CN114035349A - 一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法，该新型硅基混合材料集成电光调制器包括依次层叠排布的衬底层、隔离层和功能层，功能层包括硅波导单元、地电极、信号电极、以及导电溶胶凝胶；波导单元包括调制臂，调制臂一侧通过导电溶胶凝胶与地电极连接，调制臂另一侧通过导电溶胶凝胶与信号电极连接。本发明方案通过引入梳子状结构的导电溶胶凝胶来连接金属电极与调制臂，使电光调制器的响应速度和调制带宽显著提高，同时使光传输损耗显著降低。

Description

一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光通信技术，特别是一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法。

背景技术

随着人们对信息处理速度、数据传输速率和数据存储容量等要求的不断提高，信息网络以爆炸性的速度增长。为了满足大容量、超高速的信息互联互通需求，往往需要性能优越的电光信号处理器件。电光调制器作为光通信传输中实现信息在电信号与光信号之间转换的核心器件，其具有广阔的发展和应用前景，一直广受关注。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，利用掺杂硅作为导光介质，通过电极的控制可以改变掺杂硅波导的有效折射率，从而完成硅波导中信号的相位调制。

目前，常见的硅槽型波导电光调制器通常采用以下几种方案来实现金属电极与硅波导条之间的连接：

方案1，高掺杂硅条带与硅波导条带连接为一体且等厚度，在器件制作阶段，刻蚀成一维或二维周期结构并掺杂。该方案能在一定程度上解决导电连接问题，但存在下面几个缺点：(1)存在较大的光能量泄漏。由于掺杂硅与组成波导的硅材料的折射率、厚度相同，很容易导致有源区波导中的光能量向两侧泄漏，降低了光功率约束效果，增加了光传输损耗。虽然采用了周期结构来约束光功率，但能量泄漏仍然是可观的。(2)存在较大的光吸收损耗。为了实现良好的导电性，需要对连接部位的硅材料进行高掺杂，高掺杂硅对光能量具有很强的吸收作用，使得光传输损耗变大。(3)调制带宽受限。掺杂硅中的自由载流子对高频调制信号的响应速度有限，制约了调制带宽的提高。

方案2，高掺杂硅薄层与硅波导条连接为一体，但厚度小很多，在器件制作阶段，刻蚀成厚度为50nm左右的条带，形成连续的薄层连接金属电极与波导。采用很薄的厚度有利于保持有源区槽型硅波导的光传输功能，该方案存在与方案一类似的几个缺点：(1)存在较大的光吸收损耗。由于连接硅条带很薄，为了实现良好的导电连接，需要对其进行很高浓度的掺杂，这使得硅对光能量的吸收显著增加。(2)调制带宽受限。超薄硅中的自由载流子对高频调制信号的响应速度比方案1还要慢，制约了调制带宽的提高。

方案3，铁电材料填充在硅波导条与金属电极之间，形成与波导厚度相当的条带。铁电材料具有很大的相对介电常数，达到20～30，远大于硅和有源区电光聚合物的相对介电常数，这使得正负电极之间的驱动电压能够更多地分配到有源区电光材料上，实现了良好的导电传输，提高了驱动效果。但存在下面几个缺点：(1)存在一定的光能量泄漏。铁电材料的折射率在2.0左右，虽然小于硅材料的折射率，但比溶胶凝胶二氧化硅和电光聚合物的1.6左右的折射率大许多。因此，相比较而言会有相当比例的光会泄漏到铁电材料中。(2)调制带宽受限。铁电材料的介电常数很大，使得正负电极之间的分布电容很大，而大电容会增加电路的响应时间，减小响应速度。(3)制备工艺复杂。铁电薄膜材料不同于铁电体材料，很容易开裂，为了制备得到质量良好的薄膜，需要在一千摄氏度左右的高温中烘烤退火。

上述现有方法在制备硅槽型波导电光调制器时均存在诸多不足之处，特别是难以在提高调制带宽的同时使光传输损耗降低，故需要提出一种新的电光调制器用于解决上述现有问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法，用于解决现有技术难以实现提高调制带宽的同时使光传输损耗降低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的第一解决方案为：一种新型硅基混合材料集成电光调制器，包括依次层叠排布的衬底层、隔离层和功能层，功能层包括硅波导单元、地电极、信号电极、以及导电溶胶凝胶；波导单元包括调制臂，调制臂一侧通过导电溶胶凝胶与地电极连接，调制臂另一侧通过导电溶胶凝胶与信号电极连接。

