CN114460684B - T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器及方法 - Google Patents

T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器及方法。包括层叠的衬底、埋氧层、铌酸锂层和包层，铌酸锂层上形成薄膜铌酸锂光波导，薄膜铌酸锂光波导包含输入输出光栅耦合器、两个分束器和马赫曾德尔结构；马赫曾德尔结构的包层上设T结构金属电极、金属行波信号电极和金属行波接地电极；马赫曾德尔结构两臂间有金属行波信号电极，金属行波信号电极位于马赫曾德尔结构两臂之间，马赫曾德尔结构两臂外设有金属行波接地电极。光栅耦合器的包层上设有金属反射镜，光纤从芯片背面连接光栅耦合器，因此铌酸锂调制器可倒装焊接于芯片底座上，本发明首次在硅基衬底下同时实现了超低功耗，超大电光带宽的薄膜铌酸锂电光调制器。

Description

T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器及方法
技术领域
本发明涉及光通信、光传感及光集成技术领域的一种电光调制器及其制备方法，具体为一种基于电容负载型T结构电极背面光纤连接的新型硅基薄膜铌酸锂电光调制器及其制备方法。
背景技术
随着信息时代的不断发展，一大批的新型信息化产业不断走进人们的日常生活当中，例如5G，云计算，大数据处理，人工智能等等，这些新型技术为我们的日常生活带来非常多便利的同时，也同样促使了我们对高速率，大带宽，低功耗的数据处理与传输技术的需求变得强烈。以短距光通信中的典型应用——数据中心为例，在光通信行业龙头CISCO公司给出的数据对比中，从17年到21年，单纯数据中心的网络流量将提高174％，而整体的数据中心内部的数据容量将高达70％，功耗压力也不断地增加，因此，如何有效地解决大容量，低功耗的数据传输成为目前光通信行业急需解决的燃眉之急。
目前，以硅作为衬底的硅基光电子集成技术由于其成本低，无源性能出色，CMOS兼容等优势得到了飞速的发展。但是由于硅本身不具备电光效应，只能够利用电吸收F-K效应或者载流子注入型效应等其他方式实现电光调制，调制速率无法达到非常高速(ns量级)。除了调制速率没办法达到很高的速度以外，基于纯硅的电光调制带宽目前只能做到40GHz左右，无法满足目前所需的100G，400G甚至是未来1.6T的带宽需求。因此，具有大带宽，低功耗，低插损，高速率的基于薄膜铌酸锂的电光调制器近年来得到广泛的关注。
在最近的五年里，有关薄膜铌酸锂电光调制器的研究持续不断地升温。在2018年，哈佛大学课题组在Nature上提出了首款由CMOS驱动的薄膜铌酸锂电光调制器，实现了驱动电压为1.4V，电光带宽高达45GHz的大带宽，低功耗的薄膜铌酸锂电光调制器。一年过后，本课题组在Nature Photonics上提出了首个硅基异质集成的薄膜铌酸锂电光调制器，并且实现了驱动电压为5.1V，电光带宽高达70GHz，证明了薄膜铌酸锂电光调制器在硅基上实现异质集成的可行性。同时在最近几个月，基于本课题组实现的基于电容负载型T结构电极的高速薄膜铌酸锂电光调制器已经被理论且实验所证实，虽然基于衬底掏空的方式可以有效地缓解由T结构电极引入的慢波效应，但是仍然存在器件的稳定性不足，射频模式杂化等不可避免的问题。因此，我们提出了利用衬底减薄的方式实现高速的新型硅基薄膜铌酸锂电光调制器，同时结合新型光栅耦合器，进一步降低光纤连接损耗，进一步推进该调制器在未来数据中心等领域的应用落地。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了基于电容负载型T结构电极背面光纤连接的新型硅基薄膜铌酸锂电光调制器及其制备方法，有效地解决了目前对于超大带宽，超低功耗的硅基薄膜铌酸锂电光调制器的市场需求。该发明结构是首次在硅基平面上被提出，可以非常有效地与目前CMOS兼容的硅基光电子平台集成，大大地扩宽了该发明结构的应用场景，同时该发明结构可以应用于目前的硅基异质集成平台上，同样提高了该新型电光调制器未来应用于光通信等其他领域的可行性。
本发明所采用的技术方案如下：
一、一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器：
包括从下到上依次层叠布置的衬底、埋氧层、铌酸锂层和包层，在铌酸锂层上刻蚀形成薄膜铌酸锂光波导，薄膜铌酸锂光波导包含了依次连接的输入光栅耦合器、1*2分束器、马赫曾德尔结构、2*1合束器和输出光栅耦合器；
