CN113900284A - 一种铌酸锂薄膜电光调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种铌酸锂薄膜电光调制器，所述铌酸锂薄膜电光调制器包括衬底晶片(1)、铌酸锂薄膜基板(2)、铌酸锂光波导(3)、铌酸锂薄膜内衬(4)、行波电极(5)、保护层(6)和引出电极(7)，通过改进一般设计中电光调制器中的行波电极结构，将金属电极(5)部分区域覆盖在刻蚀区域，部分覆盖在铌酸锂薄膜内衬(4)上，在电极间距相同的情况下，增加了微波的有效折射率，从而实现波速匹配，提高电光调制器带宽。本申请还提供一种铌酸锂薄膜电光调制器的制备方法，基于本方案中的行波电极结构，直接对铌酸锂薄膜进行刻蚀得到需要的波导结构，减小刻蚀区域，降低工艺难度和成本。
Description
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，特别涉及一种铌酸锂薄膜电光调制器及其制备方法。
背景技术
电光调制器在光纤通信、光纤传感、微波光子学、量子通信等技术领域中有着十分广泛的应用，是光电模块中的核心光电元器件，用于实现将电信号加载到光信号上并利用光纤进行低损耗传输的关键功能。利用铌酸锂晶体线性电光效应原理的外调制器以其低啁啾系数、高调制带宽、高开关消光比等突出优势，在光纤信号传输系统中具有重要的应用。
近年来，随着大尺寸、高质量的铌酸锂薄膜材料的成熟，利用CMOS工艺在铌酸锂薄膜晶圆上制作的铌酸锂薄膜电光调制器芯片具有光波导折射率差值大、光波导尺寸小、微波折射率低、特征阻抗高等显著优于传统铌酸锂电光调制器芯片的特色。铌酸锂调制器一般采用共面波导的对称结构，可以看做准TEM模式，这种结构的传播模式具有小的色散，光波和微波波速匹配更好，同时提高带宽。
专利CN112764246A公开了一种薄膜铌酸锂电光调制器及其制备方法，在光波导层上面或者在光波导层下面的聚合物层之中布置金属电极，利用光刻和刻蚀制备成薄膜铌酸锂光波导层，并将该结构倒置并覆盖在聚合物层上在倒置的薄膜铌酸锂光波导层上，再利用光刻、溅射等方法镀上金属电极。该发明降低了铌酸锂薄膜电光调制器芯片的器件长度和半波电压，提升了调制带宽，但制备行波电极结构的步骤中需要先沉积一层低折射率的聚合物层，且铌酸锂薄膜刻蚀区域较大，增加了工艺难度和成本。
如何减小刻蚀区域，降低工艺难度和成本，同时避免因达到位相匹配和阻抗匹配时的电极间距太大而导致增加半波电压，影响调制器性能，是目前的铌酸锂薄膜电光调制器需要解决的问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种特殊结构的铌酸锂薄膜电光调制器及其制备方法，有效地解决了因铌酸锂薄膜刻蚀区域较大而导致的高成本和电极间距过大而影响调制器性能之间的矛盾。
一方面，本发明提供一种铌酸锂薄膜电光调制器，包括：衬底晶片、铌酸锂薄膜基板、铌酸锂光波导、铌酸锂薄膜内衬、行波电极、保护层和引出电极，其中，所述的行波电极有3条，分别位于铌酸锂薄膜基板上方的两侧和中央，所述的铌酸锂薄膜内衬位于在铌酸锂薄膜基板和行波电极之间，行波电极的面积大于铌酸锂薄膜内衬的面积以完全覆盖铌酸锂薄膜内衬，所述的引出电极与行波电极相连。
其中，所述的铌酸锂光波导有2条，所述2条铌酸锂光波导形成马赫增德尔结构，光波导分为耦合部分和分束部分，其中，耦合部分可以为光栅耦合，也可以为断面耦合，分束部分可以为MMI结构，也可以为Y型结构。
所述的行波电极的电极间隙为5-15um，中心电极宽度为8-200um，电极长度为1-40mm，厚度为0.2-2um，接地区域宽度为50-400um，刻蚀区域电极覆盖宽度为1-10um。
优选地，所述的行波电极的材质为金、铝、镍中的一种。
优选地，所述的保护层材质为二氧化硅，折射率为1-2。
另一方面，本发明提供一种铌酸锂薄膜电光调制器的制备方法，包括以下步骤：
(a)制备铌酸锂光波导的刻蚀掩膜；
(b)对铌酸锂薄膜进行刻蚀，将掩膜转换为波导结构；
(c)采用清洗液对波导侧壁进行清洗，去除刻蚀残留物；
(d)套刻行波电极的光刻胶掩膜；
(e)覆盖二氧化硅保护层；
(f)制备引出电极。
优选地，所述的制备铌酸锂光波导的刻蚀掩膜为EBL光刻胶、紫外光刻胶、金属掩膜、介质掩膜中的一种。
优选地，所述的对铌酸锂薄膜进行刻蚀方法为干法刻蚀或湿法刻蚀中的一种。
优选地，所述的干法刻蚀为离子束刻蚀(IBE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)中的一种。
