CN111965755B - 一种加载条型光波导集成结构及其制备方法 - Google Patents

一种加载条型光波导集成结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供的一种加载条型光波导集成结构及其制备方法，包括依次层叠的衬底层、隔离层、光调制层和功能薄膜层；光调制层包括加载条型掺杂光波导，以及包覆加载条型掺杂光波导的波导包层，其中，加载条型掺杂光波导为掺杂重质量离子的无机材料A，波导包层为无掺杂无机材料B，加载条型掺杂光波导与波导包层的折射率差大于等于0.01；其中，加载条型掺杂光波导的底表面与波导包层的底表面在同一水平面，加载条型掺杂光波导的顶表面与波导包层的顶表面在同一水平面。光调制层位于功能薄膜层与隔离层之间，一方面，不会增加驱动电压；另一方面，光信号能够被折射率小的波导包层限制在折射率大的加载条型掺杂光波导和功能薄膜层中传输。

Description

一种加载条型光波导集成结构及其制备方法
技术领域
本申请属于半导体元件制备领域，特别涉及一种加载条型光波导集成结构及其制备方法。
背景技术
随着科技的发展和大数据时代的到来，不仅对通信网络宽带的需求急速增加，对器件集成度的要求也越来越高。铌酸锂晶体由于具有多种优良的光学性能，如压电、铁电、光电、光弹、热释电、光折变和非线性等，已被广泛应用于各种核心电子元器件，例如，用于制备光调制器。光学集成是将多个微纳米光学元件集成在一个衬底层上，形成具有多种功能的光学器件，其中，光波导作为集成光学中的基本元件，是信号传输的通道、各器件连接的桥梁。
现有技术中，如图1所示，铌酸锂/氧化硅光波导集成结构，包括依次层叠的衬底层01、隔离层02、铌酸锂薄膜层03和氧化硅光波导04。由图1可知，氧化硅光波导04位于铌酸锂薄膜层03上表面，但是，为实现铌酸锂薄膜的电光调制效果，还需要在铌酸锂薄膜层03上制作电极，而氧化硅光波导04的存在增加了驱动电压，不利于铌酸锂光调制器与COMS工艺的兼容。
发明内容
为解决现有技术中，氧化硅光波导的存在增加了驱动电压，不利于铌酸锂光调制器与COMS工艺的兼容的问题。
第一方面，本申请提供一种加载条型光波导集成结构，包括依次层叠的衬底层、隔离层、光调制层和功能薄膜层；
所述光调制层包括加载条型掺杂光波导，以及包覆所述加载条型掺杂光波导的波导包层，其中，所述加载条型掺杂光波导为掺杂重质量离子的无机材料A，所述波导包层为无掺杂无机材料B，所述加载条型掺杂光波导与所述波导包层的折射率差大于等于0.01，其中，所述重质量离子是指相对原子质量大于所述无机材料A中任一元素的相对原子质量的离子；
所述加载条型掺杂光波导的折射率小于功能薄膜层的折射率；
其中，所述加载条型掺杂光波导的底表面与所述波导包层的底表面在同一水平面，所述加载条型掺杂光波导的顶表面与所述波导包层的顶表面在同一水平面。
进一步地，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子包括具有光致发光效应的稀土离子。
进一步地，所述具有光致发光效应的稀土离子包括铒离子、铥离子、镱离子或镥离子。
进一步地，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子包括锗离子、铜离子、铁离子或锰离子。
进一步地，所述隔离层为二氧化硅或氮化硅材料，所述衬底层为硅、铌酸锂或SOI材料，所述功能薄膜层为铌酸锂晶体材料、钽酸锂晶体材料、磷酸钛氧钾晶体材料或磷酸钛氧铷晶体材料，所述加载条型掺杂光波导中无机材料A为二氧化硅或氮化硅材料，所述波导包层中的无机材料B为二氧化硅或氮化硅材料。
进一步地，所述隔离层、所述加载条型掺杂光波导中的无机材料A，以及所述波导包层中的无机材料B均为相同的材质。
进一步地，所述光调制层与所述功能薄膜层之间还层叠有包覆层，所述包覆层与所述波导包层的材质相同，且所述包覆层与所述波导包层一体成型；
所述包覆层的表面粗糙度小于0.5nm，所述包覆层的表面平坦度小于1nm。
第二方面，本申请还提供一种电光调制器，包括第一方面任一所述的加载条型光波导集成结构。
第三方面，本申请还提供一种加载条型光波导集成结构的制备方法，包括：
在衬底层上制备目标厚度的隔离层；
利用光刻方法，在所述隔离层上制备与加载条型掺杂光波导结构相反的掩膜图形，所述掩膜图形由光刻胶形成；
在所述隔离层上的第一沟槽内填充掺杂无机材料，形成加载条型掺杂光波导，所述第一沟槽是指凸起的所述掩膜图形在所述隔离层上形成的沟槽，其中，所述掺杂无机材料是指在无机材料A中掺杂有重质量离子，其中，所述重质量离子是指相对原子质量大于所述加载条型掺杂光波导中无机材料A的任一元素的相对原子质量的离子；
