CN116719193A - 一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法 - Google Patents
一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116719193A CN116719193A CN202310442823.9A CN202310442823A CN116719193A CN 116719193 A CN116719193 A CN 116719193A CN 202310442823 A CN202310442823 A CN 202310442823A CN 116719193 A CN116719193 A CN 116719193A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- type
- inp
- electro
- epitaxial wafer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 41
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 26
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 16
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 16
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 16
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 11
- 238000002161 passivation Methods 0.000 claims description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 claims description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 6
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 6
- PFTIVKCRALCOLB-UHFFFAOYSA-N [SiH4].[N] Chemical compound [SiH4].[N] PFTIVKCRALCOLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- UMIVXZPTRXBADB-UHFFFAOYSA-N benzocyclobutene Chemical compound C1=CC=C2CCC2=C1 UMIVXZPTRXBADB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 5
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 3
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims description 3
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 230000005701 quantum confined stark effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910004205 SiNX Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/212—Mach-Zehnder type
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/017—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. superlattices, quantum wells
- G02F1/01716—Optically controlled superlattice or quantum well devices
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/0305—Constructional arrangements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
- G02F1/0305—Constructional arrangements
- G02F1/0316—Electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明涉及一种InP基的马赫‑曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法，属于电光调制器的制备技术领域。本发明公开了一种InP基的马赫‑曾德尔干涉型电光调制器，包括依次相连的光输入端、光调制区和光输出端，该光调制区中的行波电极包括微波传输线和若干个周期性排列连接在所述波传输线上的电极，其中电极位于有源波导结构的P型接触层表面且有源波导结构从下到上依次包括InP衬底层和外延片，其中所述外延片从下到上依次包括N型掺杂层、间隔层Ⅰ、量子阱层、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层、P型掺杂层和P型接触层。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法。
背景技术
随着集成光学技术的发展以及信息传输总量的增大，作为光通信传输链上的关键一环，光调制器是亟需发展突破的核心器件。目前研究较多的电光调制器主要有铌酸锂(LiNbO3)调制器、硅基调制器和Ⅲ-Ⅴ族半导体调制器等，其中InP基调制器具有平坦、高带宽的光调制特性，以及驱动电压低、尺寸小，可以与光源单片集成等优点。
