【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及集成光电子学，具体涉及基于超透镜的utc-pd器件、集成芯片及其制备方法。
技术介绍
1、近年来，随着人工智能、数据中心、虚拟现实、超高清视频、远程医疗等技术的飞速发展，对数据传输速率的需求越来越高，尤其是移动智能终端设备的快速增长，给基于微波/毫米波的无线通信技术带来较大的压力。在可以预见的未来，现有无线通信技术将难以满足指数增长的网络容量，需要向更高的频率以及更大带宽窗口发展。
2、太赫兹(terahertz,thz)是波长介于微波和红外之间的电磁波，频率为0.1-10thz，具有丰富的频谱资源，可以实现超高速率、超低时延的数据传输。目前，研究人员已经开发出thz波段的无线通信链路，其信号发射端一般由激光器，信号放大器，光学组合器，信号调制器，信号发射器等分立器件组成，其中信号发射器一般采用单行载流子光电二极管(uni-traveling-carrier photodiodes,utc-pd)作为光电转化器件。
3、由分立器件构成的thz无线通信系统中的发射端存在结构复杂、体积庞大、功耗较高等问题，因此，需要将系统中的多个分立的器件进行集成以解决这些问题。针对分立器件硅基异质集成已开展了大量研究，硅基外腔激光器、光学组合器、调制器等相继被设计和制备出来，并已进行初步应用。然而，载波信号发射器件--utc-pd硅基异质集成方案仍然较为缺乏。
4、在需要光信号传播方向发生改变的场合，边需要光栅耦合器，而光栅耦合器是一种通过光栅的衍射作用，将衍射光信号耦合至光波导中进行传播的无源器
5、然而，采用这种方案存在光信号利用率低、器件响应较低的问题。如图1a和1b所示，光信号经光栅耦合器后直接出射至自由空间再被utc-pd吸收具有两个特点：一是出射面积/孔径较大，为30μm*30μm(光栅平面面积)以上，二是经过光栅耦合器的信号出射强度不均匀，靠近光栅一侧(光信号入射侧)强度较大，越远则越弱。由于大带宽(3db带宽超过100ghz)的utc-pd器件有源区尺寸往往较小，一般在5μm*5μm以下，若将utc-pd直接贴装至光栅耦合器的上方，存在两个问题，一是很难将器件有源区精准贴合至最大光信号出射强度的正上方，器件响应较低，二是其余区域的光信号出射至自由空间，利用率较低。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于超透镜的utc-pd器件及其制备方法、光纤信号处理器，以解决现有技术方案中很难将器件有源区精准贴合至最大光信号出射强度的正上方导致utc-pd的器件层响应较低，及光栅耦合器与utc-pd的器件层对应的区域之外的光信号出射至自由空间，导致利用率较低的技术问题。
2、第一方面，根据本专利技术实施例提供一种基于超透镜的utc-pd器件，包括：
3、衬底层；
4、超透镜，于所述衬底层的远离所述器件层的表面经过刻蚀工艺形成预设形状的超透镜，用于将接收到的外部光信号进行聚焦；
5、器件层，器件层位于所述衬底层之上，所述器件层的有源区的中心与超透镜的中心在衬底层所在平面上的投影重合，用于实现将经过超透镜聚焦过的光信号最大限度的转化为电信号。
6、优选地，所述超透镜为采用传输型相位设计类型的超透镜。
7、优选地，采用预设数学模型确定超透镜上任意一点的相位值，所述预设数学模型为：
8、
9、其中φ(x,y)是超透镜任意点(x,y)上的相位值，λ是波长，f是超透镜的焦距。
10、优选地，所述超透镜的结构、材质与工作波长、utc-pd的衬底层的厚度相关。
11、第二方面，根据本专利技术实施例提供一种集成芯片，包括上述任一项所述的基于超透镜的utc-pd器件，还包括：
12、硅衬底层；
13、光栅耦合器，位于所述硅衬底层之上，光栅耦合器的中心与超透镜的中心在硅衬底层上的投影之间的距离满足预设范围；
14、其中，超透镜的一个表面与衬底层接触，超透镜的另一个表面与所述光栅耦合器集成，以对经过光栅耦合器衍射过的光信号进行聚焦。
15、优选地，还包括第一介质层，位于所述光栅耦合器的上表面，用于保护所述光栅耦合器并使光栅耦合器的上表面平整化。
16、优选地，还包括：第二介质层，位于所述光栅耦合器与硅衬底层之间。
17、第三方面，本专利技术实施例提供一种基于超透镜的utc-pd器件的制备方法，用于制备上述任一项所述的基于超透镜的utc-pd器件，其中，所述方法，包括：
18、提供utc-pd，采用光刻胶涂布设备在utc-pd的衬底层的远离器件层的表面上旋涂光刻胶；
