CN109844621A - 微机械薄膜锂铌酸锂电光装置 - Google Patents

微机械薄膜锂铌酸锂电光装置 Download PDF

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Abstract

提供了由薄膜铌酸锂制成的光学装置及其制造。在一些实施方式中，光学装置包括基板和设置在所述基板上的光波导。所述光波导包含铌酸锂。所述光波导具有沿所述基板横向延伸的中央脊。电极对设置在所述光波导的所述中央脊的相对侧。

Description

微机械薄膜锂铌酸锂电光装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月12日提交的美国临时申请No.62/374,226的权益，该临时申请通过引用其整体并入本文。
背景技术
本发明的实施方式涉及光波导，并且更具体地涉及由薄膜铌酸锂(LN)制造的光学装置。
发明内容
根据本公开的实施方式，提供了一种制造光波导的方法。在铌酸锂膜上沉积第一抗蚀剂。以第一图案在第一抗蚀剂上沉积第二抗蚀剂。根据第一图案来图案化第一抗蚀剂。蚀刻铌酸锂膜以将第一图案从第一抗蚀剂转移到铌酸锂膜。
在一些实施方式中，铌酸锂膜具有约1μm或更小的厚度。在一些实施方式中，铌酸锂膜具有约700nm或更小的厚度。在一些实施方式中，铌酸锂膜具有约400nm或更小的厚度。
在一些实施方式中，铌酸锂膜设置在绝缘体上。在一些实施方式中，绝缘体的折射率小于铌酸锂膜的折射率。在一些实施方式中，绝缘体包含二氧化硅。
在一些实施方式中，绝缘体设置在载体上。在一些实施方式中，载体包含铌酸锂。在一些实施方式中，载体包含硅。在一些实施方式中，载体包含石英。在一些实施方式中，载体包含二氧化硅。在一些实施方式中，载体包含蓝宝石。
在一些实施方式中，第一抗蚀剂包含非晶硅。在一些实施方式中，第一抗蚀剂包含二氧化硅。在一些实施方式中，第一抗蚀剂包含氮化硅。在一些实施方式中，第一抗蚀剂包含氧化铝。在一些实施方式中，第一抗蚀剂包含二氧化钛。在一些实施方式中，第一抗蚀剂的硬度大于第二抗蚀剂的硬度。在一些实施方式中，通过化学气相沉积来沉积第一抗蚀剂。在一些实施方式中，通过等离子体增强化学气相沉积来沉积第一抗蚀剂。在一些实施方式中，第一抗蚀剂是p掺杂的。在一些实施方式中，第一抗蚀剂具有约800nm的厚度。
在一些实施方式中，第二抗蚀剂包含聚合物。在一些实施方式中，聚合物包含可流动氧化物。在一些实施方式中，聚合物包含FOX-16。在一些实施方式中，通过旋涂来沉积第二抗蚀剂。在一些实施方式中，沉积第二抗蚀剂包括根据第一图案来光刻图案化第二抗蚀剂。在一些实施方式中，通过电子束光刻来光刻图案化第二抗蚀剂。
在一些实施方式中，通过干蚀刻来蚀刻第一抗蚀剂。在一些实施方式中，通过反应性离子蚀刻来蚀刻第一抗蚀剂。在一些实施方式中，反应性离子蚀刻是电感耦合等离子体反应性离子蚀刻。在一些实施方式中，反应性离子蚀刻使用Ar+等离子体。
在一些实施方式中，通过干法蚀刻来蚀刻铌酸锂膜。在一些实施方式中，通过反应性离子蚀刻来蚀刻铌酸锂膜。在一些实施方式中，反应性离子蚀刻是电感耦合等离子体反应性离子蚀刻。在一些实施方式中，反应性离子蚀刻使用Ar+等离子体。
在一些实施方式中，方法包括从铌酸锂膜除去第一抗蚀剂。在一些实施方式中，从铌酸锂膜除去第一抗蚀剂包括将第一抗蚀剂暴露于氢氧化钾溶液。在一些实施方式中，氢氧化钾溶液是30％溶液。在一些实施方式中，将第一抗蚀剂在约80℃下暴露于氢氧化钾溶液达约2分钟。
在一些实施方式中，方法包括在绝缘体上图案化电极。在一些实施方式中，通过电子束光刻来图案化电极。在一些实施方式中，电子束光刻包括PMMA剥离(lift-off)。在一些实施方式中，电极包含金属。在一些实施方式中，电极包含金。
在一些实施方式中，方法包括在铌酸锂膜上图案化电极。在一些实施方式中，通过电子束光刻来图案化电极。在一些实施方式中，电子束光刻包括PMMA剥离。在一些实施方式中，电极包含金属。在一些实施方式中，电极包含金。
在一些实施方式中，铌酸锂膜是整体式的。
根据本公开的另一实施方式，提供了一种电光装置。装置包括基板。光波导设置在基板上。光波导包含铌酸锂。光波导具有沿基板横向延伸的中央脊。电极对设置在光波导的中央脊的相对侧。
在一些实施方式中，中央脊具有约1μm或更小的宽度。在一些实施方式中，中央脊具有约900nm或更小的宽度。在一些实施方式中，中央脊具有约500nm的宽度。在一些实施方式中，中央脊具有约400nm的宽度。
在一些实施方式中，光波导包括在基板的第一侧和电极之间沿着基板的第一侧从中央脊向外延伸的腿。在一些实施方式中，腿的高度小于中央脊的高度。在一些实施方式中，腿的高度小于或等于中央脊的高度的一半。在一些实施方式中，腿具有约300nm的高度。
在一些实施方式中，铌酸锂是晶体并且设置成使得其晶格的x轴基本上垂直于基板的第一侧延伸。在一些实施方式中，铌酸锂是整体式的。
在一些实施方式中，中央脊具有约1μm或更小的厚度。在一些实施方式中，中央脊具有约700nm或更小的厚度。在一些实施方式中，中央脊具有约400nm或更大的厚度。在一些实施方式中，中央脊具有约400nm的厚度。
在一些实施方式中，基板是绝缘体。在一些实施方式中，绝缘体的折射率小于光波导的折射率。在一些实施方式中，绝缘体包含二氧化硅。
在一些实施方式中，装置包括载体，基板设置在载体上。在一些实施方式中，载体包含铌酸锂。在一些实施方式中，载体包含硅。在一些实施方式中，载体包含石英。在一些实施方式中，其中载体包含二氧化硅。在一些实施方式中，载体包含蓝宝石。
