换能器201(202、203)可以是形状像两只手的手指交叉状的铌酸锂薄膜图案，其作用是实现换能。

进一步地，所述移频器104还可以包括直波导206，所述直波导206包括耦接的第一波导部分和第二波导部分，所述第一波导部分与第二波导部分之间间隔有所述光学环形腔204，且均与所述光学环形腔204光耦合。

其中，所述直波导206与所述光学环形腔204一同位于第一声波反射器201与叉指换能器202之间。

参照图3，图3是图1中示出的移频器104的第二种具体实施方式的结构示意图。

所述直波导206与所述光学环形腔204还可以一同位于叉指换能器202与第二声波反射器203之间。

在本发明实施例中，所述移频器104可以包括第一声波反射器201、叉指换能器202、第二声波反射器203、光学环形腔204、双电极205以及直波导206，通过设置直波导206与其他结构之间的位置关系，可以高效地激发传输的激光的表面声，提高雷达系统的测量精确性。

进一步地，在所述移频器104内，所述激光由所述直波导206的第一波导部分输入，耦合到光学环形腔204，经过声光移频后由所述直波导206的第二波导部分输出。

具体地，由于直波导206的第一波导部分与光学环形腔204光耦合，可以将激光耦合传输至光学环形腔204，进而耦合传输至第二波导部分输出。

更进一步地，与所述光学环形腔204光耦合的第一波导部分具有弯曲部，与所述光学环形腔204光耦合的第二波导部分也具有弯曲部，以提高基于光耦合的光线传输效果。

结合参照图1和图3，所述硅光芯片包括的环形器105可以为多端口器件，其中，进入每一端口的激光，按照预设的方向顺序传入下一个端口。所述预设的方向顺序可以是基于静偏磁场设置的，例如可以为顺时针方向或者逆时针方向。

如图1示出的环形器105可以包含三个端口，进入端口1的激光，按照顺时针顺序传入端口2，然后发送至外部的探测透镜106，从所述探测透,106接收外界反射的反射激光进入端口2，按照顺时针顺序传入端口3。

进一步地，所述第一耦合器102可以包括第一耦合硅波导207(参照图3)，所述环形器105可以包括环形器波导208(参照图3)，在所述移频器周围的预设范围内，所述直波导206可以分别与所述第一耦合硅波导207以及所述环形器波导208堆叠并相互连接，以使得所述激光在输入所述移频器104时，经由所述第一耦合硅波导207传输至所述直波导206，并且在输出所述移频器104时，经由所述直波导206传输至所述环形器波导208。

在本发明实施例中，通过设置所述第一耦合硅波导207、所述直波导206以及所述环形器波导208之间的位置关系，可以高效地激发传输的激光的表面声，提高雷达系统的测量精确性。

进一步地，所述硅光芯片还可以包括第二耦合器103，所述第二耦合器103的第一输入端与所述第一耦合器102耦接并接收第二路激光，所述第二耦合器103的第二输入端与所述环形器105耦接并接收所述反射激光，所述第二耦合器103的输出端输出耦合后的耦合激光。

进一步地，所述硅光芯片还可以包括探测器108，所述探测器108可以与所述第二耦合器103的输出端耦接，以对所述耦合激光进行光电转换以得到电流信号。

更进一步地，所述探测器108可以为平衡探测器；其中，所述第二耦合器具有两个耦合输出端，分别输出第一路耦合激光与第二路耦合激光；所述平衡探测器具有两个平衡输入端，分别与所述两个耦合输出端耦合，以分别对所述第一路耦合激光与第二路耦合激光进行光电转换；所述第一路耦合激光与第二路耦合激光的相位可以相差90度。

在本发明实施例中，通过设置所述硅光芯片中的探测器108为平衡探测器，并且设置所述第一路耦合激光与第二路耦合激光的相位相差90度，可以在光电转换的过程中，抑制第一路耦合激光与第二路耦合激光的共模噪声，进一步提高雷达系统的测量精确性。

进一步地，所述激光雷达系统还可以包括跨阻放大器109。所述跨阻放大器109可以与所述硅光芯片耦接，将所述硅光芯片输出的电流信号转换为电压信号并进行放大处理。

可以理解的是，如果所述激光雷达系统用于测风，则放大处理后的电压信号可以被计算机进行处理，获得测风信息；进而被送到系统的信号处理模块进行处理，提取出大气数据，从而实现测风。

