CN111061071A - 电光调制器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电光调制器及其制作方法，该电光调制器包括在低介电常数衬底上至下而上依次排列的低介电常数键合层、铌酸锂波导结构、在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极。采用本发明能够降低针对电极间距引起的微波损耗。

Description

电光调制器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光通信器件技术领域，特别涉及一种电光调制器及其制作方法。
背景技术
光纤通信是现代通信的主要支柱之一。随着数据通信业务的爆炸增长，人们对于通信的带宽提出了越来越高的要求，当前光纤通信系统单波长带宽正从2.5Gb/s、10Gb/s向更高带宽迈进。把信息加载到激光上分为内调制和外调制。内调制引起的啁啾较大，由于光纤的色散作用限制了它的传输距离，此外调制带宽也不高。外调制主要有电吸收型幅度调制器和电光型相位调制器，电吸收调制器固有损耗大，光生载流子引起调制电场的屏蔽效应容易造成调制器的饱和，而且只有幅度改变难以应用于高级调制格式；电光调制器所用材料主要有铌酸锂、有机聚合物和半导体等，他们都无法同时满足现代通信要求的大带宽、低半波电压、低插入损耗、小型化和集成化；而薄膜铌酸锂材料是通过离子切片和键合工艺制备而成，在电光调制器方面有巨大的潜力。
在现有报道的薄膜铌酸锂调制器中普遍采用带宽更大的行波电极结构，但是目前报道的调制器中存在两个矛盾关系：低半波电压和大调制带宽的矛盾、低半波电压和低光损耗的矛盾；首先对于第一点来说，要想降低半波电压必须减小电极间距，为了满足阻抗匹配的条件需要同时减小信号电极宽度，这大大增加了行波电极的微波损耗。在行波电极的设计中，速度匹配和阻抗匹配同时满足时限制调制器带宽的就是微波损耗；而对于第二点来说，电极间距的减小使得电极处的光场增大，由于金属带来的光损耗增大，也是矛盾的。
发明内容
有鉴于此，本发明的发明目的是：如何解决针对电极间距引起的微波损耗问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明公开了一种电光调制器，包括在低介电常数衬底上至下而上依次排列的低介电常数键合层、铌酸锂波导结构、在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极。
本发明还公开了一种电光调制器的制作方法，该方法包括：形成低介电常数衬底；在所述低介电常数衬底表面沉积低介电常数键合层；将铌酸锂晶体层与键合层进行键合并剥离，形成铌酸锂薄膜层；并将所述铌酸锂薄膜层刻蚀形成铌酸锂波导结构；在微波共面波导传输线的基础上加载形成周期性金属电极。
由上述的技术方案可见，本发明电光调制器采用在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极，由于周期性金属电极间距很小，可以实现高效率电场加载，同时达到低半波电压和大调制带宽的目的。在周期性金属电极的基础上，由于周期结构会带来微波的慢波效应，本发明采用低介电常数的衬底(如石英)和低介电常数的键合层(如二氧化硅或BCB)来实现微波波速增加以和光波波速匹配。因此，本发明能够改善电光调制器的调制特性，解决针对电极间距引起的微波损耗问题。
附图说明
图1为本发明实施例一电光调制器的制作方法流程示意图。
图2为根据图1方法形成的电光调制器剖面结构示意图。
图3为本发明电光调制器俯视结构示意图。
图4为本发明实施例二电光调制器的制作方法流程示意图。
图4a至图4e为本发明实施例二电光调制器制作工艺的具体结构示意图。
图5为本发明实施例三电光调制器的制作方法流程示意图。
图6为根据图5方法形成的电光调制器剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是：针对电极间距引起微波损耗增加的问题提出周期性金属电极，引起微波损耗的主要是传导电流和传输线单位长度电阻，传导电流主要和电极间距有关，通过增大电极间距减小传导电流；单位长度电阻主要和信号线横截面面积有关，通过增大信号线宽度减小单位长度电阻。因此本发明在微波共面波导传输线(CPW)的基础上加载周期性金属电极，由于增加了周期性金属电极，使得电极间距很小，可以实现高效率电场加载；而且周期性金属电极对传输线传导电流影响很小，所以可以同时达到低半波电压和低微波损耗即大调制带宽的目的。在周期容性负载的基础上，由于周期结构会带来微波的慢波效应，本发明采用低介电常数的衬底(如石英)和低介电常数的键合层(如二氧化硅或BCB)来实现微波波速增加以和光波波速匹配。进一步的，本发明在键合工艺之前将调制区铌酸锂波导下方对应的键合层去除，利用空气取代可以进一步实现速度匹配和低微波损耗。
另一方面，针对电极间距引起光损耗增加的问题，本发明提出在电极和铌酸锂之间引入较薄的电介质层，如二氧化硅的方案，在不增加光损耗的基础上减小电极间距，实现光场和电场更好的重叠。通过综合考虑固定光附加损耗的前提下的最小电极间距和电光重叠因子来确定最优的二氧化硅层厚度。
实施例一