在一些实施方式中，电极包含金属。在一些实施方式中，电极包含金。在一些实施方式中，电极对适于在横跨电极对施加电压时，调制光波导的光学模式。
在一些实施方式中，光波导包含基本上半圆形的弯曲(bend)。在一些实施方式中，基本上半圆形的弯曲具有约50μm或更小的半径。在一些实施方式中，基本上半圆形的弯曲具有约20μm的半径。在一些实施方式中，基本上半圆形的弯曲具有约5μm的半径。
在一些实施方式中，电极对各自具有约1mm或更短的长度。
在一些实施方式中，光波导沿着由多个弓形段限定的基本上蛇形的路径设置。在一些实施方式中，弓形段基本上是半圆形的。在一些实施方式中，弓形段各自具有小于约50μm的半径。在一些实施方式中，弓形段各自具有约20μm的半径。在一些实施方式中，弓形段各自具有约5μm的半径。在一些实施方式中，弓形段各自分开约1mm或更小。
在一些实施方式中，电极对分开约3.5μm。
在一些实施方式中，光波导沿着基本上环状的路径设置。在一些实施方式中，光波导设置在基板的第一侧上以形成环形谐振器。在一些实施方式中，光波导设置在基板的第一侧上以形成跑道形谐振器。在一些实施方式中，光波导设置在基板的第一侧上以形成Mach-Zehnder干涉仪。
在一些实施方式中，装置适于通过施加的电压来使谐振波长移位。在一些实施方式中，装置适于提供速度匹配。在一些实施方式中，装置适于提供电光调制。
附图说明
图1是根据本公开的实施方式的电光调制器的截面图。
图2A-B是根据本公开的实施方式的制造的基于跑道形谐振器的调制器的SEM图像。
图3是透射率相对于波长的图，说明了根据本公开的实施方式，调制器的测量的光学透射光谱及其洛伦兹拟合。
图4是电光响应相对于频率的图，说明了根据本公开的实施方式的调制器的频率响应。
图5A-E是光学装置的示意图，其依次说明了根据本公开实施方式的装置制造方法的步骤。
图6是根据本公开的实施方式的波导的截面图。
图7是根据本公开的实施方式的示例性调制器布局的平面图。
图8是说明了RF相位的示例性调制器布局的平面图。
图9是根据本公开的实施方式的示例性调制器布局的平面图，说明了RF相位。
图10是根据本公开的实施方式的示例性波导的截面图。
图11是根据本公开的实施方式的示例性波导的截面图。
图12是根据本公开的实施方式，在蚀刻的LN波导旁边的离子扩散的LN波导的透视图。
图13是根据本公开的实施方式，包括薄膜LN波导和RF电极的示例性装置布局的示意图。
图14是根据本公开实施方式，基于跑道形和环形谐振器的调制器的伪彩色扫描电子显微镜(SEM)图像。
图15是根据本公开实施方式，基于Mach-Zehnder干涉仪的调制器的伪彩色扫描电子显微镜(SEM)图像。
图16是根据本公开的实施方式的示例性金属电极和相关联的光波导的特写SEM图像。
图17是根据本公开的实施方式的波导的模拟光学横向电(TE)模式分布(modeprofile)和RF电场的截面图。
图18是根据本公开的实施方式的跑道形谐振器中的波长相对于归一化透射率的图。
图19是根据本公开的实施方式的跑道形谐振器中的DC补偿(offset)相对于谐振移位的图。
图20是根据本公开的实施方式的Mach-Zehnder干涉仪中的光透射率相对于DC补偿的图。
图21是用于测试根据本公开的装置的眼图(eye diagram)的仪器的示意图。
图22是根据本公开的实施方式的跑道形谐振器的调制频率相对于电光系数S21的图。
图23是根据本公开的实施方式的Mach-Zehnder干涉仪的调制频率相对于电光系数S21的图。
图24A-F是根据本公开实施方式的跑道形谐振器和Mach-Zehnder干涉仪的眼图。
图25A-B是根据本公开的实施方式的Mach-Zehnder干涉仪的眼图。
具体实施方式
从电域到光域的信息转换是现代通信、数据中心操作和光辅助测距应用中的核心过程。这样的转换可以在电光装置中实现，其中所施加的DC/AC电压引起光场特性的相应变化，例如强度或相位。
本文提供用于电光应用的集成薄膜铌酸锂(LN)装置，其包括波导和跑道形谐振器。本文还提供了将电压信号转换为光强度或相位调制的电光调制器的设计和制造方法。
提供了各种基于谐振器的铌酸锂电光装置，其包括在薄膜铌酸锂上制造的跑道形或环形谐振器。通过施加的电压来使谐振波长移位。这样的装置可用于紧凑式高速电光调制器和开关。
类似地，提供了各种基于Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的薄膜铌酸锂电光装置。提供了对于在这样的薄膜铌酸锂基板上的电光调制的速度匹配。这样的装置可用于低损耗、低电压和高速电光调制器和开关。
根据本公开的实施方式的装置中的电光转换的物理原理是基于χ(2)(普克尔斯(Pockels))效应，其中材料折射率与施加的外部电场成比例地变化。该效应也可用于本体LN调制器。本文描述的集成方法减少了装置足迹，提高了装置效率，并且使新的设计范例成为可能。由于在各种实施方式中引导的光学模式的高限制，因此波导和谐振器的紧密弯曲是可能的。紧密弯曲允许制造小于20微米半径的环形谐振器。
根据本公开的实施方式制造的LN上的微米级光子结构展示了适用于芯片上电光装置的改进属性。对于调制器、足迹、每比特能量成本和电光带宽都得到了改善。
如上所述，根据本公开的调制器通过光学模式的高限制而表现出大约20μm跨度(across)的减少的尺寸。依赖于本体LN调制器的替代设计为大约10cm跨度。减小装置尺寸使得光波导和电触点的新设计成为可能。本体LN调制器遭受射频(RF)传播损耗，并受到RF和光学相位匹配条件的限制。相比之下，根据本公开的微结构化薄膜LN技术使有效且远小于RF场的波长的微环谐振光子结构成为可能，因此消除了对RF损耗和相位匹配条件的限制。
