CN109001918B - 一种基于高迁移率tco薄膜的低损耗光波导移相器 - Google Patents

一种基于高迁移率tco薄膜的低损耗光波导移相器 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器。该器件基于光波导平台制备，从下至上依次为基底、脊型硅波导、二氧化铪层、电光功能材料层和二氧化铪包层以及设置于电光功能材料层表面和硅表面的电极。电光功能材料层为迁移率大于200cm2V‑1s‑1的TCO薄膜。本发明的器件基于光波导平台，将用于光开关调制器迁移率大于200cm2V‑1s‑1的TCO薄膜作为电光功能材料层，实现了电光移相的硅波导移相器与硅制备工艺兼容，调制速率可达100GHz以上，插入损耗3dB以下。

Description

一种基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器。
背景技术
硅基光子学近年来发展迅猛，该技术结合了CMOS技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。硅材料不仅是集成电路最普及的材料平台，还具备优异的光学性能；硅波导对波长1.1～1.6μm的光近乎无损透明，理想地兼容光通信现有技术与器件，为厘米至千公里级的光通信提供了高集成度的解决方案。
移相器作为光通信系统的基本单元，对于调节相位维度方面有着重要作用。基于硅波导的移相器通常是改变硅波导结构的有效折射率从而达到相位调制的目的，器件要求插入损耗小于3dB。到目前为止，硅波导结构的移相基理很多都是采用是电光移相、自由载流子色散效应或热光效应。基于自由载流子效应的移相器可以实现较高速调制，但是器件尺寸大。基于热光效应可以实现较低的器件插入损耗，但是其RC响应时间通常只有1μs。
基于电光移相基理理论上更可能实现一个高速调制且损耗较低的移相器，比如铌酸锂本身就具有较高的一阶线性电光系数，但是目前主流的器件都是基于硅制备而成，这就不利于大规模集成工艺。
硅是中心对称晶体，并不具备一阶线性电光效应(Pockets)，虽然具备二阶电光系数，但是这个系数很弱，并不能实际运用于移相器；因此与硅制备工艺兼容且可以实现电光移相的硅波导移相器很是必要。
透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)薄膜因其具备良好光电性能，广泛应用于光电器件中，TCO薄膜是简并掺杂的宽带隙半导体氧化物，通常对可见光透明，主要包括CdO、SnO2、In2O3、ZnO；其介电常数可由Drude模型描述，通过调节载流子浓度，TCO薄膜可从电解质特性变化为金属特性，通常TCO薄膜的载流子浓度范围为1016-1021cm-3；电子迁移率与材料种类和工艺息息相关，范围为10-1000cm2V-1s-1。由于TCO薄膜介电常数变化幅度大，再加上TCO薄膜在介电常数近零点(epsilon near zero，ENZ)的材料吸收系数非常高，因此目前多利用TCO薄膜，如氧化铟锡(Sn：In2O3，ITO)来实现光开关调制器。
发明内容
针对上述移相器所存在的问题或不足，为解决电光移相的硅波导移相器与硅制备工艺兼容的问题，本发明提供了一种基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器。
该器件结构主体是一个脊型波导结构，实现电光调制部分为脊柱上的MOS(金属—氧化物—半导体)电容结构，在这里即电极-二氧化铪-TCO。该器件基于光波导平台制备，从下至上依次为基底、脊型硅波导、二氧化铪层、电光功能材料层和二氧化铪包层以及设置于电光功能材料层表面和硅表面的电极。所述电光功能材料层为高迁移率(迁移率大于200cm2V-1s-1)TCO薄膜，如CdO薄膜。
具体制备方法为：
步骤1、采用等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)法在二氧化硅衬底上沉积一层低损耗的多晶硅；或者直接使用SOI基片。
步骤2、对步骤1得到的基片依次光刻和刻蚀得到脊型硅波导结构。
步骤3、对步骤2得到的波导开窗口，采用激光脉冲PLD或者原子层ALD沉积技术生长一层二氧化铪HfO2薄膜。
步骤4、对步骤3所得样品继续用激光脉冲PLD技术沉积一层迁移率大于200cm2V- 1s-1的TCO薄膜。
步骤5、对步骤4所得样品开窗口，在波导的TCO薄膜上用激光脉冲PLD沉积二氧化铪包层。
步骤6、在步骤5所得样品的TCO薄膜表面和硅表面分别做电极，即可制得。
一般而言，基于电光效应的调制器的调制速度要远高于基于自由载流子色散效应或热光效应。材料介电常数实部变化越大，移相器的尺寸可以做得越小；TCO薄膜的介电常数随外加电压可以实现从电介质特性(介电常数实部大于0)到金属特性(介电常数实部小于0)的转变，如此大的转变对于移相器的相位调制十分有效。另一方面，随着外加电压的增加，介电常数的实部虽然在下降，但是材料的吸收系数在上升，会增加器件的插入损耗。材料的迁移率越低，吸收系数越高；因此本发明选择高迁移率的TCO薄膜，如CdO，将器件的插入损耗控制在3dB以下。
本发明的器件基于光波导平台，将用于光开关调制器迁移率大于200cm2V-1s-1的TCO薄膜作为电光功能材料层。相对其他光学器件而言，硅基光子器件制备工艺与CMOS兼容，可实现大规模集成。不管是片上集成还是与其他IC集成都占据优势；采用高迁移率的TCO薄膜，材料的迁移率越高意味着本征吸收损耗相对较低，将这种材料应用于现已成熟的光学器件中，不仅方便制备同时也将器件的插入损耗降到3dB以下，甚至更低。另一方面，利用TCO薄膜实现基于电光调制光移相器，相对于传统的热光调制和自由载流子等离子色散效应而言，其调制速度要高一两个数量级。传统基于热光调制的移相器调制速率为MHz；基于自由载流子等离子色散的移相器的调制速率可实现40GHz；而本发明基于TCO的电光调制速率可达100GHz以上。
附图说明
图1：CdO介电常数于载流子浓度的关系；
图2：实施例的器件结构截面示意图；
图3：实施例波导结构材料不加电压时TM0(Hx：图a和Ey：图b)模场分布图；
图4：实施例波导结构材料加电压时TM0(Hx：图a和Ey：图b)模场分布图；
图5：实施例光波导移相器实现2π相移时的器件长度、单位损耗；
图6：实施例光波导移相器实现2π相移时的器件插入损耗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
结构如图2所示的基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器，采用低折射率SiO2作为基底，中心工作波长为1550nm。
通过以下微细加工方法，可获得器件：
步骤1、采用等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)法在二氧化硅衬底上沉积一层250nm低损耗的多晶硅。
步骤2、对步骤1得到的基片光刻和刻蚀得到宽180nm，深220nm的硅波导结构。
步骤3、对步骤2得到的波导上开一个宽2um的窗口，采用激光脉冲PLD技术生长一层5nm的二氧化铪HfO2。
步骤4、对步骤3所得样品继续用激光脉冲PLD技术沉积一层10nm的氧化镉CdO薄膜。
步骤5、对步骤4所得结构开窗口，用激光脉冲PLD技术沉积一层200nm二氧化铪包层。
步骤6、在暴露CdO和硅表面做电极，蒸发镀一层20nm的金Au，加电测试该结构的传输光谱。
通过加电，CdO与HfO2界面层的载流子浓度会随电压而逐渐增加，这个过程遵从Drude模型，从而CdO的界面层的介电常数也会随电压而发生变化。如图1所示，在载流子浓度1018-1021cm-3范围内，CdO的介电常数实部从5.4下降到-10，虚部上升到0.65。如此大幅度的变动可以导致整个器件的结构有效折射率也会随着电压的改变而改变，如此实现移相的功能。结构如图2所示。该结构的波导层为硅，衬底为低折射率的二氧化硅，折射率分别为1.45和3.45。由于CdO与HfO2之间的界面层的介电常数随着外加电压增加而逐渐降低，由电场在垂直方向的不连续性原理，低折射率的部分的场强要反而更高，因此移相调制幅度更大。如图3和图4的电场分量Ey在CdO界面层的强度要明显高于其他区域；对于图3(b)和图4(b)的Ey分量，图4(b)加电压的Ey最高值为106，而不加电压的图3(b)的最高值为104，两者之间的差异显然可见CdO在该结构的调制幅度很大。
从图5中可以看出移相器的器件长度和单位损耗都对外加电压大小很敏感，将两者相乘就是器件的插入损耗如图6所示；在电压低于1V或高于3.5V时，其插入损耗都较大，结合图5，在低电压时器件长度较大，高电压时器件单位损耗较大；所以导致电压过高过低，器件插入损耗都偏高。在电压1.5V到3V之间，可以从图6看到，器件的插入损耗有一段平缓期，说明器件工作稳定性也很高；且最低值实现了小于3dB。
单模硅波导的尺寸通常宽为400nm，厚为220nm；实施例的结构宽为180nm，相对较小，因此在顶端长一层折射率为2的二氧化铪作为包层，可将波导模传输模式更好的限制在工作结构中。