马赫曾德尔结构处的包层之上设置第一T结构金属电极、第二T结构金属电极、金属行波信号电极和金属行波接地电极；
马赫曾德尔结构两臂的每条臂的两侧分别设有金属电极组，每组金属电极组均是由多个周期性排布的金属电极对构成，每对金属电极对是由在臂两侧对称布置的第一T结构金属电极和第二T结构金属电极构成，每个第二T结构金属电极的T形纵臂的端部与行波信号电极连接，每个第一T结构金属电极的T形纵臂的端部与行波接地电极连接，第二T结构金属电极的T形横臂和第一T结构金属电极的T形横臂分别位于马赫曾德尔结构臂的两侧；马赫曾德尔结构两臂之间的中间设有平行于臂的金属行波信号电极，金属行波信号电极位于马赫曾德尔结构两臂的两组金属电极组之间，马赫曾德尔结构两臂之外的侧方设有平行于臂的金属行波接地电极。
所述的马赫曾德尔结构每条臂的金属电极组中的所有第一T结构金属电极均位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构每条臂的金属电极组中的所有第二T结构金属电极均位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构两条臂的金属电极组中的第一T结构金属电极位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构两条臂的金属电极组中的第二T结构金属电极位于臂的同一侧。
所述的马赫曾德尔结构处的衬底下开设非上下贯通的缺口作为衬底减薄开口。
所述的输入光栅耦合器和输出光栅耦合器处的衬底下均开设上下贯通的缺口作为衬底开口。
所述的输入光栅耦合器和输出光栅耦合器处的包层之上均设置金属反射镜和石英片，金属反射镜布置于包层上表面，石英片布置金属反射镜上表面。
包含铌酸锂光栅结构、包层、金属反射镜、石英片、衬底开口构成了光栅耦合器。
所述的铌酸锂调制器倒装焊接于芯片底座上，即使得包层置于芯片底座上。
所述的包层上的石英片直接连接到芯片底座的表面上；芯片底座上有芯片底座电极，包层上的金属行波信号电极、金属行波接地电极均经金锡焊点连接到芯片底座电极，光纤从铌酸锂调制器的衬底开口接入，和输入光栅耦合器、输出光栅耦合器耦合连接。
光纤从铌酸锂调制器的背面垂直连接，即从光栅耦合器的衬底开口连接铌酸锂调制器。
所述的金属行波信号电极、金属行波接地电极分别经芯片底座电极连接到外部的电源两端。
由若干第一T结构金属电极和相对数量对称设置的第二T结构金属电极，共同构成了电容负载型T结构电极。
所述的输入光栅耦合器、输出光栅耦合器中的铌酸锂光栅结构上方向上依次是包层、金属反射镜和石英片。
二、铌酸锂调制器的一种制备方法，如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、准备绝缘体上铌酸锂晶圆，铌酸锂晶圆包含依次层叠的衬底、埋氧层、铌酸锂层，形成如图3所示；
步骤2、利用光刻或电子束曝光的方式在铌酸锂层上制备微纳图案，利用刻蚀的方式制备形成薄膜铌酸锂光波导，包含了依次连接的输入光栅耦合器、1*2分束器、马赫曾德尔结构、2*1合束器和输出光栅耦合器，形成如图4所示；
步骤3、在包含薄膜铌酸锂光波导的铌酸锂层上面沉积一层二氧化硅的包层，形成如图5所示；
步骤4、在包层上利用溅射或蒸镀的方式镀第一层金属，形成第一T结构金属电极、第二T结构金属电极、行波信号电极底层结构、行波接地电极底层结构和金属反射镜，形成如图6所示；
步骤5、再利用溅射或蒸镀的方式镀第二层金属，即在步骤4形成的行波信号电极顶层结构与行波接地电极顶层结构之上继续第二层金属，使得厚度加厚，形成如图7所示；
步骤6、利用键合的方式在金属反射镜上键合石英片，形成如图8所示；
步骤7、利用光刻、刻蚀的方式掏空石英片下方的衬底形成衬底开口，形成如图9所示；
步骤8、利用光刻、刻蚀的方式掏去第一T结构金属电极、第二T结构金属电极、行波信号电极底层结构、行波接地电极底层结构和金属反射镜所在区域下方的部分衬底形成衬底减薄开口，完成器件制备，得到铌酸锂调制器，形成如图10所示；
步骤9、利用倒装焊接的方式将铌酸锂调制器倒装于芯片底座上，通过金锡焊点将行波信号电极底层结构、行波接地电极底层结构均和芯片底座上的芯片底座电极形成连接，完成器件封装，形成如图11所示。
所述光刻采用的方法包括步进式光刻机，接触式光刻机，电子束直写，激光直写等等。
