CN114609805A - 一种铌酸锂电光调制器及其制备方法 - Google Patents

一种铌酸锂电光调制器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铌酸锂电光调制器，包括衬底、基于绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)制成的脊型波导、电极、电介质(Dielectrics)以及覆盖层。其中，铌酸锂薄膜置于一层微米厚度的绝缘体上，绝缘层为二氧化硅,铌酸锂薄膜的厚度为300‑900纳米。首先在铌酸锂薄膜上加工出脊型波导，在脊型波导的两侧各设置有电极，在脊型波导与电极之间的区域填充有电介质。在脊型波导、电极以及电介质的上方设置有覆盖层。电介质的介电常数大于覆盖层的介电常数。本发明还提供了一种制备铌酸锂电光调制器的方法。本发明提供的铌酸锂电光调制器，可在不改变波导和电极结构的前提下，将半波电压降低至原本的1/4左右，且不引入额外的生产成本。

Description

一种铌酸锂电光调制器及其制备方法
技术领域
本发明属于光信息处理领域，尤其涉及一种铌酸锂电光调制器及其制备方法。
背景技术
激光外调制技术一直是光通信领域的研究热点。基于铌酸锂电光效应的相位和强度调制器具有大带宽、低损耗，在高速光通信领域极具应用前景。体材料铌酸锂上基于钛扩散或质子交换波导的电光调制器已商业化并被广泛使用。现有技术中存在的基于体材料铌酸锂的钛扩散或质子交换波导，波导宽度为5-8微米，电极与波导用二氧化硅覆盖。由于波导宽度较大，为了获得较低的半波电压，器件设计尺寸为0.8-4厘米。波导宽度较大同时造成了其光局域能力受到限制，导致调制带宽受到限制(约10G赫兹)。此外，器件的设计尺寸太大导致器件不便于大规模集成，难以满足现代通信对于调制带宽快速提升的需求。
为了解决以上问题，现有技术中出现了基于绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)的电光调制器。基于绝缘体上铌酸锂薄膜的脊型波导相较于传统体材料铌酸锂中的钛扩散或质子交换波导，宽度更小，拥有更强的光局域能力。例如，现有技术中存在利用CMOS兼容的工艺在铌酸锂薄膜上制备的调制带宽100G赫兹的马赫·曾德干涉型强度调制器。其电极长度为1厘米，半波电压降低到了2.3伏。
半波电压作为与器件功耗直接相关的指标，一直是技术人员最为关心的指标之一。降低半波电压能够直接降低器件功耗，在大规模集成的前提下，单一器件功耗的降低意味着整体功耗大幅降低，因此在现有技术的基础上，不影响器件尺寸、调制能力的前提下，进一步发明一种降低铌酸锂电光调制器的半波电压的技术手段是有益的。由于这种降低半波电压的技术手段，是通过降低功耗来节约器件成本的，因此在大规模集成的生产过程中，优选地不应引入额外的生产成本，以免抵消因为功耗降低提供的降低成本的效果。
发明内容
本发明提供了一种铌酸锂电光调制器，包括波导、电极和覆盖层，其特征在于，所述覆盖层被设置在所述波导和所述电极的表面，并覆盖所述波导和所述电极的表面，在所述波导与所述电极之间，设置有电介质(Dielectrics)。
进一步地，所述电介质所采用的材料的介电常数大于所述覆盖层的材料的介电常数。
进一步地，所述波导包括单脊型波导，所述电极为多个，所述多个电极中至少包含第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被分别设置于所述单脊型波导的两侧。
进一步地，所述电介质包括第一部分和第二部分，所述第一部分被设置于所述第一电极与所述单脊型波导之间，所述第二部分被设置于所述第二电极与所述单脊型波导之间。
进一步地，所述波导包括双脊型波导，所述双脊型波导包括第二脊型波导与第三脊型波导，所述电极为多个，所述多个电极中至少包含第三电极、第四电极以及第五电极，所述第三电极被设置于所述第二脊型波导的外侧，所述第四电极被设置于所述第二脊型波导与第三脊型波导之间，所述第五电极被设置于所述第三脊型波导外侧。
进一步地，所述电介质包括第三、第四、第五、第六部分，所述第三部分被设置于所述第三电极与所述第二脊型波导之间，所述第四部分被设置于所述第二脊型波导与所述第四电极之间，所述第五部分被设置于所述第四电极与所述第三脊型波导之间，所述第六部分被设置于所述第三脊型波导与所述第五电极之间。
