CN116560119B - 基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，属于电光调制技术领域，包括：在铌酸锂上刻蚀的波导结构及电极结构；所述波导结构包括：输入波导、光分束器、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、光合束器及输出波导；所述电极结构包括：GSG型平面电极及设在GSG型平面电极两侧内的容性负载行波电极，且所述容性负载行波电极对称排布在所述第一直波导和所述第二直波导两侧。本发明通过在两个调制直波导之后设置对应的弯曲波导结构以及容性负载行波电极，能够有效改善硅基薄膜铌酸锂电光调制器的阻抗匹配、降低射频反射、提升电光调制器的带宽，并显著降低制备工艺的难度。

Description

基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片

技术领域

本发明属于电光调制技术领域，更具体地，涉及基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片。

背景技术

随着光通信传输向超高速、大容量方向的发展，调制技术已经成为光通信技术中的重要一环，电光调制器已经在长距离通信网络、光量子存储、射频光子学以及数据交流中心等领域中得到了广泛的应用，而这些领域也对调制器的消光比、带宽以及损耗等性能提出了更高的要求。

传统的采用内调制的调制器虽然成本较低，但是无法同时满足低损耗、低半波电压、大带宽以及小型化集成化等特点。薄膜铌酸锂材料则是通过在硅衬底上进行离子切片以及键合工艺制备而成，这种材料继承了铌酸锂体材料光学透明窗口宽、电光响应速率高、电光调制效率高以及热稳定性好等特点，同时由于衬底上的氧硅埋氧层产生的大折射率差，使得薄膜铌酸锂材料相较于铌酸锂体材料有更强的光学限制能力，能够进一步缩小器件尺寸；而且薄膜铌酸锂材料可兼容传统的CMOS工艺，使得其工艺制备成本进一步降低，易于大规模制作。

但薄膜铌酸电光锂调制器中由于硅衬底的高微波折射率，仍然存在调制器的微波折射率较高，使得微波与光波的相位匹配难以实现，进而大大限制了器件的工作带宽的问题。现有技术中，有通过对电极下方的硅衬底进行化学掏空处理配合其他手段，以实现低微波损耗和相位匹配的目的，但是对电极下方的硅衬底进行化学掏空处理，大大增加了调制器芯片的制备难度，同时也降低了芯片的结构强度。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，其目的在于不降低硅基薄膜铌酸锂电光调制器芯片结构强度的同时，实现低微波损耗和相位匹配。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，包括：在铌酸锂上刻蚀的波导结构及电极结构；

所述波导结构包括：输入波导、光分束器、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、光合束器及输出波导；

所述输入波导与光分束器输入端相连，所述光分束器的一个输出端、第一直波导、第一弯曲波导及光合束器的一个输入端依次相连；所述光分束器的另一个输出端、第二直波导、第二弯曲波导及光合束器的另一个输入端依次相连；所述光合束器输出端与输出波导相连；

所述电极结构包括：GSG型平面电极及设在GSG型平面电极两侧内的容性负载行波电极，且所述容性负载行波电极对称排布在所述第一直波导和所述第二直波导两侧。

进一步地，沿光束传播方向弯曲波导输入端和输出端的间距L1、弯曲波导的弯曲长度L2与所述弯曲波导内微波与光波间的相位差Δθ之间满足：

Δθ=（L2-L1）×n×2π/λ

其中，所述弯曲波导为所述第一弯曲波导或所述第二弯曲波导，n和λ分别表示输入信号光的折射率、波长。

进一步地，所述弯曲波导的弯曲长度L2与直波导长度之间的比值低于30%；所述直波导为所述第一直波导或所述第二直波导。

进一步地，所述弯曲波导的形状符合欧拉曲线，且所述弯曲波导的弯曲半径不超过120μm。

进一步地，所述GSG型平面电极包括：第一地电极、第二地电极以及设置在所述第一地电极和所述第二地电极之间的信号电极；

所述容性负载行波电极为两个T型结构构成的轨道式电极，且两个T型结构分别与对应的地电极和信号电极连接。

进一步地，还包括设置在所述波导结构与所述电极结构之间的介质隔离层；且所述GSG型平面电极下方的介质隔离层厚度大于所述容性负载行波电极下方的介质隔离层厚度。

进一步地，所述GSG型平面电极下方的介质隔离层厚度不小于1000nm；所述容性负载行波电极下方的介质隔离层厚度不小于100nm；且所述GSG型平面电极与所述容性负载行波电极之间的高度差大于1000nm。