图1为本发明实施例一电光调制器的制作方法流程示意图，该方法包括：
步骤11、形成低介电常数衬底；
所述低介电常数衬底为石英晶体，厚度范围为100um～500um。
步骤12、在所述低介电常数衬底表面沉积低介电常数键合层；
所述低介电常数键合层为二氧化硅层或者苯并环丁烯(BCB)层，厚度范围为2um～10um。
步骤13、将铌酸锂晶体层与键合层进行键合并剥离，形成铌酸锂薄膜层；并将所述铌酸锂薄膜层刻蚀形成铌酸锂波导结构；
其中，铌酸锂薄膜层厚度范围为400nm～800nm。刻蚀铌酸锂薄膜层形成铌酸锂波导结构时，刻蚀深度为200nm～400nm。
步骤14、在微波共面波导传输线(CPW)的基础上加载形成周期性金属电极。
其中，本发明金属电极为在微波共面波导传输线(CPW)的基础上加载形成周期性金属电极，优选为周期性T型电极，也可以是其他形状周期性金属电极。具体形成方法包括：
S141、经过溅射形成电镀的种子层；
溅射的一层金属可以是Ni、Cr、Ti中的一种，作为电镀的种子层。这层金属厚度控制在20nm以内，以减小其对微波损耗的影响。
S142、在所述种子层表面涂布光刻胶进行光刻露出电极区域进行金属电极电镀；
在具体应用中可以电镀金形成金电极，也可以电镀其他金属形成电极。如果选择金电极，则厚度范围可以控制在1um～2um。
S143、去除光刻胶后采用盐酸去除显露出来的电极间种子层。
用盐酸腐蚀暴露出来的种子层，盐酸的浓度和腐蚀时间控制在既去掉电极间种子层，又不致使电极脱落，这种电极工艺对准精度高，误差小，方法简单。
图2为根据图1方法形成的电光调制器剖面结构示意图。该电光调制器包括在低介电常数衬底200上至下而上依次排列的低介电常数键合层201、铌酸锂波导结构202、在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极203。
图3为本发明电光调制器俯视结构示意图。从图3可以看出，铌酸锂波导结构301包括两个Y分支和两根光波导组成马赫增德尔调制器。金属电极302为在微波共面波导传输线(CPW)的基础上加载形成周期性T型电极。
在实施例一中，金属电极为在微波共面波导传输线(CPW)的基础上加载形成周期性T型电极，由于T型电极间距很小，可以实现高效率电场加载；同时达到低半波电压和大调制带宽的目的。同时本发明采用低介电常数衬底和低介电常数键合层来克服周期电极结构带来的微波慢波效应。从而达到降低微波损耗的目的。
实施例二
图4为本发明实施例二电光调制器的制作方法流程示意图，下面结合图4a至图4e对方法制作中的具体结构示意图详细进行说明。该方法包括：
步骤41、如图4a所示，形成低介电常数衬底200；
所述低介电常数衬底为石英晶体，厚度范围为100um～500um。
步骤42、如图4b所示，在所述低介电常数衬底表面沉积低介电常数键合层201；
所述低介电常数键合层为二氧化硅层或者苯并环丁烯(BCB)层，厚度范围为2um～10um。
步骤43、如图4c所示，将铌酸锂晶体层与键合层进行键合并剥离，形成铌酸锂薄膜层；并将所述铌酸锂薄膜层刻蚀形成铌酸锂波导结构202；
在步骤41中，形成低介电常数衬底后，首先会对低介电常数衬底，例如石英晶体键合表面进行磨抛清洗以便键合。同时也会对铌酸锂晶体层键合表面进行磨抛清洗以便键合，然后对铌酸锂晶体层键合表面进行氦离子轰击，控制氦离子能量在特定深度处形成损伤层。此时，在步骤43中，将有损伤层的铌酸锂晶体层与键合层进行键合并剥离，形成石英衬底上的铌酸锂薄膜层。
其中，铌酸锂薄膜层厚度范围为400nm～800nm。刻蚀铌酸锂薄膜层形成铌酸锂波导结构时，刻蚀深度为200nm～400nm。
步骤44、如图4d所示，在所述铌酸锂波导结构表面沉积形成电介质层400；
所述电介质层为氮化硅层或者二氧化硅层，厚度范围为100nm～200nm。在铌酸锂波导结构和金属电极之间加入电介质层的目的是在保证电极金属对光造成低附加损耗的同时减小电极间距，实现光模式和电场模式更好的重叠，从而解决针对电极间距减小引起的光损耗增加的问题。
步骤45、如图4e所示，在微波共面波导传输线的基础上加载形成周期性金属电极203。
在实施例二中，金属电极为在微波共面波导传输线(CPW)的基础上加载形成周期性T型电极，由于T型电极间距很小，可以实现高效率电场加载；同时达到低半波电压和大调制带宽的目的。同时本发明采用低介电常数衬底和低介电常数键合层来克服周期电极结构带来的微波慢波效应。从而达到微波光波速度匹配的目的。另一方面，针对电极间距引起光损耗增加的问题，本发明提出在电极和铌酸锂之间引入较薄的电介质层，如二氧化硅的方案，在不增加光损耗的基础上减小电极间距，实现光场和电场更好的重叠。从而解决针对电极间距减小引起的光损耗增加的问题。
实施例三
图5为本发明实施例三电光调制器的制作方法流程示意图，该方法包括：
步骤51、形成低介电常数衬底200；
所述低介电常数衬底为石英晶体，厚度范围为100um～500um。
步骤52、在所述低介电常数衬底表面沉积低介电常数键合层201；
所述低介电常数键合层为二氧化硅层或者苯并环丁烯(BCB)层，厚度范围为2um～10um。
步骤53、将铌酸锂波导结构有效调制区下方的低介电常数键合层移除，形成键合层201’；
