CN110187526A - 硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列 - Google Patents

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Abstract

一种大规模硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列。通过结构设计减少了铌酸锂晶体层的制备工艺难度，降低了铌酸锂与硅粘接的精度要求，并且可以一次性同时完成大规模阵列式铌酸锂晶体层的制备和粘接，大幅提升了硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的生产效率；通过对硅晶体层进行结构上的设计和优化，使得光可以在硅波导和铌酸锂波导中自然交替和互传，实现了高性能的铌酸锂薄膜电光调制效应。此外，该方法利用了标准化的硅基集成技术成熟度优势，将复杂的芯片制备工艺集中在硅晶体层，从而减小芯片制作过程中的工艺误差，保证了整个硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的性能稳定性。

Description

硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列
技术领域
本发明涉及光电子集成器件技术领域，特别是一种大规模硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列。
技术背景
电光调制器将电信号加载到光信号上，是光通信、微波光子雷达等光信号处理系统的信号输入接口。其性能直接决定了光信号处理系统的性能，因此也成为了十分重要的光子器件。为了在芯片上实现集成电光调制器，出现了利用标准化硅基集成工艺的电光调制器(丁建峰，张磊，杨林，《硅基集成化的差分电光调制器及其制备方法》，国家发明专利CN105044931B，2015)。利用掺杂硅作为导光介质，可以通过电极的控制改变掺杂硅波导的有效折射率，可以完成相位调制，或者构成两臂干涉结构，进而将相位调制转化为强度调制。但是利用掺杂硅作为导光介质存在如下几个问题：掺杂硅对于光具有吸收作用，会显著增大电光调制器的插入损耗；掺杂硅的调制效率较低，因此设计的半波电压通常较高，降低了电光调制的转化率。
为克服如上难点，研究人员利用铌酸锂作为导光介质，研制了一种新型的硅基铌酸锂异质集成电光调制器(M.He,et al,High-performance silicon and lithiumniobate Mach-Zehnder modulators for 100Gbit/s and beyond,Nature Photonics,published online:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0378-6,2019)。该项技术在电光调制器的Y-分支部分使用硅晶体作为导光介质，充分利用标准化生产线的效率优势；在电光效应部分采用铌酸锂晶体作为导光材料，借助铌酸锂晶体的低损耗和高电光效率优势巧妙地解决了掺杂硅的短板。另外，铌酸锂晶体还具有超高带宽范围的优势，更能适应于未来超高速光信号处理系统的要求。在现阶段，将铌酸锂薄膜与硅进行混合集成的方式，通常采用外延生长或粘接方式进行。由于粘接方式的技术难度低、成品率高的特点，所以大多采用粘接方式。然而，粘接方式存在生产效率低下这一显著特点，不能适用于大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的制备。
现有的复杂光子信号处理系统(例如多通道光子模数转换系统：邹卫文，于磊，杨光，陈建平，基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，国家发明专利CN201710401304.2，2017；光子神经网络：Y.Shen,et al,Deep learning with coherentnanophotonic circuits,Nature Photonics,vol.11,pp.441-446,2017等)对电光调制器的数量要求正在成几何式的增长。如何将具有优异性能的硅基铌酸锂薄膜电光调制器进行大规模阵列化集成和制备是该项技术进一步应用的瓶颈问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种大规模硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，通过结构设计减少了铌酸锂晶体层的制备工艺难度，降低了铌酸锂与硅粘接的精度要求，并且可以一次性同时完成大规模阵列式铌酸锂晶体层的制备和粘接，大幅提升了硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的生产效率；通过对硅晶体层进行结构上的设计和优化，使得光可以在硅波导和铌酸锂波导中自然交替和互传，实现了高性能的铌酸锂薄膜电光调制效应。