CN114660836A - 电光调制器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，其提供一种电光调制器及其制造方法。在实施方式中，所述电光调制器包括混合波导和位于混合波导两侧的电极，所述制造方法包括：提供第一部件，所述第一部件中至少包含硅层和位于该硅层两侧的导电布线结构；提供第二部件，所述第二部件中包含非线性光学材料层和位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构；将所述第一部件与所述第二部件键合在一起，其中，所述硅层与所述非线性光学材料层层叠在一起形成所述混合波导，并且，所述位于该硅层两侧的导电布线结构与位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构电连接，以形成所述电极。采用本发明的实施方式，能够将小尺寸、高效率、低功耗的电光调制器集成到硅光芯片中。

Description

电光调制器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更为具体而言，涉及一种电光调制器及其制造方法。
背景技术
在光子计算领域，如何提高计算的能效比是个很重要的议题。而电光调制器是实现光计算的最核心的器件，也是光电芯片中高度复用的器件，通常会集成数千个甚至上万个。如何降低它的功耗是提高光子计算能效比的核心问题之一。
目前，硅光芯片中常用的调制器通常是基于载流子色散效应的。调制方式包括载流子注入型(正向偏置)与耗尽型(反向偏置)。调制器的形式有微环调制器或马赫曾德尔型干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer；MZI)。其中，微环由于对波长和温度敏感，较难实现高精度的计算，且由于额外的加热及反馈控制电路，整体的功耗居高不下。注入型的MZI调制效率很高，有利于高密度集成，但由于其自身在工作时会存在一个较大的直流电流(毫安级)，静态功耗很高。耗尽型的MZI的调制效率较低，尺寸较大，且由于终端负载的存在，功耗和集成度等方面不适用于光子计算。
发明内容
本发明提供了一种电光调制器及其制造方法，能够将小尺寸、高效率、低功耗的电光调制器集成到硅光芯片中。
本发明的实施方式提供了一种电光调制器，其包括：
混合波导，所述混合波导包含层叠的硅层和非线性光学材料层；和
电极，其包括设置在所述混合波导两侧的第一电极和第二电极；
其中，所述混合波导的两端延伸出用于光耦合的耦合端，
所述混合波导两端的耦合端中的至少一者包含渐变结构。
在一些实施方式中，所述非线性光学材料层包括下述至少一种：钛酸钡层、铌酸锂层、钽酸锂层、有机高分子聚合物层；和/或，所述硅层包括下述至少一种：单晶硅层、氮化硅层。
在一些实施方式中，所述混合波导中，所述硅层的垂直方向的投影位于所述非线性光学材料层的垂直投影范围内。
在一些实施方式中，所述渐变结构包括：
基部，其与所述混合波导相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层，可选的，所述基部包含的硅层和非线性光学材料层在尺寸上与所述混合波导包含的硅层和非线性光学材料层一致；
变形部，其与所述基部相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层，其中，所述变形部包含的非线性光学材料层自所述基部包含的非线性光学材料层延伸并且朝远离所述基部的方向尺寸逐渐变小，所述变形部包含的硅层自所述基部包含的硅层延伸并且尺寸不变。
在另一些实施方式中，所述渐变结构包括：
基部，其与所述混合波导相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层；
中间部，其与所述基部相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层；
变形部，其与所述中间部相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层；