去除所述掩膜图形，在所述隔离层上形成第二沟槽，所述第二沟槽与所述掩膜图形结构相同；
在所述隔离层上的第二沟槽内填充无掺杂无机材料B，形成波导包层，所述加载条型掺杂光波导与所述波导包层的折射率差大于等于0.01，其中，所述加载条型掺杂光波导与所述波导包层组成光调制层；
对所述光调制层表面平坦化处理；
在所述光调制层上制备功能薄膜层，得到加载条型光波导集成结构。
进一步地，所述在所述隔离层上的第一沟槽内填充掺杂无机材料，形成加载条型掺杂光波导的方法包括：扩散方法、离子注入方法、沉积法或溅射法。
进一步地，所述隔离层、所述加载条型掺杂光波导中所述无机材料A，以及所述波导包层中的无机材料B均为二氧化硅或氮化硅材料，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子为具有光致发光效应的铒离子、铥离子、镱离子或镥离子，或者，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子为锗离子、铜离子、铁离子或锰离子。
进一步地，利用离子注入法和键合分离法，或者，利用键合法和研磨抛光法，在所述光调制层上制备功能薄膜层。
进一步地，所述光调制层上还包括包覆层，所述方法还包括：
如果所述包覆层和波导包层的材质相同，则在所述隔离层上的第二沟槽内填充无机材料B，并覆盖形成的光调制层，其中，覆盖于所述光调制层上的无机材料B形成包覆层，，所述包覆层的表面粗糙度小于0.5nm，所述包覆层的表面平坦度小于1nm；
在所述包覆层上制备功能薄膜层，得到加载条型光波导集成结构。
本申请提供的一种加载条型光波导集成结构及其制备方法，光调制层位于功能薄膜层与隔离层之间，一方面，不会增加驱动电压；另一方面，光调制层由折射率小的波导包层和折射率大的加载条型掺杂光波导组成，因此，光信号能够被折射率小的波导包层限制在折射率大的加载条型掺杂光波导和功能薄膜层中传输。另外，本申请实施例中，如果掺杂的重质量离子为具有光致发光效应的稀土离子，则可以降低导光时的损耗；如果加载条型掺杂光波导中的无机材料A为二氧化硅材料，由于加载条型掺杂光波导中的主材料与光纤芯层材料相同，均为二氧化硅材料，因此，当光纤耦合至加载条型掺杂光波导时，属于相同材料之间的耦合，可以降低耦合损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种铌酸锂/氧化硅光波导集成结构的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种加载条型光波导集成结构的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的又一种加载条型光波导集成结构的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种加载条型光波导集成结构的制备方法的流程图。
附图标记说明
110-衬底层，120-隔离层，130-光调制层，140-功能薄膜层，150-包覆层，130A-加载条型掺杂光波导，130B-波导包层，160-掩膜图形。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，本领域技术人员在没有作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。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于本申请工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图2所示，本申请实施例提供一种加载条型光波导集成结构，包括依次层叠的衬底层110、隔离层120、光调制层130和功能薄膜层140；所述光调制层130包括加载条型掺杂光波导130A，以及包覆所述加载条型掺杂光波导130A的波导包层130B，其中，所述加载条型掺杂光波导130A为掺杂重质量离子的无机材料A，所述波导包层130B为无掺杂无机材料B，所述加载条型掺杂光波导130A与所述波导包层130B的折射率差大于等于0.01，其中，所述重质量离子是指相对原子质量大于所述无机材料A中任一元素的相对原子质量的离子；所述加载条型掺杂光波导的折射率小于功能薄膜层的折射率；其中，所述加载条型掺杂光波导130A的底表面与所述波导包层130B的底表面在同一水平面，所述加载条型掺杂光波导130A的顶表面与所述波导包层130B的顶表面在同一水平面。
