CN111522153A - 一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，属于集成光学领域。本发明公开的电光调制器结构包括：绝缘体上材料、调制电极和光波导；所述绝缘体上材料包括自下而上依次层叠的衬底层、键合层和薄膜层；调制电极贯穿薄膜层设置在键合层上表面，并与键合层相接触；调制电极为行波电极或集总电极，包括信号电极和地电极；信号电极与地电极之间设有光波导，光波导制作于薄膜层；调制电极与光波导之间的间距＞0。相较于现有技术，本发明提供的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器降低了电容及工艺制作的复杂性，同时增强了电光调制效率，实现了宽带高速调制。

Description

一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备 方法

技术领域

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法。

背景技术

集成光学作为当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，其主要研究内容包括光波在薄膜材料中的准直、偏转、滤波、空间辐射、光震荡、传导、放大、调制以及与此相关的薄膜材料的非线性光学效应等。近年来，随着由于通信市场的蓬勃发展，光通信网络越来越受到重视，光通信网络中的各个器件如复用器、调制器、激光器、中继放大器、探测器等的性能要求也不断提高；同时，离子束注入、直接键合、聚焦离子束刻蚀等的微加工技术的发展，光电子学方面研究的深入，以及具有各种光学性能材料的发现，推动了集成光学逐步走向成熟。

光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。光调制器按照其调制原理，可分为电光、热光、声光等调制器。他们所依据基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等，其中电光调制器是通过电压或电场的变化调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它在损耗、功耗、速度、集成性等方面都优于其他类型的调制器以实现电信号到光信号的转变。

目前最为常用的商用电光调制器为铌酸锂块材马赫－曾德型电光调制器，由X切或Z切块材LiNbO₃经过Ti扩散制成波导并配合对应的电极设计实现宽带的高速调制。但是因其驱动电压在3～5V左右，意味着工作状态下需要较高的功耗；3～5厘米的较大尺寸，制约了集成度的提高；采用Ti扩散或质子交换法制造，工艺复杂成本高，且对于材料存在一定损伤，一定程度上制约了其大规模生产和应用。

随着晶圆键合技术和半导体加工技术的进步，绝缘体上材料作为一种新型光学材料平台备受关注。其将硅、碳化硅、铌酸锂等材料通过聚合物或氧化硅的粘结，将单晶薄膜置于衬底材料上，具有减小寄生电容，抑制漏电流，易于集成，与现有CMOS工艺兼容等优势。

目前使用绝缘体上材料制作的电光调制器有两种结构，一种是在绝缘体上材料的上表面制备额外的氧化硅缓冲层，并将金属电极设置在缓冲层上，利用氧化硅的低介电常数特性，以实现光波和微波的速度匹配，并且实现更高的3dB带宽。例如，A.Honardoost,F.A.Juneghani,R.Safian,and S.Fathpour,Opt.Express,OE,vol.27,no.5,Mar.2019。这种结构由于额外的SiO₂缓冲层设置会造成一定程度上电场与光场耦合的效率降低，同时也增加了电光调制器工艺制作的复杂性。另外一种结构则采用直接将金属电极生长在绝缘体上材料的上方的方式，以此来提高电光的调制效率。例如，High modulation efficiencylithium niobate Michelson interferometer modulator,Opt.Express,OE,vol.27,no.13,Jun.2019.这种结构虽然减少了缓冲层的设置，但是由于绝缘体上材料的介电常数高于氧化硅，电容更大，不利于实现高频传输。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在问题或改进需求，提出一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法。该电光调制器及其制备方法不仅降低了电容及工艺制作的复杂性，还增强了电光调制效率，实现了宽带高速调制。

针对上述目的，本发明提供的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，该电光调制器包括：绝缘体上材料、调制电极和光波导；

所述绝缘体上材料包括自下而上依次层叠的衬底层、键合层和薄膜层；

所述调制电极贯通薄膜层设置于键合层上，并与键合层接触；调制电极为行波电极或集总电极，包括信号电极和地电极；信号电极与地电极之间设有光波导，光波导制作于薄膜层；调制电极与光波导之间的间距＞0。

进一步地，衬底层厚度100～1000μm；键合层厚度1～10μm；薄膜层厚度0.1～1μm；调制电极的厚度0.1～10μm；所述光波导高度为0.1～1μm，宽度1～10μm。

进一步地，所述行波电极为共面波导，采用CPW或CPWG结构。

进一步地，所述光波导的结构为脊形波导或条形波导，脊形波导或条形波导的输入和输出部分均采用Y分支波导或定向耦合器。

本发明还提供了一种制备上述基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器的制备方法，包括如下制备步骤：

步骤1.提供绝缘体上材料，该绝缘体上材料包括自下而上依次层叠的衬底层、键合层和薄膜层，并在绝缘体上材料的薄膜层上制备图形化的掩模，然后对绝缘体上材料薄膜层进行刻蚀，形成贯穿的通孔；