当键合层为二氧化硅层时，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法移除铌酸锂波导结构有效调制区下方的低介电常数键合层；
当键合层为BCB层时，采用曝光显影的方法移除铌酸锂波导结构有效调制区下方的低介电常数键合层。
步骤54、将铌酸锂晶体层与键合层进行键合并剥离，形成铌酸锂薄膜层；并将所述铌酸锂薄膜层刻蚀形成铌酸锂波导结构202；
步骤55、在所述铌酸锂波导结构表面沉积形成电介质层400；
所述电介质层为氮化硅层或者二氧化硅层，厚度范围为100nm～200nm。
步骤56、在微波共面波导传输线的基础上加载形成周期性金属电极203。
图6为根据图5方法形成的电光调制器剖面结构示意图。
在实施例三中，与实施例二不同的是本实施例在键合之前将铌酸锂波导结构有效调制区下方的键合层移除，在此基础上对铌酸锂波导结构还有电极结构进行对准曝光。由于铌酸锂波导结构有效调制区下方材料替换为空气，微波有效折射率进一步降低与光波速度实现良好的匹配，同时微波损耗进一步降低。
由以上实施例可以看出，本发明提出了一种电光调制器及其制作方法，具有以下有益效果：
一、本发明电光调制器采用在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极，与传统电极结构相比，大大降低了微波损耗。
二、本发明采用低介电常数的衬底(如石英)和低介电常数的键合层(如二氧化硅或BCB)，能够克服周期金属电极结构带来的微波的慢波效应，
三、本发明提出在金属电极和铌酸锂波导结构之间引入较薄的电介质层，可以实现在不增加光损耗的基础上减小电极间距。
四、本发明将铌酸锂波导结构有效调制区下方键合层材料替换为空气，微波有效折射率进一步降低与光波速度实现良好的匹配，同时微波损耗进一步降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电光调制器，其特征在于，包括在低介电常数衬底上至下而上依次排列的低介电常数键合层、铌酸锂波导结构、在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极。
2.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述低介电常数键合层在铌酸锂波导结构有效调制区下方区域由空气替代。
3.如权利要求1或2所述的电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂波导结构和在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极之间，进一步包括电介质层。
4.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述低介电常数衬底为石英晶体，厚度范围为100um～500um。
5.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述低介电常数键合层为二氧化硅层或者苯并环丁烯BCB层，厚度范围为2um～10um。
6.如权利要求3所述的电光调制器，其特征在于，所述电介质层为氮化硅层或者二氧化硅层，厚度范围为100nm～200nm。
7.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述周期性金属电极为周期性T型电极。
8.一种电光调制器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
形成低介电常数衬底；
在所述低介电常数衬底表面沉积低介电常数键合层；
将铌酸锂晶体层与键合层进行键合并剥离，形成铌酸锂薄膜层；并将所述铌酸锂薄膜层刻蚀形成铌酸锂波导结构；
在微波共面波导传输线的基础上加载形成周期性金属电极。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述低介电常数衬底表面沉积低介电常数键合层之后，该方法进一步包括：将铌酸锂波导结构有效调制区下方的低介电常数键合层移除。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在形成铌酸锂波导结构之后，该方法还包括：
在所述铌酸锂波导结构表面沉积形成电介质层；
在所述电介质层表面形成周期性金属电极。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当键合层为二氧化硅层时，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法移除铌酸锂波导结构有效调制区下方的低介电常数键合层；
当键合层为BCB层时，采用曝光显影的方法移除铌酸锂波导结构有效调制区下方的低介电常数键合层。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，金属电极形成方法包括：
经过溅射形成电镀的种子层；
在所述种子层表面涂布光刻胶进行光刻露出电极区域进行金属电极电镀；
去除光刻胶后采用盐酸去除显露出来的电极间种子层。
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