此外，该方法利用了标准化的硅基集成技术成熟度优势，将复杂的芯片制备工艺集中在硅晶体层，从而减小芯片制作过程中的工艺误差，保证了整个硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的性能稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面，提供了一种大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列结构，由下至上依次包括硅晶体衬底层、氧化硅薄膜层、硅波导层和铌酸锂薄膜层，在所述的硅波导层和铌酸锂薄膜层之间设有粘接剂层，用于粘接所述的硅波导层和铌酸锂薄膜层，在所述的硅波导层需要加载直流偏置的区域设置直流偏置电极层，在所述的铌酸锂薄膜层需要加载射频信号的区域设置射频电极层。
所述的硅晶体衬底层、氧化硅薄膜层、硅波导层粘接剂层、铌酸锂薄膜层直流偏置电极层和射频电极层上周期性排列有多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器。
所述的所有组件均为晶圆(wafer)级别的大规模阵列。在每一层上一次性同时制备多个周期性结构，可以同时制备大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列。由于是周期性重复结构，下文将通过其中一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器的结构对所述的每一个组件进行功能说明，并且说明其工作原理和过程。
在本发明其中的一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器中，所述的硅晶体衬底层为硅基铌酸锂薄膜电光调制器的集成提供基底材料；在所述的硅晶体衬底层上方进行氧化工艺可形成氧化硅薄膜层，该层作为光波导的下包层，为波导中的光提供束缚作用；在所述的氧化硅薄膜层上方完成硅晶体生长，可形成硅波导层；对所述的硅波导层进行干法或湿法刻蚀，可形成包括分光器、光耦合器在内的波导互连结构，该层作为光波导的芯，可完成分光、耦合、直流偏置和部分区域的导光的功能；所述的粘接剂层位于所述的硅波导层上方，可以粘接所述的硅波导层和所述的铌酸锂薄膜层；所述的铌酸锂薄膜层位于粘接剂层上方，是一片完整的经过刻蚀工艺的铌酸锂晶体片，用于部分区域中的导光与射频信号加载。所述的铌酸锂薄膜层刻有脊形结构，用于增强导光时对光的束缚作用；所述的直流偏置电极层可加载直流偏置电压，在所述的硅波导层的一段区间内形成电场，改变这一区间的有效折射率，从而引起光的相位变化；所述的射频电极层可加载射频信号，在所述的铌酸锂薄膜层的一段区间内形成电场，改变这一区间的有效折射率，从而引起光的相位变化。
本发明其中的一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器的原理与过程描述如下：
每一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器都有1个光输入端口、1个或2光输出端口、1个直流输入端口和1个射频输入端口。调制过程中，用于导光的材料在不同过程中将会发生变化：在分光、直流偏置过程中，导光材料为所述的硅波导层；在加载射频信号过程中，导光材料为所述的铌酸锂薄膜层。光从光输入端口输入，在所述的硅波导层中进行传导，经过所述的硅波导层上的分光器均分成两束强度相等的光进入调制器的两臂中。直流偏置信号从直流输入端口输入，加载到所述的直流偏置电极层上，在硅波导层上形成电场，从而影响硅波导层的有效折射率。当两束光经过时，便会积累相位变化，从而完成直流偏置过程。结束直流偏置过程之后，光经过所述的硅波导层上的光耦合器结构，从而两束光进入所述的铌酸锂薄膜层中进行传导。射频信号从射频输入端口输入，加载到所述的射频电极层上，在有光经过的铌酸锂薄膜区间形成电场，引起有效折射率变化，从而使所述的铌酸锂薄膜中通过的两束光积累不同的相位差，完成射频信号的加载过程。结束射频信号加载过程之后，光受到所述的硅波导层上的光耦合器的作用，重新回到所述的硅波导层中进行传导，在又一分光器的作用下，两束积累了不同相位差的光干涉形成一束光或两束光进行输出。在干涉过程中，相位差转化为光的强度变化，从而完成了光的强度调制。
所述的分光器可以使用多模干涉仪结构，倏逝波分光结构。
所述的光耦合器可以使用波导光栅耦合器、倏逝波耦合器。
所述的粘接剂层可以使用苯并环丁烯(BCB)。