进一步地，所述双脊型波导的材料包括X或Y切绝缘体上铌酸锂薄膜。
进一步地，所述绝缘体包括二氧化硅绝缘层。
进一步地，所述双脊型波导绝缘层被设置于半导体或介电体衬底上。
进一步地，所述双脊型波导、所述多个电极、所述电介质的多个部分上，设置有覆盖层。
进一步地，所述覆盖层的材料包括二氧化硅。
进一步地，所述电介质的材料包括氮化铝，所述电极的材料包括金，所述波导的材料包括铌酸锂。
本发明还提供了一种铌酸锂电光调制器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一、在半导体或介电体衬底上设置绝缘体上铌酸锂薄膜；
步骤二、对所述铌酸锂薄膜进行蚀刻，得到脊型波导；
步骤三、在所述脊型波导的脊部两侧镀多个电极；
步骤四、在所述多个电极与所述脊型波导的脊部之间沉积电介质；
步骤五、在所述脊型波导、所述多个电极以及所述电介质上覆盖二氧化硅层。
进一步地，步骤一中，所述半导体衬底的材料包括硅，所述介电体衬底的材料包括铌酸锂或石英，所述绝缘体包括二氧化硅绝缘层。
进一步地，步骤一中，所述铌酸锂薄膜为X或Y切。
进一步地，步骤二中，采用光刻和蚀刻工艺在所述铌酸锂薄膜上加工出脊型波导。
进一步地，步骤二中，所述脊型波导包括单脊型波导或双脊型波导。
进一步地，步骤三中，采用对准光刻与电子束蒸发工艺加工所述多个电极。
进一步地，步骤四中，所述电介质的材料包括氮化铝。
进一步地，步骤五中，采用化学气相沉积工艺覆盖所述二氧化硅层。
相对于现有技术而言，本申请提供的铌酸锂电光调制器至少具有以下有益技术效果：
1、本申请提供的铌酸锂脊型波导为基于绝缘体上的铌酸锂薄膜加工而成，因此波导宽度小，光局域能力强。
2、本申请提供的铌酸锂电光调制器，能够在不改变器件波导结构、尺寸以及电极长度的前提下，显著降低半波电压，从而降低整个器件的功耗。
3、本申请提供的铌酸锂电光调制器的制备方法，其中所采用的工艺均为CMOS兼容工艺，采用一些现存的生产设备即能够实现大规模集成。并不需要因为本申请提供的降低半波电压的技术手段而引入额外的生产成本，防止因为生产成本的提高抵消了减低半波电压提供的降低成本的效果。
附图说明
图1是本申请的一个实施例的结构示意图；
图2是本申请的一个实施例的整体示意图；
图3是本申请的一个实施例的波导两侧电极之间的外电场分布示意图；
图4是本申请的一个实施例的波导区域光场分布示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。在本申请中，如果存在两个波导，则两个波导之间的空间称为内侧，每个波导的与内侧相反的一侧称为外侧。本申请中提到的单脊型波导指的是在基底材料上仅形成一个脊型波导，双脊型波导指的是在基底材料上形成两个脊型波导。本申请中提到的半波电压，具体指对于Mach-Zehnder型调制器，使得两臂光信号相位差为π时所加的外加电压的大小。
如图1、图2所示，本实施例采用硅作为衬底材料，具体地，硅衬底1的厚度为500微米。在硅衬底1上，设置有绝缘体，以及绝缘体上铌酸锂薄膜3。在本实施例中，绝缘体具体为二氧化硅绝缘层2。优选地，二氧化硅绝缘层2的厚度设置为2微米。铌酸锂薄膜3采用X切，即，将铌酸锂晶体放置于如图2所示的坐标系中，铌酸锂晶体的切面垂直于x轴。在其他类似的实施例中，铌酸锂薄膜3也可以采用Y切方式。构成铌酸锂薄膜3的材料优选为5％掺镁铌酸锂，即其中镁离子摩尔数占铌酸锂与镁离子摩尔数之和的5％。铌酸锂薄膜3的尺寸为1厘米×1.5厘米，在未加工之前，铌酸锂薄膜3的厚度为600纳米。基于铌酸锂薄膜3构建脊型波导，构建完成的铌酸锂脊型波导的高度为350纳米，宽度为1微米。在本实施例中，基于铌酸锂薄膜构建了两个脊型波导31、32。在其他类似的实施例中，也可以根据实际需要仅构建一个脊型波导，产生类似的技术效果。在每个脊型波导31、32的两侧，均设置有电极。如本实施例中设置的两个脊型波导为例，为了保证其中每一个脊型波导的两侧都有电极，至少需要设置三个电极41、42、43。其中，电极41被设置于脊型波导31的左侧，电极42被设置于脊型波导31与脊型波导32之间，电极43被设置于脊型波导32的右侧。需要注意的是，本说明书中提到的左侧和右侧，仅仅用来区分两个波导和三个电极的方位，而并不能用来限定具体的位置。在其他类似的实施例中，如果仅构建一个脊型波导，那么至少需要设置两个电极，这两个电极的位置分别位于脊型波导的两侧。电极41、42、43的材料优选地采用金，也可以根据实际需要采用其他导体。电极41、42、43的高度均为1微米。经过以上设置，本实施例的整体结构如图2所示。
