CN115308938A - 电光调制器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供的电光调制器及其制作方法，包括依次叠设的衬底层、埋层、波导层、包覆层和电极层，电极层包括信号电极和分布于其两侧的接地电极，在信号电极各侧与相应侧接地电极之间分别设有加载电极组；信号电极与其一侧的接地电极分布于调制臂两侧，且信号电极与其两侧的接地电极均形成于包覆层之上；加载电极组包括设置于调制臂两侧的两个加载电极，各加载电极均分别包括沿周期性布设的双电容结构，双电容结构包括形成于包覆层内的下电容以及形成于包覆层上的上电容和连接电极，两个双电容结构中上电容的间距小于下电容的间距，通过连接电极将上、下电容与信号电极或接地电极连接。本公开能在不增加光波导损耗的情况下显著降低半波电压长度积。
Description
技术领域
本公开属于集成光学、光通信技术、电光调制器技术领域，特别涉及一种电光调制器及其制作方法。
背景技术
随着5G网络、大数据、物联网、视频流、云服务等业务的急速增长，目前对于数据网络的带宽需求越来越大。电光调制器是光纤通讯和数据传输中重要的一环，它通过将电信号加载至光信号上实现数据的转换与传输。目前主流的商用电光调制器所采用的材料是块状铌酸锂，它利用铌酸锂的普克尔效应通过金属电极施加电压改变材料的折射率，再通过马赫增德型干涉结构实现光强的变化。
对于商用电光调制器，衡量其性能的重要指标之一有半波电压长度积，它的值通常在10V·cm。半波电压长度积决定了电光调制器的功耗和尺寸，通常希望电光调制器具有低功耗和小尺寸，因此降低该指标是有必要的。近几年随着铌酸锂薄膜技术的成熟，通过将铌酸锂薄膜键合至低折射率(折射率低于1.5)材料，能够将波导与包层的折射率差由0.02增至0.7，从而降低光波模式的面积，此时能够在不增大光波损耗的情况下将电极靠近波导，将半波电压长度积降至2.2V·cm附近，为电光调制器的小型化与集成化提供了条件。
电光调制器的另一重要指标是3dB带宽，它通常与电光调制器的长度、微波损耗、阻抗匹配和群速度匹配有关。在电光调制器中，通常使用的电极类型有集总电极和行波电极。行波电极能够打破集总电极带来的RC常数的限制，将3dB带宽显著提升。行波电极所采用的结构为微波工程中常用的共面波导传输线，在考虑到群速度匹配和阻抗匹配对电极的限制下，通常其微波损耗在0.7dB/cm/GHz-1/2。近期的研究表明，通过在共面波导传输线上周期性加载电容结构和将衬底更换为石英后，能够将微波损耗降低至0.2dB/cm/GHz-1/2，同时实现群速度匹配，尽管在此时行波电极的阻抗不匹配，但该种电光调制器仍能够在1V的半波电压条件下实现大于100GHz的3dB带宽。
周期性加载电容结构的共面波导解决了微波损耗的问题，但是限制了3dB带宽。由于3dB带宽与器件长度成反比，为了实现1V的半波电压，根据2.2V·cm的半波电压长度积，此时器件的长度通常在2.2cm，又由于受到光波损耗的限制，通常信号电极与接地电极的间距为5μm，此时电极不能够进一步靠近光波导来降低半波电压长度积，从而限制了3dB带宽。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开第一方面实施例提供的能够在不增加光波导损耗的情况下显著降低半波电压长度积的电光调制器，包括：
衬底层；
埋层，所述埋层形成于所述衬底层之上；
波导层，所述波导层形成于所述埋层之上，包括若干调制臂；
包覆层，所述包覆层形成于所述波导层之上；和
电极层，所述电极层包括信号电极和分布于所述信号电极两侧的接地电极，在所述信号电极各侧与相应侧所述接地电极之间分别设有加载电极组；所述信号电极与其一侧的所述接地电极分布于相应的一个所述调制臂两侧，且所述信号电极与其两侧的所述接地电极均形成于所述包覆层之上；所述加载电极组包括设置于所述调制臂两侧的两个加载电极，各所述加载电极均分别包括沿所述调制臂方向呈周期性布设的双电容结构，所述双电容结构包括形成于所述包覆层内的下电容以及形成于所述包覆层之上的上电容和连接电极，设置于所述调制臂两侧的两个所述双电容结构中所述上电容的间距小于所述下电容的间距，通过所述连接电极将所述上电容、所述下电容与所述信号电极或所述接地电极连接。
