CN105974614A - 一种采用脊形波导的马赫曾德光调制器晶片结构及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器制作方式，所选用的基底材料是铌酸锂晶体，该晶片的复合结构自下向上包括铌酸锂衬底，二氧化硅下包层，镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜，单晶氧化钽脊形波导结构，二氧化硅上包层，行波电极。本发明能够大大降低了在光传输过程中的损耗，在铌酸锂薄膜层镁掺杂的浓度达到抗光折变阈值，能够对短波长如红光、绿光或蓝紫色光进行调制，采用二氧化硅作为上下包层，在实现低功耗驱动的同时降低了调制器的尺寸，提高了器件的稳定性，具有制作工艺简便，器件尺寸小，弯曲半径小，稳定性好等优点。

Description

一种采用脊形波导的马赫曾德光调制器晶片结构及其制备工艺

技术领域

本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种基于镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器及其制造工艺。

背景技术

集成光学作为现代光电子技术的一个重要分支自从1969年首次提出后发展较快。随着微电子技术的蓬勃发展,平面加工技术的日臻完善,以晶体或者非晶体材料为衬底的光波导应运而生,使人们可以将光限制在与其波长相比拟的微小空间加以研究和利用。由于光限制在介质波导中传播,通过介质的电光、声光、磁光等多种物理效应对其波导中传播的光进行控制和处理。目前,集成光学己初具规模,并在光通讯中显示出独特的优越性。以妮酸铿光调制器、光开关为代表的集成光学器件在光纤通讯、光学传感和光学信息处理中有广泛的应用,技术日益成熟。许多应用系统元件已集成在一块芯片上。并与先进的电子学自动控制和信息处理现结合。大幅度提高了系统性能。其中用于宽带光纤通用的外调制器,光纤CATV发射机和光纤陀螺多功能集成光学芯片已达到大规模的商品生产,并且由于优异的性能和较低的成本,在国际市场上处于供不应求的状况。在人类进入信息时代的今天,在信息高速传输、光学信息传感和信息处理方面都有突出表现的LNIbO3集成光学技术将发挥重要的作用,带来良好的社会效益和丰厚的经济效益。

马赫曾德(Mach-Zehnder)调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电介质光调制器件，MZ由两端的两个Y分支器和中间两个单波导调制器组成。调制器是产生光信号的关键器件。在TDM和WDM系统的发射机中，从连续波(CW)激光器发出的光载波信号进入调制器，高速数据流以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从而完成调制。但是由于材料电光系数较小，Z轴方向上LiNbO3的电光系数为32pm/V，为保证较小半波电压，需要增加器件的长度，因此目前基于铌酸锂的马赫曾德调制器尺寸很大，无法满足未来小型化模块的需求，另外要降低驱动电压需要增加长度，由于长度已经太大，因此目前铌酸锂无法实现低驱动，不利于降低功耗。光调制器是最重要的集成光学器件之一,它可以对激光器发射光波的幅度或者相位进行调制,使输入信号施加到载波上进行传播。行波调制器的设计在光波和微波之间存在微波衰减和相速失配,解决这两个问题的关键取决于如何设计电极。为了同时获得宽的带宽和低的驱动功率,必须始终使电极的设计最佳化。其中所包含的问题不仅限于行波电极的加载方式，同时在高速调制的过程中，铌酸锂基底上的光波导损耗也要尽可能降低，而最重要的，为了利用尽可能小的尺寸达到有效的调制长度，需要设计特定的波导结构，使波导的弯曲半径尽可能小，从而使器件的集成度更强。

发明内容

针对以上现有存在的问题，本发明提供一种采用脊形波导的马赫曾德光调制器晶片结构及其制造工艺，在实现低功耗驱动的同时降低了调制器的尺寸，提高了器件的稳定性，具有制作工艺简便，器件尺寸小，弯曲半径小，稳定性好等优点，能够推动基于LNOI平台的集成光路和器件向实用化方向迈进，为下一代光电混合集成芯片的研发提供支撑。