其中，在所述中间部，其硅层包括从所述变形部延伸过来的硅层以及从所述基部延伸过来的硅层，从所述变形部延伸过来的硅层位于从所述基部延伸过来的硅层的上方；所述变形部包含的非线性光学材料层自所述中间部包含的非线性光学材料层延伸并且朝远离所述中间部的方向尺寸逐渐变小。
在一些实施方式中，所述变形部包含的非线性光学材料层的端面包括倾斜面。
在一些实施方式中，俯视观察时，所述变形部包含的非线性光学材料层的倾斜面与其包含的硅层具有夹角。可选的，所述夹角的角度小于45°。
在一些实施方式中，在所述中间部，从所述变形部延伸过来的硅层的厚度大于从所述基部延伸过来的硅层的厚度。
在一些实施方式中，在所述中间部，从所述变形部延伸过来的硅层的宽度小于从所述基部延伸过来的硅层的宽度。
在一些实施方式中，俯视观察时，在所述中间部，从所述基部延伸过来的硅层的宽度沿着延伸方向先逐渐变大后逐渐变小。
在一些实施方式中，俯视观察时，在所述中间部，从所述变形部延伸过来的硅层的尾部的宽度沿着延伸方向逐渐变小。
在一些实施方式中，所述电光调制器包括：至少两个所述混合波导、至少一个分束器和至少一个合束器。所述分束器的输出端经由第一连接波导与相应的混合波导的输入侧的耦合端连接，所述合束器的输入端经由第二连接波导与相应的混合波导的输出侧的耦合端连接。
此外，本发明的实施方式提供了一种电光调制器的制造方法，其中所述制造方法适于制造上述任一实施方式所述的电光调制器，所述电光调制器包括混合波导和位于混合波导两侧的电极，并且所述制造方法包括：
提供第一部件，所述第一部件中至少包含硅层和位于该硅层两侧的导电布线结构；
提供第二部件，所述第二部件中包含非线性光学材料层和位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构；
将所述第一部件与所述第二部件键合在一起，形成所述电光调制器，其中，所述硅层与所述非线性光学材料层层叠在一起形成所述混合波导，并且，所述位于该硅层两侧的导电布线结构与位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构电连接，以形成所述电极。
在一些实施方式中，所述非线性光学材料层包括下述至少一种：钛酸钡层、铌酸锂层、钽酸锂层、有机高分子聚合物。所述硅层包括下述至少一种：单晶硅层、氮化硅层。
在一些实施方式中，所述混合波导包括通过在钛酸钡层上方层叠单晶硅层形成的第一混合波导。可选的，所述混合波导包括通过在铌酸锂层上方层叠氮化硅层形成的第二混合波导。
在一些实施方式中，所述提供第一部件包括：
采用前端制程形成第一制品，所述第一制品中包含所述硅层；
对所述第一制品靠近硅层的一侧进行减薄处理；
对于经所述减薄处理的第一制品，至少在对应于所述硅层的区域的两侧形成导电布线结构，得到所述第一部件。
在一些实施方式中，所述提供第二部件包括：
在晶圆上形成非线性光学材料层，
去除预定区域之外的非线性光学材料而保留所述预定区域的非线性光学材料层，得到第二制品，其中所述预定区域为将与所述硅层重叠的区域；
在所述第二制品的上方进一步沉积氧化硅层，以得到第三制品；
对于所述第三制品，在对应于保留的非线性光学材料层的区域的两侧形成导电布线结构，得到所述第二部件。
在一些实施方中，所述导电布线结构包括孔中导电结构。
在一些实施方式中，所述制造方法还包括：
对于所述第一部件与所述第二部件键合在一起得到的所述电光调制器，在所述电光调制器的至少一个表面形成用于与另外的部件键合的键合结构。
根据上述实施方式，本发明采用前端制程制得第一部件，其可以是光子集成芯片，将诸如钛酸钡、铌酸锂、钽酸锂、有机高分子聚合物之类的非线性光学材料制得第二部件，例如钛酸钡薄膜、铌酸锂薄膜等，然后结合后端制程(例如晶圆键合、过孔布线等)将钛酸钡薄膜或铌酸锂薄膜与所述光子集成芯片结合。这样构成的调制器是电容型的，且电容极小，极容易驱动，无静态功耗，动态功耗极低。从而，本发明能够将小尺寸、高效率、低功耗但与传统CMOS(互补金属氧化物半导体)不兼容的一些其他类型的电光调制器技术集成至经典的硅基光电子工艺中。
本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。
附图说明
图1是根据本发明一种实施方式的电光调制器的结构示意图。
