本发明属于半导体，具体涉及一种高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片及制备方法。
背景技术：
1、在集成电路技术不断发展的过程中，硅基微电子电路集成已经展现出了令人瞩目的成果，但同时也面临着显著的挑战和限制。随着数据处理量的飞速增长，传统的硅基微电子电路集成在数据传输带宽和功率损耗方面遇到了瓶颈，寻求新的集成方法成为行业发展的关键。
2、在众多的解决方案中，晶圆键合技术作为早期集成不同材料的重要方法，能够在同一块芯片上集成不同的材料，充分发挥各种材料的物理、化学和电学特性，从而打破单一材料所带来的限制。晶圆键合技术中关键技术如洁净、镜面抛光和表面平坦的基本工艺也不断得到优化，这些工艺能够确保晶圆表面的清洁度和平整度，为不同材料之间的键合提供理想的条件。在此背景下，将光学引入到微电子电路中，特别是硅光子技术，是一种很有潜力的集成方式，目前的研究结果已经展现出了巨大的潜力和广泛的应用前景。
3、在全球互联网带宽需求迅猛增长的背景下，尤其是在aigc等应用的普及推动下，对无线通信的传输速率提出了更高的要求，更高的数据速率需要相应更大的传输带宽，与之相应的载波频率也越高。为了满足这一需求，亚毫米波段的通信技术应运而生，载波频率大于300ghz的亚毫米波段通信技术代表了无线通信技术的下一个前沿领域，它可以提供大于50ghz的带宽，这比现有的毫米波通信带宽高出一个数量级，这使得亚毫米波通信技术在高速数据传输、大容量数据传输以及低延迟通信等方面具有显著的优势。亚毫米波的波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间(30μm-3mm)，在5g之后的下一代无线通信系统中，亚毫米波通信技术以其高带宽和高定向性的特点，成为无线通信技术发展的一个重要方向。除此之外，亚毫米波在物理、化学、生命科学、医学成像、安全检查、产品检测、高频无线通信等应用领域都具有十分重要的研究价值和广泛的应用前景。
4、然而，亚毫米波辐射的产生技术仍面临诸多挑战。目前，亚毫米波的产生主要通过电子学方法和光子学方法实现。电子学方法虽然能够生成亚毫米波，但往往伴随着体积庞大、能耗高、价格昂贵以及维护复杂等问题；而光子学方法尽管具有较高的灵活性，但如光泵法等大型装备方案同样存在无法连续调谐、电光效率低、体积重量大等局限，难以实现小型化和便携化。因此，开发高效、可靠、紧凑的亚毫米波产生技术对于推动亚毫米波通信技术的实用化和产业化具有重要意义。
技术实现思路
1、鉴于上述，本发明的目的是提供一种高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片及制备方法，旨在实现宽频带、低损耗且高度集成、结构紧凑、转换效率高的亚毫米波波源，以满足未来无线通信和相关应用领域对高性能亚毫米波波源的迫切需求。
2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
3、本发明实施例提供的一种高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，所述片上系统集成芯片包括集成在衬底上的激光器、无源波导、单向载流子探测器和拓扑光子晶体亚毫米波波导；
4、拓扑光子晶体亚毫米波波导由两个其上设有周期性排布圆形气孔阵列的光子晶体平板拼接得到，以在光子晶体平板间形成拓扑边界态；
5、激光器产生的两束单模激光传输到无源波导，在无源波导中通过多模干涉耦合器将两束单模激光耦合后传输到单向载流子探测器中，在单向载流子探测器中将耦合后的激光通过拍频产生亚毫米波并传输到拓扑光子晶体亚毫米波波导，在波导拓扑光子晶体亚毫米波波导中通过拓扑边界态实现无背向散射传输。
6、在每个光子晶体平板上设有不同半径的圆形空气孔，且圆形空气孔呈周期性阵列排布并在两个光子晶体平板上呈现相反拓扑特性，在拼接处的输入和输出端移除若干周期的空气孔形成线缺陷，确保拓扑边界态、线缺陷模式与亚毫米波基模之间的最大模式重叠。通过线缺陷模式减少基模与拓扑边界态模式之间的失配，从而提高亚毫米波在拓扑光子晶体亚毫米波波导输入端的耦合效率，使亚毫米波能够基于拓扑保护特性实现在边界处的无背向散射传输，减小片上集成系统的损耗。
7、优选地，所述激光器采用iii-v族激光器。由于硅是间接带隙，不可发光用作光源，因此采用半导体芯片级的iii-v族激光器，其尺寸小且为直接带隙材料，能够用作光源。
8、优选地，所述无源波导采用硅基无源波导，其材质包括硅、氮化硅或二氧化硅。
9、优选地，所述多模干涉耦合器采用硅基多模干涉耦合器，其材质包括硅、氮化硅或二氧化硅。
10、优选地，在无源波导中，两束单模激光中的一束单模激光加载调制信号作为通信载波，另一束单模激光不进行调制作为本振光，拍频的通信载波和本振光的频率差落在亚毫米波波段且保持相干性。
