CN104991356B - 一种基于soi的mz型声光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI的MZ型声光调制器。包括MZ光波导、氧化锌压电层和叉指换能器，叉指换能器位于氧化锌压电层上；氧化锌压电层位于MZ光波导两臂之间的顶层硅上，MZ光波导、氧化锌压电层和叉指换能器在空间上是自下而上分布的。本发明利用叉指电极激励出声表面波，通过声表面波和声光效应改变光波导的有效折射率，实现声光调制。可将本发明应用于集成光学设计中，器件是制作在使用最广泛的SOI上的，成本低性能高，损耗小，与CMOS工艺完美兼容，结构简单，制作容易，可以实现大规模集成，并且其所需施加的工作电压低，节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及硅基MZ型声光调制器，特别涉及利用声表面波做调制信号的一种基于SOI的MZ型声光调制器。
背景技术
基于SOI（Silicon-On-Insulator）材料的硅基集成光子学是近年来研究的热点，相较于其他材料的光电子集成技术，其优势在于：首先，Si和SiO2折射率差大，对光的限制能力强，有利于减小器件尺寸，其次基于SOI的硅基光电子器件制作工艺与CMOS工艺完全兼容，因此有利于集成光电子芯片大规模低成本制造，以及光路与电路的单片集成。基于以上原因，硅基集成光子学在光互连、光传感、微波光子学、量子光学等领域得到广泛的应用。
从上世纪70年代开始，声表面波技术已经得到广泛的应用，大量性能与用途各异的声表面波器件不断涌现，如今声表面波器件已经无处不在，广泛应用于专业雷达、通信系统和日常消费领域，如电视、音响混频、移动电话、高速公路的射频远程收费、电子标签等。在当今以扩频为标志的、快读发展的移动通信中，声表面波滤波器发挥着极其重要的作用，声表面波技术已经成为各国研究的热点。
声光效应被应用于集成光学作为光学调制已经有很长的历史了。虽然由于SOI本身没有压电性，难以激励出声表面波，SOI上的声光调制器一直少有报道，但是在SOI材料上制作声光调制器，就可充分结合声光器件和硅基器件的优势，解决传统声光器件难以集成的问题，所以如何设计SOI上声光调制器的结构，以及如何提高器件的效率是亟待解决的问题。
图1，图2显示的是传统的基于SOI的MZ型声光调制器结构，基本结构是有MZ光波导层，氧化锌压电层2，叉指换能器3，其将叉指换能器3放置在MZ光波导的一侧，其基本工作原理是：叉指换能器3接入射频信号，激发产生的声表面波向两侧传输，经过MZ光波导的时候改变波导的折射率，完成对光波导的调制。其存在的问题是为了提高调制效率需要严格控制MZ光波导两臂之间的距离为奇数倍的半波长，这样可以使一臂处于波峰的时候另一臂处于波谷，实际情况是声波经过无电极的部分波长会发生变化，导致两波导之间的距离难以准确控制，并且声波通过第一根波导的时候会有能量的损失，导致第二根波导不能得到一样的调制效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SOI的MZ型声光调制器，把叉指换能器引入Mach-Zehnder光波导 (即MZ光波导)两臂之间，解决了传统的声光调制器中由于声表面波波长难以确定，从而导致MZ光波导两臂间距难以准确设置的难题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括MZ光波导、氧化锌压电层和叉指换能器，叉指换能器位于氧化锌压电层上；氧化锌压电层位于MZ光波导两臂之间的顶层硅上，MZ光波导、氧化锌压电层和叉指换能器在空间上是自下而上分布的。
所述叉指换能器是位于MZ光波导两臂之间的氧化锌压电层上，并且叉指换能器中心与MZ光波导两臂的距离相等。
所述氧化锌压电层仅覆盖在MZ两臂之间或者完全覆盖在SOI上表面。
所述的MZ光波导两端分别是由1*2的MMI和2*1的MMI组成，中间为两条直波导。
所述叉指换能器采用均匀单指换能器。
本发明具有的有益效果是：
本发明提出利用声表面波在介质中传播引起的周期性机械振动来改变光波导的有效折射率的方法来实现声光调制的功能，声波通过MZ光波导两臂的时候，因为两臂距离叉指换能器距离相等，所以可以实现当第一根波导处于声波波峰的时候，第二根波导处于声波波谷，无需像传统的声光调制器那样严格控制两波导之间的距离，并且本发明波导处于叉指换能器两侧，可以避免声波通过波导时候因为反射而衰减，而导致第二根波导不能得到一致调制的问题，本发明可以充分利用叉指换能器产生的声波，节省能源。
可将本发明应用于集成光学设计中，器件是制作在使用最广泛的SOI上的，成本低性能高，损耗小，与CMOS工艺完美兼容，结构简单，制作容易，可以实现大规模集成，并且其所需施加的工作电压低，节能环保。
附图说明
图1是传统的基于SOI的MZ型声光调制器俯视图。
图2是传统的基于SOI的MZ型声光调制器的截面图。
图3是本发明中SOI上的MZ型声光调制器的俯视图。
图4是一个实施例中氧化锌溅射在叉指换能器部分的结构示意图。
图5是另一个实施例中氧化锌完全覆盖在SOI上表面的结构示意图。