图2是根据本发明另一种实施方式的电光调制器的结构示意图。
图3a是示出本发明实施方式的电光调制器的耦合端的渐变结构的一例的俯视图。
图3b是图3a所示结构的A-A剖视图。
图3c是图3a所示结构的B-B剖视图。
图4a是示出本发明实施方式的电光调制器的耦合端的渐变结构的另一例的俯视图。
图4b是图4a所示结构的a-a剖视图。
图4c是图4a所示结构的b-b剖视图。
图4d是图4a所示结构的c-c剖视图。
图5a是示出本发明实施方式的电光调制器的混合波导的一例的俯视图。
图5b是图5a所示的混合波导的纵剖面图。
图6a是示出本发明实施方式的电光调制器的混合波导的又一例的俯视图。
图6b是图6a所示的混合波导的纵剖面图。
图7是根据本发明示例性实施方式的电光调制器的制造方法中的一阶段的制品的剖视图。
图8是在图7所示的阶段之后的一阶段的制品的剖视图。
图9是在图8所示的阶段之后的一阶段的制品的剖视图。
图10是根据本发明示例性实施方式的电光调制器的制造方法中的另一阶段的制品的剖视图。
图11是根据本发明示例性实施方式的电光调制器的制造方法中的又一阶段的制品的剖视图。
图12是在图11所示的阶段之后的一阶段的制品的剖视图。
具体实施方式
为了便于理解本发明技术方案的各个方面、特征以及优点，下面结合附图对本发明进行具体描述。应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限制本发明的保护范围。
在本文中提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
此外，“连接”一词在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述一第一装置连接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接连接于所述第二装置，或通过其它装置间接地连接至所述第二装置。
本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的设备、模块、结构等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。此外，在本申请的说明书、权利要求书及上述附图中描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作、步骤或工序，这些操作、步骤或工序可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行。操作的序号如S1、S2等，仅仅是用于区分各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。
在本发明的实施方式中，所述电光调制器包括混合波导和设置在所述混合波导两侧的第一电极和第二电极，其中，所述混合波导包含层叠的硅层和非线性光学材料层；并且所述混合波导的两端延伸出用于光耦合的耦合端，其中，所述混合波导两端的耦合端中的至少一者为渐变结构。所述耦合端中的一者用于向所述混合波导引入光信号(光波)，另一者用于从所述混合波导引出光信号(光波)。在可选的实施方式中，所述混合波导两端的耦合端均为所述渐变结构。在一些实施方式中，所述非线性光学材料层包括下述至少一种：钛酸钡层(BTO)、铌酸锂层、钽酸锂层、有机高分子聚合物层；和/或，所述硅层包括下述至少一种：单晶硅层(C-Si)、氮化硅层。
在一些实施方式中，所述电光调制器包括至少两个所述混合波导、至少一个分束器和至少一个合束器；所述分束器的输出端经由第一连接波导与相应的混合波导的输入侧的耦合端连接，所述合束器的输入端经由第二连接波导与相应的混合波导的输出侧的耦合端连接。
图1示出了电光调制器的一种实施方式。如图1所示，所述电光调制器包括两个混合波导和三个电极(电极1、电极2和电极3)，并且所述分束器采用50/50分束器，所述分束器的两个输出端分别经由第一连接波导(例如硅波导)与所述两个混合波导连接，该两个混合波导的输出端经由第二连接波导(例如硅波导)与合束器的输入端连接。所述合束器采用1×2合束器，其输出端经由一个连接波导(例如硅波导)可连接另一分束器或另一电光调制器，以构成调制器网络。所述调制器网络可以组成光子神经网络，用于进行机器学习等大数据运算。