本发明的技术方案在于：

本发明提供一种采用脊形波导的马赫曾德光调制器晶片结构，所选用的基底材料是铌酸锂晶体，该晶片的复合结构自下向上包括铌酸锂衬底，二氧化硅下包层，镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜，单晶氧化钽脊形波导结构，二氧化硅上包层，行波电极。

本发明还提出了一种内嵌Au和氧化硅双层膜的近化学计量比LNOI晶片的制作方法，该方法包括以下步骤：，

步骤一、选用光学级双抛0.5mm厚铌酸锂单晶为初始材料，将晶片清洁后在表面镀制氧化镁薄膜，经过高温扩散和富锂VTE，形成局部掺镁的近化学计量比铌酸锂晶体，且达到其抗光折变阈值(～0.78mol％)，采用He+离子注入的方式在铌酸锂材料的镁掺杂的表面生成一层镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜；

步骤二、在铌酸锂衬底的上表面利用PECVD的方式沉积二氧化硅下包层，将所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜与所述二氧化硅下包层进行表面键合，之后进行退火分离，再对其表面进行抛光，得到所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜；

步骤三、在所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜上表面PECVD的方式沉积一层氧化钽单晶薄膜，再通过干法刻蚀出单晶氧化钽脊形波导结构；

步骤四、在所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导结构上镀制二氧化硅上包层，接着在所述二氧化硅上包层上溅射Au作为所述行波电极，

步骤五、最后采用楔形光纤与所述脊形波导进行耦合，形成的封装结构就是镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器，所述封装结构包括输入光纤、Y型波导分支、行波电极、地电极、外壳和输出光纤，其中所述输入光纤为所述楔形光纤且其用于将光耦合到光调制器，所述行波电极用于根据电信号对输入光进行调制，所述输出光纤为所述楔形光纤且其用于将调制光输出，所述外壳用于对耦合好的光纤与所述氧化钽脊形波导进行封装。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具体的积极有益效果为：

1、本发明在实现低功耗驱动的同时降低了调制器的尺寸。提高了器件的稳定性，具有制作工艺简便、器件尺寸小、弯曲半径小、稳定性好等优点。

2、本发明采用达到抗光折变阈值的镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜，可以对更高功率，短波长的光信号进行调制，如红色光、绿色光和蓝紫色光，其具有更宽的可调谐光谱范围。

3、相比类似结构的氧化坦波导，本发明组成波导结构的镁掺杂近化学计量比铌酸锂薄膜和氧化钽脊形波导结构同为单晶，可显著降低了在光传输过程中的损耗。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明制备工艺步骤一、二示意图

图3本发明的封装结构示意图；

图4本发明的调制原理示意图。

图中：1-铌酸锂衬底，2-二氧化硅下包层，3-镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜，4-单晶氧化钽脊形波导结构，5-二氧化硅上包层，6-行波电极，7-局部掺镁近化学计量比铌酸锂单晶薄膜，8-铌酸锂晶体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

如图1所示，本发明提供一种基于镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器晶片结构，该晶片的复合结构自下向上包括铌酸锂衬底(1)，二氧化硅下包层(2)，镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)，单晶氧化钽脊形波导结构(4)，二氧化硅上包层(5)，行波电极(6)。在本发明的较佳实施例中，二氧化硅下包层(2)的厚度在1～2μm之间，镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)的厚度在300～800nm之间，氧化钽脊形波导(4)的宽度为1μm～5μm，且其高度为200nm～400nm；行波电极6采用Au制成，且其高度在2μm～8μm之间。

本发明还提供一种采用脊形波导的马赫曾德光调制器晶片结构制造工艺，包括以下步骤：

1)选用光学级双抛0.5mm厚铌酸锂单晶(8)为初始材料，将晶片清洁后在表面镀制120nm的氧化镁薄膜，在1060℃空气中氧化2小时，接下来在1100℃下进行30小时的富锂VTE，形成局部掺镁的近化学计量比铌酸锂晶体，且达到其抗光折变阈值(～0.78mol％)，采用He+离子注入的方式在铌酸锂材料的镁掺杂的表面生成一层局部掺镁近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(7)；