优选的，调制臂包括第一波导条、电光层和第二波导条，第一波导条、电光层和第二波导条沿垂直于隔离层的方向平行紧靠排布，且电光层设置于第一波导条和第二波导条之间，电光层的折射率小于第一波导条以及第二波导条的折射率。

优选的，第一波导条和第二波导条均为硅波导条；电光层的材料为分散红DR19与纤维素二醋酸酯交联后形成的电光聚合物。

优选的，波导单元还包括输入波导和输出波导，输入波导和输出波导均为脊形结构，输入波导的每一输出端均通过一调制臂与输出波导的输入端耦合连接。

优选的，输入波导与输出波导均为Y型波导结构，分光比例为1:1，输入波导与输出波导通过两条调制臂耦合后构成马赫贞德干涉仪结构，信号电极位于两条调制臂之间，地电极分别位于两条调制臂两侧。

优选的，马赫贞德干涉仪结构中，调制臂的电光层构成有源区，两条调制臂的驱动电压按照推挽模式驱动两个有源区，且两个有源区中所产生的电场方向相反。

优选的，衬底层由硅材料组成，隔离层有二氧化硅组成。

优选的，导电溶胶凝胶为炭黑与二氧化硅混合制成的溶胶凝胶，电导率可以达到100000S/cm。

优选的，调制臂与地电极之间、调制臂与信号电极之间所设置的导电溶胶凝胶均以平行阵列形式间隔排布，且阵列中每一单元均与调制臂垂直。

为解决上述技术问题，本发明提供的第二解决方案为：一种新型硅基混合材料集成电光调制器的制备方法，该方法用于制备前述第一解决方案中的新型硅基混合材料集成电光调制器，其步骤包括：在衬底层上依次沉积隔离层和初始功能层，并在初始功能层上刻蚀出波导单元中输入波导、输出波导以及调制臂的第一波导条、第二波导条；采用lift-off工艺制备地电极和信号电极；制备导电溶胶凝胶和电光层的材料；将导电溶胶凝胶填充至调制臂与地电极之间以及调制臂与信号电极之间，并去除非预设填充部位，得到平行间隔排布的阵列结构；将电光层的材料填充至第一波导条与第二波导条之间，得到新型硅基混合材料集成电光调制器。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法，基于马赫贞德干涉仪结构，引入梳子状结构的导电溶胶凝胶来连接金属电极与调制臂，使电光调制器的响应速度和调制带宽显著提高，同时使光传输损耗显著降低。

附图说明

图1是本发明中新型硅基混合材料集成电光调制器一实施方式的结构示意图；

图2是本发明的新型硅基混合材料集成电光调制器一实施方式中调制臂部分的俯视图；

图3是图2沿A-A方向的剖面图；

图中：1-衬底层，2-隔离层，3-功能层，31-波导单元，311-调制臂，311a-第一波导条，311b-电光层，311c-第二波导条，312-输入波导，313-输出波导，32-地电极，33-信号电极，34-导电溶胶凝胶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

对于本发明中的第一解决方案，请参阅图1～3，该新型硅基混合材料集成电光调制器包括依次层叠排布的衬底层1、隔离层2和功能层3，功能层3包括硅波导单元31、地电极32、信号电极33、以及导电溶胶凝胶34；波导单元31包括调制臂311，调制臂311一侧通过导电溶胶凝胶34与地电极32连接，调制臂311另一侧通过导电溶胶凝胶34与信号电极33连接；通过导电溶胶凝胶将电极与调制臂连接起来，改善了高频响应速度，并使调制带宽提高。下面分别对新型硅基混合材料集成电光调制器的各个组成部分进行详细描述。

本实施方式中，衬底层1由硅材料组成，作为光学波导结构的下包层；隔离层2有二氧化硅组成，作为光学波导的绝缘层；当然还可以采取与传统工艺相似的方式，在功能层3设置完后再沉积一层二氧化硅，作为光学波导结构的上包层，在此不做赘述；衬底层1、隔离层2、功能层3的厚度为10～200nm，可根据实际需求进行适应性设置，在此不作限定。

本实施方式中，地电极31和信号电极33优选金、铝材料，其中信号电极作为正电极，地电极作为负电极并接地，高频调制信号施加在信号电极33上。

具体地，波导单元31还包括输入波导312和输出波导313，输入波导312和输出波导313均为脊形结构，输入波导312的每一输出端均通过一调制臂311与输出波导313的输入端耦合连接。本实施方式中，输入波导312与输出波导313均为Y型波导结构，分光比例为1:1，输入波导312与输出波导313通过两条调制臂311耦合后构成马赫贞德干涉仪结构，信号电极33位于两条调制臂311之间，地电极32分别位于两条调制臂311两侧。