与替代性本体LN调制器相比，微结构化LN调制器对于处理的信息的每个比特也消耗显著更少的能量。减小电气焊盘尺寸导致更小的电容(C)，并且因此减少发生切换所需能量的量(Es＝1/2CV2)。虽然替代性本体LN调制器的能耗在10pJ/比特范围内，但根据本公开的装置实现了大约1fJ/比特的能耗。
参考图1，以截面描绘了根据本公开的实施方式的示例性电光调制器。调制器结构100包括设置在基板102上的光刻图案化的LN光波导101。在一些实施方式中，基板102包含二氧化硅。在一些实施方式中，电接触垫103、104位于波导101周围以形成电容器。在一些实施方式中，波导101包括中心脊105，其侧翼为从中心脊105向外延伸并设置在接触垫103、104下方的外腿106、107。在一些实施方式中，波导101耦合到LN微环形或跑道形光学微腔。在一些实施方式中，电接触垫围绕光学腔放置，形成电容器。
参考图2A-B，根据本公开实施方式的光学谐振器包括支持光学回音壁模式(WGM)的圆形脊形波导201。通过将直总线脊形波导202放置在谐振器201附近来实现对谐振器的光学接入。尽管在所描绘的示例性实施方式中，谐振器201基本上是跑道形状，但应理解，本文所述的技术适用于设计和制造各种形状的谐振器，包括跑道形和环形。在一些实施方式中，电接触垫203、204围绕光学腔放置，形成电容器。
参考图3，说明了根据本公开的实施方式的20μm环形调制器的测量的光学透射光谱(显示为圆圈)及其洛伦兹拟合(显示为实线)。加载的光学品质因数为约5700。WGM的谐振频率对于波导的折射率高度敏感。当在接触垫之间施加电压时，腔的共振频率移位导致激光透射率的改变。
参考图4，说明了根据本公开的实施方式的20μm环形调制器的频率响应，显示大于40GHz的-3dB电光带宽。理论响应被描绘为平滑曲线。
现在参考图5，说明了根据本公开的实施方式的装置制造方法。在一些实施方式中，使用光刻和Ar+等离子体干蚀刻的组合来制造波导、谐振器或其他光学装置，如下所述。
参考图5A，亚微米(400-700nm)LN薄膜501被结合在较低指数(lower-index)绝缘体502的顶部上以形成LNOI构造503。在一些实施方式中，绝缘体502包含二氧化硅。在一些实施方式中，绝缘体502设置在载体504上。在一些实施方式中，载体504包含LN。在一些实施方式中，载体504包含硅。在一些实施方式中，载体504包含石英。第一抗蚀剂层505沉积在薄膜501上。在一些实施方式中，第一抗蚀剂层505包含非晶硅或二氧化硅。在其他实施方式中，第一抗蚀剂层505包含氮化硅、铝或铝氧化物(氧化铝(III))或二氧化钛。在一些实施方式中，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积第一抗蚀剂层505。在其他实施方式中，通过溅射、电子束蒸发或热蒸发来沉积第一抗蚀剂层505。在一些实施方式中，第一抗蚀剂层505是p掺杂的。在一些实施方式中，例如其中第一抗蚀剂层505包含硅的某些实施方式中，第一抗蚀剂层505具有约800nm的厚度。
参考图5B，在第一抗蚀剂层505上沉积第二抗蚀剂层506。在一些实施方式中，第二抗蚀剂层包含聚合物。在一些实施方式中，聚合物是可流动氧化物。在一些实施方式中，聚合物是氢倍半硅氧烷(HSQ)。在一些实施方式中，聚合物是FOX-16。在一些实施方式中，第一抗蚀剂层505包含基于聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(甲基戊二酰亚胺)(PMGI)、酚醛树脂(DNQ/Novolac)、SU-8、OSTE聚合物、Ma-N光致抗蚀剂、Shipley光致抗蚀剂、SPR光致抗蚀剂或ZEP光致抗蚀剂的光致抗蚀剂。在一些实施方式中，通过旋涂来沉积聚合物。在沉积第二抗蚀剂层506之后，将其光刻图案化。在一些实施方式中，光刻图案化包括电子束光刻。在一些实施方式中，光刻图案化包括光致抗蚀剂工艺。
参考图5C，在图案化第二抗蚀剂层506之后，图案被转移到第一抗蚀剂层505，从而根据图案来图案化第一抗蚀剂层。在一些实施方式中，通过反应性离子蚀刻(RIE)将图案从第二抗蚀剂层506转移到第一抗蚀剂层505。在一些实施方式中，RIE是电感耦合等离子体(ICP)RIE。第一抗蚀剂层505的剩余部分507…508用作用于LN薄膜501的干法蚀刻的硬掩模。在一些实施方式中，通过反应性离子蚀刻(RIE)来进行干法蚀刻。在一些实施方式中，RIE是电子回旋共振(ECR)RLE。在一些实施方式中，RIE使用Ar+等离子体。
参考图5D，在一些实施方式中，除去第一抗蚀剂层505的剩余部分507…508，留下波导509。在一些实施方式中，通过暴露于氢氧化钾溶液(KOH)来进行除去。在一些实施方式中，KOH溶液为30％。在一些实施方式中，暴露在约80℃下进行约2分钟。
参考图5E，在一些实施方式中，电极510...511围绕波导509图案化。在一些实施方式中，使用电子束光刻来图案化电极510...511。在一些实施方式中，使用PMMA剥离工艺。在一些实施方式中，电极510...511是金属的。在一些实施方式中，电极510...511包含金。在一些实施方式中，电极510...511包含钛。在一些实施方式中，电极510...511包含金和钛的层。在一些实施方式中，电极510...511包含约15nm的钛层和约300nm的金层。
