CN116626923B - 波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，属于光电集成器件领域，包括由下至上层叠的体铌酸锂衬底和多个波导层，各波导层均包括由下至上层叠的二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜、至少一个光波导、行波电极、刻蚀后二氧化硅缓冲层和电磁屏蔽层，各波导层的所有光波导均对应与其位置相关的二维坐标，所有二维坐标形成波导矩阵，分别记载波导矩阵中各元素所对应的光波导的工作参数，刻蚀后二氧化硅缓冲层底面刻蚀有与行波电极匹配的凹槽，各波导层按照层叠顺序依次制备，电磁屏蔽层由碳纳米材料制成，采用缓冲质子交换技术在铌酸锂薄膜层制作光波导。本发明能够包含多个可用光波导，可调制多种光波长激光，通用性更强，集成度更高。
Description
技术领域
本发明属于光电集成器件领域，涉及波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器。
背景技术
电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体、砷化镓晶体或者坦酸锂晶体的电光效应制成的调制器。当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，从而实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态等特性的调制。随着人们对高速、大容量、集成化通信技术日益的迫切需求，人们希望在尽量减小集成器件的尺寸的同时能够保证电光调制器的调制作用。
然而现有的电光调制器存在损耗高、带宽小、半波电压过大无法与CMOS兼容、无法满足高速通信需求、成本高、稳定性差、损坏后只能对整体器件进行更换、尺寸限制导致集成度不高以及所使用的光波长单一等一系列问题。除上述所存在的一系列问题外，现有技术中，一个电光调制器仅包含一个光波导和一个电极，使用时根据需要的波长和频率对电光调制器进行选择，一般情况下是进行单独定制，这使得使得整个行业均位于一个定制化主导的情况，导致产品的设计、制作和使用周期大大增加。
发明内容
本发明提出波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，能够包含多个可用光波导，可调制多种光波长激光，通用性更强，集成度更高。
本发明通过以下技术方案实现：
波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，包括由下至上层叠的体铌酸锂衬底和多个波导层，各波导层均包括由下至上层叠的二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜、至少一个光波导、行波电极、刻蚀后二氧化硅缓冲层和电磁屏蔽层，各波导层的所有光波导均对应与其位置相关的二维坐标，所有二维坐标形成波导矩阵，分别记载波导矩阵中各元素所对应的光波导的工作参数，不同波长光纤可根据需要耦合至对应位置的光波导，刻蚀后二氧化硅缓冲层底面刻蚀有与行波电极匹配的凹槽，各波导层按照层叠顺序依次制备，电磁屏蔽层由碳纳米材料制成，采用缓冲质子交换技术在铌酸锂薄膜层制作光波导。
进一步，所述工作参数包括光波导的波段和频率，各所述光波导的频率不同。
进一步，所述光波导的制备步骤包括：
步骤S11、在铌酸锂薄膜上镀二氧化硅膜，并进行光刻；
步骤S12、腐蚀二氧化硅膜；
步骤S13、缓冲质子交换：将经步骤S12处理后的铌酸锂晶体放置在石墨坩埚内，向石墨坩埚内倒入精确称量的苯甲酸和苯甲酸锂粉末，并将密封包装后的石墨坩埚内放置在质子交换炉内，加热使石墨坩埚内物质熔融，得到缓冲质子交换后的样品；
步骤S14、将步骤S13的样品置于360℃的温度环境下以进行退火，退火后通过抛光去除剩余的二氧化硅膜，得到光波导。
进一步，所述行波电极的制备步骤包括：
步骤S21、对铌酸锂薄膜依次进行匀胶和光刻；
步骤S22、采用Au材料对经步骤S21后的样品进行镀膜；
步骤S23、将经步骤S22后的样品放入丙酮溶液中，通过分离的方式去掉剩余的Au，从而制造出所需电极。
进一步，所述电磁屏蔽层的制备步骤包括：
步骤S31、将多壁碳纳米粉末加入曲拉通溶液，在研磨器中研磨后采用去离子水浸泡并搅拌，经单秒间隔超声后，再离心得到均匀稳定的多壁碳纳米管溶液；
步骤S32、将烧杯置于冷水浴中，分别将Ti3AlC2、LiF以及去离子水、浓盐酸放入烧杯中，并对烧杯进行密封处理后磁力搅拌；