优选地，所述的清洗液为过氧化氢与氨水的混合液体。
本发明通过改进铌酸锂薄膜电光调制器的行波电极结构，在电极间距相同的情况下，进一步增大电光调制过程中光波场与微波场的重叠区域，增加微波的有效折射率，实现波速匹配，因此可以实现薄膜铌酸锂电光调制器带宽的显著增加，同时减小了刻蚀区域，降低了工艺成本。
附图说明
下面对说明书附图所表达的内容做简要说明：
图1是本发明中铌酸锂薄膜电光调制器的剖面结构示意图；
图2是本发明中铌酸锂薄膜电光调制器中的行波电极结构剖面结构示意图；
图3是本发明中铌酸锂薄膜电光调制器的制备流程图；
图4是本发明中铌酸锂薄膜电光调制器中的行波电极结构的相关参数示意图；
图5是使用物理场模拟软件得到的电光调制器光程差Eo(x,y)的分布图；
图6是使用物理场模拟软件得到的电光调制器光程差E(x,y)的分布图；
图7是使用本发明中铌酸锂薄膜电光调制器行波电极结构的频率响应曲线；
图8是常规铌酸锂薄膜电光调制器中的行波电极结构剖面结构示意图；
图9是常规铌酸锂薄膜电光调制器行波电极结构的频率响应曲线。
附图标记说明
1-衬底，2-铌酸锂薄膜基板，3-铌酸锂光波导，4-铌酸锂薄膜内衬，5-行波电极，6-保护层，7-引出电极
具体实施方式
下面对本发明具体的实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互连接关系、各部分的作用及工作原理、制作工艺及操作使用方法等，做进一步详细的说明。以便于对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
铌酸锂调制器一般采用共面波导的对称结构，可以看做准TEM模式，这种结构的传播模式具有小的色散，光波和微波波速匹配更好，同时能提高带宽。本发明用于解决常规的薄膜铌酸锂电光调制器在工艺过程中出现的不可避免的损耗影响，比如传统的电极结构造成的折射率较小、微波损耗较大等等。该发明具体表现在结构上的创新。
实施例1
如图1所示，本实施例包括衬底晶片1、铌酸锂薄膜基板2、铌酸锂光波导3、铌酸锂薄膜内衬4、行波电极5、保护层6和引出电极7，所述的引出电极7与行波电极4相连。其中，铌酸锂薄膜电光调制器中的行波电极结构如图2所示所述的行波电极5有3条，分别位于铌酸锂薄膜基板2上方的两侧和中央，所述的铌酸锂薄膜内衬4位于在铌酸锂薄膜基板2和行波电极5之间，行波电极5的面积大于铌酸锂薄膜内衬4的面积以完全覆盖铌酸锂薄膜内衬4。
具体实施流程如3所示，包括如下步骤：
一、铌酸锂光波导的制备：
a.采用济南晶正购买的铌酸锂薄膜晶片，其中铌酸锂薄膜厚度为600nm，SiO2厚度为4.7um，基底硅片厚度为525um。光波导版图设计中，耦合部分采用光栅耦合，周期为870nm，刻蚀占空比为0.4，分束部分采用MMI结构，长为38.6um，宽为7.8um，波导宽度设计宽度为1.2um；
b.采用正胶(曝光该区域为显影去除区域)的EBL光刻胶作为掩膜，利用EBL光刻机制备光刻胶掩膜；
c.采用IBE刻蚀法对铌酸锂进行刻蚀，将掩膜转换为波导结构；
d.采用清洗液对波导侧壁进行清洗，去除刻蚀残留物，清洗液为过氧化氢与氨水的混合液体。
二、行波电极的制备：
a.行波电极版图设计为电极间隙为9um，中心电极宽度为25um，电极长度为1.5cm，厚度为1um，接地区域宽度为200um，刻蚀区域电极覆盖宽度为1um；
b.采用MA6紫外光刻机，在镀好铌酸锂波导和内衬的铌酸锂薄膜晶片套刻上行波电极的光刻胶掩膜；
c.采用电子束蒸发镀膜法，镀上一层金属铝掩膜，金属掩膜厚度为1um；
d.将样品放入nmp溶液制得的剥离液中，加热，对铝掩膜进行剥离，留下掩膜图形；
e.采用PECVD(全程：等离子体增强化学的气相沉积法)，在波导结构表面沉积覆盖一层SiO2，SiO2厚度为1.2um；
f.采用MA6紫外光刻机进行套刻，制备用于刻蚀二氧化硅的掩膜；
g.采用ICP刻蚀的方法，在行波电极两端开出SiO2窗口；
h.用MA6紫外光刻机，套刻上行波电极的引出掩膜；
i.将样品放入nmp溶液制得的剥离液中，加热，对铝掩膜进行剥离，得到最终的电光调制器。
如图4所示，设定W为中心电极宽度，G为间隙宽度，t为电极厚度。
计算半波电压的公式为：
式中，λ为光波长，G为电极间距，ne为e光折射率，γ33为晶体z轴电光系数，L为电极长度，Γ为电光重叠积分因子，E(x,y)为光程差。
其中，Eo(x,y)和E(x,y)的分布可直接用物理场模拟软件软件得出。
图5为使用物理场模拟软件模拟得出的Eo(x,y)分布图。