所述的刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀。
所述的干法刻蚀包括聚焦离子束刻蚀，反应离子刻蚀。
所述的溅射的方法包括磁控溅射，电子束蒸镀，电镀。
所述的键合的方法包括紫外固化胶键合，苯并环丁烯键合。
本发明技术方案下，光可以低损耗耦合进入铌酸锂光波导，同时铌酸锂调制器可以倒装焊接于芯片底座上。光栅耦合器的包层上设有金属反射镜，光纤从芯片背面连接光栅耦合器，因此铌酸锂调制器可倒装焊接于芯片底座上。
在调制区域，本发明通过引入T型结构慢波电极极大地降低微波损耗，同时采用衬底减薄的方法实现高效的微波与光波的速度匹配，从而实现高效的电光调制。
本发明首次在硅基衬底下同时实现了超低功耗，超大电光带宽的薄膜铌酸锂电光调制器，便于未来在光通信，光传感，光集成等领域实现低光学损耗，高速且低能耗的电光调制。
本发明突破目前商用化的体材料铌酸锂电光调制器和常规的薄膜铌酸锂电光调制器的性能，创新性地引入电容负载型T结构电极和背面光纤连接的分段式光栅耦合器。通过采用电容负载型T结构电极，增大行波信号电极的宽度，增大行波信号电极与行波接地电极之间的间距，同时保证两两排布的T结构电极之间的间距足够小，从而有效地降低信号电极的电阻，因此实现微波损耗极小，调制效率极高的效果，同时利用衬底减薄的技术，有效地解决由T结构电极引入的慢波效应，提高电光调制带宽，同时提高器件的稳定性；在光栅耦合器方面，通过采用分段式的光栅形成谐振腔型的结构，达到低背向反射和垂直光纤耦合的效果，同时引入金属反射镜减少光泄露，提高耦合效率，由于本光栅耦合器是背面入射的，整个铌酸锂调制器可以倒装焊接于芯片底座上，光纤从芯片背面接入，最终得到超低功耗，超大带宽的硅基薄膜铌酸锂电光调制器。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点和有益效果：
(1)电光调制器的可集成性和适用范围得到提高。选用硅作为衬底材质能够非常有效地与CMOS兼容的硅基光电子平台集成，扩宽了该种电光调制器结构的应用场景，同时该种电光调制器结构应用于硅基异质集成平台上，同样提高了该种电光调制器应用于光通信等其他领域的可行性。
(2)保证器件稳定性同时，实现高效的微波与光波的速度匹配。当衬底采用硅材质时，由于硅材质介电常数较高，微波信号的有效折射率较高，导致微波与光波的群折射不匹配，影响调制器电光带宽。利用衬底掏空的方式虽然可以同样实现微波与光波的速度匹配，但是该方式容易导致器件稳定性不足，从而导致器件良率较低的问题。而本发明通过采用衬底减薄的技术，不仅有效地缓解由T结构电极引入的慢波效应，并且解决器件稳定性不足的问题，从而实现高效的微波与光波的速度匹配。
(3)电光调制器的微波损耗大幅降低。该种薄膜铌酸锂电光调制器增大行波信号电极的宽度，增大行波信号电极与行波接地电极之间的间距，保证行波电极阻抗与终端负载阻抗阻抗匹配的情况下，利用更大的行波信号电极宽度降低行波信号电极表面电阻，降低主要由行波电极引起的微波损耗。行波信号电极与行波接地电极之间引入电容负载型T结构电极，确保每组相对设置的T型电极之间的间距尽可能小，可以得到极小的半波电压与长度的乘积，同时极小的电极间距也使得微波场限制在较小的范围内，保证了在高频情况下由衬底导致的辐射损耗被极大减弱，如附图13所示。
(4)具有低驱动电压，带宽高的特性。该新型硅基薄膜铌酸锂电光调制器在硅基衬底上实现了超低驱动电压2V下，电光调制带宽高达178GHz以上，如附图14所示。
(5)本发明采用分段光栅组成的光栅耦合器，分段光栅形成谐振腔型结构，可以增强光纤和铌酸锂光波导之间的耦合，同时引入金属反射镜回收泄露到包层的光能量，进一步提高了耦合效率，如附图15所示，光栅耦合器的耦合损耗小于-1dB。
(6)本发明中的光栅耦合器可以实现低背向反射的垂直光纤耦合，垂直耦合方便了器件的布局和封装，但通常垂直耦合会遭遇光栅的二阶背向反射，反射光会影响光路中其他器件的性能，本光栅耦合器采用分段光栅组成的谐振腔型结构，该结构可以减小背向反射，如附图16所示，背向反射小于-20dB。
(7)本发明使用了背面入射的光栅耦合器，且在芯片背面引入了衬底开口，整个铌酸锂调制器可以倒装焊接于芯片底座上，光纤从芯片背面连接铌酸锂调制器，如图11所示。
附图说明
图1是本发明中的硅基薄膜铌酸锂调制器的制备流程图。
图2是本发明中的硅基薄膜铌酸锂调制器整体器件的俯视图。