根据本发明的另一个方面，提供了一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的大规模集成方法。应用该方法，可以使大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列一次性同时制备完成。
一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的大规模集成方法的特征在于，包括如下设计与制备步骤：
1.通过热氧化法在光洁的硅沉底上方氧化形成氧化硅薄膜层。
2.使用化学气相沉积(CVD)在氧化硅薄膜层上方沉积一定厚度的多晶硅，再通过干法或湿法刻蚀形成所述硅波导层。形成的硅波导层包含了结构中所述的分光器和光耦合器
3.对硅波导两侧进行离子注入，其中一侧注入磷离子，另外一侧注入硼离子形成横跨硅波导的PN结。
4.通过化学气相沉积在硅波导层上方形成一层金属层，再经过干法刻蚀工艺去除多余的金属，仅在PN结上方形成金属连线，并且形成与外界连接的金属线。完成直流偏置电极层的制备。
5.使用干法或湿法刻蚀在wafer级别的铌酸锂晶片上刻蚀形成周期性脊形结构，完成铌酸锂薄膜层的制备。
6.利用合理的粘接剂对制备完成的铌酸锂薄膜层和硅波导层进行粘接。对准铌酸锂薄膜层上的脊形结构与硅波导层上的光耦合器。
7.通过化学气相沉积法在铌酸锂薄膜层上方形成一层金属，再通过湿法或干法刻蚀，去掉多余的金属，仅留下需要加载射频信号区域的金属电极以及与外界的金属连线。完成射频电极层的制备。
硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列中调制器的排列方式可以采用网格状排列、蜂窝状排列。
所述的铌酸锂薄膜层上的脊形结构可以是横向周期性条带状结构或网格状马赫-曾德尔干涉结构。
基于以上技术特点，本发明具有以下优点：
1、本发明利用标准化的硅基集成工艺，在硅波导层实现调制器间互连、分光器、断点、光耦合器这类复杂结构。充分利用标准化工艺的工艺精度和生产效率，保证了大规模硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的功能有效性和稳定性。
2、本发明通过设计周期性的结构，大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列可以一次性同时制备，并且，铌酸锂薄膜层不需要进行切割等工艺，对调制器阵列的粘接难度也与粘接单个调制器的难度是一致的，因此，提出的结构将极大程度的提升大规模硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的制备效率，为复杂光子信号处理系统提供强有力的支撑。
3、本发明利用硅基铌酸锂薄膜电光调制器集成技术，在铌酸锂薄膜层进行射频信号加载，发挥了铌酸锂的高电光效率、低插入损耗、超高调制带宽的优势。可以在低功耗大带宽微波光子应用中发挥作用。
附图说明
图1为本发明wafer级别硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的示意图，其中(a)为俯视图，(b)为纵截面示意图，(c)为铌酸锂薄膜层的周期性脊形示意图，(d)为硅波导层网格状排列示意图。
图2为本发明中一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器的结构示意图，其中(a)是俯视结构图，(b)是对应于铌酸锂薄膜层脊形结构处(即图中箭头所指的区域)的纵截面图，(c)对应于直流偏置和射频电极层处(即图中箭头所指的区域)的纵截面图。
图3为本发明一个实施例的光模场分布示意图，其中(a)为硅波导层导光时的光模场分布示意图，对应于图2(a)中的直流偏置电极层(7)区域的横截面图，(b)为铌酸锂薄膜层导光时的光模场分布示意图，对应于图2(a)中的射频电极层(8)区域的横截面图。
图4为本发明一个实施例的光耦合器原理示意图。
图5为本发明可以采取的波导互连结构，其中(a)为级联结构，(b)为并联结构，(c)为混连结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作详细说明，给出了详细的实施方式和结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，图描述了wafer级别的大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的一个部分，由俯视图可以看到，多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器1同时制备于一个wafer上。由纵截面示意图可以看到，本发明提出的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列包含硅晶体衬底层、氧化硅薄膜层、硅波导层、粘接剂层、铌酸锂薄膜层、直流偏置电极层、射频电极层。所述的所有组件均为晶圆(wafer)级别的大规模阵列。在每一层上一次性同时制备多个周期性结构，可以同时制备大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列。由于是周期性重复结构，下文将通过其中一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器的结构对所述的每一个组件进行功能说明，并且说明其工作原理和过程。