在图2所示的基础上，在脊型波导与电极之间的区域设置有氮化铝电介质。本实施例中，由于存在两个脊型波导31、32以及三个电极41、42、43，因此氮化铝电介质需要分成四部分51、52、53、54。如图1所示，第一部分51被设置于电极41与脊型波导31之间的区域，第二部分52被设置于脊型波导31与电极42之间的区域，第三部分53被设置于电极42与脊型波导32之间的区域，第四部分54被设置于脊型波导32与电极43之间的区域。氮化铝电介质充满脊型波导与电极之间的区域，且氮化铝电介质的厚度大致等于脊型波导31、32的高度。在其他类似的实施例中，如果只设置一个波导以及两个电极，那么氮化铝电介质需要分为两个部分。如果设置更多数量的波导以及电极，那么氮化铝电介质需要填充至每一个电极与波导之间的区域中。在器件顶层，设置有二氧化硅覆盖层6，二氧化硅覆盖层6同时覆盖了电极、脊型波导以及氮化铝电介质。
本实施例基于以下原理，可降低铌酸锂电光调制器的半波电压：
由于X切铌酸锂调制器支持的是TE模式，因此在Z方向加上外电场可以利用其最大的电光系数γ33。由于作用在波导上的外电场是非均匀的，于是引入叠加因子Γ表示相互作用的强度。叠加因子Γ满足以下公式：
Figure BDA0002825811550000041
其中，其中G为电极间距，V为外加电压，E为外电场分布函数，E'为归一化的光电场分布函数。
外电场对于波导折射率的影响可以表示为如下公式：
Figure BDA0002825811550000042
其中，ne为非寻常光折射率，nz为折射率椭球Z方向的主折射率，Ez为波导中心外电场。
由上式可以看出，当器件长度与外加电压大小不变的前提下，增加波导中心电场Ez，或增大叠加因子Γ，即可对波导折射率产生更大的影响，获得更大的折射率变化Δne，使得光波获得更大的相位变化。如果光波所需要的相位变化是一定的，那么只需要提供较小的半波电压即可满足要求。
在影响叠加因子Γ的因素中，电极间距G与外加电压V保持不变。而当外加电压V恒定的前提下，在电极之间区域，脊型波导区域的分压Uw与氮化铝电介质区域的分压Um满足如下公式：
Figure BDA0002825811550000051
其中，Uw为波导区域分压，Um为电介质区域分压，dw为波导区域宽度，dm为电介质区域宽度，εrm为电介质相对介电常数，εrw为波导相对介电常数。
由上式可得，波导区域占总外加电压的比例满足如下公式：
Figure BDA0002825811550000052
本实施例中，采用氮化铝作为电介质材料。氮化铝的相对介电常数为8。现有技术中，在现有技术中，并没有在波导与电极之间设置电介质，而是直接设置二氧化硅覆盖层。在这种情况下，二氧化硅就会填充至波导与电极之间的区域中。二氧化硅的相对介电常数为3.9。根据上式，在波导宽度与电极尺寸和位置不变的情况下，本实施例由于在铌酸锂脊型波导与电极之间额外填充了相对介电常数较高的电介质，使得波导区域的外电场强度增强，从而能够降低半波电压。
采用COMSOL Multiphysics软件模拟本实施例铌酸锂电光调制器的电极之间的外电场分布和波导的光场分布情况如附图3与图4所示。其中，图3中的灰度值代表x方向的电场分量的大小，颜色越偏白色，说明电场强度越大。图4中的灰度值代表x方向上波导中的光场强度大小，颜色越偏白色，说明光场强度越大。图3与图4中均采用外加电压V＝5伏。通过计算得到本实施例的叠加因子Γ＝4.4771×10-9kg2m4/(s6A2)，外加电场Ez＝1.0364×106V/m。同时，计算了与本实施例采用相同波导和电极尺寸，仅在波导和电极之间填充二氧化硅的技术方案的叠加因子Γ＝1.4275×10-9kg2m4/(s6A2)，外加电场Ez＝8.5926×105V/m。可见，采用本申请提供的技术方案，与现有技术相比，叠加因子提高至3倍，同时波导中心处的外电场强度也明显提高。计算可得电光调制器的半波电压降低至原来的约1/4，效果显著。