进一步地，所述容性负载行波电极的材料为透明导电氧化物。

进一步地，所述波导结构及所述电极结构均为周期性结构。

进一步地，还包设置在所述电极结构之上的包层；所述包层的折射率在1~2.2之间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

（1）本发明通过在两个调制直波导之后设置对应的弯曲波导结构，以增加输入光信号的时延，实现微波和光波的相位匹配，避免对电极下方的硅衬底进行化学掏空处理；同时，通过在调制直波导两侧设置容性负载行波电极，间接增大了GSG型平面电极中地电极和信号电极之间的距离，从而减小传导电流，有效降低了电极对波导结构的吸收损耗以及提升了器件的调制带宽。本发明的方法，在不降低硅基薄膜铌酸锂电光调制器芯片结构强度的同时，实现了低微波损耗和相位匹配。

（2）作为优选，当弯曲波导的长度、弯曲波导输入端和输出端间的轴向间距与微波与光波之间的相位差满足设定的关系时，可以完全实现微波波速和光波波速的相位匹配。

（3）作为优选，弯曲波导的弯曲长度与直波导长度之间的比值低于30%，能够在保证引入相应相位延迟的基础上，降低作为主体电极的GSG型平面电极对波导结构的吸收损耗。

（4）作为优选，弯曲波导的形状符合欧拉曲线，且满足设定的弯曲半径，便于控制波导中的光学模场以减缓弯曲波导的带来传输损耗，同时减少弯曲波导被GSG型平面电极覆盖的部分，避免额外的吸收损耗。

（5）作为优选，容性负载行波电极为两个T型结构构成的轨道式电极，可以降低电极间距引起的微波损耗。

（6）作为优选，电容负载行波电极下方的介质隔离层厚度小于GSG型平面电极下方的介质隔离层厚度，以抬GSG型平面电极达到进一步降低电极微波损耗、降低微波折射率的效果。

（7）作为优选，GSG型平面电极及性负载行波电极下方的介质隔离层厚度设计，可以将作为主电极的GSG型平面电极垫高，进一步减小金属电极对铌酸锂波导的影响，减小损耗；同时，使得容性负载行波电极尽量靠近波导结构，增加容性负载行波电极对波导结构的调制效率。

（8）作为优选，容性负载行波电极的材料为透明导电氧化物，透明导电氧化物的电效率高、透光性能够进一步降低电极给波导结构带来的吸收损耗，从而能够更一进步缩短容性负载行波电极两个T型电极间距，以提高调制效率。

总而言之，本发明能够有效改善硅基薄膜铌酸锂电光调制器的阻抗匹配、降低射频反射、提升电光调制器的带宽，并显著降低制备工艺的难度。

附图说明

图1为本发明实施例中弯曲波导部分弯曲在地电极的下面时1 × 1MZM结构的电光调制器俯视结构图。

图2为图1中沿A-A’处的剖面结构示意图。

图3为本发明实施例中弯曲波导在地电极与信号电极之间的电光调制器的俯视结构图。

图4为图3中沿B-B'处的剖面结构示意图。

图5为本发明实施例中容性负载行波电极采用透明导电氧化物材料时的剖面结构示意图。

图6为本发明实施例中中 2 × 2MZM 结构的结构的电光调制器俯视结构图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

10-硅基衬底、20-埋氧层，30-波导结构，40-隔离介质层，50-容性负载行波电极，60-GSG型平面电极，70-包层， 80-电极结构；

100-输入波导，300-光分束器，110-第一波导臂，120-第一直波导，130-第一弯曲波导，111-第二波导臂，121-第二直波导，131-第二弯曲波导，301-光合束器，101-输出波导；200-第一地电极，210-第一容性负载行波电极，202-第二地电极，211-第二容性负载行波电极，201-信号电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1-图4所示，本发明的基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，自下至上依次包括：硅基衬底10、埋氧层20、在铌酸锂平板区域上刻蚀的波导结构30及电极结构80；

在铌酸锂平板区域上刻蚀的波导结构30包括：输入波导100、光分束器300、第一波导臂110、第二波导臂111、光合束器301及输出波导101，输入波导100与光分束器300的输入端相连，光分束器300的两个输出端分别与第一波导臂110和第二波导臂111的输入端相连，第一波导臂110和第二波导臂111的输出端分别与光合束器301的两个输入端相连，光合束器301的输出端与输出波导101相连；

第一波导臂110包括依次相连的第一直波导120和第一弯曲波导130，第二波导臂111包括依次相连的第二直波导121和第二弯曲波导131；其中，第一弯曲波导130和第二弯曲波导131作为延迟波导用于增加输入信号光的传输时间以实现微波波速和光波波速的相位匹配。