图3是本发明制备方法步骤1所得结构横向截面图。
图4是本发明制备方法步骤2所得结构横向截面图。
图5是本发明制备方法步骤3所得结构横向截面图。
图6是本发明制备方法步骤4所得结构横向截面图。
图7是本发明制备方法步骤5所得结构横向截面图。
图8是本发明制备方法步骤6所得结构横向截面图。
图9是本发明制备方法步骤7所得结构横向截面图。
图10是本发明制备方法步骤8所得结构横向截面图。
图11是本发明制备方法步骤9所得结构侧视图。
图12是本发明中硅基薄膜铌酸锂调制器的微波与光波的群折射率对比。
图13是本发明中硅基薄膜铌酸锂调制器与常规行波电极薄膜铌酸锂调制器的微波损耗对比图。
图14是本发明结构中硅基薄膜铌酸锂调制器与常规行波电极薄膜铌酸锂调制器在相同驱动电压下的电光带宽对比图。
图15是本发明光栅耦合器的耦合光谱图。
图16是本发明光栅耦合器所产生的背向反射光谱图。
图4-10的左侧均为输入光栅耦合器14和输出光栅耦合器17部分的结构截面图，右侧均为马赫曾德尔结构4部分的结构截面图。
图中，1-衬底，2-埋氧层，3-铌酸锂层，4-马赫曾德尔结构两臂波导，5-光栅结构，6-包层，7-第一T结构金属电极，8-第二T结构金属电极，9-行波信号电极，10-行波接地电极，11-金属反射镜，12-石英片，13衬底开口，14-输入光栅耦合器，15-1*2分束器，16-2*1合束器，17-输出光栅耦合器。18是衬底减薄开口，19是芯片底座，20是芯片底座电极，21是金锡焊点，22是光纤。
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。
本发明用于解决目前商用化体材料铌酸锂电光调制器以及常规行波电极薄膜铌酸锂电光调制器的性能瓶颈，通过引入新的电极结构,带反射镜的分段光栅耦合器，衬底减薄工艺以及倒装焊接技术，实现超大带宽，超低功耗的新型硅基薄膜铌酸锂电光调制器，该发明具体表现在结构上的创新。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图2和图10所示，铌酸锂调制器包括从下到上依次层叠布置的衬底1、埋氧层2、铌酸锂层3和包层6，在薄膜的铌酸锂层3上刻蚀形成薄膜铌酸锂光波导，薄膜铌酸锂光波导包含了依次连接的输入光栅耦合器14、1*2分束器15、马赫曾德尔结构4、2*1合束器16和输出光栅耦合器17。
输入光栅耦合器14的输出端和1*2分束器15的单独输入端连接，1*2分束器15的两个输出端经马赫曾德尔结构4的两臂分别和2*1合束器16的两个输入端连接，2*1合束器16的输出端和输出光栅耦合器17的输入端连接。
1*2分束器15和2*1合束器16分别位于马赫曾德尔结构4的两端，且1*2分束器15的两个输出端经马赫曾德尔结构4和2*1合束器16的两个输入端连接，1*2分束器15的输入端和2*1合束器的输出端分别与输入光栅耦合器14和输出光栅耦合器17连接。
马赫曾德尔结构4处的包层6之上设置第一T结构金属电极7、第二T结构金属电极8、金属行波信号电极9和金属行波接地电极10；
马赫曾德尔结构4两臂的每条臂的两侧分别设有金属电极组，每组金属电极组均是由多个周期性排布的金属电极对构成，周期性排布具体是沿臂方向间隔均布排列，每对金属电极对是由在臂两侧对称布置的第一T结构金属电极7和第二T结构金属电极8构成，每个第二T结构金属电极8的T形纵臂的端部与行波信号电极9连接，每个第一T结构金属电极7的T形纵臂的端部与行波接地电极10连接，第二T结构金属电极8的T形横臂和第一T结构金属电极7的T形横臂分别位于马赫曾德尔结构4臂的两侧；
马赫曾德尔结构4两臂之间的中间设有平行于臂的金属行波信号电极9，金属行波信号电极9位于马赫曾德尔结构4两臂的两组金属电极组之间，马赫曾德尔结构4两臂之外的侧方设有平行于臂的金属行波接地电极10。
马赫曾德尔结构4每条臂的金属电极组中的所有第一T结构金属电极7均位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构4每条臂的金属电极组中的所有第二T结构金属电极8均位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构4两条臂的金属电极组中的第一T结构金属电极7位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构4两条臂的金属电极组中的第二T结构金属电极8位于臂的同一侧。