参见图2，在本发明中一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器1的结构示意图，所述的硅晶体衬底层2为硅基铌酸锂薄膜电光调制器1的集成提供基底材料；在所述的硅晶体衬底层2上方进行氧化工艺可形成氧化硅薄膜层3，该层作为光波导的下包层，为波导中的光提供束缚作用；在所述的氧化硅薄膜层3上方完成硅晶体生长，可形成硅波导层4；对所述的硅波导层4进行干法或湿法刻蚀，可形成包括分光器4.1、光耦合器4.2在内的波导互连结构，该层作为光波导的芯，可完成分光、耦合、直流偏置和部分区域的导光的功能；所述的粘接剂层5位于所述的硅波导层4上方，可以粘接所述的硅波导层4和所述的铌酸锂薄膜层6；所述的铌酸锂薄膜层6位于粘接剂层上方，是一片完整的经过刻蚀工艺的铌酸锂晶体片，用于部分区域中的导光与射频信号加载。所述的铌酸锂薄膜层6刻有脊形结构(参见图1(c))，用于增强导光时对光的束缚作用；所述的直流偏置电极层7可加载直流偏置电压，在所述的硅波导层4的一段区间内形成电场，改变这一区间的有效折射率，从而引起光的相位变化；所述的射频电极层8可加载射频信号，在所述的铌酸锂薄膜层6的一段区间内形成电场，改变这一区间的有效折射率，从而引起光的相位变化。
本发明其中的一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器1的原理与过程描述如下：
每一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器1都有1个光输入端口、1个光输出端口、1个直流输入端口和1个射频输入端口。调制过程中，用于导光的材料在不同过程中将会发生变化：参见图3，在分光、直流偏置过程中，导光材料为所述的硅波导层4；在加载射频信号过程中，导光材料为所述的铌酸锂薄膜层6。光从光输入端口输入，在所述的硅波导层4中进行传导，经过所述的硅波导层4上的分光器4.1均分成两束强度相等的光进入调制器的两臂中。所述的分光器4.1在实施例中采用多模干涉器结构。直流偏置信号从直流输入端口输入，加载到所述的直流偏置电极层7上，在硅波导层4上形成电场，从而影响硅波导层4的有效折射率。当两束光经过时，便会积累相位变化，从而完成直流偏置过程。结束直流偏置过程之后，光经过所述的硅波导层上的光耦合器4.2结构，从而两束光进入所述的铌酸锂薄膜层6中进行传导。实施例中的光耦合器采用倏逝波耦合器。射频信号从射频输入端口输入，加载到所述的射频电极层8上，在有光经过的铌酸锂薄膜区间形成电场，引起有效折射率变化，从而使所述的铌酸锂薄膜6中通过的两束光积累不同的相位差，完成射频信号的加载过程。结束射频信号加载过程之后，光受到所述的硅波导层上的光耦合器4.2的作用，重新回到所述的硅波导层中进行传导。实施例中，这一光耦合器采用光栅耦合器。在又一分光器4.1的作用下，两束积累了不同相位差的光重新干涉合为一束，相位差转化为光的强度变化，从而完成了光的强度调制。
实施例中的光耦合器作用可参见图4。
实施例中，所述的粘接剂层可以使用苯并环丁烯(BCB)。
在本实施例中，还根据本发明一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的大规模集成方法使大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列一次性同时制备完成。
在所述的硅波导层设计与制备中，需要完成wafer级大规模的硅波导层的设计。由于多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器1(以下也简称“调制器”)排列的位置、调制器之间的互连、调制器内部的分光器、光耦合器均需要在所述的硅波导层中设计完成，因此所述的硅波导层设计包含了调制器排列方式设计、波导互连结构设计、分光器设计和光耦合器设计。参见图1(d)，实施例中的调制器排列方式为网格状排列。参见图5，波导互连设计可以形成调制器级联、并联、混连等多种连接方式；在每一个调制器内部，前后两个分光器4.1的设计可参见图2，前后两个光耦合器4.2的设计可参见图2。
在所述的直流偏置电极层设计与制备中，需要完成wafer级别的大规模直流偏置电极7设计。在所述的硅波导层设计与制备之后，在需要加载直流偏置的硅波导区域设计添加直流偏置电极7。具体设计可参见图2。按照设计，制备出直流偏置电极层。