本申请实施例的光调制层130包括掺杂区域和无掺杂区域，其中，掺杂区域为由掺杂重质量离子的无机材料A制备成的加载条型掺杂光波导130A，无掺杂区域为填充在加载条型掺杂光波导130A形成的沟槽内的无掺杂无机材料B制备成的波导包层130B，其中，加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A与波导包层130B中的无机材料B可以相同，也可以不同，但是，需要满足所述加载条型掺杂光波导130A与所述波导包层130B的折射率差大于等于0.01，使得光可以被限制在折射率大的加载条型掺杂光波导130A内传输。
首先，需要说明的是，本申请实施例中所述的重质量离子是指相对原子质量大于所述加载条型掺杂光波导130A中无机材料A的任一元素的相对原子质量的离子，也可以理解为，本申请实施例中所述的重质量离子是指相对原子质量至少大于所述加载条型掺杂光波导130A中无机材料A的一种元素的相对原子质量的离子，以使掺杂后的所述加载条型掺杂光波导130A的折射率大于所述无机材料A的折射率，并且使掺杂后的所述加载条型掺杂光波导130A的折射率大于波导包层130B的折射率。例如，所述加载条型掺杂光波导130A中无机材料A为二氧化硅，则掺杂的重质量离子的相对原子质量可以是大于硅或氧的所有离子，在一个具体例子中，所述加载条型掺杂光波导130A中掺杂的重质量离子为锗离子、铜离子、铁离子或锰离子。
在另一具体实施例中，所述加载条型掺杂光波导130A中掺杂的重质量离子为具有光致发光效应的稀土离子，例如：铒离子、铥离子、镱离子或镥离子。在加载条型掺杂光波导130A中掺杂具有光致发光效应的稀土离子不仅可以提高折射率，还可以降低导光时的损耗。以掺杂稀土元素铒离子为例，Er3+的亚稳态和基态的能量差相当于1550nm光子的能量，实现对1550nm波段光信号放大，从而可以降低导光时的损耗。
其次，需要说明的是，本申请对加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A与波导包层130B中的无机材料B不进行限定，加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A与波导包层130B中的无机材料B可以相同，也可以不同。例如：加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A与波导包层130B中的无机材料B均采用二氧化硅或氮化硅材料。又例如，加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A采用氮化硅材料，波导包层130B中的无机材料B采用二氧化硅材料。再例如，加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A采用二氧化硅材料，波导包层130B中的无机材料B采用氮化硅材料。
在一具体实施例中，如果加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A与波导包层130B中的无机材料B采用不同的材料，则在加载条型掺杂光波导130A与波导包层130B的界面存在较大的应力，因此，为了减少加载条型掺杂光波导130A与波导包层130B的界面应力，加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A与波导包层130B中的无机材料B可以采用相同的材质。例如，无机材料A和无机材料B均为二氧化硅或氮化硅材料。另外，加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A和所述波导包层130B中的无机材料B采用相同的材料，还便于掺杂元素的选择以及掺杂量的计算。
进一步地，如果加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A为二氧化硅材料，由于加载条型掺杂光波导130A中的主材料与光纤芯层材料相同，均为二氧化硅材料，因此，当光纤耦合至加载条型掺杂光波导130A时，属于相同材料之间的耦合，进而可以降低耦合损耗。
其中，如果加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A的折射率大于波导包层130B中的无机材料B的折射率，则在加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A掺杂重质量离子后，加载条型掺杂光波导130A与波导包层130B的折射率差进一步增大，从而使得波导效果更好。如果加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A的折射率小于或等于波导包层130B中的无机材料B的折射率，则通过在加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A中掺杂重质量离子的方法，可以使掺杂后的加载条型掺杂光波导130A的折射率与波导包层130B的折射率差大于等于0.01。