上面描述的制造工艺通过使用两步转移工艺来提供具有最小表面粗糙度和可控散射损失的波导结构。如上所述，图案从软聚合物光致抗蚀剂转移到硬质材料以产生具有光滑边缘的硬掩模。然后使用硬掩模将图案平滑地转移到薄膜LN。相比之下，依赖于本体LN中的离子注入的替代性波导具有大的光学模式并且不适合于如本文所描述的弯曲或精细结构。在没有本文所描述的两步转移过程的情况下由LN制造的替代性波导缺少光滑边缘，因此表现出高的光学损耗。本公开的技术产生具有光滑边缘的波导，并且表现出至少100000，并且在一些实施方式中至少1000000的光学品质因数Q。
如上所述，在一些实施方式中，使用硬掩模和软聚合物抗蚀剂。在一些实施方式中，硬掩模的硬度大于软聚合物抗蚀剂的硬度。硬度可以使用各种公知的测试来测量，包括例如Vickers、Brinell、Rockwell、Meyer或Leeb测试。
参考图6，以截面描绘了根据本公开的实施方式的示例性电光调制器。调制器结构600包括设置在基板602上的光波导601。在一些实施方式中，基板602包含二氧化硅。在一些实施方式中，电极603、604位于波导601周围以形成电容器。在一些实施方式中，波导601包括中央脊605，其侧面是从中央脊605向外延伸并设置在接触垫603、604下方的外腿606、607。在一些实施方式中，基板602具有约350nm的的高度。
在一些实施方式中，波导601的脊605具有约500nm的宽度。在一些实施方式中，波导601的脊605具有约400nm的宽度。在其他实施方式中，波导601的脊605具有小于约1μm的宽度。波导601的脊605的窄宽度提供了光学模式的良好限制并且使波导的紧密弯曲成为可能。而且，窄的宽度使电极603、604能够靠近地定位，这减少了功率使用并提高了效率。在一些实施方式中，波导弯曲至约20μm的半径。在一些实施方式中，波导601的脊605具有约350nm的高度。在一些实施方式中，波导601的脊605具有约200nm的高度。
一些实施方式包括外腿606、607，而一些实施方式不包括外腿606、607。当存在时，外腿606、607有助于电场的传播。特别地，通过在电极603、604下方延伸，使空气上的电压降最小化。然而，腿606、607的增加减少了光学模式对脊605的限制。另外，腿606、607增加了波导601的最小弯曲半径。通常，在腿606、607的高度是脊605的高度的大约一半或更小的情况下，对于本文讨论的应用，限制保持足够高。
如图所示，光波导601由x切(x-cut)LN晶体制成，使得LN晶格的x轴基本上垂直于基板向外延伸。如上所述，LN晶体表现出电场引起的双折射。尽管本文描述的制造技术是取向不可知的，但x切使电极能够设置到脊605的任一侧，使得由此形成的电场的取向基本上平行于基板602并且基本上垂直于波导601。在一些实施方式中，LN晶体的z轴取向在与电场相同的方向上。
相比之下，依赖于本体LN中的离子注入以形成波导的替代性波导具有大约5μm的大的光学模式，并且不适合于如本文所描述的弯曲或精细结构。另外，由于波导嵌入本体中，因此电极不能设置在波导的任一侧。
由z切LN晶体制造的替代性波导需要将电极设置在波导的上方和下方。在LN波导下方堆叠电极导致更昂贵和更复杂的制造工艺。而且，所涉及的大电极导致大电容。
参考图7，说明了根据本公开的实施方式的示例性调制器布局。电极对701...705布置在波导706的任一侧。波导706沿蛇形路径设置，该蛇形路径具有多个弓形段707。在一些实施方式中，蛇形路径包括通过弓形段707成对连接的多个基本上线性的部分708。在一些实施方式中，弓形段基本上是半圆形的。在一些实施方式中，半圆形弯曲具有约5μm的半径。在其他实施方式中，半圆形弯曲具有约20μm的半径。在一些实施方式中，波导具有约500nm的宽度。在一些实施方式中，半圆形弯曲分开小于约1mm。在这样的实施方式中，每个电极的长度小于约1mm。通常，为了促进相位匹配，每个电极小于在电路中传播的RF微波的波长。在一些实施方式中，每个电极小于在电路中传播的RF微波的波长的1/4。
参考图8-9，说明了根据本公开的实施方式的相位匹配。在电光调制器中，当总电线长度与RF微波的波长相当或比RF微波的波长更长时，RF和光学相位匹配是重要的考虑因素。参考图8，说明了示例性波导801。波导801的侧翼是电极802、803，使其经受电场。电场的取向可以在间隔811...817处反转。在所示的实例中，当沿着电极传播时，光场所经历的电场每半个波长翻转符号。因此，电场的取向可以抵消波导中的一些或全部的电光移位。
为了解决大直波导中的这个问题，例如图示的示例性10cm长波导，相位匹配是需要的。调制通过匹配电波和光波的相速来实现，使得光场沿整个波导经历相同的电相。然而，这种相位匹配需要专门设计的电极，并且损害其他设计目标，例如电容。
参考图9，描绘了图7的波导706。如上面进一步讨论的，波导706包含弯曲707。因为波导包含紧密弯曲，所以即使总波导长度保持相同，沿着电极701的RF传播长度也可以减小到RF波长的1/4以内。在这样的实施方式中，光场在传播通过波导时经历电场。应理解，所指示的极性仅仅是示例性的，并且可以通过根据本公开的电场的操纵来实现各种效果。
如上所述，替代性LN波导太宽而不能弯曲。这导致需要长电极的长直波导。长度对调制器设计造成了主要限制。必须匹配光波和电压的相位。此外，必须考虑高频下长距离的电传播损耗。
本文描述的制造技术允许产生非常窄的波导，其能够重新设计装置拓扑。由于根据本公开的波导可以以紧密的半径弯曲，因此可以显著减小电极尺寸。这消除了上述限制并且实现了更高的效率、更好的性能、更高的速度、更低的能量消耗和更小的足迹。在一些实施方式中，本文描述的短电极允许调制器在约40GHz或更高的频率下操作。