马赫曾德尔结构4处的衬底1下开设非上下贯通的缺口作为衬底减薄开口18，衬底减薄开口18具体位于第一T结构金属电极7、第二T结构金属电极8、金属行波信号电极9、金属行波接地电极10所在区域的正下方，衬底减薄开口18使金属电极7-10下方衬底厚度减薄至指定范围。这个开口的作用是减去一些衬底，使底下的衬底厚度由原来的h1变薄为h2。
输入光栅耦合器14和输出光栅耦合器17处的衬底1下均开设上下贯通的缺口作为衬底开口13，衬底开口13处通入光纤22，衬底开口13用于连接光纤22。埋氧层2是通过的，不用去掉。
输入光栅耦合器14和输出光栅耦合器17处的包层6之上均设置金属反射镜11和石英片12，金属反射镜11布置于包层6上表面，石英片12布置金属反射镜11上表面。金属反射镜11和第一层电极7-10都是同一步制作，材料是金。
铌酸锂调制器倒装焊接于芯片底座19上，即使得包层6置于芯片底座19上。
包层6上的石英片12直接连接到芯片底座19的表面上；芯片底座19上有芯片底座电极20，包层6上的金属行波信号电极9、金属行波接地电极10均经金锡焊点21连接到芯片底座电极20，光纤22从铌酸锂调制器的位于背面的衬底开口13接入，和输入光栅耦合器14、输出光栅耦合器17中的光栅结构5耦合连接。
光纤从铌酸锂调制器的背面垂直连接，即从光栅耦合器14,17的衬底开口13连接铌酸锂调制器。
金属行波信号电极9、金属行波接地电极10分别经芯片底座电极20连接到外部的电源两端。行波信号电极与行波接地电极为共面行波分布式电极结构。
进一步的，行波信号电极9的宽度为30-300μm，每组行波接地电极和行波信号电极之间的间距为5-50μm。
进一步的，第二T结构金属电极或第一T结构金属电极的横臂宽度s为1-5μm，横臂长度r为30-200μm，纵臂宽度t为1-5μm，纵臂长度h为5-50μm；位于同侧的第二T结构金属电极或第一T结构金属电极相邻横臂之间的间距c为1-10μm；相对设置的第二T结构金属电极横臂和第一T结构金属电极横臂之间的间距在设计需求上要尽可能小，但要大于光波导臂的宽度，光波导臂的宽度一般为1.5μm。
第一T结构金属电极7横臂和第二T结构金属电极8横臂之间的间距g为1.5-10um。
输入光栅耦合器14、输出光栅耦合器17中的光栅结构5由两段或三段光栅组成，光栅结构5上方向上依次是包层6、金属反射镜11和石英片12，下方依次为埋氧层2和衬底开口13。
金属反射镜11的沿光传输方向的长度a为2-50um，沿垂直于光传输方向的长度b为2-50um。石英片12的沿光传输方向的长度m为300-5000um，沿垂直于光传输方向的长度n为300-5000um。衬底开口的沿光传输方向的长度e为130-5000um，沿垂直于光传输方向的长度f为130-5000um。
衬底1为硅，厚度h1为200-800μm，衬底减薄开口18使电极区域下方的衬底厚度由h1减薄为h2，厚度h2为0-50μm。
埋氧层2为二氧化硅，厚度为1-6μm。
铌酸锂层3波导倾角为60-70度，总体厚度为200-600nm，刻蚀厚度为100-300nm。
包层6设置在铌酸锂层上表面并覆盖薄膜铌酸锂光波导，具体为二氧化硅，厚度为0.1-3μm。
衬底减薄开口18的沿光传输方向的长度j为20μm-5cm，沿垂直于光传输方向的长度k为10μm-2cm，衬底减薄开口上方衬底剩余厚度h2为1-50μm。
本实施例中，行波信号电极与行波接地电极为共面行波分布式电极结构，行波信号电极和行波接地电极均设置在包层表面，马赫曾德尔结构的两条光波导臂对称分布在行波信号电极两侧，两组行波接地电极对称分布在行波信号电极两侧；每条光波导臂两侧分别设置有行波信号电极和一组行波接地电极。
增大行波信号电极的宽度至75μm，增大行波信号电极与行波接地电极之间的间距至26.9μm，在保证行波电极阻抗与终端负载阻抗阻抗匹配的情况下，更大的行波信号电极宽度能够降低行波信号电极表面电阻，降低主要由行波电极引起的微波损耗。
本实施例中，两组行波接地电极与行波信号电极的间隙中均设置有电容负载型T结构电极，电容负载型T结构电极两端分别与行波信号电极和行波接地电极连接。每组电容负载型T结构电极包括若干第二T结构金属电极和相同数量的第一T结构金属电极，相对设置的第二T结构金属电极和第一T结构金属电极对称设置，第二T结构金属电极的纵臂端部与行波信号电极连接，第一T结构金属电极的纵臂端部与行波接地电极连接，第二T结构金属电极的横臂和第一T结构金属电极的横臂分别位于马赫曾德尔结构一条光波导臂两侧。