本申请实施例中，衬底层110主要起到支撑的作用，衬底层110可以是单层衬底，也可以是复合衬底。如果衬底层110为复合衬底，则每层衬底层的材料可以相同或不同，本申请对此不进行限定。例如：衬底层材料可以为铌酸锂、钽酸锂、SOI、石英、硅、蓝宝石、碳化硅、氮化硅、砷化镓或磷化铟等，本申请对此不进行限定。
本申请实施例中，隔离层120的折射率小于所述功能薄膜层140的折射率。隔离层120的作用的防止功能薄膜层140的光信号泄露到衬底层110中。
在一具体实施例中，为使隔离层120与光调制层130之间具有较小的界面应力，所述隔离层120、所述加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A，以及所述波导包层130B中的无机材料B均为相同的材质。例如，隔离层120、无机材料A和无机材料B均为二氧化硅材料或氮化硅材料。
在另一具体实施例中，所述隔离层120与所述无机材料A均为氮化硅材料，所述无机材料B为二氧化硅材料，或者，所述隔离层120与所述无机材料B均为二氧化硅材料，所述无机材料A为氮化硅材料。该实施例中，在折射率较大的氮化硅中掺杂重质量离子，制备得到加载条型掺杂光波导130A，其中，掺杂后得到的加载条型掺杂光波导130A与波导包层130B中二氧化硅的折射率差进一步增大，从而得到更好的光场限制效果。
本申请实施例中，功能薄膜层140用于传输光信号，功能薄膜层的折射率大于所述加载条型掺杂光波导130A的折射率；功能薄膜层140可以是任何具有压电性能的材料，例如为铌酸锂晶体材料、钽酸锂晶体材料、磷酸钛氧钾晶体材料或磷酸钛氧铷晶体材料，本申请对此不进行限定。还需要说明的是，本申请实施例中功能薄膜层140可以包括一层薄膜层，也可以包括多层薄膜层。如果功能薄膜层140包括多层薄膜层，则相邻薄膜层之间还可以设置隔离层，隔离层可以防止相邻薄膜层之间的信号串扰。另外，功能薄膜层140中的多个薄膜层可以为相同的材料，也可以是不同的材料，本申请对此不进行限定。
本申请实施例中，光调制层130位于功能薄膜层140与隔离层120之间，一方面，不会增加驱动电压；另一方面，光调制层130由折射率小的波导包层130B和折射率大的加载条型掺杂光波导130A组成，因此，光信号能够被折射率小的波导包层130B限制在折射率大的加载条型掺杂光波导130A和功能薄膜层140中传输。其中，本申请实施例中所述的重质量离子是指相对原子质量大于所述加载条型掺杂光波导中无机材料的任一元素的相对原子质量的离子，以使掺杂后得到的加载条型掺杂光波导130A的折射率大于无掺杂的波导包层130B的折射率。
本申请实施例中，由于光调制层130由组分不同的两种材料组合而成，因此，在两种材料(加载条型掺杂光波导130A和波导包层130B)接触界面处存在应力集中。如果将光调制层130直接与功能薄膜层140接触，容易在应力集中处出现薄膜缺失、产生键合气泡等缺陷。基于此，本申请实施例还提供另一种加载条型光波导集成结构，如图3所示，在所述光调制层130与所述功能薄膜层140之间还层叠有包覆层150。
包覆层150覆盖在光调制层130顶表面，改善了光调制层130两种材料接触界面处存在应力集中，功能薄膜层140与表面均匀、不存在应力集中的包覆层150直接接触，从而改善了光调制层130与功能薄膜层140直接接触产生的缺陷问题。
本申请实施例对包覆层150的厚度、材料均不进行限定，只要能够保证功能薄膜层140中的光信号能够进入加载条型掺杂光波导130A内即可。例如，包覆层150的厚度可以为200nm、300nm或400nm；包覆层150可以为二氧化硅、氮化硅等材料。
在一具体实施例中，所述包覆层150与所述波导包层130B的材质相同，例如，所述包覆层150与所述波导包层130B均为二氧化硅或氮化硅材料，如果所述包覆层150与所述波导包层130B的材质相同，则所述包覆层150可以与所述波导包层130B一体成型制备而成。
包覆层150的表面粗糙度小于0.5nm，所述包覆层150的表面平坦度小于1nm。包覆层150的表面粗糙度，以及表面平坦度满足包覆层150与功能薄膜层140直接键合的标准。