图2示出了电光调制器的另一种实施方式。如图2所示，该实施方式的电光调制器的结构与图1所示的实施方式中的电光调制器基本相同，不同的是所述合束器采用2×2合束器，所述合束器的两个输出端可以分别连接另一分束器或另一电光调制器，以构成调制器网络，用于光子运算处理。
在图1和图2所示的实施方式中，两个混合波导共用一个电极2。本发明不限于此，在可选的实施方式中，每个混合波导可以单独具有两个电极，也就是说，两个相邻混合波导之间具有两个单独的电极，所述两个单独的电极分别用于这两个混合波导。
在图1和图2所示的实施方式中，混合波导两端的通过耦合端与连接波导耦合，所述耦合端包含渐变结构。由于混合波导(例如，BTO-Si混合波导)与硅波导之间的模场差异较大，无渐变结构设计而直接相连会导致较大的插损。在示例性实施方式中，考虑到混合波导中硅层的不同厚度，提出了两个渐变结构的示例。以下对两个渐变结构示例进行说明。
【渐变结构示例1】
如图3a-3c所示，所述渐变结构包括基部901和变形部902。基部901包含非线性光学材料层(例如BTO)和层叠在该非线性光学材料层上方的硅层(例如C-Si)。变形部902与所述基部901相连，亦包含层叠的非线性光学材料层(例如BTO)和硅层(例如C-Si)，其中，所述变形部902包含的非线性光学材料层自所述基部901包含的非线性光学材料层延伸并且尺寸朝远离基部901的方向逐渐变小，所述变形部902包含的硅层自所述基部901包含的硅层延伸并且尺寸不变。在一些实施方式中，非线性光学材料层的厚度一般在数百纳米左右，例如，大约200-800nm。
在一些实施方式中，如图3a所示，所述变形部的非线性光学材料层的端面包括斜面(俯视时呈现为倾斜边)，所述斜面与硅层具有一定夹角α。在一些实施方式中，所述夹角α小于45°，夹角α越小，调制器的损耗越低。在一些实施方式中，在变形部901中，对应于倾斜面的渐变结构的长度L大约为3至10μm，若长度L过小，则会导致较大的夹角α，导致调制器的高损耗；若长度L过大，则耦合端的尺寸变大，不利于调制器的小型化。
图3b是图3a所示结构的A-A剖视图。在变形部902远离基部901的一端，硅层与非线性光学材料层具有较远的距离，没有重叠的区域。图3c是图3a所示结构的B-B剖视图。在基部中，硅层与非线性光学材料层上下设置，非线性光学材料层的宽度大于硅层的宽度，硅层在垂直方向的投影与非线性光学材料层重叠。
【渐变结构示例2】
如图4a-4d所示，所述渐变结构包括基部1001、变形部1002、以及位于基部1001和变形部1002之间的中间部1003。所述基部1001、变形部1002和中间部1003相连。基部1001包含非线性光学材料层(例如BTO)和层叠在非线性光学材料层上方的第一硅层(例如C-Si)。变形部1002包含层叠的第二硅层(例如C-Si)和非线性光学材料层(例如BTO)。中间部1003包含非线性光学材料层(BTO)、从所述基部1001延伸过来的第一硅层(C-Si)、以及从所述变形部1002延伸过来的第二硅层(C-Si)。
在一些实施方式中，第二硅层的厚度大于第一硅层的厚度，并且在中间部1003中，第二硅层位于第一硅层的上方。可选的，所述第一硅层的厚度通常大约为70至150nm。在另外的实施方式中，所述第二硅层的厚度可以与所述第一硅层的厚度相同或更小。在一些实施方式中，俯视观察时，在所述中间部1003，从所述基部1001延伸过来的第一硅层的宽度沿着延伸方向先逐渐变大后逐渐变小，从所述变形部1002延伸过来的第二硅层的尾部的宽度沿着延伸方向逐渐变小。在可选的实施方式中，所述从所述基部1001延伸过来的第一硅层的宽度沿着延伸方向可以不变。在可选的实施方式中，从所述变形部1002延伸过来的第二硅层的宽度不变。在其他实施方式中，在所述中间部1003，从所述基部1001延伸过来的第一硅层的宽度大于从所述变形部1002延伸过来的第二硅层的宽度。