步骤S33、用离子水反复洗涤步骤S32得到的LiF-HCl刻蚀后的悬浮液，直至悬浮液的pH为6；
步骤S34、将步骤S33获得的溶液除杂后进行离心处理，其上层清液就是单层或少层Ti3C2Tx胶体溶液；
步骤S35、将碳纳米管溶液与Ti3C2Tx胶体溶液根据不同比例混合，搅拌超声后采用真空抽滤工艺将混合溶液制备成薄膜，得到电磁屏蔽层。
进一步，所述铌酸锂薄膜采用基于高能氦离子注入和SiO2键合的Smart-Cut技术制备。
进一步，所述铌酸锂薄膜层厚度不大于500nm，所述波导层厚度不大于3um。
进一步，各所述行波电极具有引出端，各所述波导层均设置有露出行波电极引出端的缺口。
进一步，所述由下至上的各缺口形成逐层变小的阶梯状。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明耦合光纤时，将每种不同波长和频段所对应的光纤耦合至对应的二维坐标的光波导即可，大大降低耦合时长和耦合难度，实现可以一个电光调制器封装多根光纤以同时工作的可能性，也可解决一个波导等损坏就需要更换整个调制器所带来的成本问题，且本发明能够作为一个通用性更强的铌酸锂电光调制器面向市场，可调制多种光波长的激光，也省去了冗长的甲乙双方沟通定制环节，省去了采购到不合适的调制器而产生的成本损耗等诸多浪费，还能够同时覆盖低、中、高任意频段，达到超广的带宽，进而满足短中长距离高速通信需求，损耗低，所需半波电压低，更易与其他器件兼容；若在现有技术的调制器内设置多个光波导，因现有调制器的体材料无法纵向叠加，故会导致调制器表面积大大增加，而且最终形成的角度会给测试封装带来很大的问题，本发明通过层叠设置多个波导层，各波导层包括至少一个光波导，如此在纵横两个方向上叠加形成多个光波导，器件整体表面积基本不增加，对于后续的测试耦合封装也不会有不良影响；相较于现有技术中将电极裸露待后续封装时再考虑电磁屏蔽的情况，本发明每一波导层的电极上端均设置有刻蚀后二氧化硅缓冲层和电磁屏蔽层，能够避免电极裸露在外，从而减少电极损伤，且具有更好的电磁屏蔽效果，后期封装时可不再考虑电磁屏蔽因素，从而减少封装工作量，降低封装难度；因铌酸锂薄膜的厚度为纳米级，故在本发明制备过程中，各波导层需按照层叠顺序依次制备，以保证制备成功率与产品质量，并减小制备难度。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的结构示意图（各波导层分开，且去除刻蚀后二氧化硅缓冲层和电磁屏蔽层）。
图2为本发明的截面示意图。
图3为本发明的端面示意图。
图4为本发明的俯视示意图。
图5为本发明光波导的制备流程图。
图6为本发明行波电极的制备流程图。
图7为本发明的依据电极形状腐蚀后的二氧化硅缓冲层的结构示意图。
其中，1、体铌酸锂衬底；2、波导层；3、二氧化硅缓冲层；4、铌酸锂薄膜；5、光波导；6、行波电极；7、刻蚀后二氧化硅缓冲层；71、凹槽；8、电磁屏蔽层；9、信号引入区。
具体实施方式
如图1至图4所示，波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器包括由下至上层叠的体铌酸锂衬底1、三个波导层2，波导层2包括由下至上层叠的二氧化硅缓冲层3、铌酸锂薄膜4、光波导5、行波电极6、刻蚀后二氧化硅缓冲层7和电磁屏蔽层8。光波导5由铌酸锂薄膜4顶面向内延伸，行波电极6设置于铌酸锂薄膜4顶面且向外延伸。其中，位于下方的波导层2具有一个光波导5，中间的波导层2波导层2具有两个光波导5，位于上方的波导层2具有一个光波导5，位于下方的波导层2的光波导5与位于上方波导层2的光波导5竖直位置相同，在其他实施例中，各光波导5的竖直位置也可不同，各光波导5均设置与其所在层数相关的二维坐标，在本实施例中，以电光调制器左下方作为坐标系原点，位于下方的波导层2的光波导5对应的二维坐标为（1,1），中间的波导层2的两光波导5对应的二维坐标分别为（2,1）和（2,2），位于上方的波导层2的光波导5对应的二维坐标为（3,1），该二维坐标的横坐标表示光波导所在波导层的层数，纵坐标表示该光波导为该波导层从左至右的个数，所有二维坐标形成波导矩阵，并分别记载波导矩阵中各二维坐标所对应的光波导5的工作参数，该工作参数包括光波导5的波长和频率，耦合光纤时，将每种不同波长对应的光纤耦合至对应波长的坐标即可，大大降低耦合时长和耦合难度，给封装固定提供了更大的位置，甚至可以一个器件封装多根光纤，满足同时工作的可能性，也可解决一个波导等损坏就需要更换整个调制器所带来的等成本性问题。