电极结构80用于向波导结构30施加电信号，包括：GSG型平面电极60以及设置在GSG型平面电极两侧内的容性负载行波电极50，且容性负载行波电极对称排布在第一直波导120和第二直波导121的两侧。

工作时，输入信号光通过输入波导100经过光分束器300后分为两路，分别进入第一直波导120和第二直波导121，在第一直波导120和第二直波导121中进行调制，调制后的两路光分别进入对应的第一弯曲波导130和第二弯曲波导131中进行相位延迟，以实现微波波速和光波波速的相位匹配，继而获得较大的调制带宽；同时，在两个直波导的对应的调制区采用容性负载行波电极50，间接增大了GSG型平面电极60中地电极和信号电极之间的距离，从而减小传导电流，有效降低了电极对波导结构30的吸收损耗，并提升了调制效率，最终两路光经过光合束器301实现两路光的合束从而从输出波导101输出。

某一时刻，在GSG型平面电极60中的信号电极上施加正电压，此时电容负载行波电极之间的电场方向则如图1中虚线箭头所示，其中，图1中还给出了本发明的电光调制器沿虚线A-A’及沿虚线B-B’所示两处的截面示意图。

具体地，GSG型平面电极60包括第一地电极200、第二地电极202以及设置在第一地电极200和第二地电极202之间的信号电极201。GSG型平面电极60可以设置在波导臂两侧，或者GSG型平面电极60之间的连线与脊波导所在平面平行。

容性负载行波电极50为两个T型结构构成的轨道式电极，且两个T型结构分别与对应的地电极和信号电极连接。在本发明实施例中，与第一地电极200和信号电极201相连的容性负载行波电极为第一容性负载行波电极210，与第二地电极202和信号电极201相连的容性负载行波电极为第二容性负载行波电极211。

忽略工艺误差影响，假设第一波导臂110和第二波导臂111尺寸结构完全一样，第一直波导120和第二直波导121的长度相同，第一弯曲波导130和第二弯曲波导131的长度相同，针对第一弯曲波导130或者第二弯曲波导131，沿光束传播方向弯曲波导输入端和输出端之间的间距为L1，弯曲波导的弯曲长度为L2，记ΔL=L2-L1表示单个波导周内的波导长度增加量，则当ΔL满足下述关系时，可以完全实现微波波速和光波波速的相位匹配：

Δθ=ΔL×n×2π/λ

其中，Δθ表示在该段弯曲波导内微波与光波之间的相位差，n表示输入信号光的折射率，λ表示输入信号光的波长。

此时，光信号在弯曲波导中的延时时间恰好等于两种信号同向传输该距离所用的时间差。

沿着铌酸锂波导的布置方向（也即输入信号光的传输方向），在容性负载行波电极两个T型电极之间的直波导的宽度与直波导总长度之间的占空比高于80%，以提升光信号调制效率；弯曲波导的弯曲长度L2与直波导长度之间的比值低于30%，能够在保证引入相应相位延迟的基础上，降低主体电极对波导的吸收损耗。

作为优选，第一波导臂110、第二波导臂111及电极结构80均为周期性结构。周期性的容性负载行波电极50还可以实现高效的电场加载，同时达到低半波电压和大调制带宽的目的。

考虑到当周期数较大时，为了减缓弯曲波导的带来传输损耗，弯曲波导的形状符合欧拉曲线，便于控制波导中的光学模场以减缓弯曲波导的带来传输损耗。同时，作为优选，弯曲波导的弯曲半径不超过120μm，在减小弯曲部分尺寸的同时也可以减少弯曲波导被GSG型平面电极覆盖的部分，可以避免额外的吸收损耗。比如，图1中弯曲波导有一部分弯曲在地电极的下面，该弯曲波导的弯曲半径的设置可以减少弯曲波导被GSG型平面电极覆盖的部分，避免额外的吸收损耗。图3与图1的区别在于，图3中，弯曲波导在地电极与信号电极之间。

作为优选，在波导结构30与电极结构80之间设有介质隔离层40，用于对模场进行限制，以及波导结构30与电极结构80进行隔离，且GSG型平面电极60下方的介质隔离层40厚度大于容性负载行波电极50下方的介质隔离层40厚度，GSG型平面电极60下方的介质隔离层厚度更厚，可以让作为主体电极的GSG型平面电极60远离波导结构30，进一步降低电极对波导结构的吸收损耗。