参照图4，图4是本发明实施例中一种硅光芯片的形成方法的流程图。所述硅光芯片的形成方法可以包括步骤s41至步骤s44：

步骤s41：提供第一芯片，所述第一芯片包含第一半导体衬底，在所述第一半导体衬底的正面形成有第一耦合器；

步骤s42：提供第二芯片，所述第二芯片包含第二半导体衬底以及铌酸锂材料层，所述铌酸锂材料层位于所述第二芯片的正面并覆盖所述第二半导体衬底；

步骤s43：对所述第一芯片的正面与所述第二芯片的正面进行键合处理，以得到键合芯片；

步骤s44：对所述第二芯片自晶背去除所述第二半导体衬底，并对所述铌酸锂材料层进行刻蚀、金属溅射以得到所述移频器。

需要指出的是，在步骤s41中，第一半导体衬底的正面形成的可以是除移相器和环形器之外的所有光路和器件，且所述光路和器件是根据具体情况设计制成的，本发明实施例对于具体的光路和器件的内容不做限制。

以下结合图5至图10对上述硅光芯片的形成方法进行说明。

图5至图10是本发明实施例中一种硅光芯片的形成方法中各步骤对应的器件在第一方向上的剖面结构示意图。所述第一方向可以为图3示出的a1-a2方向。

参照图5，提供第一芯片，所述第一芯片可以包含第一半导体衬底501，在所述第一半导体衬底501的表面还可以形成氧化硅层502，进而在所述氧化硅层502的表面形成硅波导层503。

其中，所述第一半导体衬底501可以为硅衬底，或者所述第一半导体衬底501的材料还可以包括锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述第一半导体衬底501还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底，或者是生长有外延层(epitaxylayer，epilayer)的衬底。

所述氧化硅层502的材料可以为二氧化硅。

所述硅波导层503可以为硅材料层或氮化硅层，以在刻蚀工艺之后形成硅波导。

参照图6，对所述硅波导层503进行刻蚀，以得到硅波导505，然后在所述第一半导体衬底的表面形成氧化硅层504。

需要指出的是，在形成所述氧化硅层504之后，可以以所述硅波导505的顶部表面为停止层，对所述氧化硅层504进行平坦化处理。

参照图7，提供第二芯片，所述第二芯片可以包含第二半导体衬底511，在所述第二半导体衬底511的表面还可以形成氧化硅层512，进而在所述氧化硅层512的表面形成铌酸锂材料层513。

其中，所述第二半导体衬底511可以为硅衬底，或者所述第二半导体衬底511的材料还可以包括锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟，所述第二半导体衬底511还可以为绝缘体上的硅衬底或者绝缘体上的锗衬底，或者是生长有外延层(epitaxylayer，epilayer)的衬底。

所述氧化硅层512可以选自：氮化硅与氧化硅的堆叠层、氮化硅层以及氧化硅层。

参照图8，对所述第一芯片的正面与所述第二芯片的正面进行键合处理，以得到键合芯片。

参照图9，对所述第二芯片自晶背去除所述第二半导体衬底511(参照图8)，然后去除氧化硅层512，然后对所述铌酸锂材料层513进行刻蚀以得到铌酸锂515。

可以理解的是，在刻蚀后得到所述铌酸锂515后，可以得到所述移频器的图案。

参照图10，可以在所述第二芯片的背面形成氧化硅层514，覆盖所述铌酸锂515以及所述硅波导505，以对其进行保护。

需要指出的是，图5至图10中示出的可以仅为所述第一芯片的一部分，即用于形成移频器的那部分区域。所述第一耦合器可以形成于图中未示出的区域的正面。

在本发明实施例中，所述移频器可以是采用所述第一芯片与第二芯片正面键合后，对所述第二芯片自晶背去除半导体衬底，然后刻蚀铌酸锂材料层得到的，通过采用倒装键合的方式，可以有效地实现在芯片上制成所述移频器，从而形成所述硅光芯片。

参照图11，图11是本发明实施例中一种硅光芯片在第二方向上的剖面结构示意图。所述第二方向可以为图3示出的b1-b2方向。

如图所示，所述铌酸锂515与所述硅波导505堆叠并互相连接，以使得激光如箭头方向进行传输。

具体地，所述铌酸锂515对应于所述移频器中的直波导，所述硅波导505对应于第一耦合硅波导以及环形器波导，在所述移频器周围的预设范围内，所述直波导分别与所述第一耦合硅波导以及所述环形器波导堆叠并相互连接，以使得所述激光在输入所述移频器时，经由所述第一耦合硅波导传输至所述直波导，并且在输出所述移频器时，经由所述直波导传输至所述环形器波导。

在本发明实施例中，通过设置所述铌酸锂515与所述硅波导505堆叠并互相连接，可以高效地激发传输的激光的表面声，提高雷达系统的测量精确性。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。