CN109298551A - 一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成光学领域，特别涉及一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器及其制备方法，所述调制器包括支撑衬底、键合层、光波导和调制电极，所述光波导位于键合层表面，且键合层上设置有一层铌酸锂厚膜；铌酸锂厚膜的厚度为8～20微米；本发明厚膜型铌酸锂的10微米左右的脊高使得调制效率可以提升60％以上且本发明的衬底因为减薄技术仅有8～20微米，可以避免该谐振效应进一步实现高速宽带；而相比薄膜型波导的铌酸锂调制器，本发明又具有扩散型光波导低传输损耗和低耦合损耗的优点。

Description

一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成光学领域，特别涉及一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器及其制备方法。
背景技术
铌酸锂强度调制器芯片典型结构(以X切Y传的铌酸锂芯片为例)如图1所示，其电场分布如图2所示。
为了降低半波电压以及实现高速宽带。研究人员最早采用湿法或干法刻蚀等工艺形成脊型铌酸锂光波导结构来增大电场与光场的重叠积分Γ，然而由于铌酸锂材料不易刻蚀，因此刻蚀形成的光波导脊高一般不超过3微米，而且刻蚀工艺还会造成脊型光波导的侧壁粗糙从而使得光的传输损耗大幅增加，因此研究人员在脊型结构的基础上结合扩散工艺(如图4)来降低传输损耗。尽管这两种波导结构使得调制效率有一定的提升，然而脊高仅能实现3微米使得光场的大部分仍然分布于铌酸锂衬底，因此调制效率提升并不明显(提升仅15～18％)，因此该方案并没有得到推广。
近年来，一种采用离子切割(ion-slicing)的铌酸锂薄膜技术的开发，使得低半波电压和高速宽带能够得以实现。该技术采用He+注入铌酸锂体材料(一般厚度为0.5mm及以上)的衬底，表面镀膜后再将该衬底键合到一个支撑衬底上，通过加热使得氦离子形成氦气从而实现铌酸锂衬底在离子注入位置剥离形成铌酸锂薄膜，表面抛光后再通过刻蚀等工艺制作铌酸锂脊波导，经过后续工艺再形成电光调制器。由于铌酸锂薄膜是通过离子注入剥离后形成的，因此铌酸锂薄膜深度通常只能实现600nm左右，在这种膜厚的情况下要保证光的单模传输其脊宽和脊高都受到了限制(典型值脊高约250～300nm，脊宽约800nm)，这使得形成的脊波导模场尺寸小于1微米，最大的好处是波导对光的束缚能力增强进而使得电极间距G在减小的同时M－Z两臂不发生耦合，而脊波导结构又能增大电场与光场的重叠积分Γ，最终实现大幅降低半波电压或者在同等半波电压情况下提升模拟带宽。目前，使用该技术研究人员已经实现半波电压≤4.4V、模拟带宽≥100GHz的技术指标(商用调制器在半波电压4～5V时，模拟带宽仅能达到35GHz左右)。然而，正是由于这种脊波导模场尺寸小于1微米，而光纤的模场直径通常是9微米左右，两者相差近1个数量级，因此导致光纤与波导的耦合损耗大幅增大，目前最好的耦合效率也仅能够实现5dB/端面的耦合损耗，远高于目前商用调制器0.7～0.8dB/端面的耦合损耗，因此该技术目前也难以实现商用。
发明内容
为了在提高铌酸锂电光调制器调制效率(减小半波电压以及提升模拟调制带宽)的前提下保持低的插入损耗(插入损耗包括光波导的传输损耗以及波导/光纤的耦合损耗)，本发明提出一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器及其制备方法，所述调制器包括支撑衬底9、键合层11、光波导3和调制电极2，所述键合层11在位于支撑衬底9上表面，光波导3、调制电极2位于键合层11的表面，键合层11的其他空隙处和光波导3表面设置有一层铌酸锂厚膜13。
优选的，光波导3为扩散型光波导。
优选的，所述铌酸锂厚膜13的厚度为8～20微米。
优选的，调制电极2与铌酸锂厚膜13之间有1～5微米的间隔。
优选的，支撑衬底9的厚度为0.1mm～2mm。
一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在铌酸锂体材料上通过质子交换或者钛扩散工艺形成扩散型光波导；
S2、将形成有扩散型光波导的铌酸锂衬底14采用苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)材料或者采用晶圆键合工艺粘接键合到支撑材料上；
S3、采用化学机械抛光工艺将铌酸锂衬底14减薄至8～20微米厚；