本文描述的技术适用于基于薄膜LN装置的宽范围的集成电光装置，包括基于Mach-Zehnder干涉仪的调制器、开关和线性调制器。在使用基于波导的干涉仪代替微谐振器的情况下，可以应用相同的制造方法，从而可以实现大得多的光学操作带宽。由于好得多的光限制，因此接触电极可以放置得比替代性本体LN调制器更接近彼此，从而降低调制电压。此外，小弯曲半径允许布线波导并减少整体RF传播长度和电子电容，使超高速和低能耗调制器成为可能。相同的装置配置也可适用于高开/关比、低插入损耗的光开关。与硅中的等离子体分散效应和磷化铟中的量子限制斯达克(Stark)效应不同，普克尔斯效应本质上是线性的。可以构建高速线性调制器而没有昂贵的信号后处理，这在模拟电路和通信中是至关重要的。
现在参考图10-11，在根据本公开的示例性波导的截面视图中说明了微波透射线速度匹配。替代性LN调制器不支持速度匹配，因为LN的微波介电常数非常高(～28)。与在LN芯片上引导的光相比，这导致低的微波群速度。在替代性调制器中，低介电常数SiO2缓冲层可用于增加微波群速度，这导致调制效率降低。在如本文所描述的薄膜设计中，因为光学模式被限制在LN薄膜中，所以基板不需要具有高介电常数。因此，本体基板可以是低RF指标材料，例如Si、石英、二氧化硅、蓝宝石或其组合，使得光学和微波群速度可以完美匹配。
在图10中，LN波导1001具有高介电常数，导致高折射率(约5)。光学模式1002的光学指数为约2.2。结果，速度匹配是困难的。如上所述，在各种示例性实施方式中，电极1003可以是金。
在图11中，LN波导1101布置在SiO2层1104上，其又布置在基板晶片1105上。在各种实施方式中，基板可以是硅、石英、二氧化硅、宝石或其组合。光学模式1102的光学指数为约2.2。SiO2层1104和基板1105(例如硅)具有低折射率(对于硅为3.4，对于石英和二氧化硅为2.0，对于蓝宝石为3.0-3.3)，因此光学和微波速度可以匹配。如上所述，在各种示例性实施方式中，电极1003可以是金。
由于通过较短电极和更好的速度匹配获得的改进的调制效率，因此与替代性方法相比，可以获得具有较低驱动电压(约2V或更低)的较高带宽(约100GHz或更高)。
如上所述，LN表现出宽带隙(高透明度)和大二阶(χ2)电光系数(约30pm/V)。与硅和磷化铟(InP)相比，LN中的χ2过程在飞秒时间尺度上随施加的电场线性地改变其折射率。该过程的效率由光学和电场的重叠决定。替代性的离子扩散LN波导在芯和包层之间遭受低折射率对比(Δn<0.02)，导致大的光学模态体积和弯曲半径。结果，光子结构大，并且射频(RF)电极必须远离光学模式放置以防止有害的波导传播损失，从而显著降低电光开关效率。
参考图12，大致按比例显示离子扩散LN波导1201在嵌入SiO21202中的蚀刻的LN波导旁边。区域1203、1204指示每个装置中大致的波导核心。蚀刻波导中较大的折射率对比允许更强的光限制。
参考图13，根据本公开的实施方式提供了包括薄膜LN波导和RF电极的示例性装置布局。制造金属通孔和桥接件以在装置的两侧实现调制。插图显示了示例性装置截面，说明了金电极层1301、LN层1302和SiO2层1303。示例性装置1300包括跑道形谐振器1304和Mach-Zehnder干涉仪1305(部分地描绘)。
如本文所述，示例性装置如装置1300展示具有亚微米光学限制、小弯曲半径(<20μm)和低传播损耗的单晶LN光子结构。在各种实施方式中，单晶LN直接成形为纳米级波导。使用电子束光刻法在绝缘体上的薄膜LN基板上限定波导，随后使用沉积的Si硬掩模在Ar+等离子体中干蚀刻，如上文进一步描述的。LN芯和二氧化硅(SiO2)包层之间的折射率对比为Δn＝0.67，其比替代性的离子扩散LN波导高了超过一个数量级。
现在参考图14，显示了根据本公开的实施方式的基于跑道形和环形谐振器的调制器。环形谐振器1401和跑道形谐振器1402包括如上面进一步描述所制造的薄膜LN波导。
现在参考图15，显示了根据本公开的实施方式的基于Mach-Zehnder干涉仪的调制器。干涉仪1501包括如上面进一步描述所制造的薄膜LN波导。
参考图16，提供了示例性金属电极和相关联的光波导的特写SEM图像。
参考图17，为根据本公开的示例性波导提供模拟光学横向电(TE)模式分布(Ez分量)和RF电场(由箭头显示)的截面图。在该示例性实施方式中，x切LN对电场的水平分量(Ez)最敏感。在该图中，h对应于LN波导高度；w对应于波导宽度；s对应于LN板厚度；g对应于金属电极间隙。
在对应的光学和电场之间的数值模拟重叠中，光波导具有顶部宽度w＝900nm，肋高度h＝400nm，和板厚度s＝300nm。为了使面内电场(Ez)最大化，光波导夹在信号和接地电极之间，间隙为g＝3.5μm。SiO2包层用于通过增加周围介质的介电常数来进一步增强这种重叠，以匹配LN的高介电常数(约28)。
本实例包含一系列制造的纳米光子LN装置，包括纳米波导、环形谐振器、跑道形谐振器和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。各种示例性结构的传播损耗为约3dB/cm或更小。传播损耗受到蚀刻粗糙度的限制，并且在一些示例性结构中为约2dB/cm或更小。本文描述的示例性MZI和跑道形结构分别具有约2dB或更小和约1dB或更小的低芯片上插入损耗。一些示例性结构表现出额外的约5dB/面或更小的耦合损耗。
高度限制的光学模式允许通过将金微RF电极靠近LN波导放置来最大化电光调制效率。如上文进一步讨论的，这些示例性装置利用x切LN构造，其中横向电(TE)光学模式和面内电场(Ez)通过LN的最高电光张量分量(r33)相互作用。波导几何形状和微RF电极位置促进光场和电场之间的最佳重叠，同时最小化弯曲损耗和金属引起的吸收损失。