在所述的铌酸锂薄膜层设计与制备中，需要根据硅波导层的设计，在wafer级别的铌酸锂薄膜层上设计周期性脊形结构，用于增强铌酸锂导光时对光的束缚作用。由于实施例中的调制器排列方式为网格状排列，所述的铌酸锂薄膜层6上的脊形结构设计为周期性条带状结构(参见图1(c))并与硅波导层上的光耦合器上下对准，从而使得光能顺利的从硅波导层中耦合至铌酸锂薄膜层，也能顺利的从铌酸锂薄膜层中耦合至硅波导层。
在所述的射频电极层设计与制备中，需要完成wafer级别的大规模射频电极设计。在所述的铌酸锂薄膜层6设计与制备之后，在需要加载射频信号的铌酸锂薄膜区域设计添加射频电极8。具体设计可参见图2。按照设计，制备出射频电极层。
由图2(b)可见，在硅波导层4完成了直流偏置过程之后，硅波导层4被刻蚀形成倏逝波光耦合器4.2，光从而进入铌酸锂薄膜层6中进行传导。在铌酸锂薄膜层6中完成了射频信号加载之后，在波导光栅耦合器4.2的作用下，重新回到硅波导层4中进行传导，进而可以与其他调制器进行连接。
图2(c)表明了本实施例中，直流偏置电极层7和射频电极层8的层次分布。为达到较优的直流偏置效果，直流偏置电极层7位于氧化硅薄膜层3上方，与硅波导层4位于同一层。这样可以提高电场对硅波导层4有效折射率的影响，进而提高直流偏置效果。同理，在本实施例中，射频电极层8位于铌酸锂薄膜层上方，可以提高电场对铌酸锂薄膜层6有效折射率的影响，进而提高射频信号加载效果。
图3给出了在不同区域内，光模场的分布示意图。图3(a)表示了在直流偏置过程中，光被限制在硅波导层4中进行传导。图3(b)表示了在射频信号加载过程中，光被限制在铌酸锂薄膜层6中进行传导。
图4描述了本实施例中，波导光耦合器的原理示意图。在结束射频信号加载过程之后，在铌酸锂薄膜层6中传导的光受到光栅耦合器4.2的作用，发生衍射，从而进入到硅波导层4中继续传导。

Claims (10)

1.一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，由下至上依次包括硅晶体衬底层(2)、氧化硅薄膜层(3)、硅波导层(4)和铌酸锂薄膜层(6)，在所述的硅波导层(4)和铌酸锂薄膜层(6)之间设有粘接剂层(5)，用于粘接所述的硅波导层(4)和铌酸锂薄膜层(6)，在所述的硅波导层(4)需要加载直流偏置的区域设置直流偏置电极层(7)，在所述的铌酸锂薄膜层(6)需要加载射频信号的区域设置射频电极层(8)。
2.根据权利要求1所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于在所述的硅晶体衬底层(2)、氧化硅薄膜层(3)、硅波导层(4)、粘接剂层(5)、铌酸锂薄膜层(6)直流偏置电极层(7)和射频电极层(8)上周期性排列有多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器(1)。
3.根据权利要求2所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，每个硅基铌酸锂薄膜电光调制器(1)都有1个光输入端口、1个或2个光输出端口、1个直流输入端口和1个射频输入端口。
4.根据权利要求2所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，在所述的硅波导层(4)上形成有级联、并联或混连的波导互连结构。
5.根据权利要求4所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，所述的波导互连结构由互相连接的分光器(4.1)和光耦合器(4.2)构成。
6.根据权利要求5所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，所述的分光器为多模干涉仪结构或倏逝波分光结构。
7.根据权利要求5所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，所述的分光器(4.1)有一个或两个光输出端口。
8.根据权利要求5所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，所述的光耦合器(4.2)为波导光栅耦合器或倏逝波耦合器。
9.根据权利要求1所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列中调制器的排列方式可以采用网格状排列、蜂窝状排列。
10.根据权利要求1所述的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，其特征在于，所述的铌酸锂薄膜层(6)刻有脊形结构，该脊形结构是横向周期性条带状结构或网格状马赫-曾德尔干涉结构。
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