S4、采用刻蚀工艺或者激光工艺或者切片工艺，进行选择性刻蚀波导周围的铌酸锂，形成脊型结构；
S5、采用蒸发或溅射或电镀工艺形成电极；切片、端面等抛光完成芯片制作；
S6、将芯片与光纤进行对接耦合，封装到管壳，完成器件制作。
优选的，支撑材料为铌酸锂或石英片或硅片。
相比传统的采用扩散型波导或者铌酸锂体材料刻蚀的脊波导结构的商用调制器，本发明厚膜型铌酸锂的近10微米脊高使得调制效率可以提升60％以上；本发明与传统铌酸锂体材料刻蚀的脊波导的技术方案的优势和区别还在于：由于铌酸锂材料本身具有较大的介电常数(～28)，因此铌酸锂衬底材料越厚就意味着加载微波信号时越容易激励形成谐振，从而导致微波传输损耗增大，进一步造成模拟调制带宽降低，而本发明的衬底因为减薄技术仅有8～20微米，可以避免该谐振效应进一步实现高速宽带；而相比薄膜型波导的铌酸锂调制器，本发明又具有扩散型光波导低传输损耗和低耦合损耗的优点。
附图说明
图1铌酸锂强度调制器芯片及耦合结构示意图；
图2调制电极产生的电场分布示意图；
图3采用扩散型光波导的商用铌酸锂调制器的芯片剖面示意图；
图4铌酸锂体材料采用脊型结构+扩散型光波导的调制器的芯片剖面示意图；
图5铌酸锂薄膜材料脊波导结构的调制器芯片剖面示意图；
图6本发明所述采用铌酸锂厚膜结构的调制器芯片剖面示意图；
图7本发明调制器芯片制作流程示意图；
其中，1、输入光纤，2、调制电极，3、光波导，4、缓冲层，5、调制器芯片，6、偏置电极区，7、输出光纤，8、电场线分布，9、支撑衬底，10、脊型光波导，11、键合层，12、铌酸锂薄膜，13、铌酸锂厚膜，14、铌酸锂衬底。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器，包括支撑衬底9、键合层11、光波导3和调制电极2，所述键合层11在位于支撑衬底9上表面，光波导3、调制电极2位于键合层11的表面，键合层11的其他空隙处和光波导3表面设置有一层铌酸锂厚膜13；键合层11上设置的一层铌酸锂厚膜13，光波导3上的铌酸锂厚膜13相当于脊型结构。
进一步的，调制电极2与铌酸锂厚膜13之间有1～5微米的间隔；此间隔可以避免调制电极2对脊型结构中传输的光学模式的能量形成吸收，减小光电调制器的插入损耗。
进一步的，光波导3为扩散型光波导。
优选的，支撑衬底9的厚度为0.1mm～2mm。
在目前商用铌酸锂电光调制器中，通常采用钛扩散或质子交换工艺制作(以下统称为扩散型光波导3，这是由于这类扩散型光波导3不仅在工艺上容易实现，而且制作的光波导3其模场分布(准高斯分布)及尺寸(8～10微米)与光纤的模场分布及尺寸基本一致，进而与光纤的对接耦合损耗较低(一般为0.7～0.8dB/端面)。
尽管这类光波导具有传输损耗及耦合损耗低的优势，然而由于其分布在铌酸锂表面(如图3所示)，因此在进行电光调制时电场与光场的重叠积分Γ不太高，这就导致电光调制器的半波电压Vπ较高(半波电压的计算公式：以x切向Y向传输的M-Z型铌酸锂强度调制器为例，半波电压Vπ表示为：
其中，D为电极间距、λ为工作波长、n为光折射率、r 33为电光系数、Γ为光场与电场和重叠积分)，调制效率较低，也就需要增加电极长度L来降低半波电压Vπ，而更长的电极就使得微波和光波的相速匹配更难(相速匹配程度可以用μ表征，μ＝πfL(nmo-nopt)/c，微波等效折射率nmo与光波等效折射率nopt相等时μ＝0即相速匹配，然而由于工艺等原因一般很难做到两者相等，而电极L越长就会扩大这种失配程度)，进而限制了商用调制器的模拟带宽(最高模拟带宽一般仅能实现35GHz左右)。
图1是铌酸锂强度调制器芯片5及耦合结构示意图，调制器芯片5由铌酸锂衬底和设置于铌酸锂衬底上的光波导3(M-Z型)、共面波导(Coplanar waveguide，CPW)结构的行波电极2(本文称为调制电极2)以及偏置电极区6(本文讨论不包括该区域)组成，行波电极2与铌酸锂衬底之间设置有缓冲层4。光波导3的输入端连接有输入光纤1，光波导3的输出端连接有输出光纤7。
图2是CPW结构的行波电极(即调制电极2)产生的电场分布示意图，电场线分布8如图2所示，在该图中电力线在衬底区域(缓冲层4下方)明显比电极间距区域(缓冲层4上方)更稀疏，表明了由调制电极2产生的电场其电场强度在缓冲层4下方比缓冲层4上方弱。
图3是采用扩散型光波导的商用铌酸锂调制器的芯片剖面示意图，包括支撑衬底9、调制电极2、光波导3、以及缓冲层4；图中记录了扩散型光波导位于铌酸锂衬底表面，处于电力线稀疏区域。