本公开第一方面实施例提供的电光调制器，具有以下特点及有益效果：
本发明基于块状或薄膜形式的电光材料(如铌酸锂、氮化铝、钛酸锂、磷酸二氢钾、钛酸钡、碲化锌等)芯片基底，在电光材料上刻蚀光波导，再在整个芯片上铺一层绝缘体材料，并在绝缘体材料上通过刻蚀得到底层电极的位置，之后在芯片上制作电极的掩模版，通过两次金属沉积实现周期性双电容加载电极，使得下电容距离大于上电容的距离，从而能够在不增加光波导的损耗情况下，增强电光相互作用，显著降低半波电压长度积。并且利用了周期性电容加载的共面波导微波电极结构，使得信号电极的宽度增加，从而让微波损耗维持在一个相对较低的值。
在一些实施例中，所述电极层采用电导率超过10^7的材料制成。
在一些实施例中，设置于所述调制臂两侧的两个所述双电容结构中所述上电容的间距在1μm到5μm之间，设置于所述调制臂两侧的两个所述双电容结构中所述下电容的间距在3μm到8μm之间。
在一些实施例中，所述衬底层采用能降低微波在所述加载电极中的传播相速度的材料制成。
在一些实施例中，所述衬底层的厚度在500μm到600μm之间。
在一些实施例中，所述埋层和所述包覆层采用红外通讯波段的透明材料制成。
在一些实施例中，所述埋层的厚度在2μm到6μm之间，所述包覆层的厚度在500nm-2000nm之间。
在一些实施例中，所述波导层包括输入波导，与所述输入波导连接的分束器，设置在所述分束器的每个分支上的所述调制臂，与所述分束器的每个分支连接的合束器，以及与所述合束器连接的输出波导。
在一些实施例中，所述波导层采用具有电光效应的材料制成，所述波导层的厚度在300nm到800nm之间。
本公开第二方面实施例提供的根据本公开第一方面任一实施例所述电光调制器的制作方法，包括：
对晶圆进行清洗和干燥；
在所述晶圆上依次通过键合、减薄抛光或者离子切片剥离、光刻和刻蚀工艺形成所述波导层；
在所述波导层上通过沉积、磁控溅射或者旋涂形成所述包覆层；
在所述包覆层上依次通过光刻、刻蚀、电子束蒸发和剥离工艺形成所述下电容；
在所述包覆层及所述下电容上依次通过光刻、刻蚀、电子束蒸发和剥离工艺形成所述上电容和所述连接电极。
附图说明
图1为本公开第一方面实施例提供的电光调制器的俯视图。
图2为本公开第一方面实施例提供的电光调制器的三维示意图。
图3为图1所示电光调制器的A-A横截面示意图。
图4为图1所示电光调制器的B-B横截面示意图。
图5为本公开第二方面实施例提供的电光调制器的制作方法的加工流程图。
图6为对本公开实施例的电光调制器施加1V电压时的横截面电场强度分布图。
图中：
1、衬底层；
2、埋层；
3、波导层；31、输入波导；32、分束器；33、调制臂；34、合束器；35、输出波导；
4、包覆层；
5、电极层；51、信号电极；52、接地电极；53、加载电极；531、下电容；532、上电容；533、连接电极。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
参见图1～图4，本公开第一方面实施例提供的电光调制器，包括：
衬底层1；
埋层2，埋层2形成于衬底层1之上；
波导层3，波导层3形成于埋层2之上，包括若干调制臂33；
包覆层4，包覆层4形成于波导层3之上；和
电极层5，包括信号电极51和分布于信号电极51两侧的接地电极52，在信号电极51各侧与相应侧接地电极52之间分别设有加载电极组；信号电极51与其一侧的接地电极52分布于相应的一个调制臂33两侧，且信号电极51与其两侧的接地电极52均形成于包覆层4之上；加载电极组包括设置于调制臂33两侧的两个加载电极53，各加载电极53均分别包括沿调制臂33方向呈周期性布设的双电容结构，双电容结构包括形成于包覆层4内的下电容531以及形成于包覆层4之上的上电容532和连接电极533，设置于调制臂33两侧的两个双电容结构中上电容532的间距小于下电容531的间距，通过连接电极533将上电容532、下电容531与信号电极51或接地电极52连接。