具体地，调制臂311包括第一波导条311a、电光层311b和第二波导条311c，第一波导条311a、电光层311b和第二波导条311c沿垂直于隔离层的方向平行紧靠排布，且电光层311b设置于第一波导条311a和第二波导条311c之间，电光层311b的折射率小于第一波导条311a以及第二波导条311c的折射率，由于电光层311b位于中间区域并构成调制臂的有源区，则光在电光层区域传输，电光层311b的折射率相对于第一波导条311a和第二波导条311c越低，则其传输效果越好；在前述马赫贞德干涉仪结构中，两条调制臂311的驱动电压按照推挽模式驱动两个有源区，且两个有源区中所产生的电场方向相反，则驱动电压在两个有源区中产生相反符号的折射率变化状态。

本实施方式中，第一波导条311a和第二波导条311c均为硅波导条；电光层311b的材料优选为分散红DR19与纤维素二醋酸酯交联后形成的电光聚合物，其中分散红DR19作为生色团，纤维素二醋酸酯作为高聚物，所形成电光聚合物分解温度高达250℃，具有很好的稳定性，同时具有较小相对介电常数，约为2.8，具备快速的高频响应条件，所以该电光聚合物作为调制臂的有源区材料能够很好的提升传导速度，并利用调制臂的三明治结构实现光传输损耗的降低。

本实施方式中，调制臂311与地电极32之间、调制臂311与信号电极33之间所设置的导电溶胶凝胶34均以平行阵列形式间隔排布，且阵列中每一单元均与调制臂311垂直，形成梳子状的结构，利用导电溶胶凝胶的导电性实现电极与硅条之间的良好的导电连接，梳子状的结构也优化了电极之间的电介质材料分布，改善了高频时的驱动效率，从而能够在较宽的频率范围内增强有源区的电场强度；一个周期的宽度内溶胶凝胶材料宽度所占的比例称为占空比，可以根据性能需求选择合适的占空比，通过调节梳妆结构的占空比，可以改变地电极与信号电极之间的介电常数，从而改变电极的特征阻抗，优化系统的阻抗匹配，良好的阻抗匹配也有利于提高频响应速度，能在一定程度上提高调制带宽。

本实施方式中，导电溶胶凝胶优选为炭黑与二氧化硅混合制成的溶胶凝胶，经过测试，炭黑质量百分数占50wt％，该导电溶胶凝胶的电导率可以达到100000S/cm，与传统掺杂硅方式相比，具有更好的导电性能；此时，导电溶胶凝胶的射率在1.6左右，远小于硅材料3.5的折射率，有利于提高光在波导芯层的约束效率；与传统的掺杂硅方案相比，导电溶胶凝胶的优点在于，不存在载流子导致的光吸收损耗，同时，导电溶胶凝胶的介电常数约为3.0，硅的介电常数为11.8，导电溶胶凝胶具有更小的介电常数小，进一步降低了光传输过程中的损耗。

对于本发明提供的第二解决方案，提供了一种新型硅基混合材料集成电光调制器的制备方法，该方法用于制备前述第一解决方案中的新型硅基混合材料集成电光调制器，其步骤包括：

(1)在衬底层上依次沉积隔离层和初始功能层，并在初始功能层上刻蚀出波导单元中输入波导、输出波导以及调制臂的第一波导条、第二波导条。本步骤中，初始功能层为硅膜层，优选光刻或干法刻蚀方式对初始功能层进行刻蚀。

(2)采用lift-off工艺制备地电极和信号电极。本步骤中，将信号电极设置于两条调制臂之间，两个地电极分别设置于两条调制臂311两侧。

(3)制备导电溶胶凝胶和电光层的材料。本步骤中，导电溶胶凝胶由炭黑与二氧化硅混合制成，炭黑质量百分数占50wt％；电光层材料由分散红DR19与纤维素二醋酸酯交联后形成。

(4)将导电溶胶凝胶填充至调制臂与地电极之间以及调制臂与信号电极之间，采用lift-off工艺或湿法刻蚀法去除非预设填充部位，得到平行间隔排布的阵列结构。

(5)将电光层的材料填充至第一波导条与第二波导条之间，得到新型硅基混合材料集成电光调制器。

此外，还可以采取与传统工艺相似的方式，在功能层设置完后再沉积一层二氧化硅，作为光学波导结构的上包层。

进一步地，基于上述新型硅基混合材料集成电光调制器的结构描述，对其工作原理以及优势进行详细阐述。该新型硅基混合材料集成电光调制器工作时，光从输入波导312的输入端进入，经过Y型结构均匀分光后进入到马赫贞德干涉仪结构的上下两个调制臂311；调制的高频信号为高频电磁波驱动电压，该高频信号施加在信号电极上，在正负电极之间产生高频电场，电极的电压通过梳状结构的导电溶胶凝胶传递到第一波导条311a和第二波导条311c上，然后施加到电光材料上；在调制臂311中，光经过电光层311b的有源区时，会受到来自信号电极33高频信号而进行调制，在高频电场的驱动下，电光材料的折射率随高频信号快速变化，从而使得上下臂的光程差快速变化；调制后，上下两个调制臂311的光经Y型结构合光后从输出波导313的输出端输出，输出光的光功率随着调制信号变化，实现了电光调制功能。