现在参考图18，在波长相对于归一化透射率的图中显示了示例性高Q(～50000)跑道形谐振器的测量的透射光谱。在施加的DC电压下显示大的频率移位。
现在参考图19，显示了示例性跑道形谐振器的线性谐振波长移位是DC电压的函数，具有误差条。测量的调谐效率为7.0pm/V。
现在参考图20，示例性2mm长MZI调制器的光透射率相对于所施加的DC电压作图。指出9V的半波电压(Vπ)和1.8V-cm的电压-长度乘积。
如所示出的，在跑道形调制器和微MZI调制器中提供有效和线性的电光调谐。图18显示了加载的品质(Q)因数为～50000的跑道形谐振器的透射光谱。当施加电压时，折射率的变化改变谐振器的有效光路长度，导致谐振频率移位。两个跑道臂上的电场以同一方向对齐，使得两臂上的调制相加。测量的电光效率为7.0pm/V，具有良好的线性度，共振消光比和线宽无可见变化。MZI调制器是平衡的干涉仪，带有两个50:50Y分光器和两个光路。施加的电压在一个臂上引起相位延迟，在另一个臂上引起相位提前，这反过来又在Y-组合器处通过干预改变输出强度。在打开和关闭之间完全切换输出所需的最小电压定义为半波电压(Vπ)。从2mm长MZI调制器测量到Vπ为9V，消光比为10dB。这相当于1.8V-cm的电压长度乘积，比替代性本体LN装置好一个数量级。
参考图21，描绘了用于测试眼图的示例性设置。虚线表示电光带宽测量的信号路径。可调谐激光器2101探测被测装置2102。使用伪随机二进制序列(PRBS)2103通过视界(scope)2103观察被测装置(DUT)2102。矢量网络分析器(VNA)2104又耦合到电探针2105。
参考图22，说明了Q为～8000的示例性跑道形谐振器的电光带宽(S21参数)。相应的3dB带宽为30GHz。
参考图23，说明了示例性2mm长MZI的电光带宽(S21参数)。相应的3dB带宽为15GHz。
参考图24，提供了具有高达40Gbps和22Gbps的数据速率的跑道形(图24A-C)和MZI(图24D-F)调制器的眼图。所有眼图均采用27-1PRBS以非归零方案测量，电力驱动为5.66VPP。对于跑道形谐振器和MZI，消光比分别为3dB和8dB。
参考图25，提供了12.5Gbps(图25A)和22Gbps(图22B)的MZI调制器的眼图，其中装置被加热20℃。消光比为8dB。
如所示出的，根据本公开的LN装置表现出高电光带宽(S21参数)，其使用网络分析器和高速光电二极管(如图21所示)来表征。对于特征为8000的Q因数的跑道形谐振器调制器，测量了30GHz的3dB电光带宽(如图22所示)。该值受谐振器的腔-光子寿命限制(约6ps)。通过测试Q为5700和18000的额外谐振器来确认寿命限制的带宽。
所得3dB带宽分别为40GHz和11GHz。通过控制RF电极和光波导之间的距离，从固有值来设计Q因数。估计跑道形调制器的固有RC带宽限制超过100GHz。
对于具有直接电容调制的示例性2mm长MZI装置，测量的电光3dB带宽为约15GHz(如图23所示)。这由于由使用的较长RF电极引起的较大电容(约0.2pF)而受到RC常数限制。在该实例中，测量的带宽受到网络分析仪驱动器的50Ω阻抗限制，因为芯片上电阻小(<10Ω)。
该平台支持高达40Gbps的数据传输速率。图24显示了在5.66Vpp下用27-1(伪)随机二进制序列获得的、在各种数据速率下的跑道性和MZI调制器两者的不归零(NRZ)开眼图。由于信号质量高，因此这些装置可以以其3dB带宽的1.5倍的数据速率运行，这对于跑道形和MZI装置分别相当于40Gbps和22Gbps。测量的这些调制器的消光比为3dB和8dB，功耗(CV2/4)分别为240fJ/比特和1.6pJ/比特。
由于LN的低热光系数(3.9×10-5K-1)，MZI调制器保持其本体对应物的稳定热性质。图25说明了横跨ΔT＝20℃范围的眼图。MZI调制器能够在22Gbps的最大数据速率下维持开眼图，而没有任何反馈来补偿温度漂移(开环构造)。
如本文所述的微米级LN调制器具有高带宽、优异的线性、低电压和良好的温度稳定性。LN的高介电常数(εRF～28)规定LN中的RF场比光场(εopt～4)传播慢得多，导致带宽和驱动电压之间的性能妥协。在本文所述的薄膜整体式LN方法中，可以实现相位匹配，因为电场主要位于低介电SiO2(εopt～4)中并且容易以与光几乎相同的群速度传播。薄膜微MZI调制器具有相位匹配的RF传输线架构，可同时实现超高带宽(>60GHz)和低调制电压(～1V)，因此可用CMOS电路直接驱动。
有源微谐振器和低损耗波导使芯片级光子电路能够与在宽波长范围(从可见光到中红外)运行的开关、滤波器和非线性波长源密集地集成。此外，超紧凑足迹(小至30μm×30μm)的微环调制器对于在房地产处于高价的地方的数据中心应用具有吸引力。本文描述的高性能整体式LN纳米光子平台提供了实用的成本有效的解决方案，以满足下一代的数据中心和城域以及长途光通信的不断增长的需求。
已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施方式的描述，但是并不旨在穷举或受限于所公开的实施方式。在不脱离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。本文使用的术语是为了最好地解释实施方式的原理、实际应用或对市场中所见技术的技术改进、或者使其他本领域普通技术人员能够理解本文公开的实施方式而选择。

Claims (97)

1.一种方法，所述方法包括：
在铌酸锂膜上沉积第一抗蚀剂；
以第一图案在所述第一抗蚀剂上沉积第二抗蚀剂；