在一些实施例中，衬底层1采用低微波介电常数材料制成，材料的介电常数不高于5，如熔融二氧化硅、石英等材料。衬底层1的厚度Hsubstrate在500μm到600μm之间，通常为525μm。衬底层1用于降低微波在加载电极33中的传播相速度，并且起到支撑其上方各结构层和器件的作用。
在一些实施例中，埋层2采用红外通讯波段的透明材料制成，以减小光波的损耗，如二氧化硅等材料。埋层2的光波段折射率应小于波导层3所采用材料的光波段折射率，以将光波限制于波导层3中。埋层2的厚度Hburied在2μm到6μm之间，通常为2μm。
在一些实施例中，波导层3包括输入波导31，与输入波导31连接的分束器32，设置在分束器32的每个分支上的调制臂33，与分束器32的每个分支连接的合束器34，以及与合束器34连接的输出波导35。波导层3采用具有电光效应的材料制成，可以是铌酸锂、钛酸锂、氮化铝、磷酸二氢钾、钛酸钡、碲化锌等具有电光效应的材料。波导层3的厚度Hunetch+Hetch)在300nm到800nm之间。各调制臂33的横截面可以为脊形波导或条载波导，各调制臂33的侧壁角度在10°到90°之间，通常为60°，在考虑电极带来损耗的情况下，调制臂33在红外通讯波段的传输损耗一般低于0.3dB/cm。
在一些实施例中，包覆层4采用红外通讯波段的透明材料制成，以减小光波的损耗，如二氧化硅、苯丙环丁烯、氧化镁等包层材料，可以通过气相沉积法的加工。该材料的光波段折射率应小于波导层3所采用材料的光波段折射率，将光波限制于波导层3中。包覆层4的厚度Hcover可以在500nm-2000nm之间。
在一些实施例中，电极层5使用高电导率(>10^7)的材料，可以是铜、金、铝、铂、铬等金属。参见图1至图4，电极层5具体包括信号电极51、接地电极52和加载电极53，该加载电极53具体包括下电容531、上电容532以及连接电极533。其中，信号电极51位于中间，接地电极52可以对称分布或者非对称分布的形式布设于信号电极51两侧形成电场的并联推挽加载，周期性布设的加载电极53位于信号电极51和接地电极52所形成的两个电极间隙中。与信号电极51一侧相接的下电容531和同侧的与接地电极52相接的下电容531的间距Wbottom-gap一般在3μm到8μm之间，与信号电极51一侧相接的上电容532和同侧的与接地电极52相接的上电容532的间距Wtop-gap一般在1μm到5μm之间，并且Wbottom-gap通常大于Wtop-gap，上电容532的厚度Hmetal一般在0.2μm到2μm之间，下电容531的厚度与包覆层4的厚度相等。对于电光调制器，波导层3材料的电光系数由于是各向异性的，当水平方向的电光系数最大时，为了实现最高效的电光调制，通常会将电极层与波导层放置在同一个水平面上，从而使得当在电极层上施加电压时，不同电势之间的距离最短，调制臂内部的电场最强，电光调制效率最高。但由于调制臂内部的光波电场也是水平分量，因此当电极与调制臂的距离过近时，电极会吸收调制臂外泄的倏逝波光波电场，引入光损耗，从而限制了电极与调制臂之间的间距不能过小。假设这里将电极的高度翻倍，将原来的电极与增高的部分分别看作下电容531和上电容532，对于上电容532来说，上方的信号电极51与上方的接地电极52的电势经过调制臂33需要经历的路程更长，因此上电容532在调制臂33内部形成的电场更弱，从而与光电场的作用更弱，它不会显著增强电光作用，也不会增加光损耗。通过COMSOL模拟仿真可以发现，将上方信号电极51与上方接地电极52的间距减小后，由于光电场主要与调制臂33平行的电极相互作用，因此上电容532不会引入额外的光波损耗，而且由于上方信号电极51与上方接地电极52的电势经过调制臂33所需的路程更短，因此上电容532在调制臂33内部形成的电场更大，与光电场的相互作用增强，从而实现了双电容结构可以在不增加光波导的损耗情况下，显著增强了电光相互作用、降低了半波电压长度积。
参见图5，本公开第二方面实施例提供的上述电光调制器的制作方法，包括以下步骤：