本实施例的铌酸锂薄膜4厚度为500nm左右，二氧化硅缓冲层3以及电磁屏蔽层8也可控制在nm量级内，即除体铌酸锂衬底1外，每层叠一层波导层2，厚度仅增加不到3um，现有的光电调制器整体厚度一般为5mm，因此即使体铌酸锂衬底1设计为4mm，剩余的1mm中仍可层叠300余层波导，即如需要波导矩阵中最少可包含三百个可用波导，相对于现有光电调制器一个器件仅包含一条波导的情况，本发明的通用性大大增强。
现有的电光调制器中，低频器件、中频器件、高频器件都各自为一款器件，通用性不高，通常需要根据使用场合进行定制。本实施例中，各光波导5的频率均不相同，通过合理设置光波导5的频率，使本发明的电光调制器能够同时覆盖低、中、高任意频段，从而在另一种形式上完成带宽的突破，达到了超广的带宽。在本实施例中，各光波导5的工作参数如下表所示：
| 二维坐标 | 波段/nm | 频率/Hz |
| （1,1,） | 1550nm | 40Hz |
| （2,1） | 1310nm | 10GHz |
| （2,2） | 1310nm | 20GHz |
| （3,1） | 1550nm | <100MHz |
在制备中，为了避免金属键合以及研磨工艺对铌酸锂薄膜4表面平整度和均匀性的影响，采用基于高能氦离子注入和SiO2键合的Smart-Cut技术制备铌酸锂薄膜4，其中，Smart-Cut技术为现有技术。
因铌酸锂薄膜4厚度为纳米级，因此在制备光波导5时，需要将铌酸锂薄膜4叠至某一基体上再进行光波导的制备，在本实施例中，对于下方的波导层2，需要先将二氧化硅缓冲层3叠至体铌酸锂衬底1上，然后将铌酸锂薄膜4叠至二氧化硅缓冲层3上，再按照下述制备过程制备光波导5，对于中间的波导层2或者上方的波导层2，则需先将二氧化硅缓冲层3叠至前一层的电磁屏蔽层8上，然后将铌酸锂薄膜4叠至该二氧化硅缓冲层3上，再按照下述制备过程制备光波导5，即各波导层2按照层叠顺序依次制备。
光波导5的制备过程可参考图5，与传统光波导5制备方法不同，本实施例采用缓冲质子交换技术制备光波导5，缓冲质子交换原理是利用铌酸锂晶体与交换液之间相互扩散使得两者接触的部分区域的晶体折射率发生改变，具体包括如下步骤：
步骤S11、清洁基板，在清洁后的铌酸锂薄膜上镀厚度为100nm的二氧化硅膜，镀膜后进行匀胶操作，再进行光刻，光刻包括旋涂光刻胶、前烘、紫外曝光、显影；
步骤S12、腐蚀二氧化硅膜后进行去胶；
步骤S13、缓冲质子交换：将经步骤S12处理后的铌酸锂晶体放置在石墨坩埚内，向石墨坩埚内倒入精确称量的苯甲酸和苯甲酸锂粉末，并将密封包装后的石墨坩埚内放置在质子交换炉内，加热使石墨坩埚内物质熔融，得到缓冲质子交换后的样品，样品还必须用无水乙醇彻底清洗，并将其放入烤箱内进行烘干;
步骤S14、将步骤S13得到的样品置于360℃的温度环境下以进行退火，退火处理持续时间为3h 30min，最后冷却至室温取出，再通过研磨抛光去除剩余的二氧化硅膜，得到光波导5。
如图6所示，电极的制备则包括如下步骤：
步骤S21、对铌酸锂薄膜4依次进行匀胶和光刻，光刻包括旋涂光刻胶、前烘、紫外曝光、显影；
步骤S22、采用Au材料对经步骤S21后的样品进行镀膜，Au具有很高的导电率，化学性质稳定，延展性好，反射系数小等优点；
步骤S23、将经步骤S22后的样品放入丙酮溶液中，通过分离的方式去掉剩余的Au，从而制造出所需电极。
如图7所示为依据上一层电极形状进行刻蚀后的二氧化硅缓冲层3形状图，刻蚀后的二氧化硅缓冲层3底面形成有与行波电极6匹配的凹槽71，刻蚀工艺采用光波导5制备工艺的前两个步骤（步骤S11和步骤S12），将刻蚀后的二氧化硅缓冲层3键合在铌酸锂薄膜4上，如此能够在层叠下一层铌酸锂薄膜4前找平。
由于本发明在制作时，各行波电极6均会被刻蚀后二氧化硅缓冲层7所覆盖，但行波电极6具有引出端，因此如图4所示，刻蚀后二氧化硅层以及其上的各层均需留有露出下层行波电极6引出端的缺口，形成信号引入区9，以便于后续连接金线与引出端连接以引入电信号，从俯视角度看，由下至上的各缺口形成逐层变小的阶梯状，以实现互不干扰地采用金线引入每一波导层所需要的电信号。
为了屏蔽其他波导层电场的影响，每个波导层2均需要制作一层电磁屏蔽层8，基于碳纳米管的高导电性和导电网络的特殊微观结构，可实现电磁波频段隔离，从而实现长波段和短波段电磁波的同步吸收，采用碳纳米管进行电磁隔离的作用最为合适的选择，其制备过程包括如下步骤：