作为优选，波导结构30与GSG型平面电极60之间的介质隔离层40厚度不小于1000nm，将作为主电极的GSG型平面电极60垫高，以降低主电极对波导结构30的影响。波导结构30与容性负载行波电极50之间的介质隔离层40厚度不小于100nm，进一步优选为100nm~1500nm之间，使得容性负载行波电极50尽量靠近波导，增加容性负载行波电极50对波导结构30的调制效率。同时，GSG型平面电极60与容性负载行波电极50之间的高度差大于1000nm。

作为优选，GSG型平面电极60的材料为金属，比如金、铜、铝、银等。

作为优选，容性负载行波电极50的材料为金属或者透明导电材料，作为进一步优选，容性负载行波电极50的材料为透明导电氧化物材料（TCO），透明导电氧化物的电效率高、透光性能够进一步降低电极给波导结构带来的吸收损耗，从而能够更一进步缩短容性负载行波电极两个T型电极间距，以提高调制效率。

可以避免金属电极对波导结构30的吸收损耗，进一步降低电极对波导结构30的吸收损耗。

图2和图4中，在铌酸锂平板区域上刻蚀的波导结构30、介质隔离层40及电极结构80形成器件区90。

作为优选，硅基衬底10厚度为300~1000μm。

作为优选，埋氧层20的材料优选为氧化硅，厚度不小于1.5μm，进一步优选为厚度在2~5μm之间。

作为优选，铌酸锂平板区域在刻蚀之前的厚度在300~1000nm之间，刻蚀后的波导结构30可以为浅刻蚀波导、脊型波导、条形波导，优选刻蚀后的波导结构30的截面为脊形，脊型波导两侧凹槽的刻蚀深度大于150nm，可支持TE0模式的低损耗传输。晶体切向为X切，如此可支持通讯波段光在波导内稳定、低损耗传输。

作为优选，电极结构80的厚度为500~5000nm，生长于隔离介质层40上方，与波导结构30不会直接接触。第一地电极200、信号电极201、第二地电极202会有部分面积以覆盖或者拼接的方式与容性负载行波电极50边缘接触，接触方式此处不做限制；图5为容性负载行波电极50采用透明导电氧化物材料时的剖面结构示意图。作为优选，GSG型平面电极60的厚度和容性负载行波电极50厚度在100~5000nm之间。容性负载行波电极两个T型电极间距可通过仿真来确定，需要避免间距过近导致吸收损耗增大，本实施例中，电极对光的吸收损耗设定为不超过0.5dB/cm。

作为优选，第一地电极200、信号电极201、第二地电极202可使用金属、石墨烯等材料。

作为优选，本发明的电光调制器芯片还包括设置在电极结构80之上的包层70，用于对电光调制器芯片进行隔离保护；包层70对光通信波段透明，且折射率在1~2.2之间，进一步优选为折射率在1.4-1.5之间，包层70材料优先选择氧化硅或者氮化硅等。包层70的厚度优选为0~10μm。

在本发明的一个实施例中，硅基衬底10的厚度为500μm；埋氧层20材料使用氧化硅，厚度为2μm；波导结构30为脊型结构，厚度500nm，刻蚀深度260nm；隔离介质层40采用了氧化硅，容性负载行波电极50下方的隔离介质层40厚度为100nm，GSG型平面电极60下方的隔离介质层40厚度为1300nm；容性负载行波电极50使用透明导电氧化物（TCO）材料，厚度为160nm， 两个T型电极间距5μm，第一地电极200、信号电极201、第二地电极202使用金（Au），厚度1.5μm； 包层70使用氮氧化硅，厚度为4μm。

作为优选，光分束器300和光合束器301可以是1 × 2MMI型结构，也可以是2 ×2MMI型结构，当两者为1 × 2MMI型结构时，本发明的电光调制器为1 × 1MZM结构的电光调制器，当两者为2 × 2MMI型结构时，本发明的电光调制器为2 × 2MZM结构的电光调制器，如图6所示。

作为优选，分束器/合束器的选择范围包括Y分支型，多模干涉型以及定向耦合器型。

按照本发明的另一方面，提供一种上述实施例中的基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片的制备方法，其中，容性负载行波电极50采用透明导电氧化物，包括如下步骤：