步骤(1)，使用丙酮、无水乙醇和去离子水依次清洗晶圆，然后使用氮气吹干晶圆，即可得到衬底层1和埋层2以及刻蚀前的波导层。
步骤(2)，在晶圆的波导层3上方甩胶旋涂一层光刻胶，通过电子束曝光或光刻在光刻胶上得到光波导的图案，再通过电感耦合等离子体刻蚀或湿法刻蚀波导层，得到光波导的输入波导31、分束器32、调制臂33、合束器34、输出波导35，其中分束器32和合束器34可以是Y型耦合器或多模干涉仪。
步骤(3)，在波导层3的上方通过等离子体增强化学气相沉积法沉积包覆层4的材料，得到包覆层4。
步骤(4)，在包覆层4上方通过甩胶旋涂一层光刻胶，通过电子束曝光或光刻在光刻胶上得到与调制臂33平行的电极的图案，从而在包覆层4中预留出下电容532所需的位置。
步骤(5)，通过蒸发或溅射的方法生长金属层，填满包覆层4的图案，然后通过剥离去除图案外部的金属，得到下电容532。
步骤(6)，在包覆层4及下电容532上方甩胶旋涂一层光刻胶，通过电子束曝光或光刻在光刻胶上得到上电容531的图案，通过蒸发或溅射的方法生长金属层，然后通过剥离去除图案外部的金属，得到上电容531和连接电极533。
以下为本公开提供的电光调制器的具体实施例：
实施例一：
采用衬底1为石英的铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜厚度为600nm，采用电感耦合等离子体刻蚀工艺得到铌酸锂脊形波导，铌酸锂脊形波导顶部宽度Wwaveguide为1μm，侧壁倾角为60°，刻蚀深度Hetch为300nm。在其上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积一层600nm厚度的二氧化硅，通过制作掩模版并刻蚀该二氧化硅，从而在波导层上方的二氧化硅层中得到下电容531的图案。再次制作掩模版，得到上电容532和连接电极533的图案。再通过蒸发的方法沉积1μm的金，剥离图案之外的金，得到周期性双电容加载电极结构。其主要参数为：与信号电极51一侧相接的下电容531和同侧的与接地电极52相接的下电容531的间距Wbottom-gap为5μm，下电容531的宽度W1为1μm，与信号电极51一侧相接的上电容532和同侧的与接地电极52相接的上电容532的间距Wtop-gap为2μm，上电容532的宽度W2为1μm，与信号电极51一侧相接的上电容532与信号电极51该侧的间距W3为7μm，信号电极51的宽度W4为190μm，加载电极53一个周期的长度Lperiod为50μm，在占空比为90％的情况下，下电容531和上电容532的长度L1均为45μm，连接电极533的长度L2为1μm，上电容532的厚度Hmetal为1μm。
通常间距为5μm的单层电极，在施加1V的电压时，波导内的电场强度通常为1.0×105V/m，而本实施例一所设计的电光调制器的调制臂33内的电场强度达到了1.8×105V/m，如图6所示，从而显著降低了半波电压。因此在光波损耗维持在0.1dB/cm的情况下，本实施例一的电光调制器可实现半波电压长度积1.56V·cm。在50GHz的微波有效折射率为2.25，微波的损耗为0.24dB/cm/GHz-1/2，从而表明本实施例一的电光调制器能够同时实现速度匹配、低微波损耗。根据文献(Xu M,He M,Zhang H,et al.High-performance coherentoptical modulators based on thin-film lithium niobate platform[J].NatureCommunications,2020,11(1):3911)，带宽S21-EO的计算公式为：
γm＝αm+iβm
u+＝αmL+i(βm-βo)L,u-＝-αmL+i(βm-βo)L
其中，Zin为传输线的输入阻抗，Z0为传输线的特征阻抗，Zc为信号源的特征阻抗，γm为射频传播常数，αm、βm、i分别为损耗系数、相位传播系数、虚部符号，u+和u-分别为正向传播和反向传播的相位变化，βo为光波的相位传播系数，L为调制器的长度。