还需要说明的是，本申请实施例对衬底层110、隔离层120、光调制层130、功能薄膜层140和包覆层150的厚度不进行限定。例如，衬底层110的厚度可以为0.3-0.8mm，隔离层120的厚度可以为50nm-1000nm，光调制层130的厚度可以为100nm-1000nm，功能薄膜层140的厚度可以为50-3000nm，包覆层150的厚度可以为200nm-5000nm。
在一个具体例子中，衬底层110的厚度为0.5mm，隔离层120的厚度为200nm，光调制层130的厚度为300nm，功能薄膜层140的厚度为400nm，包覆层150的厚度为200nm。
本申请实施例还提供一种电光调制器，包括上述实施例中任一所述的加载条型光波导集成结构。其中，光调制层130和功能薄膜层140起到电光调制的作用。
如图4所示，本申请实施例还提供一种加载条型掺杂光波导集成结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底层110上制备目标厚度的隔离层120。
本申请对上述步骤1的制备方法不进行限定，例如，可以采用沉积法，在衬底层110上沉积目标厚度的隔离层120；又例如，如果衬底层110为硅材料，隔离层120为二氧化硅材料，则可以采用氧化法在衬底层110上氧化一层二氧化硅层作为隔离层120。
步骤2、利用光刻方法，在所述隔离层120上制备与加载条型掺杂光波导130A结构相反的掩膜图形160，所述掩膜图形160由光刻胶形成。
上述步骤2中，利用光刻胶在隔离层120上形成与加载条型掺杂光波导130A结构相反的掩膜图形160。其中，加载条型掺杂光波导130A是用于传输光信号的通道，加载条型掺杂光波导130A结构可以根据实际需求设定，本申请对此不进行限定。例如，加载条型掺杂光波导130A的宽度可以为100nm-10um，优选的加载条型掺杂光波导130A的宽度为2um。
步骤3、在所述隔离层120上的第一沟槽内填充掺杂无机材料A，形成加载条型掺杂光波导130A，所述第一沟槽是指凸起的所述掩膜图形160在所述隔离层120上形成的沟槽，其中，所述掺杂无机材料A中的掺杂源为重质量离子，其中，所述重质量离子是指相对原子质量大于所述加载条型掺杂光波导130A中无机材料A的任一元素的相对原子质量的离子。
掩膜图形160是凸起于隔离层120表面的结构，其中形成第一沟槽，在第一沟槽内填充掺杂无机材料，形成加载条型掺杂光波导130A。
本申请实施例中，为了使光信号被限制在加载条型掺杂光波导130A传输，需要使加载条型掺杂光波导130A的折射率大于波导包层130B的折射率，基于此，本申请提出在无机材料A中掺杂重质量离子的方式，提高无机材料A的折射率，其中，重质量离子可以是具有光致发光效应的稀土离子，例如铒离子、铥离子、镱离子或镥离子，或者，锗离子、铜离子、铁离子或锰离子等，本申请对此不进行限定，只要掺杂后得到的加载条型掺杂光波导130A的折射率提高，并且与波导包层130B的折射率差大于等于0.01即可。其中，折射率差0.01是光信号能够被限制在折射率大的介质中传输的临界值。如果加载条型掺杂光波导130A与所述波导包层130B的折射率差小于0.01，则光信号不能够被限制在加载条型掺杂光波导130A中传输。
本申请实施例中，加载条型掺杂光波导130A中的无机材料A可以为二氧化硅、氮化硅材料等，本申请对此不进行限定，只要掺杂后的无机材料A的折射率与加载条型掺杂光波导的折射率之差小于等于0.01即可。
在一具体实施例中，为了降低光纤耦合至加载条型掺杂光波导130A的耦合损耗，加载条型掺杂光波导130A中无机材料A采用与光纤的芯层相同的材料，即二氧化硅材料.
本申请对形成加载条型掺杂光波导130A的方法不进行限定，例如可以采用扩散方法、离子注入方法、沉积法或溅射法。
在一个具体例子中，用磁控溅射的方法，在上述步骤2光刻后的隔离层120上表面沉积铒掺杂二氧化硅层，形成加载条型掺杂光波导130A，其中，所用靶材为Si靶和Er2O3靶，溅射功率可以为10W-1000W，溅射气压可以为1Pa-1000Pa，氩气流量与氧气流量均可以为10sccm-1000sccm，溅射制备的铒掺杂二氧化硅层厚度可以为100nm-1000nm)。在一个例子中，溅射功率为50W，溅射气压为20Pa，氩气流量与氧气流量均可以为50sccm，溅射制备的铒掺杂二氧化硅层厚度可以为300nm。
在另一个具体例子中，用磁控溅射的方法，在上述步骤2光刻后的隔离层120上表面沉积锗掺杂二氧化硅层，形成加载条型掺杂光波导130A，其中，所用靶材为Ge和Si合金靶材，溅射功率可以为10W-1000W，溅射气压可以为1Pa-1000Pa，氩气流量与氧气流量均可以为10sccm-1000sccm，溅射制备的铒掺杂二氧化硅层厚度可以为100nm-1000nm)。在一个例子中，溅射功率为50W，溅射气压为20Pa，氩气流量与氧气流量均可以为50sccm，溅射制备的锗掺杂二氧化硅层厚度可以为300nm。