所述变形部1002包含的非线性光学材料层自所述中间部1001包含的非线性光学材料层延伸并且尺寸朝远离中间部的方向逐渐变小。在一些实施方式中，如图4a所示，所述变形部的非线性光学材料层的端面包括斜面(俯视时呈现为倾斜边)，所述斜面与第二硅层(C-Si)具有一定夹角β。在一些实施方式中，所述夹角β小于45°，所述夹角β越小，调制器的损耗越低。在一些实施方式中，在图4a所示的示例中，部分1的长度(对应于倾斜面的渐变结构的长度)大约为3至10μm，部分2和部分3的长度分别在20至30μm，若部分1、部分2和部分3的长度过小，则非线性光学材料层、第一硅层、第二硅层变化过于陡峭，导致调制器的高损耗；若部分1、部分2和部分3的长度过大，则耦合端的尺寸变大，不利于调制器的小型化。
根据上述实施方式，渐变结构示例1可适用于混合波导中的硅层的厚度与连接波导中的硅波导的厚度一致的情形，渐变结构示例2可适用于混合波导中的硅层厚度被进一步减薄的情况。
在本发明各实施方式中，所述混合波导是实现电光调制的主要区域。在传统的硅光调制器中，通过加载电压或电流信号来调节载流子的分布来调节材料的折射率，进而调节模场的有效折射率。而所述混合波导的工作机制是基于非线性光学材料的非线性光学效应，通过调节外加电场的强度来调节该材料的折射率(硅层的折射率不变)。例如，对于BTO-Si混合波导，基于BTO材料的非线性光学效应，通过调节外加电场的强度来调节BTO材料的折射率，因此，光学模式与BTO层的重叠(overlap)会影响调制效率。重叠越高，BTO材料对有效折射率的影响越大，对应的调制效率就越高。为了调节所述重叠，可调整硅层的厚度，而硅层的宽度可按照波长需求进行选择。通常而言，硅层越薄的混合波导，模场分布在BTO材料中的越多，对应的效率越高。图5a和图5b示出了混合波导的示例1，图6a和图6b示出了混合波导的示例2，这两个示例的主要差异在于硅层(C-Si)的厚度。
在一些实施方式中，混合波导的示例1的耦合端适于采用上述的渐变结构示例1，混合波导的示例2的耦合端适于采用上述的渐变结构示例2。在可选的实施方式中，上述渐变结构示例1也可用于混合波导的示例2，或者上述渐变结构示例2也可用于混合波导的示例1。
下面对制造电光调制器的方法进行说明。所述方法适于制造上述任一实施方式或实施例的电光调制器，为了便于说明，实施例中仅示意了一个混合波导。
在本发明的一种实施方式中，用于制造至少包括混合波导和位于混合波导两侧的电极的电光调制器的方法包括：
S1.提供第一部件，所述第一部件中至少包含硅层和位于该硅层两侧的导电布线结构。在一些实施方式中，所述导电布线结构位于所述硅层两侧的外侧。在一些实施方式中，所述导电布线结构邻接所述硅层或位于所述硅层的两侧的内侧。
S2.提供第二部件，所述第二部件中包含非线性光学材料层和位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构。在一些实施方式中，所述导电布线结构邻接所述非线性光学材料层或位于所述非线性光学材料层的两侧的内侧。在一些实施方式中，所述导电布线结构位于所述非线性光学材料层两侧的外侧。
S3.将所述第一部件与所述第二部件键合在一起，形成所述电光调制器，其中，所述硅层与所述非线性光学材料层层叠在一起形成所述混合波导，并且，所述位于该硅层两侧的导电布线结构与位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构电连接，以形成所述电极。
在一些实施方式中，所述第一部件包括光子集成芯片(PIC)和介电层(interlayerdielectric，ILD)。在步骤S1，可以通过PIC的前端制程(front-end of line，FEOL)在商业化晶圆厂(fab)完成，得到所述第一部件。在该第一部件中形成有硅层和导电布线结构，所述硅层包括单晶硅层(C-Si)、氮化硅层中的至少一者。在一些实施方式中，所述第一部件除了包含所述硅层和导电布线结构外，还包含一个或多个其他光学器件。
在一些实施方式中，独立于步骤S1，在步骤S2，在一SOI(绝缘体上硅)晶圆上沉积一定厚度的非线性光学材料层和导电布线结构，得到第二部件，其中所述非线性光学材料层包括下述至少一种：钛酸钡层(BTO)、铌酸锂层、钽酸锂层、有机高分子聚合物层。应当理解，步骤S2独立于步骤S1，二者没有依赖关系，可以先执行步骤S1，再执行步骤S2，也可以先执行步骤S2，再执行步骤S1。在可选的实施方式中，步骤S1和步骤S2可以并行执行，以提高生产效率。