11、优选地，激光器、单向载流子探测器和拓扑光子晶体亚毫米波波导通过异质键合在衬底上，异质键合方式包括晶粒到晶圆键合或转印，无源波导和多模干涉耦合器在衬底上刻蚀形成。
12、优选地，所述单向载流子探测器使用t型偏置电路和共面波导转换结构使产生的亚毫米波的传输实现波导输出。
13、优选地，所述拓扑光子晶体亚毫米波波导的输入端和输出端具有锥形端面耦合器，这样能够结合在光子晶体平板间形成拓扑边界的线缺陷设计，来实现有效群折射率缓冲，使边界态和波导模式间的模式分布易于转换，显著提升亚毫米波的耦合效率。
14、为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种如上所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片的制备方法，包括以下步骤：
15、处理硅晶片，形成由二氧化硅层覆盖氮化硅波导层的无源波导；
16、将电介质堆叠向下刻蚀到衬底以打开异质键合的凹陷区域；
17、将激光器和单向载流子探测器异质键合在衬底上；
18、在拓扑光子晶体亚毫米波波导中通过光刻工艺制造出周期性的空气孔结构，经腐蚀工艺在波导下方制造出空气桥，使整个波导呈现悬浮状态。
19、与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
20、(1)本发明在单一芯片上集成了激光器、无源波导、单向载流子探测器(utc-pd)和拓扑光子晶体亚毫米波波导，通过在单一芯片上同时集成不同的材料，利用不同材料的优势，打破了数据传输带宽和功率损耗等瓶颈，设计结构紧凑，体积小，转换效率高，能够实现低损耗拍频产生亚毫米波、utc-pd与拓扑光子晶体亚毫米波波导间的亚毫米波低损耗耦合以及近无损传输亚毫米波。
21、(2)本发明能够通过调节激光器产生两束单模激光的频率差实现对亚毫米波的频率调谐，通过utc-pd拍频原理产生并连续辐射出特定频率的亚毫米波，并通过utc-pd与间的拓扑光子晶体亚毫米波波导间的亚毫米波低损耗自由空间耦合以及以量子谷霍尔(qvh)拓扑绝缘体为特征的近无损传输亚毫米波，通过光子晶体的能带设计能够实现输出亚毫米波波长、带宽的控制。
1.一种高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，所述片上系统集成芯片包括集成在衬底上的激光器、无源波导、单向载流子探测器和拓扑光子晶体亚毫米波波导；
2.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，在每个光子晶体平板上设有不同半径的圆形空气孔，且圆形空气孔呈周期性阵列排布并在两个光子晶体平板上呈现相反拓扑特性，在拼接处的输入和输出端移除若干周期的空气孔形成线缺陷，确保拓扑边界态、线缺陷模式与亚毫米波的电磁波基模之间的最大模式重叠。
3.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，所述激光器采用iii-v族激光器。
4.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，所述无源波导采用硅基无源波导。
5.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，所述多模干涉耦合器采用硅基多模干涉耦合器。
6.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，在无源波导中，两束单模激光中的一束单模激光加载调制信号作为通信载波，另一束单模激光不进行调制作为本振光，拍频的通信载波和本振光的频率差落在亚毫米波的波段且保持相干性。
7.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，激光器、单向载流子探测器和拓扑光子晶体亚毫米波波导通过异质键合在衬底上，异质键合方式包括晶粒到晶圆键合或转印，无源波导和多模干涉耦合器在衬底上刻蚀形成。
8.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，所述单向载流子探测器使用t型偏置电路和共面波导转换结构使产生的亚毫米波的传输实现波导输出。
9.根据权利要求1所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片，其特征在于，所述拓扑光子晶体亚毫米波波导的输入端和输出端具有锥形端面耦合器。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的高性能亚毫米波产生传输片上系统集成芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