上述实施例中，可以通过改变溅射功率、溅射气压等制备参数，得到掺杂有不同浓度重质量离子的二氧化硅，其中，掺杂有不同浓度重质量离子的二氧化硅对应的折射率不同。
步骤4、去除所述掩膜图形160，在所述隔离层120上形成第二沟槽，所述第二沟槽与所述掩膜图形160结构相同。
隔离层120上包括覆盖光刻胶区域(即掩膜图形160)和未覆盖光刻胶区域(即加载条型掺杂光波导130A)。采用剥离工艺将隔离层120上覆盖的光刻胶(即掩膜图形160)去除，例如，用丙酮溶液溶解所述掩膜图形160。
去除掩膜图形160后，在隔离层120上形成第二沟槽。
步骤5、在所述隔离层120上的第二沟槽内填充无掺杂无机材料B，形成波导包层130B，其中，所述加载条型掺杂光波导130A与所述波导包层130B组成光调制层130，所述加载条型掺杂光波导130A与所述波导包层130B的折射率差大于等于0.01。
其中，无机材料A和无机材料B可以是相同的材料或不同的材料，本申请对此不进行限定。如果无机材料B与无机材料A相同，则可以减少加载条型掺杂光波导130A与波导包层130B的界面应力。
第二沟槽与掩膜图形160的结构相同，掩膜图形160与加载条型掺杂光波导130A结构相反，因此，在第二沟槽内填充无机材料B后，无机材料B包覆在加载条型掺杂光波导130A周围，形成波导包层130B，波导包层130B使光信号被限制在加载条型掺杂光波导130A内传输。
步骤6、对所述光调制层130表面平坦化处理。
为了满足光调制层130与功能薄膜层140的键合要求，需要对得到的光调制层130表面平坦化处理，使光调制层130的表面粗糙度小于0.5nm，表面平坦度小于1nm。
经过上述步骤6平坦化处理后，加载条型掺杂光波导130A的底表面与所述波导包层130B的底表面在同一水平面，所述加载条型掺杂光波导130A的顶表面与所述波导包层130B的顶表面在同一水平面。
步骤7、在所述光调制层130上制备功能薄膜层140，得到加载条型掺杂光波导集成结构。
本申请对在所述光调制层130上制备功能薄膜层140的方法不进行限定，例如可以利用离子注入法和键合分离法，或者，利用键合法和研磨抛光法，在所述光调制层130上制备功能薄膜层140。
如果利用离子注入和键合分离法，在所述光调制层130上制备功能薄膜层140，本申请实施例中，可结合任一种可行的离子注入法和任一种可行的键合法制备得到加载条型掺杂光波导集成结构，本申请对此不进行限定。
在一种可实现方式中，通过离子注入和键合分离法，在所述光调制层130上制备功能薄膜层140，包括以下步骤：
步骤101，向薄膜材料中进行离子注入，将所述薄膜材料依次分为功能薄膜层、分离层和余质层。
本申请实施例中，所述的薄膜材料是指具有一定厚度的，用于得到功能薄膜层的基础材料。薄膜材料可以为铌酸锂或钽酸锂等压电材料，本申请对此不进行限定。
可以由薄膜材料的一面向所述薄膜材料内部进行离子注入，从而在薄膜材料上形成功能薄膜层、分离层和余质层。
本申请实施例对所述离子注入的方式不做特别限定，可以使用现有技术中任意一种离子注入的方式，所注入的离子可以为通过热处理能够生成气体的离子，例如：氢离子或者氦离子。注入氢离子时，注入剂量可以为3×1016ions/cm2～8×1016ions/cm2，注入能量可以为120KeV～400KeV；注入氦离子时，注入剂量可以为1×1016ions/cm2～1×1017ions/cm2，注入能量可以为50KeV～1000KeV。例如，注入氢离子时，注入计量可以为4×1016ions/cm2，注入能量可以为180KeV；注入氦离子时，注入剂量为4×1016ions/cm2，注入能量为200KeV。
本申请实施例中，可以通过调整离子注入深度来调整功能薄膜层的厚度，具体地，离子注入的深度越大，所制备的功能薄膜层的厚度越大；相反，离子注入的深度越小，所制备的功能薄膜层的厚度越小。
步骤102，将薄膜材料的离子注入面与光调制层130键合，得到键合体。
本申请实施例中，所述键合体是指薄膜材料与光调制层130键合后形成的键合体，其中，薄膜材料未从光调制层130上剥离，所述的离子注入面是指向薄膜材料注入离子的一面。
本申请对薄膜材料与光调制层130键合的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种薄膜材料与光调制层130键合的方式，例如，将薄膜材料的键合面进行表面活化，将光调制层130的键合面也进行表面活化，再将两个活化后的表面进行键合，获得键合体。