在一些实施方式中，在步骤S3，在PIC的后端制程(back-end of line，BEOL)，通过晶圆键合工艺(waferbonding)将所述第一部件与所述第二部件直接结合在一起，得到所述电光调制器。并且，所述硅层与所述非线性光学材料层层叠在一起形成所述混合波导。在一些实施方式中，在钛酸钡层(BTO)上方层叠单晶硅层(C-Si)形成所述混合波导。可选地，可以在铌酸锂层上方层叠氮化硅层形成所述混合波导。
通过上述工艺制得的电光调制器是电容型的，且电容极小，极容易驱动，无静态功耗，动态功耗极低。相比于现有的调制器，所述电光调制器的能耗低、尺寸小。
在示例性实施方式中，在步骤S1，所述提供第一部件包括下述工序：
1：采用前端制程形成第一制品，如图7所示，第一制品可以是层叠的芯片的成品或半成品，其包含单晶硅层101。可选的，所述前端制程可以在商业化的晶圆厂完成，得到所述层叠的芯片。在一些实施方式，所述第一制品中还可以包含锗硅光电探测器(Ge-Si PD)102、基于载流子色散效应的调制器或者VOA(光衰减器)103、以及其他无源器件等等。所述第一制品采用SOI衬底制备，所述单晶硅层101设置在SOI的顶层硅中，与底层硅隔着埋置氧化硅层，上侧覆盖介电层，介电层可以由氧化硅制成。
2：对所述第一制品进行减薄处理。在一些实施方式中，如图8所示，在第一制品的上表面键合新衬底106，然后移除原来的衬底105，并去除第一制品下方的部分氧化硅104，以将单晶硅层101下方的氧化硅减薄至0～50nm的厚度，若单晶硅层101下方的氧化硅层大于50nm，单晶硅层101与后续形成的非线性材料层距离太远，两者构成的混合波导距离太远，调制效果不佳。
3：对于经所述减薄处理的第一制品，至少在对应于所述单晶硅层101的区域的两侧形成用作电极的导电布线结构，所述导电布线结构包括第一导电布线结构107和第二导电布线结构108，得到第一部件100，如图9所示。具体而言，如图9所示，将经过工序2处理后的第一制品翻转180°，使新衬底106朝下，然后在需要的位置开窗，例如，在单晶硅层101的两侧，对应于待键合的非线性光学材料层的区域的两侧开窗并沉积金属，形成第一导电布线结构107和第二导电布线结构108，然后对表面进行化学机械抛光。在本实施方式中，所述第一导电布线结构107和第二导电布线结构108为贯穿衬底通孔(TSV)的导电结构。在可选的实施方式中，所述第一导电布线结构107和第二导电布线结构108可以采用本领域合适的其他结构，例如，金属导电迹线或埋线等。
经过上述三道工序得到所述第一部件100。在本实施方式中，所述第一部件100可以为光子集成芯片，其包含单晶硅层101以及其他光学器件。例如，所述其他光学器件包括锗硅光电探测器(Ge-Si PD)102、基于载流子色散效应的调制器或者VOA(光衰减器)103、连接波导(例如，硅波导)等。
在示例性实施方式中，在步骤S2，所述提供第二部件包括下述工序：
(一)：在晶圆上形成非线性光学材料层，例如钛酸钡层(BTO)。在一些实施方式中，在一SOI晶圆上，通过外延生长或者化学溶液沉积等技术获得一定厚度的非线性光学材料层。
(二)：去除预定区域之外的非线性光学材料层而保留所述预定区域的非线性光学材料层，得到第二制品，其中所述预定区域为待与所述单晶硅层101重叠的区域。具体地，可以通过干法刻蚀将不需要保留的非线性光学材料层去除
(三)：在所述第二制品的上方进一步沉积氧化硅层，以使非线性光学材料层上表面平整化，以得到第三制品；
(四)：对于所述第三制品，在对应于保留的非线性光学材料层的区域的两侧形成导电布线结构，得到所述第二部件。具体地，在需要的位置开孔并沉积金属或者进行TSV后端工艺形成所述导电布线结构，所述导电布线结构可以是贯穿衬底通孔的导电结构。可选的，将所述第二部件的上表面抛光并尽可能减薄，具体地，将非线性光学材料层之上的氧化硅尽可能减薄，以减小非线性光学材料层与单晶硅层之间的间隙。可选的，非线性光学材料层的厚度一般在数百纳米左右。