第二T结构金属电极和第一T结构金属电极结构相同，均为T型电极，T型电极横臂宽度s为2μm，横臂长度r为47μm，纵臂宽度t为5μm，纵臂长度h为10μm；位于同侧的第二T结构金属电极或第一T结构金属电极相邻横臂之间的间距c为3μm；相对设置的第二T结构金属电极横臂和第一T结构金属电极横臂之间的间距为2.9μm。
相对设置的第二T结构金属电极横臂和第一T结构金属电极横臂之间的间距在设计需求上要尽可能小，但要大于光波导臂的宽度，光波导臂的宽度一般为1.5μm。相对设置的第二T结构金属电极横臂和第一T结构金属电极横臂之间较小的间距能够得到极小的半波电压与长度的乘积，因此得到较高的调制效率。同时极小的电极间距也使得微波场限制在较小的范围内，保证了在高频情况下由衬底导致的辐射损耗可以大大被减弱。
本实施例中，为了有效地缓解由T结构电极引入的慢波效应，通过利用衬底减薄技术，利用光刻、刻蚀的方式掏去电极下方的部分硅衬底来减小衬底的厚度h2为10μm，因此相比于衬底完全掏空的方式，在保证器件稳定性的同时，可以实现高效的微波与光波的速度匹配。
本实施例中，为了实现高耦合效率、低背反射的垂直耦合，光栅耦合器包含分段光栅，金属反射镜以及衬底开口组成。其中光栅分为三段，中间的光栅为衍射光栅，两边的光栅为反射光栅，这对反射光栅形成一个谐振腔，光场在腔内来回反射后经衍射光栅往波导(输入耦合器)或光纤(输出耦合器)处耦合，这种谐振腔提高了耦合强度，此外，垂直光纤耦合时衍射光栅会产生背向反射光，这部分光将和反射光栅的反射光干涉相消而减小。
光栅耦合器工作时，一部分光经光栅衍射将被光纤(输出耦合器)或波导(输入耦合器)收集，一部分光会泄露到光纤相反的方向去，本设计在包层之上引入金属反射镜且键合石英片，然后通过刻蚀的方法对光栅之下的衬底掏空形成衬底开口，这里，石英片将对包层和铌酸锂薄膜形成机械支撑，保证器件整体的稳定性，光纤可以从衬底开口接入，泄露的光将由反射镜反射回来重新利用，因此，该设计可以提高光栅耦合器的耦合效率。
本实施例中，由于光纤从芯片衬底开口接入，整个铌酸锂调制器可以通过倒装焊接封装于芯片底座上。
如图1所示，本发明的制备方法包括步骤如下：
(a)准备绝缘体上铌酸锂晶圆，如图3所示。
(b)利用电子束曝光的方式在铌酸锂层上制备微纳图案，利用干法刻蚀的方式制备薄膜铌酸锂光波导，包含输入光栅耦合器，1*2分束器，马赫曾德尔结构，2*1合束器以及输出光栅耦合器，如图4所示。
(c)利用等离子化学气相增强沉积法在铌酸锂层上沉积一层二氧化硅包层，如图5所示。
(d)在二氧化硅包层上利用蒸镀的方式镀制第一层薄金属，包括第一T结构金属电极，第二T结构金属电极，行波信号电极底层结构，行波接地电极底层结构和金属反射镜，如图6所示。
(e)再利用蒸镀的方式镀制第二层厚金属，即行波信号电极顶层结构与行波接地电极顶层结构，如图7所示。
(f)利用键合的方式在金属反射镜上键合石英片，如图8所示。
(g)利用光刻、刻蚀的方式掏空石英片下方的衬底形成衬底开口，如图9所示。
(h)利用光刻、刻蚀的方式掏去电极下方的部分衬底形成衬底减薄开口。，如图10所示。
(i)利用倒装焊接的方式将铌酸锂调制器倒装于芯片底座上，金锡焊点将连接铌酸锂调制器电极和芯片底座电极。
本实施例中，光刻可通过步进式光刻机，接触式光刻机，电子束直写，激光直写等方法来完成，刻蚀可通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方法实现，金属电极和金属反射镜可通过磁控溅射，电子束蒸镀，电镀等方法来实现，键合可以通过紫外固化胶键合，苯并环丁烯键合。
经过仿真计算，该新型硅基薄膜铌酸锂电光调制器，在微波信号为0-200GHz以内均保持很好的速度匹配，如图12所示。由于本申请结构上采用了增大行波信号电极的宽度、增大行波信号电极与行波接地电极之间的间距、设置电容负载型T结构电极以及衬底减薄的方式，与常规的行波电极薄膜铌酸锂电光调制器相比，本申请中调制器的微波损耗极大降低，控制在较低水平，如图13所示。本申请中的调制器在硅基衬底上实现了超低驱动电压2V下，电光带宽高达178GHz以上，如图14所示，相比与常规的行波电极薄膜铌酸锂电光调制器，同等驱动电压下，带宽提升了五倍。本申请中光栅耦合器是背面入射的光栅耦合器，因此，如图11所示，整个铌酸锂调制器可以倒装焊接于芯片底座上，光纤从芯片的背面连接。