本实施例中的铌酸锂电光调制器的制备方法具体如下：
1、准备厚度为500微米的硅衬底；
2、选取一块尺寸为1×1.5厘米，厚度为600纳米的绝缘体上铌酸锂薄膜置于硅衬底上，其中绝缘体为二氧化硅材料的绝缘层，厚度为2微米，铌酸锂薄膜为X切，材料为5％摩尔掺镁铌酸锂；
3、采用光刻和刻蚀工艺，在上述铌酸锂薄膜上加工出铌酸锂脊型波导。铌酸锂脊型波导高度为350纳米，宽度为1微米；
4、采用对准光刻和电子束蒸发工艺在波导两侧蒸镀电极，电极的材料优选为金，电极高度为1微米；
5、采用对准光刻和化学气相沉积工艺在电极与波导之间沉积氮化铝电介质；
6、采用化学气相沉积在表层沉积二氧化硅，覆盖在波导、电极和电介质表面。
本实施例中采用的加工工艺，均为CMOS兼容工艺。在加工过程中，不会因为新技术手段的加入而产生额外的生产成本。由于需要进行大规模集成，因此单个器件的生产成本提高会导致整体的成本大幅提高。从而抵消降低功耗所带来的成本降低的效果。本申请提供的技术手段，在不造成额外生产成本的前提下，降低半波电压从而降低器件功耗，真正保证了器件使用成本降低的效果。
本发明设计的铌酸锂薄膜电光调制器为Mach-Zehnder型光强调制器，包含波导、电极、电介质、绝缘层等结构。其中：波导为脊型波导，起导光作用，光被约束在其中并受到调制；绝缘层位于铌酸锂薄膜下，提供了较大的折射率差，使光场更好地局域在薄膜上的脊型波导中；电极为沉积在脊型波导两侧的导电金属材料，加载外加电压，在电极间形成电场；覆盖层为波导、电极、电介质等结构加工完成后沉积的二氧化硅材料，起封装和调节器件调制带宽的作用；电介质为沉积在脊型波导与金属电极之间的氮化铝，该结构为本发明创新设计的部分，采用比覆盖层相对介电常数更高的材料，实现增大波导处电场的功能。
该电光调制器的工作原理为：通过在电极上加载外加电压，由于脊型波导处铌酸锂材料的电光效应，在其中传输的光信号受到调制，携带上经过调制的外加电压的信息。特别的，在Mach-Zehnder型光强调制器中，两条脊型波导中的光受到调制产生相位差，干涉后得到强度被调制的光信号。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (20)

1.一种铌酸锂电光调制器，包括波导、电极、电介质和覆盖层，其特征在于，所述覆盖层被设置在所述波导和所述电极的表面，并覆盖所述波导和所述电极的表面；所述电介质设置在所述波导与所述电极之间。
2.如权利要求1所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述电介质所采用的材料的介电常数大于所述覆盖层的材料的介电常数。
3.如权利要求2所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述波导包括单脊型波导，所述单脊型波导包括第一脊型波导，所述电极包含第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被分别设置于所述第一脊型波导的两侧。
4.如权利要求3所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述电介质包括第一部分和第二部分，所述第一部分被设置于所述第一电极与所述第一脊型波导之间，所述第二部分被设置于所述第二电极与所述第一脊型波导之间。
5.如权利要求2所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述波导包括双脊型波导，所述双脊型波导包括第二脊型波导与第三脊型波导，所述电极包含第三电极、第四电极以及第五电极，所述第三电极被设置于所述第二脊型波导的外侧，所述第四电极被设置于所述第二脊型波导与所述第三脊型波导之间，所述第五电极被设置于所述第三脊型波导外侧。