步骤2.在绝缘体上材料键合层的上表面，对应薄膜层通孔位置，进行金属电极层的生长；待金属电极层的上表面高度高于薄膜层后，在其上旋涂光刻胶并对光刻胶进行曝光显影，得到制备调制电极结构所需的金属电极层掩模图形；

步骤3.依据步骤2中得到的金属电极层掩模图形，采用刻蚀方法得到图形化的调制电极；

步骤4.确定光波导与调制电极的位置匹配结构，然后在两个调制电极之间的薄膜层上制备图形化掩模，随后对薄膜层进行刻蚀，得到光波导。

本发明提供的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法，是利用绝缘体上材料中键合层与薄膜层之间存在较高的介电常数差，实现光场的传输，而薄膜层材料所拥有的电光特性，使得在外加电压下实现对光场的调制，并依据键合层使用材料与传统电光调制器缓冲层使用材料都具有低介电常数和高绝缘性的特点，将调制电极贯通薄膜层设置于键合层上，并与键合层接触。这种设置方式使得调制器无需增加额外的缓冲层，且调制器中调制电极与光波导在空间位置上更为接近；同时调制电极周围的薄膜层还能形成对于调制电极的保护，侧壁陡直度更高。与现有技术相比，本发明提供的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法不仅降低了电容及工艺制作的复杂性，同时还增强了电光调制效率，实现了更好的宽带高速调制和更低的功耗。

附图说明

图1是本发明实施例1断面图；

图2是本发明实施例1俯视图；

图3是本发明实施例2断面图；

图4是本发明实施例2俯视图；

图5-图11是本发明实施例1的主要工艺流程；

图12是本发明实施例电光调制器地电极与信号电极间的光场和电场的模场图；

图13是传统电光调制器地电极与信号电极间光场和电场的模场图；

图14是本发明实施例电光调制器进的调制效果的有效折射率和电压关系曲线图；

图15是传统电光调制器的调制效果的有效折射率和电压关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器由绝缘体上材料、调制电极和光波导组成。所述绝缘体上材料包括自下而上依次层叠的衬底层、键合层和薄膜层。

在实际实施中绝缘体上材料可以为：绝缘体上硅、绝缘体上铌酸锂、绝缘体上钽酸锂、绝缘体上碳化硅、绝缘体上氮化硅、绝缘体上氮化镓、绝缘体上磷化铟或绝缘体上砷化镓中的一种；与上述绝缘体上材料相对应薄膜层材料为硅、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化硅、氮化镓、磷化铟或砷化镓，键合层材料为氧化硅、苯并环丁烯(BCB)、聚酰亚胺(PI)、氢化硅氧烷(HSQ)、甲基硅氧烷(MSQ)、聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，衬底层材料为蓝宝石(Al₂O₃)、单晶硅、石英玻璃、铌酸锂或碳化硅。调制电极可以采用金、铜、铝、铂、钛、铬、钛金合金、铂金合金、钛铝合金、铝铜合金等金属材料。调制电极为沿光在光波导传播方向连续形成的行波电极或集总电极。调制电极不论为行波电极，还是为集总电极，均包括有地电极和信号电极，且信号电极设在两个地电极之间，信号电极和地电极之间设有光波导。

实施例1

依照前述内容，本发明实施1提供了一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，该电光调制器中具体结构如图1和图2所示，所述绝缘体上材料为绝缘体上铌酸锂，所述绝缘体上铌酸锂的衬底层采用低电阻率的单晶硅，厚度为0.2mm。键合层位于衬底层之上，采用材料为介电常数ε＝3.4的氧化硅，键合层厚度为2μm。氧化硅材料具有高绝缘性或高电阻率和低介电常数的特性，可以实现分布于铌酸锂薄膜层中的电场强度的提升，提高电光调制效率。薄膜层位于键合层的上表面，采用X切铌酸锂，薄膜层厚度为450nm。所述调制电极贯通薄膜层设置于键合层上表面，并与键合层接触，采用材料为金。调制电极为行波电极，根据应用环境可以采用CPWG结构或CPW结构；本实施例行波电极优选CPW共面波导结构。调制电极包括一个信号电极和两个地电极，三个电极采用地电极-信号电极-地电极结构，即GSG结构设置；三个电极的厚度均为0.5μm，长度均为5mm，信号电极宽度大于单个地电极宽度，信号电极宽度为10μm。信号电极与地电极之间设有光波导，调制电极与光波导之间的间距为3μm。光波导制作于X切铌酸锂薄膜层中；光波导可以是条形波导，也可以是脊形波导，其输入和输出部分均采用均采用Y分支波导或定向耦合器；本实施例优选为脊形波导，脊形波导脊宽为1μm，平板层高度为0.2μm，脊形波导高度与薄膜层厚度相同，所述脊形高度是指平板层与脊形相加的总高度。