Step1. 在LNOI上制备所需的波导结构30，其中，LNOI自下至上依次包括硅基衬底10、埋氧层20及铌酸锂平板区域；

Step2. 在波导结构30上生长隔离介质层40；

Step3. 利用曝光刻蚀技术在调制区铌酸锂波导（第一直波导和第二直波导）两侧开窗口并沉积透明导电氧化物；

Step4. 利用Lift off的方法制备GSG型平面电极60；

Step5. 沉积包层70，得到最终的电光调制器。

作为优选，波导结构30可使用EBL、步进式光刻机、电子束曝光、激光直写等方式形成掩膜图形，后使用ICP、RIE或者IBE等设备干法刻蚀制备，也可以使用离子注入后湿法腐蚀的方式在铌酸锂平板区域上进行制备，或者使用硬掩膜进行化学机械抛光（CMP）方法制备。

作为优选，隔离介质层40可使用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积或化学气相沉积等技术途径将隔离介质层40直接覆盖于波导结构30上。

作为优选，电极结构80可采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、电镀等方式制备。当容性负载行波电极50为透明导电氧化物时，透明导电氧化物可以采用磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积等方式制备。

作为优选，包层70可采用磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积等方式制备。

本发明基于硅衬底的薄膜铌酸锂晶圆进行电光调制器芯片的设计与制备，由于硅衬底的薄膜铌酸锂晶圆尺寸更容易做大，从芯片制造方面来看，制备成本更低、工艺更加成熟。

本发明在调制区域采用电容负载行波电极，可以减小微波损耗，同时，其下方介质隔离层厚度小于主体电极下方的介质隔离层厚度，以抬高主体电极可以达到降低电极微波损耗、降低微波折射率的效果。

本发明在调制直波导的后面增加弯曲波导以作为延迟波导用于对调制区微波和光波实现周期性准相位匹配，相较于现有的衬底化学掏空方案，本发明具有成本低、工艺简单、芯片机械强度高等优点。

本发明在提高电光调制器调制效率的同时，降低了金属电极带来的光吸收以及电极间距引起的微波损耗。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，其特征在于，包括：在铌酸锂上刻蚀的波导结构（30）及电极结构（80）；

所述波导结构（30）包括：输入波导（100）、光分束器（300）、第一直波导（120）、第一弯曲波导（130）、第二直波导（121）、第二弯曲波导（131）、光合束器（301）及输出波导（101）；

所述输入波导（100）与光分束器（300）输入端相连，所述光分束器（300）的一个输出端、第一直波导（120）、第一弯曲波导（130）及光合束器（301）的一个输入端依次相连；所述光分束器（300）的另一个输出端、第二直波导（121）、第二弯曲波导（131）及光合束器（301）的另一个输入端依次相连；所述光合束器（301）输出端与输出波导（101）相连；

所述电极结构（80）包括：GSG型平面电极（60）及设在GSG型平面电极（60）两侧内的容性负载行波电极（50），且所述容性负载行波电极（50）对称排布在所述第一直波导（120）和所述第二直波导（121）两侧；

所述GSG型平面电极（60）包括：第一地电极（200）、第二地电极（202）以及设置在所述第一地电极（200）和所述第二地电极（202）之间的信号电极（201）；

所述容性负载行波电极（50）为两个T型结构构成的轨道式电极，且两个T型结构分别与对应的地电极和信号电极连接；所述容性负载行波电极（50）的材料为透明导电氧化物；

还包括设置在所述波导结构（30）与所述电极结构（80）之间的介质隔离层（40）；且所述GSG型平面电极（60）下方的介质隔离层（40）厚度大于所述容性负载行波电极（50）下方的介质隔离层（40）厚度。

2.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，沿光束传播方向弯曲波导输入端和输出端的间距L1、弯曲波导的弯曲长度L2与所述弯曲波导内微波与光波间的相位差Δθ之间满足：

Δθ=（L2-L1）×n×2π/λ

其中，所述弯曲波导为所述第一弯曲波导（130）或所述第二弯曲波导（131），n和λ分别表示输入信号光的折射率、波长。

3.根据权利要求2所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述弯曲波导的弯曲长度L2与直波导长度之间的比值低于30%；所述直波导为所述第一直波导（120）或所述第二直波导（121）。

4.根据权利要求2或3所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述弯曲波导的形状符合欧拉曲线，且所述弯曲波导的弯曲半径不超过120μm。

5.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述GSG型平面电极（60）下方的介质隔离层（40）厚度不小于1000nm；所述容性负载行波电极（50）下方的介质隔离层（40）厚度不小于100nm；且所述GSG型平面电极（60）与所述容性负载行波电极（50）之间的高度差大于1000nm。

6.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述波导结构（30）及所述电极结构（80）均为周期性结构。

7.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，还包设置在所述电极结构（80）之上的包层（70）；所述包层（70）的折射率在1~2.2之间。