Claims (3)

1.一种基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器，其特征在于：
基于光波导平台制备，从下至上依次为基底、脊型硅波导、二氧化铪层、电光功能材料层和二氧化铪包层，以及设置于电光功能材料层表面和硅表面的电极，所述电光功能材料层为迁移率大于200cm2V-1s-1的TCO薄膜。
2.如权利要求1所述基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器，其特征在于：所述迁移率大于200cm2V-1s-1的TCO薄膜为CdO薄膜。
3.如权利要求1所述基于高迁移率TCO薄膜的低损耗光波导移相器，其制备方法为：
步骤1、采用等离子体增强化学的气相沉积PECVD法在二氧化硅衬底上沉积一层低损耗的多晶硅，或者直接使用SOI基片；
步骤2、对步骤1得到的基片依次光刻和刻蚀得到脊型硅波导结构；
步骤3、对步骤2得到的波导开窗口，采用激光脉冲PLD或者原子层ALD沉积技术生长一层二氧化铪HfO2薄膜；
步骤4、对步骤3所得样品继续用激光脉冲PLD技术沉积一层迁移率大于200cm2V-1s-1的TCO薄膜；
步骤5、对步骤4所得样品开窗口，在波导的TCO薄膜上用激光脉冲PLD沉积二氧化铪包层；
步骤6、步骤5所得样品的TCO薄膜表面和硅表面分别做电极，即可制得。
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