为制备上述基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，本实施例提供了一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器的工艺流程，该工艺流程包括以下步骤：

步骤1.提供如图5所示的绝缘体上上铌酸锂，该绝缘体上铌酸锂包括自下而上依次层叠的单晶硅衬底层、氧化硅键合层和铌酸锂薄膜层。

步骤2.在铌酸锂薄膜层上，采用Lift-off工艺制备刻蚀用金属Cr掩模，并在CHF₃和Ar的混合气体内对铌酸锂薄膜层进行RIE刻蚀，形成贯穿的通孔，该步骤得到的模型如图6所示。

步骤3.在如图6所示模型的氧化硅键合层上表面，与铌酸锂薄层通孔的对应位置，采用电子束蒸发进行金属Au电极层的生长，待金属Au电极层的上表面高度生长至高于铌酸锂薄膜层，即如图7所示的高度后；对光刻胶进行曝光显影，制备出行波电极结构所需的用于金属电极层腐蚀的掩模图形，该步骤得到的图形结构如图8所示。

步骤4.使用KI和I的混合溶液，湿法腐蚀金属Au电极层，得到图9所示的图形化的调制电极。

步骤5.确定光波导与调制电极的位置结构，然后在两个调制电极之间的薄膜层，采用Lift-off工艺制备刻蚀用金属Cr掩模，制得如图10所示结构，随后在CHF₃和Ar的混合气体内对铌酸锂薄膜层进行RIE刻蚀，得到光波导。

通过上述5个主要步骤，最终得到如图11所示的一种基于绝缘体上铌酸锂的马赫－曾德型电光调制器。从制作工艺流程中可以看出，所述在步骤4采用湿法腐蚀金属电极层而得到的图形化调制电极，由于薄膜层的保护，抑制了金属Au电极层的侧向腐蚀，使得最终得到的调制电极的侧壁陡直度高，利于调制效率的提升。

实施例2

如图3和图4所示，本实施例提供的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器技术方案与实施例1的技术方案基本相同，相较于实施例1其区别为：

第一、本实施例电光调制器的绝缘体上材料为绝缘体上碳化硅，构成绝缘体上材料的衬底层采用低电阻率的单晶硅，厚度为0.2mm。键合层位于衬底层之上，采用材料为介电常数ε＝2.65～2.50的苯并环丁烯制成，键合层厚度为4.7μm。苯并环丁烯材料作为聚合物材料，同样具有高绝缘性或高电阻率和低介电常数特性，用于实现分布于碳化硅薄膜层中的电场强度的提升，提高电光调制效率。薄膜层位于键合层的上表面，采用碳化硅，薄膜层厚度为600nm。

第二、所述调制电极贯通薄膜层嵌入键合层上表面，并不贯通键合层，采用材料为Al。三个电极的厚度均为0.9μm，长度均为5mm，信号电极宽度为8μm。信号电极与地电极之间设有光波导，调制电极与光波导之间的间距为3μm。

第三、光波导制作于碳化硅薄膜层中；其输入部分采用定向耦合器，输出部分采用Y分支波导。光波导为脊形波导，脊型波导的平板层高度为0.25μm，脊宽为1μm。

为制备上述基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，本实施例提供了一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器的工艺流程，该工艺流程包括以下步骤：

步骤1.本实施例中采用绝缘体上材料为绝缘体上碳化硅，该绝缘体上碳化硅包括自下而上依次层叠的单晶硅衬底层、苯并环丁烯键合层和碳化硅薄膜层。

步骤2.在碳化硅薄膜层上，采用曝光显影的光刻胶掩模，并在Cl₂和Ar的混合气体内对碳化硅薄膜层进行RIE刻蚀，形成贯穿的通孔。

步骤3.在苯并环丁烯键合层上表面，与碳化硅薄膜层通孔的对应位置，采用磁控溅射进行金属Al电极层的生长，待Al电极层的上表面高度生长至高于碳化硅薄膜层；对光刻胶进行曝光显影，制备出行波电极结构所需的用于金属Al电极层腐蚀的掩模图形。

步骤4.使用NaOH溶液，湿法腐蚀金属Al电极层，得到图形化的调制电极。

步骤5.确定光波导与调制电极的位置结构，然后在两个调制电极之间的薄膜层，采用图形化的光刻胶掩模，随后在Cl₂和Ar的混合气体内对碳化硅薄膜层进行RIE刻蚀，得到光波导。

为进一步说明本发明的优点，采用有限元分析软件对本发明提供的一种基于绝缘体上铌酸锂的马赫－曾德型电光调制器和传统电光调制器进行二维仿真，仿真时，光场均为TE模式基模。仿真结果如下：