该新型硅基混合材料集成电光调制器的优势在于：

1)由于导电溶胶凝胶具有较小的折射率，可以使得光功率能够很好地被约束在第一波导条和第二波导条所构成的硅槽型波导之中，提高了传输效果，降低了光传输损耗；由于导电溶胶凝胶具备良好的导电性，无需采用传统的硅波导条掺杂形成有源区的方式，从而避免了调制臂中因掺杂所导致的光功率吸收损耗，进一步起到了降低光传输损耗。

2)导电溶胶凝胶的梳子状结构优化了电极之间的电介质材料分布，降低了地电极与信号电极之间的电容，从而显著高频响应速度，提高调制带宽；另外，与采用掺杂硅材料或铁电材料相比，导电溶胶凝胶具有更小的介电常数，因此高频响应更快，调制带宽更大。

区别于现有技术的情况，本发明提供了一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法，基于马赫贞德干涉仪结构，引入梳子状结构的导电溶胶凝胶来连接金属电极与调制臂，使电光调制器的响应速度和调制带宽显著提高，同时使光传输损耗显著降低。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，包括依次层叠排布的衬底层、隔离层和功能层，所述功能层包括硅波导单元、地电极、信号电极、以及导电溶胶凝胶；

所述波导单元包括调制臂，所述调制臂一侧通过所述导电溶胶凝胶与所述地电极连接，所述调制臂另一侧通过所述导电溶胶凝胶与所述信号电极连接。

2.根据权利要求1中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述调制臂包括第一波导条、电光层和第二波导条，所述第一波导条、电光层和第二波导条沿垂直于所述隔离层的方向平行紧靠排布，且所述电光层设置于所述第一波导条和第二波导条之间，所述电光层的折射率小于所述第一波导条以及第二波导条的折射率。

3.根据权利要求2中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述第一波导条和第二波导条均为硅波导条；

所述电光层的材料为分散红DR19与纤维素二醋酸酯交联后形成的电光聚合物。

4.根据权利要求2中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述波导单元还包括输入波导和输出波导，所述输入波导和输出波导均为脊形结构，所述输入波导的每一输出端均通过一所述调制臂与所述输出波导的输入端耦合连接。

5.根据权利要求4中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述输入波导与输出波导均为Y型波导结构，分光比例为1:1，所述输入波导与输出波导通过两条所述调制臂耦合后构成马赫贞德干涉仪结构，所述信号电极位于两条所述调制臂之间，所述地电极分别位于两条所述调制臂两侧。

6.根据权利要求5中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述马赫贞德干涉仪结构中，所述调制臂的电光层构成有源区，两条所述调制臂的驱动电压按照推挽模式驱动两个有源区，且两个有源区中所产生的电场方向相反。

7.根据权利要求1中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述衬底层由硅材料组成，所述隔离层有二氧化硅组成。

8.根据权利要求1中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述导电溶胶凝胶为炭黑与二氧化硅混合制成的溶胶凝胶。

9.根据权利要求1中所述的新型硅基混合材料集成电光调制器，其特征在于，所述调制臂与地电极之间、所述调制臂与信号电极之间所设置的导电溶胶凝胶均以平行阵列形式间隔排布，且阵列中每一单元均与调制臂垂直。

10.一种如权利要求1～9中任一所述新型硅基混合材料集成电光调制器的制备方法，其特征在于，其步骤包括：

在衬底层上依次沉积隔离层和初始功能层，并在所述初始功能层上刻蚀出波导单元中输入波导、输出波导以及调制臂的第一波导条、第二波导条；

采用lift-off工艺制备地电极和信号电极；

制备导电溶胶凝胶和电光层的材料；

将所述导电溶胶凝胶填充至所述调制臂与地电极之间以及所述调制臂与信号电极之间，并去除非预设填充部位，得到平行间隔排布的阵列结构；

将所述电光层的材料填充至所述第一波导条与第二波导条之间，得到新型硅基混合材料集成电光调制器。

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