如图10所示，经过上述四道工序得到的第二部件200包括非线性光学材料层201、第三导电布线结构207和第四导电布线结构208。在本实施方式中，所述第三导电布线结构207和第四导电布线结构208分别为贯穿衬底通孔的导电结构。本发明不限于此，在可选的实施方式中，所述第三导电布线结构207和第四导电布线结构208可以采用本领域合适的其他结构，例如，金属导电迹线或埋线等。
在示例性实施方式中，在步骤S3，在PIC的后端制程，通过晶圆键合工艺将所述第一部件100与所述第二部件200直接结合在一起，得到电光调制器。在一些实施方式中，如图11所示，在第一部件100的上表面键合第二部件200，并移除新衬底106，其中，非线性光学材料层201位于单晶硅层101的上方以形成混合波导，并且第一导电布线结构107与第三导电布线结构207电连接以形成第一电极，第二导电布线结构108与第四导电布线结构208电连接以形成第二电极，从而得到所述电光调制器。在所述电光调制器中，所述第一电极、第二电极用于向所述混合波导施加电场，所述电场会改变混合波导的折射率，从而对经过所述混合波导的光信号进行调制。在一些实施方式中，当所述第一电极、第二电极施加的电信号承载数据或信息时，通过所述调制将所述数据或信息承载到所述光信号中。在一些实施方式中，使用所述电光调制器构造光子神经网络，由此，通过所述调制能够使用所述电信号承载的权重信息对所述光信号承载的信息进行运算处理，例如，卷积运算。
在一些实施方式中，如图12所示，对于所述第一部件与所述第二部件键合在一起得到的产品(即电光调制器)，在该产品的至少一个表面形成用于与另外的部件键合的键合结构300。所述键合结构300可以是焊料球、微凸起(μBump)等。在一些实施方式中，所述电光调制器的上表面的微凸起主要用于与电芯片(EIC)互连，下表面的微凸起用于与封装的基板相连。
本领技术人员应当理解，虽然上述实施方式主要以非线性光学材料为BTO为例对本发明进行了说明，但本发明不限于此，非线性光学材料还可以是铌酸锂、钽酸锂、有机高分子聚合物等。
本领技术人员应当理解，以上所公开的仅为本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本申请请求专利保护的权利范围，依本发明实施方式所作的等同变化，仍属本申请之权利要求所涵盖的范围。

Claims (19)

1.一种电光调制器，其特征在于，包括：
混合波导，所述混合波导包含层叠的硅层和非线性光学材料层；和
电极，其包括设置在所述混合波导两侧的第一电极和第二电极；
其中，所述混合波导的两端延伸出用于光耦合的耦合端，
所述混合波导两端的耦合端中的至少一者包含渐变结构。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述非线性光学材料层包括下述至少一种：钛酸钡层、铌酸锂层、钽酸锂层、有机高分子聚合物层；
和/或，所述硅层包括下述至少一种：单晶硅层、氮化硅层。
3.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述混合波导中，所述硅层的垂直方向的投影位于所述非线性光学材料层的垂直投影范围内。
4.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述渐变结构包括：
基部，其与所述混合波导相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层；
变形部，其与所述基部相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层，其中，所述变形部包含的非线性光学材料层自所述基部包含的非线性光学材料层延伸并且朝远离所述基部的方向尺寸逐渐变小，所述变形部包含的硅层自所述基部包含的硅层延伸并且尺寸不变。
5.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述渐变结构包括：
基部，其与所述混合波导相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层；
中间部，其与所述基部相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层；
变形部，其与所述中间部相连并且包含层叠的硅层和非线性光学材料层；