根据所述第一图案来图案化所述第一抗蚀剂；
蚀刻所述铌酸锂膜以将所述第一图案从所述第一抗蚀剂转移到所述铌酸锂膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述铌酸锂膜具有约1μm或更小的厚度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述铌酸锂膜具有约700nm或更小的厚度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述铌酸锂膜具有约400nm或更小的厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述铌酸锂膜设置在绝缘体上。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述绝缘体的折射率小于所述铌酸锂膜的折射率。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述绝缘体包含二氧化硅。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述绝缘体设置在载体上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述载体包含铌酸锂。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述载体包含硅。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述载体包含石英。
12.根据权利要求8所述的方法，其中载体包含二氧化硅。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述载体包含蓝宝石。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂包含非晶硅。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂包含二氧化硅。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂包含氮化硅。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂包含氧化铝。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂包含二氧化钛。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂的硬度大于所述第二抗蚀剂的硬度。
20.根据权利要求1所述的方法，其中通过化学气相沉积来沉积所述第一抗蚀剂。
21.根据权利要求20所述的方法，其中通过等离子体增强化学气相沉积来沉积所述第一抗蚀剂。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂是p掺杂的。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一抗蚀剂具有约800nm的厚度。
24.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二抗蚀剂包含聚合物。
25.根据权利要求22所述的方法，其中所述聚合物包含可流动氧化物。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述聚合物包含FOX-16。
27.根据权利要求1所述的方法，其中通过旋涂来沉积所述第二抗蚀剂。
28.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述第二抗蚀剂包括：
根据所述第一图案来光刻图案化所述第二抗蚀剂。
29.根据权利要求26所述的方法，其中通过电子束光刻来光刻图案化所述第二抗蚀剂。
30.根据权利要求1所述的方法，其中通过干法蚀刻来蚀刻所述第一抗蚀剂。
31.根据权利要求1所述的方法，其中通过反应性离子蚀刻来蚀刻所述第一抗蚀剂。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述反应性离子蚀刻是电感耦合等离子体反应性离子蚀刻。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述反应性离子蚀刻使用Ar+等离子体。
34.根据权利要求1所述的方法，其中通过干法蚀刻来蚀刻所述铌酸锂膜。
35.根据权利要求1所述的方法，其中通过反应性离子蚀刻来蚀刻所述铌酸锂膜。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述反应性离子蚀刻是电感耦合等离子体反应性离子蚀刻。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述反应性离子蚀刻使用Ar+等离子体。
38.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
从所述铌酸锂膜除去所述第一抗蚀剂。
39.根据权利要求36所述的方法，其中从所述铌酸锂膜除去所述第一抗蚀剂包括：
将所述第一抗蚀剂暴露于氢氧化钾溶液。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述氢氧化钾溶液是30％溶液。
41.根据权利要求39所述的方法，其中将所述第一抗蚀剂在约80℃下暴露于氢氧化钾溶液达约2分钟。