6.如权利要求5所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述电介质包括第三部分、第四部分、第五部分、第六部分，所述第三部分被设置于所述第三电极与所述第二脊型波导之间，所述第四部分被设置于所述第二脊型波导与所述第四电极之间，所述第五部分被设置于所述第四电极与所述第三脊型波导之间，所述第六部分被设置于所述第三脊型波导与所述第五电极之间。
7.如权利要求6所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述双脊型波导的材料包括X或Y切绝缘体上铌酸锂薄膜。
8.如权利要求7所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述绝缘体包括二氧化硅绝缘层。
9.如权利要求8所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述绝缘层被设置于半导体或介电体衬底上。
10.如权利要求9所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述双脊型波导、所述多个电极、所述电介质的多个部分上，设置有覆盖层。
11.如权利要求10所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述覆盖层的材料包括二氧化硅。
12.如权利要求1所述的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述电介质的材料包括氮化铝，所述电极的材料包括金，所述波导的材料包括铌酸锂。
13.一种铌酸锂电光调制器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一、在半导体或介电体衬底上设置绝缘体上铌酸锂薄膜；
步骤二、对所述铌酸锂薄膜进行蚀刻，得到脊型波导；
步骤三、在所述脊型波导的两侧镀多个电极；
步骤四、在所述多个电极与所述脊型波导的脊部之间沉积电介质；
步骤五、在所述脊型波导、所述多个电极以及所述电介质上设置覆盖层。
14.如权利要求13所述的铌酸锂电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述半导体衬底的材料包括硅，所述介电体衬底的材料包括铌酸锂或石英，所述绝缘体包括二氧化硅绝缘层。
15.如权利要求13所述的铌酸锂电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述铌酸锂薄膜为X或Y切。
16.如权利要求13所述的铌酸锂电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤二中，采用光刻和蚀刻工艺在所述铌酸锂薄膜上加工出所述脊型波导。
17.如权利要求13所述的铌酸锂电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述脊型波导包括单脊型波导或双脊型波导。
18.如权利要求13所述的铌酸锂电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤三中，采用对准光刻与电子束蒸发工艺加工所述多个电极。
19.如权利要求13所述的铌酸锂电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述电介质的材料包括氮化铝。
20.如权利要求13所述的铌酸锂电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤五中，采用化学气相沉积工艺设置所述覆盖层。
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CN115857200A (zh) * 2023-02-27 2023-03-28 中科鑫通微电子技术(北京)有限公司 电光调制器及其制作方法
WO2023198035A1 (zh) * 2022-04-16 2023-10-19 华为技术有限公司 移相器、电光器件、光通信系统及移相器的制造方法

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