图12是本发明电光调制器地电极与信号电极间的光场和电场的模场图；图13是传统电光调制器地电极与信号电极间光场和电场的模场图；对比图12和图13可知，在相同电压下，以10V的电压为例，本发明提出的模型其电极结构形成的电场在波导区域强度更高。图14和图15展示的电压为0～10V时有效折射率的的变化情况，其中图14是本发明实施例电光调制器进的调制效果的有效折射率和电压关系曲线图；图15是传统电光调制器的调制效果的有效折射率和电压关系曲线图；对比图14和图15可知，依照本发明制作的模型其折射率的调制效率为-1.12041×10^-5V^-1，而传统的采用额外的SiO₂氧化硅缓冲层的模型其折射率的调制效率为-7.12457×10^-6V^-1，明显低于本发明实施例提供的调制器模型的效率。更高的调制效率意味着在达到同等调制效率时更低的调制电压，即更低的器件功耗。

对于电容的改善，由于氧化硅的介电常数ε＝3.4和聚合物材料的介电常数(BCB，ε＝2.65～2.50；PI，ε＝3.2～3.6；PBO，ε＝3.0；HSQ，ε＝2.9～3.2；PMMA，ε＝2.9～3.7)，相比于薄膜层材料的介电常数(硅，ε＝11.9；铌酸锂，ε₁₁＝43，ε₃₃＝28；钽酸锂，ε₁₁＝54，ε₃₃＝43；碳化硅，ε＝10；氮化硅，ε＝8；氮化镓，ε＝9；磷化铟，ε＝10.8；砷化镓，ε＝13.18)，体现出更低的介电常数。而在只考虑最近的金属互连线即相邻金属电极之间的电容，可以简单看做平板电容器结构，其总电容与材料介电常数成正比，所以采用低介电常数使得分布电容和寄生电容均更小。而更小的电容使得RC互联延迟更低，串扰更小，能够让更高频率的调制信号施加在调制电极，从而带来更快的调制速度和更大的调制带宽。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、内容和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，包括绝缘体上材料、调制电极和光波导，其特征在于：

所述绝缘体上材料包括自下而上依次层叠的衬底层、键合层和薄膜层；

所述调制电极贯通薄膜层设置于键合层上，并与键合层接触；调制电极为行波电极或集总电极，包括信号电极和地电极；信号电极与地电极之间设有光波导，光波导制作于薄膜层；调制电极与光波导之间的间距＞0。

2.如权利要求1所述的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，其特征在于：所述衬底层厚度100～1000μm，键合层厚度1～10μm，薄膜层厚度0.1～1μm；调制电极的厚度0.1～10μm；所述光波导的高度0.1～1μm，宽度1～10μm。

3.如权利要求1所述的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，其特征在于：所述行波电极为共面波导，采用CPW或CPWG结构。

4.如权利要求1所述的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，其特征在于：所述光波导的结构为脊形波导或条形波导，脊形波导或条形波导的输入和输出部分均采用Y分支波导或定向耦合器。

5.如权利要求1所述的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，其特征在于：所述绝缘体上材料为绝缘体上硅、绝缘体上铌酸锂、绝缘体上钽酸锂、绝缘体上碳化硅、绝缘体上氮化硅、绝缘体上氮化镓、绝缘体上磷化铟或绝缘体上砷化镓中的一种；与上述各绝缘体上材料相对应薄膜层材料为硅、铌酸锂、钽酸锂、碳化硅、氮化硅、氮化镓、磷化铟、砷化镓，键合层材料为氧化硅、苯并环丁烯、聚酰亚胺、氢化硅氧烷、甲基硅氧烷、聚对苯撑苯并双噁唑、聚甲基丙烯酸甲酯，衬底层材料为蓝宝石单晶硅、石英玻璃、铌酸锂或碳化硅。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，其特征在于：所述调制电极材料为金、银、铜、铝、铂、钛或铬中的一种或者多种组成的合金。

7.一种制备如权利要求1所述的基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

步骤1.提供绝缘体上材料，该绝缘体上材料包括由下往上依次层叠的衬底层、键合层和薄膜层，并在绝缘体上材料的薄膜层上制备图形化的掩模，然后对绝缘体上材料薄膜层进行刻蚀，形成贯穿的通孔；

步骤2.在绝缘体上材料键合层上表面，对应薄膜层通孔位置，进行金属电极层的生长；待金属电极层的上表面高度高于薄膜层并达到指定高度后，在其上旋涂光刻胶并对光刻胶进行曝光显影，得到制备调制电极结构所需的金属电极层掩模图形；

步骤3.依据步骤2中得到的金属电极层掩模图形，采用刻蚀方法得到图形化的调制电极；

步骤4.确定光波导与调制电极的位置匹配结构，然后在两个调制电极之间的薄膜层上制备图形化掩模，随后对薄膜层进行刻蚀，得到光波导。

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