42.根据权利要求1所述的方法，其中所述铌酸锂膜设置在绝缘体上，所述方法还包括：
图案化所述绝缘体上的电极。
43.根据权利要求42所述的方法，其中通过电子束光刻来图案化所述电极。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述电子束光刻包括PMMA剥离。
45.根据权利要求42所述的方法，其中所述电极包含金属。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述电极包含金。
47.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述铌酸锂膜上图案化电极。
48.根据权利要求47所述的方法，其中通过电子束光刻来图案化所述电极。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述电子束光刻包括PMMA剥离。
50.根据权利要求47所述的方法，其中所述电极包含金属。
51.根据权利要求50所述的方法，其中所述电极包含金。
52.根据权利要求1所述的方法，其中所述铌酸锂膜是整体式的。
53.一种装置，所述装置包括：
具有第一侧的基板；
光波导，其设置在所述基板的所述第一侧上，所述光波导包含铌酸锂并具有中央脊；
电极对，其设置在所述基板的所述第一侧上，使得所述光波导的所述中央脊在所述电极对之间延伸。
54.根据权利要求53所述的装置，其中所述光波导还包括：
在所述基板的所述第一侧和所述电极之间沿着所述基板的所述第一侧从所述中央脊向外延伸的腿。
55.根据权利要求53所述的装置，其中所述中央脊具有约1μm或更小的宽度。
56.根据权利要求53所述的装置，其中所述中央脊具有约900nm或更小的宽度。
57.根据权利要求53所述的装置，其中所述中央脊具有约500nm的宽度。
58.根据权利要求53所述的装置，其中所述中央脊具有约400nm的宽度。
59.根据权利要求54所述的装置，其中所述腿的高度小于所述中央脊的高度。
60.根据权利要求59所述的装置，其中所述腿的高度小于或等于所述中央脊的高度的一半。
61.根据权利要求59所述的装置，其中所述腿具有约300nm的高度。
62.根据权利要求53所述的装置，其中所述铌酸锂是晶体并且设置成使得其晶格的x轴基本上垂直于所述基板的所述第一侧延伸。
63.根据权利要求53所述的装置，其中所述中央脊具有约1μm或更小的厚度。
64.根据权利要求63所述的方法，其中所述中央脊具有约700nm或更小的厚度。
65.根据权利要求63所述的装置，其中所述中央脊具有约400nm或更大的厚度。
66.根据权利要求63所述的装置，其中所述中央脊具有约400nm的厚度。
67.根据权利要求53所述的装置，其中所述基板是绝缘体。
68.根据权利要求67所述的装置，其中所述绝缘体的折射率小于所述光波导的折射率。
69.根据权利要求67所述的装置，其中所述绝缘体包含二氧化硅。
70.根据权利要求53所述的装置，所述装置还包括：
载体，所述基板设置在所述载体上。
71.根据权利要求70所述的装置，其中所述载体包含铌酸锂。
72.根据权利要求70所述的装置，其中所述载体包含硅。
73.根据权利要求70所述的装置，其中所述载体包含石英。
74.根据权利要求70所述的方法，其中所述载体包含二氧化硅。
75.根据权利要求70所述的方法，其中所述载体包含蓝宝石。
76.根据权利要求53所述的装置，其中所述电极包含金属。
77.根据权利要求76所述的装置，其中所述电极包含金。
78.根据权利要求53所述的装置，其中所述电极对适于在横跨所述电极对施加电压时调制所述光波导的光学模式。
79.根据权利要求53所述的装置，其中所述光波导包含基本上半圆形的弯曲。
80.根据权利要求79所述的装置，其中所述基本上半圆形的弯曲具有约50μm或更小的半径。
81.根据权利要求79所述的装置，其中所述基本上半圆形的弯曲具有约20μm的半径。
82.根据权利要求79所述的装置，其中所述基本上半圆形的弯曲具有约5μm的半径。
83.根据权利要求53所述的装置，其中所述电极对各自具有约1mm或更短的长度。
84.根据权利要求53所述的装置，其中所述光波导沿着由多个弓形段限定的基本上蛇形的路径设置。
85.根据权利要求84所述的装置，其中所述弓形段基本上是半圆形的。
86.根据权利要求84所述的装置，其中所述弓形段各自具有小于约50μm的半径。
87.根据权利要求84所述的装置，其中所述弓形段各自具有约20μm的半径。
88.根据权利要求84所述的装置，其中所述弓形段各自具有约5μm的半径。
89.根据权利要求84所述的装置，其中所述弓形段各自分开约1mm或更小。
90.根据权利要求53所述的装置，其中所述电极对分开约3.5μm。
91.根据权利要求53所述的装置，其中所述光波导沿着基本上环状的路径设置。
92.根据权利要求53所述的装置，其中所述光波导设置在所述基板的所述第一侧上以形成环形谐振器。
93.根据权利要求53所述的装置，其中所述光波导设置在所述基板的所述第一侧上以形成跑道形谐振器。
94.根据权利要求53所述的装置，其中所述光波导设置在所述基板的所述第一侧上以形成Mach-Zehnder干涉仪。
95.根据权利要求53所述的装置，所述装置适于通过施加的电压来使谐振波长移位。
96.根据权利要求53所述的装置，所述装置适于提供速度匹配。
97.根据权利要求53所述的装置，所述装置适于提供电光调制。
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