图中：1、Mach-Zehnder光波导，2、氧化锌压电层，3、叉指换能器，4、顶层硅，5、二氧化硅衬底，6、底层硅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图3所示，本发明包括MZ光波导1、氧化锌压电层2和叉指换能器3，叉指换能器3位于氧化锌压电层2上；氧化锌压电层2位于MZ光波导1两臂之间的顶层硅上，MZ光波导1、氧化锌压电层2和叉指换能器3在空间上是自下而上分布的。
如图3、图4所示，所述叉指换能器3是位于MZ光波导1两臂之间的氧化锌压电层2上，并且叉指换能器3中心与MZ光波导1两臂的距离相等。
如图4、图5所示，所述氧化锌压电层2仅覆盖在MZ两臂之间或者完全覆盖在SOI上表面。
所述的MZ光波导1两端分别是由1*2的MMI和2*1的MMI组成，中间为两条直波导。在所述的Mach-Zehnder光波导输入端是1*2的MMI，MMI的两个输出端分别接两段弯曲波导，两端的弯曲波导和分别和两根直波导相接，两根直波导用弯曲波导放缩两臂之间的间距，接输出端2*1的MMI。
所述叉指换能器3采用均匀单指换能器。
如图3所示，本发明在SOI材料（它由底层硅6、二氧化硅衬底5和顶层硅4组成）的顶层硅4上刻蚀出MZ光波导，增加弯曲波导半径可以扩展MZ光波导两臂之间的距离，在MZ光波导两臂之间溅射一层氧化锌压电层2，用于解决SOI材料没有压电性，不能产生声表面波的问题，在氧化锌压电层2上，生长叉指换能器3，用于激发声表面波，在叉指换能器3上加上射频信号，配合氧化锌压电层2，即能产生声表面波，并且会沿着介质表面双向传输，MZ光波导受到周期性的机械扰动，局部会被压缩或者拉伸，折射率会发生周期性的变化，完成声波对光学信号的调制。
本发明是基于图1，图2中传统的声光调制器的结构，将叉指电极引入MZ光波导两臂之间，工作原理与传统结构相同，本发明需要控制两臂到波导的距离相等，叉指换能器3产生的声表面波通过波导的时候恰巧一臂处于波峰的时候另一臂处于波谷，不在需要控制两臂之间的间距，其优势在于：1、不需要严格控制两臂之间的距离，2、利用声波双向传输的特点，两侧的声波调制两臂互不干扰，解决了声波通过第一根波导能量损耗的问题，3、两侧的声波都能用于光学调制，充分利用两侧的声表面波能量，符合节能环保的理念。
本发明器件结构制作可以通过但不限于以下方式实施：
硅基波导的制作：采用顶层硅厚为220nm、二氧化硅埋层2μm的绝缘层上硅（SOI）材料，完成晶圆表面清洗之后，进行深紫外光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干法刻蚀，制作出所需的MZ光波导，去除掩膜，并进行表面清洗。
氧化锌的溅射：采用磁控溅射技术，选用锌靶作为溅射靶材，氩气(Ar)为溅射气体，氧气为反应气体，反应前清洗基片保证薄膜初始沉积有良好的取向，预沉积后通入氩气和氧气，调节二者比例，试验中要求真空度优于4*10-4Pa，将靶材上的锌与氧气氧化反应生成的氧化锌，沉积到器件表面，控制氧化锌的厚度为2μm，实验中用扫描电镜和原子力显微镜来观察薄膜表面形貌，结晶状况及表面粗糙度。对于氧化锌仅仅覆盖在叉指电极周围的器件，需要电极以外部分的氧化锌清洗掉。
叉指换能器的制作：采用直流溅射法，在氧化锌表面生成200nm的铝膜，通过光刻技术，光刻板上有所需要的电极的图形，采用接触式曝光的方法，在波导中心位置刻出叉指电极图样，压电基片显影后，留下带胶的图形，再通过干法刻蚀工艺，制作出铝电极。
由此，完成SOI上的MZ型声光调制器的制作，用探针在叉指换能器上加入射频信号，加入电压为1V的时候，对波导折射率的改变为10-4量级。
Claims (4)
1.一种基于SOI的MZ型声光调制器，包括MZ光波导(1)、氧化锌压电层(2)和叉指换能器(3)，叉指换能器(3)位于氧化锌压电层(2)上；其特征在于：氧化锌压电层(2)位于MZ光波导(1)两臂之间的顶层硅上，MZ光波导(1)、氧化锌压电层(2)和叉指换能器(3)在空间上是自下而上分布的；
所述叉指换能器(3)是位于MZ光波导(1)两臂之间的氧化锌压电层(2)上，并且叉指换能器(3)中心与MZ光波导(1)两臂的距离相等；
因为两臂距离叉指换能器距离相等，所以能实现当第一根波导处于声波波峰的时候，第二根波导处于声波波谷，无需严格控制两波导之间的距离，并且MZ光波导处于叉指换能器两侧，避免声波通过波导时候因为反射而衰减，而导致第二根波导不能得到一致调制的问题。
2.根据权利要求1所述一种基于SOI的MZ型声光调制器，其特征在于：所述氧化锌压电层(2)仅覆盖在MZ两臂之间或者完全覆盖在SOI上表面。
3.根据权利要求1所述一种基于SOI的MZ型声光调制器，其特征在于：所述的MZ光波导(1)两端分别是由1*2的MMI和2*1的MMI组成，中间为两条直波导。
4.根据权利要求1所述一种基于SOI的MZ型声光调制器，其特征在于：所述叉指换能器(3)采用均匀单指换能器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180209 |