图6为使用物理场模拟软件模拟得出的E(x,y)分布图。
计算电光调制器频率响应损耗：
式中，L为行波电极长度，ω为调制频率，γm为行波电极的传播常数，Z0为行波电极的特征阻抗，n0为波导的群有效折射率，与波导形状相关约为2.25。R’为单位长度的电感，即磁场能，C’为单位长度的电容，即电场能，L’为单位长度的电阻，即导体中的电阻损耗，G’为单位长度的电导，即为绝缘体的电阻损耗。
由此我们可以计算得出不同行波电极设计下的调制带宽。在中心电极宽度W为25um，G为9um，t为1um，L为1.5cm的情况下，实施例1中的行波电极设计的频率响应曲线如图7所示。
对比例1
本申请提供市面上一种常规的行波电极结构作为对比，如图8所示。
通过计算该行波电极结构的半波电压和电光调制器频率响应损耗，在参数相同，即在中心电极宽度W为25um，G为9um，t为1um，L为1.5cm的情况下，可以得到对比例1中的行波电极设计的频率响应曲线如图9所示。
通过对比本方案设计的行波电极结构和常规的行波电极结构的频率响应曲线可以发现：
常规行波电极结构的半波电压为1.94V，频率响应为3dB时带宽为34GHz，频率响应为6dB时带宽为66GHz。
本方案中的行波电极结构的半波电压为1.90V，频率响应为3dB时带宽为43GHz，频率响应为6dB时带宽为120GHz。
由此可以得出结论，在电极间距相同的情况下，使用本方案的行波电极结构的电光调制器，可以降低半波电压，同时调制器带宽有显著的增强，有助于大幅提升电光调制器的性能。
Claims (10)
1.一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，包括：衬底晶片(1)、铌酸锂薄膜基板(2)、铌酸锂光波导(3)、铌酸锂薄膜内衬(4)、行波电极(5)、保护层(6)和引出电极(7)，其中，所述的行波电极(5)有3条，分别位于铌酸锂薄膜基板(2)上方的两侧和中央，所述的铌酸锂薄膜内衬(4)位于在铌酸锂薄膜基板(2)和行波电极(5)之间，行波电极(5)的面积大于铌酸锂薄膜内衬(4)的面积以完全覆盖铌酸锂薄膜内衬(4)，所述的引出电极(7)与行波电极(4)相连。
2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述的铌酸锂光波导(3)有2条，所述2条铌酸锂光波导(3)形成马赫增德尔结构，光波导分为耦合部分和分束部分。
3.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述的行波电极(5)的电极间隙为5-15um，中心电极宽度为8-200um，电极长度为1-40mm，厚度为0.2-2um，接地区域宽度为50-400um，刻蚀区域电极覆盖宽度为1-10um。
4.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述的行波电极(5)的材质为金、铝、镍中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述的保护层(6)材质为二氧化硅，折射率为1-2。
6.应用于权利要求1-5任一所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)制备铌酸锂光波导的刻蚀掩膜；
(b)对铌酸锂薄膜进行刻蚀，将掩膜转换为波导结构；
(c)采用清洗液对波导侧壁进行清洗，去除刻蚀残留物；
(d)套刻行波电极的光刻胶掩膜；
(e)覆盖二氧化硅保护层；
(f)制备引出电极。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的制备铌酸锂光波导的刻蚀掩膜为EBL光刻胶、紫外光刻胶、金属掩膜、介质掩膜中的一种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的对铌酸锂薄膜进行刻蚀方法为干法刻蚀或湿法刻蚀中的一种。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的干法刻蚀为离子束刻蚀(IBE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)中的一种。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的清洗液为过氧化氢与氨水的混合液体。
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