本申请采用谐振腔型的分段光栅作为光栅耦合器的光栅部分，该结构可以增强光纤和波导的光耦合，同时在上包层引入金属反射镜收集泄露到包层上的光能量，进一步提高耦合效率，如图15所示，该光栅耦合器的耦合损耗低于-1dB。本申请的谐振腔型光栅在实现垂直光纤耦合的同时，还可以使不同段光栅之间反射光相互抵消，达到减小背向反射的目的，如图16所示，1550nm波长下背向反射小于-20dB。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何其它的结构若符合结构上材料，厚度等变化的情况以及其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：
包括从下到上依次层叠布置的衬底(1)、埋氧层(2)、铌酸锂层(3)和包层(6)，在铌酸锂层(3)上刻蚀形成薄膜铌酸锂光波导，薄膜铌酸锂光波导包含了依次连接的输入光栅耦合器(14)、1*2分束器(15)、马赫曾德尔结构(4)、2*1合束器(16)和输出光栅耦合器(17)；马赫曾德尔结构(4)处的包层(6)之上设置第一T结构金属电极(7)、第二T结构金属电极(8)、金属行波信号电极(9)和金属行波接地电极(10)；
马赫曾德尔结构(4)两臂的每条臂的两侧分别设有金属电极组，每组金属电极组均是由多个周期性排布的金属电极对构成，每对金属电极对是由在臂两侧对称布置的第一T结构金属电极(7)和第二T结构金属电极(8)构成，每个第二T结构金属电极(8)的T形纵臂的端部与行波信号电极(9)连接，每个第一T结构金属电极(7)的T形纵臂的端部与行波接地电极(10)连接，第二T结构金属电极(8)的T形横臂和第一T结构金属电极(7)的T形横臂分别位于马赫曾德尔结构(4)臂的两侧；马赫曾德尔结构(4)两臂之间的中间设有平行于臂的金属行波信号电极(9)，金属行波信号电极(9)位于马赫曾德尔结构(4)两臂的两组金属电极组之间，马赫曾德尔结构(4)两臂之外的侧方设有平行于臂的金属行波接地电极(10)；所述的马赫曾德尔结构(4)处的衬底(1)下开设非上下贯通的缺口作为衬底减薄开口(18)；
所述的输入光栅耦合器(14)和输出光栅耦合器(17)包含光栅、金属反射镜和衬底开口，其中光栅分为三段，中间的光栅为衍射光栅，两边的光栅为反射光栅，两边的反射光栅形成一个谐振腔，光场在腔内来回反射后经衍射光栅往波导或光纤处耦合，垂直光纤耦合时衍射光栅产生背向反射光；
所述铌酸锂调制器按照以下方式制备：
步骤1、准备绝缘体上铌酸锂晶圆，铌酸锂晶圆包含依次层叠的衬底(1)、埋氧层(2)、铌酸锂层(3)；
步骤2、利用光刻或电子束曝光的方式在铌酸锂层(3)上制备微纳图案，利用刻蚀的方式制备形成薄膜铌酸锂光波导，包含了依次连接的输入光栅耦合器(14)、1*2分束器(15)、马赫曾德尔结构(4)、2*1合束器(16)和输出光栅耦合器(17)；
步骤3、在包含薄膜铌酸锂光波导的铌酸锂层(3)上面沉积一层二氧化硅的包层(6)；
步骤4、在包层(6)上利用溅射或蒸镀的方式镀第一层金属，形成第一T结构金属电极(7)、第二T结构金属电极(8)、行波信号电极底层结构(9)、行波接地电极底层结构(10)和金属反射镜(11)；
步骤5、再利用溅射或蒸镀的方式镀第二层金属，即在步骤4形成的行波信号电极顶层结构(9)与行波接地电极顶层结构(10)之上继续第二层金属，使得厚度加厚；
步骤6、利用键合的方式在金属反射镜(11)上键合石英片(12)；
步骤7、利用光刻、刻蚀的方式掏空石英片(12)下方的衬底(1)形成衬底开口(13)；
步骤8、利用光刻、刻蚀的方式掏去第一T结构金属电极(7)、第二T结构金属电极(8)、行波信号电极底层结构(9)、行波接地电极底层结构(10)和金属反射镜(11)所在区域下方的部分衬底(1)形成衬底减薄开口(18)，完成器件制备，得到铌酸锂调制器；
步骤9、利用倒装焊接的方式将铌酸锂调制器倒装于芯片底座(19)上，通过金锡焊点(21)将行波信号电极底层结构(9)、行波接地电极底层结构(10)均和芯片底座(19)上的芯片底座电极(20)形成连接，完成器件封装。