其中，在所述中间部，其硅层包括从所述变形部延伸过来的硅层以及从所述基部延伸过来的硅层，从所述变形部延伸过来的硅层位于从所述基部延伸过来的硅层的上方，
所述变形部包含的非线性光学材料层自所述中间部包含的非线性光学材料层延伸并且朝远离所述中间部的方向尺寸逐渐变小。
6.根据权利要求4或5所述的电光调制器，其特征在于，所述变形部包含的所述非线性光学材料层的端面包括倾斜面。
7.根据权利要求6所述的电光调制器，其特征在于，俯视观察时，所述变形部包含的所述非线性光学材料层的所述倾斜面与其包含的所述硅层具有夹角。
8.根据权利要求7所述的电光调制器，其特征在于，所述夹角的角度小于45°。
9.根据权利要求5所述的电光调制器，其特征在于，在所述中间部，从所述变形部延伸过来的硅层的厚度大于从所述基部延伸过来的硅层的厚度。
10.根据权利要求5所述的电光调制器，其特征在于，俯视观察时，在所述中间部，从所述基部延伸过来的硅层的宽度沿着延伸方向先逐渐变大后逐渐变小。
11.根据权利要求5所述的电光调制器，其特征在于，俯视观察时，在所述中间部，从所述变形部延伸过来的硅层的尾部的宽度沿着延伸方向逐渐变小。
12.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，还包括：至少两个所述混合波导、至少一个分束器和至少一个合束器；
所述分束器的输出端经由第一连接波导与相应的混合波导的输入侧的耦合端连接，以及
所述合束器的输入端经由第二连接波导与相应的混合波导的输出侧的耦合端连接。
13.一种电光调制器的制造方法，所述制造方法适于制造权利要求1至12中任意一项所述的电光调制器，其特征在于，所述制造方法包括：
提供第一部件，所述第一部件中至少包含硅层和位于该硅层两侧的导电布线结构；
提供第二部件，所述第二部件中包含非线性光学材料层和位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构；
将所述第一部件与所述第二部件键合在一起，形成所述电光调制器，其中，所述硅层与所述非线性光学材料层层叠在一起形成混合波导，并且，所述位于该硅层两侧的导电布线结构与位于该非线性光学材料层两侧的导电布线结构电连接，以形成位于所述混合波导两侧的电极。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述混合波导包括通过在钛酸钡层上方层叠单晶硅层形成的第一混合波导。
15.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述混合波导包括通过在铌酸锂层上方层叠氮化硅层形成的第二混合波导。
16.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述提供第一部件包括：
采用前端制程形成第一制品，所述第一制品中包含所述硅层；
对所述第一制品靠近硅层的一侧进行减薄处理；
对于经所述减薄处理的第一制品，至少在对应于所述硅层的区域的两侧形成导电布线结构，得到所述第一部件。
17.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述提供第二部件包括：
在晶圆上形成非线性光学材料层，
去除预定区域之外的非线性光学材料而保留所述预定区域的非线性光学材料层，得到第二制品，其中所述预定区域为将与所述硅层重叠的区域；
在所述第二制品的上方进一步沉积氧化硅层，以得到第三制品；
对于所述第三制品，在对应于保留的非线性光学材料层的区域的两侧形成导电布线结构，得到所述第二部件。
18.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述导电布线结构包括贯穿衬底过孔的导电结构。
19.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，还包括：
对于所述第一部件与所述第二部件键合在一起得到的所述电光调制器，在所述电光调制器的至少一个表面形成用于与另外的部件键合的键合结构。
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