本实施例一的电光调制器在长度为13mm、半波电压为1.2V时，根据带宽的计算公式，3dB带宽仍然能够超过130GHz。相比同类型的周期性电容加载电光调制器，本实施例一能够在维持半波电压和带宽不变的情况下，将调制长度降低30％。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于：将波导层3的材料铌酸锂替换成钛酸锂，其余部分均与实施例一相同，此处不再赘述。
在本说明书的描述中，未做详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种电光调制器，其特征在于，包括：
衬底层；
埋层，所述埋层形成于所述衬底层之上；
波导层，所述波导层形成于所述埋层之上，包括若干调制臂；
包覆层，所述包覆层形成于所述波导层之上；和
电极层，所述电极层包括信号电极和分布于所述信号电极两侧的接地电极，在所述信号电极各侧与相应侧所述接地电极之间分别设有加载电极组；所述信号电极与其一侧的所述接地电极分布于相应的一个所述调制臂两侧，且所述信号电极与其两侧的所述接地电极均形成于所述包覆层之上；所述加载电极组包括设置于所述调制臂两侧的两个加载电极，各所述加载电极均分别包括沿所述调制臂方向呈周期性布设的双电容结构，所述双电容结构包括形成于所述包覆层内的下电容以及形成于所述包覆层之上的上电容和连接电极，设置于所述调制臂两侧的两个所述双电容结构中所述上电容的间距小于所述下电容的间距，通过所述连接电极将所述上电容、所述下电容与所述信号电极或所述接地电极连接。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述电极层采用电导率超过10^7的材料制成。
3.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，设置于所述调制臂两侧的两个所述双电容结构中所述上电容的间距在1μm到5μm之间，设置于所述调制臂两侧的两个所述双电容结构中所述下电容的间距在3μm到8μm之间。
4.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述衬底层采用能降低微波在所述加载电极中的传播相速度的材料制成。
5.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述衬底层的厚度在500μm到600μm之间。
6.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述埋层和所述包覆层采用红外通讯波段的透明材料制成。
7.权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述埋层的厚度在2μm到6μm之间，所述包覆层的厚度在500nm-2000nm之间。
8.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述波导层包括输入波导，与所述输入波导连接的分束器，设置在所述分束器的每个分支上的所述调制臂，与所述分束器的每个分支连接的合束器，以及与所述合束器连接的输出波导。
9.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述波导层采用具有电光效应的材料制成，所述波导层的厚度在300nm到800nm之间。
10.一种根据权利要求1～9中任一项所述电光调制器的制作方法，其特征在于，包括：
对晶圆进行清洗和干燥；
在所述晶圆上依次通过键合、减薄抛光或者离子切片剥离、光刻和刻蚀工艺形成所述波导层；
在所述波导层上通过沉积、磁控溅射或者旋涂形成所述包覆层；
在所述包覆层上依次通过光刻、刻蚀、电子束蒸发和剥离工艺形成所述下电容；
在所述包覆层及所述下电容上依次通过光刻、刻蚀、电子束蒸发和剥离工艺形成所述上电容和所述连接电极。
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