2.根据权利要求1所述的一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：所述的马赫曾德尔结构(4)每条臂的金属电极组中的所有第一T结构金属电极(7)均位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构(4)每条臂的金属电极组中的所有第二T结构金属电极(8)均位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构(4)两条臂的金属电极组中的第一T结构金属电极(7)位于臂的同一侧，马赫曾德尔结构(4)两条臂的金属电极组中的第二T结构金属电极(8)位于臂的同一侧。
3.根据权利要求1所述的一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：所述的输入光栅耦合器(14)和输出光栅耦合器(17)处的衬底(1)下均开设上下贯通的缺口作为衬底开口(13)。
4.根据权利要求1所述的一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：所述的输入光栅耦合器(14)和输出光栅耦合器(17)处的包层(6)之上均设置金属反射镜(11)和石英片(12)，金属反射镜(11)布置于包层(6)上表面，石英片(12)布置金属反射镜(11)上表面。
5.根据权利要求1所述的一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：所述的铌酸锂调制器倒装焊接于芯片底座(19)上，即使得包层(6)置于芯片底座(19)上。
6.根据权利要求1所述的一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：所述的包层(6)上的石英片(12)直接连接到芯片底座(19)的表面上；芯片底座(19)上有芯片底座电极(20)，包层(6)上的金属行波信号电极(9)、金属行波接地电极(10)均经金锡焊点(21)连接到芯片底座电极(20)，光纤(22)从铌酸锂调制器的衬底开口(13)接入，和输入光栅耦合器(14)、输出光栅耦合器(17)耦合连接。
7.根据权利要求1所述的一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：所述的金属行波信号电极(9)、金属行波接地电极(10)分别经芯片底座电极(20)连接到外部的电源两端。
8.根据权利要求1所述的一种T结构电极背面光纤连接的硅基薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：所述的输入光栅耦合器(14)、输出光栅耦合器(17)中的铌酸锂光栅结构(5)上方向上依次是包层(6)、金属反射镜(11)和石英片(12)。
9.应用于权利要求1-8任一所述铌酸锂调制器的一种制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、准备绝缘体上铌酸锂晶圆，铌酸锂晶圆包含依次层叠的衬底(1)、埋氧层(2)、铌酸锂层(3)；
步骤2、利用光刻或电子束曝光的方式在铌酸锂层(3)上制备微纳图案，利用刻蚀的方式制备形成薄膜铌酸锂光波导，包含了依次连接的输入光栅耦合器(14)、1*2分束器(15)、马赫曾德尔结构(4)、2*1合束器(16)和输出光栅耦合器(17)；
步骤3、在包含薄膜铌酸锂光波导的铌酸锂层(3)上面沉积一层二氧化硅的包层(6)；
步骤4、在包层(6)上利用溅射或蒸镀的方式镀第一层金属，形成第一T结构金属电极(7)、第二T结构金属电极(8)、行波信号电极底层结构(9)、行波接地电极底层结构(10)和金属反射镜(11)；
步骤5、再利用溅射或蒸镀的方式镀第二层金属，即在步骤4形成的行波信号电极顶层结构(9)与行波接地电极顶层结构(10)之上继续第二层金属，使得厚度加厚；
步骤6、利用键合的方式在金属反射镜(11)上键合石英片(12)；
步骤7、利用光刻、刻蚀的方式掏空石英片(12)下方的衬底(1)形成衬底开口(13)；
步骤8、利用光刻、刻蚀的方式掏去第一T结构金属电极(7)、第二T结构金属电极(8)、行波信号电极底层结构(9)、行波接地电极底层结构(10)和金属反射镜(11)所在区域下方的部分衬底(1)形成衬底减薄开口(18)，完成器件制备，得到铌酸锂调制器；
步骤9、利用倒装焊接的方式将铌酸锂调制器倒装于芯片底座(19)上，通过金锡焊点(21)将行波信号电极底层结构(9)、行波接地电极底层结构(10)均和芯片底座(19)上的芯片底座电极(20)形成连接，完成器件封装。
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