19、基于设定的器件对准标记，使得超透镜中心与utc-pd的器件层的有源区的中心在衬底层所在平面的投影重合，采用光刻机进行曝光，并在衬底层的远离器件层的表面刻蚀出预先设定的超透镜的形状，超透镜的焦距与utc-pd器件的衬底层厚度一致；
20、所述utc-pd包括器件层和衬底层，器件层与衬底层连接。
21、第四方面，本专利技术实施例提供一种集成芯片的硅基异质集成方法，用于制备上述任一项所述的集成芯片，其中，所述硅基异质集成方法，包括：
22、提供一硅衬底层，采用光刻胶涂布设备将预设厚度的光刻胶均匀地旋涂在硅衬底层上，通过紫外光刻及显影工艺暴露出非器件区域；
23、对所述非器件区域进行预设深度的刻蚀，并在刻蚀完成后去除光刻胶及刻蚀产生的聚合物；
24、采用光刻胶涂布设备在器件区域上旋涂第二光刻胶，基于预先设定的器件对准标记，采用扫描投影式光刻机对器件区域之上的非光栅耦合器区域进行曝光，并采用电感耦合等离子刻蚀设备刻蚀出预设属性信息的光栅耦合器，并在刻蚀完成后，去除光刻胶及刻蚀产生的聚合物；
25、采用真空吸附设备吸取基于超透镜的utc-pd器件，通过基于超透镜的utc-pd器件的器件层及衬底层上的器件对准标记将基于超透镜的utc-pd器件与光栅耦合器连接的波导进行对准，使得基于超透镜的utc-pd器件的器件层的中心与光栅耦合器的中心在硅衬底层所在平面的投影重合，并采用微流控设备对utc-pd与硅衬底层之间的间隙进行bcb材料填充，将填充好bcb材料的器件结构放入真空干燥箱内进行预设温度预设时间长度的固化；
26、所述非器件区域为硅衬底层上除器件区域之外的区域，所述器件区域为除光栅耦合器、超透镜及utc-pd在所述硅衬底层所在平面上的投影所在的区域以外的区域。
27、第五方面，本专利技术实施例还提供一种光纤信号处理器，其中，包括上述任一项所述的基于超透镜的utc-pd器件。...
【技术保护点】
1.基于超透镜的UTC-PD器件，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于超透镜的UTC-PD器件，其特征在于，所述超透镜为采用传输型相位设计类型的超透镜。
3.根据权利要求2所述的基于超透镜的UTC-PD器件，其特征在于，采用预设数学模型确定超透镜上任意一点的相位值，所述预设数学模型为：
4.根据权利要求1所述的基于超透镜的UTC-PD器件，其特征在于，所述超透镜的结构与工作波长、UTC-PD的衬底层的厚度相关。
5.一种集成芯片，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的基于超透镜的UTC-PD器件，还包括：
6.根据权利要求5所述的集成芯片，其特征在于，还包括第一介质层，位于所述光栅耦合器的上表面，用于保护所述光栅耦合器并使光栅耦合器的上表面平整化。
7.根据权利要求5所述的集成芯片，其特征在于，还包括：第二介质层，位于所述光栅耦合器与硅衬底层之间。
8.一种基于超透镜的UTC-PD器件的制备方法，用于制备权利要求1-4任一项所述的基于超透镜的UTC-PD器件，其特征在于，所述方法，
9.一种集成芯片的硅基异质集成方法，用于制备权利要求5-7任一项所述的集成芯片，其特征在于，所述硅基异质集成方法，包括：
10.一种光纤信号处理器，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的基于超透镜的UTC-PD器件。
...【技术特征摘要】
1.基于超透镜的utc-pd器件，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于超透镜的utc-pd器件，其特征在于，所述超透镜为采用传输型相位设计类型的超透镜。
3.根据权利要求2所述的基于超透镜的utc-pd器件，其特征在于，采用预设数学模型确定超透镜上任意一点的相位值，所述预设数学模型为：
4.根据权利要求1所述的基于超透镜的utc-pd器件，其特征在于，所述超透镜的结构与工作波长、utc-pd的衬底层的厚度相关。
5.一种集成芯片，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的基于超透镜的utc-pd器件，还包括：
6.根据权利要求5所述的集成芯片，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹一鸣，郝沁汾，蒋成涛，尹小杰，段焕利，
申请(专利权)人：无锡芯光互连技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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