本申请对薄膜材料的键合面进行表面活化的方式不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种对薄膜材料进行表面活化的方式，例如，等离子体活化以及化学溶液活化等；同样地，本申请对光调制层130的键合面表面活化的方式也不做特别限定，可以采用现有技术中任意一种可用于光调制层130的键合面进行表面活化的方式，例如，等离子体活化。
步骤103，对所述键合体进行热处理，将所述余质层与所述功能薄膜层分离。
在一种可实现的方式中，对键合体进行热处理，所述热处理的温度为100℃～600℃，在热处理过程中，所述分离层内形成气泡，例如，H离子形成氢气，He离子形成氦气等，随着热处理进展，分离层内的气泡连成一片，最后分离层裂开，将余质层与所述功能薄膜层分离，从而使余质层由键合体上剥离下来，在光调制层130表面形成一层功能薄膜层，再将功能薄膜层抛光减薄至50-3000nm(例如400nm、500nm、600nm、800nm、1000nm等)，得到具有纳米级厚度的功能薄膜层。功能薄膜层可以选用铌酸锂、钽酸锂、磷酸钛氧钾或磷酸钛氧铷材料。
在本申请实施例中，一种可实现的热处理方式为，将键合体放入加热设备中，先升温至预设温度，再在此温度下恒温保温。其中，优选的，保温条件包括：保温时间可以是1分钟～48小时，例如，保温时间为3小时，保温温度可以是100℃～600℃，例如保温时间为400℃，保温气氛可以是，在真空环境下或在氮气及惰性气体中的至少一种气体形成的保护气氛下进行。
在另一种可实现方式中，通过键合法和研磨抛光法，在所述光调制层130上制备功能薄膜层140，包括以下步骤：
首先，将准备好的薄膜材料与光调制层130键合，得到键合体，其中，薄膜材料与光调制层130键合的方式可以参照上述步骤102的描述，此处不再赘述。然后，将键合体进行热处理，以提升薄膜材料与光调制层130的键合力。例如，将键合体放入加热设备内在高温下进行保温，保温工艺在真空环境下或在氮气及惰性气体中至少一种气体形成的保护气氛下进行，保温温度可以是100℃～600℃，例如保温时间为400℃，保温时间可以是1分钟～48小时，例如，保温时间为3小时。最后，对键合体上的薄膜材料机械研磨和抛光，将薄膜材料减薄至预设的功能薄膜层厚度。例如，预设的功能薄膜层厚度为20μm，则可以先采用机械研磨的方式将键合体上的薄膜材料减薄至22μm，然后继续抛光至20μm，得到功能薄膜层。其中，功能薄膜层的厚度可以为400nm-100μm，功能薄膜层可以选用铌酸锂或钽酸锂材料。
由上述步骤可知，本申请实施例提供的加载条型掺杂光波导集成结构的制备方法，先加载条型掺杂光波导130A，再制备波导包层130B，防止在制备加载条型掺杂光波导130A时，掺杂源污染波导包层130B，保证得到的波导包层130B为无掺杂的无机材料。并且，制备加载条型掺杂光波导130A时，不需要刻蚀步骤，制备工艺简单，易于实现。
在另一具体实施例中，在光调制层130与功能薄膜层140之间还制备有一层包覆层150。
如果光调制层130与功能薄膜层140之间还制备有一层包覆层150，则可以省略上述步骤5，直接在步骤4制备得到的光调制层130上沉积包覆层150，然后对包覆层150的表面进行平坦化处理，使包覆层150的表面满足与功能薄膜层键合的标准即可。具体的，所述包覆层的表面粗糙度小于0.5nm，所述包覆层的表面平坦度小于1nm。
如果包覆层150与波导包层130B采用相同的材料，例如：均采用二氧化硅材料，则上述步骤5中，在所述隔离层120上的第二沟槽内填充二氧化硅(无机材料B)时，一次性形成波导包层130B和包覆层150，即二氧化硅(无机材料B)将第二沟槽完全填充，并覆盖在形成的光调制层130上，其中，覆盖于所述光调制层130上的二氧化硅(无机材料B)形成包覆层150。上述制备方法中，相当于所述包覆层150与所述波导包层130B一体成型，一次性制备得到。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种加载条型光波导集成结构，其特征在于，包括依次层叠的衬底层、隔离层、光调制层和功能薄膜层；
所述光调制层包括加载条型掺杂光波导，以及包覆所述加载条型掺杂光波导的波导包层，其中，所述加载条型掺杂光波导为掺杂重质量离子的无机材料A，所述波导包层为无掺杂无机材料B，所述加载条型掺杂光波导与所述波导包层的折射率差大于等于0.01，其中，所述重质量离子是指相对原子质量大于所述无机材料A中任一元素的相对原子质量的离子，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子包括具有光致发光效应的稀土离子；
所述加载条型掺杂光波导的折射率小于功能薄膜层的折射率；