步骤S31、将多壁碳纳米粉末加入曲拉通溶液，在研磨器中研磨40min后采用去离子水浸泡并搅拌，经单秒间隔超声后，再离心得到均匀稳定的多壁碳纳米管溶液；
步骤S32、将烧杯置于冷水浴中，分别将Ti3AlC2、LiF以及去离子水、浓盐酸放入烧杯中，并对烧杯进行密封处理后磁力搅拌；
步骤S33、用离子水反复洗涤步骤S32得到的LiF-HCl刻蚀后的悬浮液，直至悬浮液的pH值为6；
步骤S34、将步骤S33获得的溶液除杂后进行离心处理，其上层清液就是单层或少层Ti3C2Tx胶体溶液；
步骤S35、将碳纳米管溶液与Ti3C2Tx胶体溶液根据不同比例混合，搅拌超声后采用真空抽滤工艺将混合溶液制备成薄膜，得到电磁屏蔽层8。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (7)
1.波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：包括由下至上层叠的体铌酸锂衬底和多个波导层，各波导层均包括由下至上层叠的二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜、至少一个光波导、行波电极、刻蚀后二氧化硅缓冲层和电磁屏蔽层，各波导层的所有光波导均对应与其位置相关的二维坐标，所有二维坐标形成波导矩阵，分别记载波导矩阵中各元素所对应的光波导的工作参数，不同波长光纤可根据需要耦合至对应位置的光波导，刻蚀后二氧化硅缓冲层底面刻蚀有与行波电极匹配的凹槽，各波导层按照层叠顺序依次制备，电磁屏蔽层由碳纳米材料制成，采用缓冲质子交换技术在铌酸锂薄膜层制作光波导；
所述光波导的制备步骤包括：
步骤S11、在铌酸锂薄膜上镀二氧化硅膜，并进行光刻；
步骤S12、腐蚀二氧化硅膜；
步骤S13、缓冲质子交换：将经步骤S12处理后的铌酸锂晶体放置在石墨坩埚内，向石墨坩埚内倒入精确称量的苯甲酸和苯甲酸锂粉末，并将密封包装后的石墨坩埚内放置在质子交换炉内，加热使石墨坩埚内物质熔融，得到缓冲质子交换后的样品；
步骤S14、将步骤S13的样品置于360℃的高温环境下以进行退火，退火后通过抛光去除剩余的二氧化硅膜，得到光波导；
所述电磁屏蔽层的制备步骤包括：
步骤S31、将多壁碳纳米粉末加入曲拉通溶液，在研磨器中研磨后采用去离子水浸泡并搅拌，经单秒间隔超声后，再离心得到均匀稳定的多壁碳纳米管溶液；
步骤S32、将烧杯置于冷水浴中，分别将Ti3AlC2、LiF以及去离子水、浓盐酸放入烧杯中，并对烧杯进行密封处理后磁力搅拌；
步骤S33、用离子水反复洗涤步骤S32得到的LiF-HCl刻蚀后的悬浮液，直至悬浮液的pH接近6；
步骤S34、将步骤S33获得的溶液除杂后进行离心处理，其上层清液就是单层或少层Ti3C2Tx胶体溶液；
步骤S35、将碳纳米管溶液与Ti3C2Tx胶体溶液根据不同比例混合，搅拌超声后采用真空抽滤工艺将混合溶液制备成薄膜，得到电磁屏蔽层。
2.根据权利要求1所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述工作参数包括光波导的波段和频率，各所述光波导的频率不同。
3.根据权利要求1或2所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述行波电极的制备步骤包括：
步骤S21、对铌酸锂薄膜依次进行匀胶和光刻；
步骤S22、采用Au材料对经步骤S21后的样品进行镀膜；
步骤S23、将经步骤S22后的样品放入丙酮溶液中，通过分离的方式去掉剩余的Au，从而制造出所需电极。
4.根据权利要求1或2所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述铌酸锂薄膜采用基于高能氦离子注入和SiO2键合的Smatr-Cut技术制备。
5.根据权利要求1或2所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述铌酸锂薄膜层厚度不大于500nm，所述波导层厚度不大于3um。
6.根据权利要求1或2所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：各所述行波电极具有引出端，各所述波导层均设置有露出行波电极引出端的缺口。
7.根据权利要求6所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述由下至上的各缺口形成逐层变小的阶梯状。
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