2)在铌酸锂衬底(1)的上表面利用PECVD的方式沉积一层1～2μm的二氧化硅下包层(2)将所述局部掺镁近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(7)与所述二氧化硅下包层(2)进行表面键合，之后进行退火分离，再对其表面进行抛光，得到厚度约为300～800nm的镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)，如图2；

3)在所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)上表面利用TiCl5和N2O通过PECVD的方式在600℃以上沉积一层氧化钽单晶薄膜，薄膜厚度可以是100～500nm，再通过干法刻蚀出宽为1～5μm的单晶氧化钽脊形波导结构(4)；

4)在所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)和单晶氧化钽脊形波导结构(4)上镀制二氧化硅上包层(5)，接着在所述二氧化硅上包层上溅射Au作为所述行波电极(6)，

5)最后采用楔形光纤与所述脊形波导进行耦合，形成的封装结构就是镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器，所述封装结构包括输入光纤、Y型波导分支、行波电极、地电极、外壳和输出光纤，其中所述输入光纤为所述楔形光纤且其用于将光耦合到光调制器，所述行波电极用于根据电信号对输入光进行调制，所述输出光纤为所述楔形光纤且其用于将调制光输出，所述外壳用于对耦合好的光纤与所述氧化钽脊形波导进行封装。

通过采用上述技术方案，如图3所示，其调制电压与所需调制长度的关系如下：

V_pt＝λ·d/(2Γ·n₀₃·γ₃₃·L)

L＝λ·d/(2Γ·n₀₃·γ₃₃·V_pt)

其中，V_pt为半波电压，λ为波长，Γ为电场交叠因子，n₀₃为折射率，γ₃₃为电光系数，L为行波电极长度，d为电场路径长度，所述L决定所述调制器的长度。通常情况下，本发明的电极间距为6μm，半波电压达<4V，依据本发明所述工艺指标制备的微环振荡器，其微环直径可以达到300μm，品质因数在7.0x10⁴以上。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种基于镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器，其特征在于，该晶片的复合结构自下向上包括铌酸锂衬底(1)，二氧化硅下包层(2)，镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)，单晶氧化钽脊形波导结构(4)，二氧化硅上包层(5)，行波电极(6)。

2.根据权利要求1所述的基于镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、选用光学级双抛0.5mm厚铌酸锂单晶(8)为初始材料，将晶片清洁后在表面镀制120nm的氧化镁薄膜，在1060℃空气中氧化2小时，接下来在1100℃下进行30小时的富锂VTE，形成局部掺镁的近化学计量比铌酸锂晶体，且达到其抗光折变阈值(～0.78mol％)，采用He+离子注入的方式在铌酸锂材料的镁掺杂的表面生成一层局部掺镁近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(7)；

步骤二、在铌酸锂衬底(1)的上表面利用PECVD的方式沉积一层1～2μm的二氧化硅下包层(2)将所述局部掺镁近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(7)与所述二氧化硅下包层(2)进行表面键合，之后进行退火分离，再对其表面进行抛光，得到厚度约为300～800nm的镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)；

步骤三、在所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)上表面利用TiCl5和N2O通过PECVD的方式在600℃以上沉积一层氧化钽单晶薄膜，薄膜厚度可以是100～500nm，再通过干法刻蚀出宽为1～5μm的单晶氧化钽脊形波导结构(4)；

步骤四、在所述镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜(3)和单晶氧化钽脊形波导结构(4)上镀制二氧化硅上包层(5)，接着在所述二氧化硅上包层上溅射Au作为所述行波电极(6)，

步骤五、最后采用楔形光纤与所述脊形波导进行耦合，形成的封装结构就是镁掺杂近化学计量比铌酸锂单晶薄膜和单晶氧化钽脊形波导的光调制器，所述封装结构包括输入光纤、Y型波导分支、行波电极、地电极、外壳和输出光纤，其中所述输入光纤为所述楔形光纤且其用于将光耦合到光调制器，所述行波电极用于根据电信号对输入光进行调制，所述输出光纤为所述楔形光纤且其用于将调制光输出，所述外壳用于对耦合好的光纤与所述氧化钽脊形波导进行封装。