其中，所述加载条型掺杂光波导的底表面与所述波导包层的底表面在同一水平面，所述加载条型掺杂光波导的顶表面与所述波导包层的顶表面在同一水平面。
2.根据权利要求1所述加载条型光波导集成结构，其特征在于，所述具有光致发光效应的稀土离子包括铒离子、铥离子、镱离子或镥离子。
3.根据权利要求1所述加载条型光波导集成结构，其特征在于，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子包括锗离子、铜离子、铁离子或锰离子。
4.根据权利要求1所述加载条型光波导集成结构，其特征在于，所述隔离层为二氧化硅或氮化硅材料，所述衬底层为硅、铌酸锂或SOI材料，所述功能薄膜层为铌酸锂晶体材料、钽酸锂晶体材料、磷酸钛氧钾晶体材料或磷酸钛氧铷晶体材料，所述加载条型掺杂光波导中无机材料A为二氧化硅或氮化硅材料，所述波导包层中的无机材料B为二氧化硅或氮化硅材料。
5.根据权利要求4所述加载条型光波导集成结构，其特征在于，所述隔离层、所述加载条型掺杂光波导中的无机材料A，以及所述波导包层中的无机材料B均为相同的材质。
6.根据权利要求1所述加载条型光波导集成结构，其特征在于，所述光调制层与所述功能薄膜层之间还层叠有包覆层，所述包覆层与所述波导包层的材质相同，且所述包覆层与所述波导包层一体成型；
所述包覆层的表面粗糙度小于0.5nm，所述包覆层的表面平坦度小于1nm。
7.一种电光调制器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的加载条型光波导集成结构。
8.一种加载条型光波导集成结构的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底层上制备目标厚度的隔离层；
利用光刻方法，在所述隔离层上制备与加载条型掺杂光波导结构相反的掩膜图形，所述掩膜图形由光刻胶形成；
在所述隔离层上的第一沟槽内填充掺杂无机材料，形成加载条型掺杂光波导，所述第一沟槽是指凸起的所述掩膜图形在所述隔离层上形成的沟槽，其中，所述掺杂无机材料是指在无机材料A中掺杂有重质量离子，其中，所述重质量离子是指相对原子质量大于所述加载条型掺杂光波导中无机材料A的任一元素的相对原子质量的离子，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子包括具有光致发光效应的稀土离子；
去除所述掩膜图形，在所述隔离层上形成第二沟槽，所述第二沟槽与所述掩膜图形结构相同；
在所述隔离层上的第二沟槽内填充无掺杂无机材料B，形成波导包层，所述加载条型掺杂光波导与所述波导包层的折射率差大于等于0.01，其中，所述加载条型掺杂光波导与所述波导包层组成光调制层；
对所述光调制层表面平坦化处理；
在所述光调制层上制备功能薄膜层，得到加载条型光波导集成结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述隔离层上的第一沟槽内填充掺杂无机材料，形成加载条型掺杂光波导的方法包括：扩散方法、离子注入方法、沉积法或溅射法。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述隔离层、所述加载条型掺杂光波导中所述无机材料A，以及所述波导包层中的无机材料B均为二氧化硅或氮化硅材料，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子为具有光致发光效应的铒离子、铥离子、镱离子或镥离子，或者，所述加载条型掺杂光波导中掺杂的重质量离子为锗离子、铜离子、铁离子或锰离子。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，利用离子注入法和键合分离法，或者，利用键合法和研磨抛光法，在所述光调制层上制备功能薄膜层。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光调制层上还包括包覆层，所述方法还包括：
如果所述包覆层和波导包层的材质相同，则在所述隔离层上的第二沟槽内填充无机材料B，并覆盖形成的光调制层，其中，覆盖于所述光调制层上的无机材料B形成包覆层，所述包覆层的表面粗糙度小于0.5nm，所述包覆层的表面平坦度小于1nm；
在所述包覆层上制备功能薄膜层，得到加载条型光波导集成结构。
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GR01 Patent grant
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