图4是铌酸锂体材料采用脊型结构+扩散型光波导的调制器的芯片剖面示意图，包括支撑衬底9、调制电极2、光波导3、以及缓冲层4，与图3不同的是在缓冲层4上刻蚀形成脊；图中记录了脊型结构+扩散型光波导的一部分处于电力线密集区域，调制效率能够得到一定的提升。
图5是铌酸锂薄膜材料脊波导结构的调制器芯片剖面示意图，该结构从底向上分别是支撑衬底9、键合层11、铌酸锂薄膜12以及调制电极2，在铌酸锂薄膜12上刻蚀形成脊型光波导10；在该结构中脊型光波导10明显位于电力线密集区域，调制效率能够大幅提升。该结构的缺点在于：由于材料较薄(约600nm)，因此要保证单模传输其光波导结构就受到了限制(通常脊高约250～300nm，脊宽约800nm)，光波导的模场会与光纤的模场严重失配，造成耦合损耗非常大。
图6是本发明所述采用铌酸锂厚膜结构的调制器芯片剖面示意图，包括支撑衬底9、键合层11、光波导3和调制电极2，所述键合层11在位于支撑衬底9上表面，光波导3、调制电极2位于键合层11的表面，键合层11的其他空隙处和光波导3表面设置有一层铌酸锂厚膜13；在该结构中光波导明显也位于电力线密集区域，调制效率能够大幅提升。除此之外，由图中可以看到本发明的优势还在于保留了扩散型光波导传输损耗低以及模场分布与光纤匹配的优势。本发明与图4(铌酸锂体材料采用脊型结构+扩散型光波导)技术方案的优势和区别还在于：由于铌酸锂材料本身具有较大的介电常数(～28)，因此铌酸锂衬底14材料越厚(图4)就意味着加载微波信号时越容易激励形成谐振，从而导致微波传输损耗增大，进一步造成模拟调制带宽降低，而本发明的衬底因为减薄技术仅有8～20微米，可以避免该谐振效应进一步实现高速宽带。
图7是本发明所述芯片制作的技术方案及工艺流程，包括以下步骤：
S1、在铌酸锂体材料上通过质子交换或者钛扩散工艺形成扩散型光波导；
S2、将形成有扩散型光波导的铌酸锂衬底14采用BCB材料或者采用晶圆键合工艺粘接键合到支撑材料上；
S3、采用化学机械抛光工艺将铌酸锂衬底14减薄至8～20微米厚；
S4、采用刻蚀工艺或者激光工艺或者切片工艺，进行选择性刻蚀波导周围的铌酸锂，形成脊型结构；
S5、采用蒸发或溅射或电镀工艺形成电极；切片、端面等抛光完成芯片制作；
S6、将芯片与光纤进行对接耦合，封装到管壳，完成器件制作。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器，包括支撑衬底(9)、键合层(11)、光波导(3)和调制电极(2)，其特征在于，所述键合层(11)在位于支撑衬底(9)上表面，光波导(3)、调制电极(2)位于键合层(11)的表面，键合层(11)的其他空隙处和光波导(3)表面设置有一层铌酸锂厚膜(13)。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂厚膜(13)的厚度为8～20微米。
3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器，其特征在于，所述光波导(3)为扩散型光波导。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器，其特征在于，调制电极(2)与铌酸锂厚膜(13)之间有1μm～5μm的间隔。
5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器，其特征在于，支撑衬底(9)的厚度为0.1mm～2mm。
6.一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在铌酸锂衬底(14)上通过质子交换或者钛扩散工艺形成扩散型光波导(3)；
S2、将形成有扩散型光波导(3)的铌酸锂衬底(14)采用苯并环丁烯BCB材料或者采用晶圆键合工艺粘接键合到支撑材料(9)上；
S3、采用化学机械抛光工艺将铌酸锂衬底(14)减薄至8～20微米厚；
S4、采用刻蚀工艺或者激光工艺或者切片工艺，进行选择性刻蚀波导周围的铌酸锂，形成脊型结构；
S5、采用蒸发或溅射或电镀工艺形成电极；进行切片、端面抛光完成芯片制作；
S6、将芯片与光纤进行对接耦合，封装到管壳，完成器件制作。
7.根据权利要求6所述的一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器的制备方法，其特征在于，支撑材料(9)为铌酸锂或石英片或硅片。
8.根据权利要求6所述的一种基于铌酸锂厚膜的高速电光调制器的制备方法，其特征在于，支撑材料(9)的厚度为0.1mm～2mm。
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