InP基的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder，简称“MZ”)干涉型调制器，主要采用nip或pin型结构。对于pin结构，其外延过程简单，但p型材料的载流子吸收较高，造成的光吸收损耗较大。针对此问题，有研究者采用了NIN的器件结构，但在减少损耗的同时也提高了驱动电压，不利于成本的降低。
为了更好地实现高性能低成本的电光调制器，发明一种具有新型剖面浓度分布与结构的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)电光调制器，通过对结构与剖面浓度分布的调整，从而降低马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)调制器的光吸收损耗与驱动电压。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器；本发明的目的之二在于提供一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器在调节光的强度方面的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器，所述电光调制器包括依次相连的光输入端1、光调制区和光输出端10；
所述光调制区包含直流偏置电极2、行波电极4、两个调制臂6和分别连接在调制臂6上的两个相位电极7，其中所述行波电极包括微波传输线3和若干个周期性排列连接在所述微波传输线3上的周期性电极5，所述周期性电极5位于有缘波导结构的P型接触层表面，RF电源8和电阻9分别连接在所述微波传输线3两端；
所述有源波导结构从下到上依次包括InP衬底层和外延片，其中所述外延片从下到上依次包括N型掺杂层、间隔层Ⅰ、量子阱层、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层、P型掺杂层和P型接触层。
优选的，所述光输入端1包括Y型分束器或1×2耦合器中的任意一种1，其中Y型分束器或1×2耦合器中的任意一种1的另一端与分别与两个调制臂6相连；
所述光输出端10包括与两个所述调制臂6的另一端相连的Y型合束器或2×2耦合器中的任意一种。
优选的，所述间隔层Ⅰ的厚度大于间隔层Ⅱ的厚度，所述间隔层Ⅰ和间隔层Ⅱ的厚度不大于300nm，所述间隔层Ⅰ和间隔层Ⅱ的材料为InGaAsP。
优选的，所述量子阱层的总厚度为400～800nm，所述量子阱层由多个周期性的量子阱组成；
所述量子阱包括中间的势阱和两侧的势垒，所述势阱的材料为In1-xGaxAsyP1-y，其中y为0.7～0.9、x为0.464～0.466，所述势垒的材料为InP材料。
优选的，所述P型轻掺杂层为P型InP轻掺杂层，其中P的掺杂浓度为3×1017～5×1017-3cm；
所述P型掺杂层为P型InP掺杂层，其中掺杂浓度大于等于1×1018cm-3。
优选的，所述N型掺杂层为N型InP掺杂层，其中掺杂浓度为1×1018～3×1018cm-3，所述N型掺杂层的厚度为1±0.1μm；
所述P型接触层为P型InGaAs层，其中掺杂浓度大于等于1×1019cm-3，所述P型接触层的厚度为0.1±0.01μm。
优选的，在有源波导结构上制备电极的方法具体为：
(1)在InP衬底层上生长外延片：在半绝缘InP衬底上利用化学气相沉积依次制备N型掺杂层、间隔层Ⅰ、量子阱层、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层、P型掺杂层和P型接触层，从而在InP衬底层上形成外延片，从而得到有源波导结构；
(2)制备深脊波导结构：以SiNx介质膜作为掩膜，通过光刻、刻蚀的方法将波导版图转移至所述有源波导结构的外延片上形成深脊波导结构；
(3)波导钝化：在所述深脊波导结构表面沉积介质膜进行波导钝化；
(4)沟道填充：在所述波导钝化后的材料上采用介质常数小于3.9的材料进行沟道填充；
(5)在有源波导结构的表面制备电极：通过光刻或电镀在有源波导结构的P型接触层表面制备电极。
2.上述电光调制器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在所述外延片上采用PECVD方法沉积厚度为0.2μm的氮硅烷(SiNx)介质膜作为掩膜；
(2)利用图形化工艺，依次进行涂胶、软烘焙、对准、曝光、显影、硬烘焙和刻蚀，将波导图形转移至外延片上；
(3)以步骤(1)中沉积的氮化硅(SiNx)介质膜为掩膜，利用干法或湿法刻蚀外延片，制作深脊波导；
(4)继续在深脊波导上淀积氮化硅(SiNx)介质膜，光刻N台阶图形，并以氮硅烷(SiNx)介质膜作为掩膜进行刻蚀；
(5)光刻行波调制波导，并以氮化硅(SiNx)介质膜作为掩膜，刻蚀至顶部间隔层表面，制备无源波导；
(6)继续在所述波导上淀积氮化硅(SiNx)介质膜作为波导的钝化膜以及刻蚀阻挡层；
(7)淀积介质常数小于3.9的材料，填充沟道，平坦化器件；
(8)淀积氮化硅(SiNx)介质膜，光刻电极孔，并在表面蒸发种子层；
(9)采用光刻、电镀工艺在种子层上制作微波传输线、周期性电极、相位电极与直流偏置电极；
(10)采用光刻、蒸发与剥离工艺制备电阻，同时进行合金化工艺实现欧姆接触；
(11)采用减薄工艺使外延片厚度减薄至所需厚度；
(12)在外延片背面采取金属化工艺以实现芯片集成；
(13)将整个外延片解理成Bar条，再对Bar条进行进一步解离，并在Bar条侧面镀增透膜，减少光损耗。
优选的，所述采用介质常数小于3.9的材料为苯并环丁烯(BCB)。
3.上述电光调制器在调节光的强度方面的应用。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器，包括依次相连的光输入端、光调制区和光输出端，该光调制区中的行波电极包括微波传输线和若干个周期性排列连接在所述波传输线上的电极，其中电极位于有源波导结构的P型接触层表面且有源波导结构从下到上依次包括InP衬底层和外延片，其中所述外延片从下到上依次包括N型掺杂层、间隔层Ⅰ、量子阱层、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层、P型掺杂层和P型接触层。本发明中InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器具有以下优点：(1)基于InP衬底制备，其可集成度更高，在后续能够与激光器、放大器等器件集成，实现集成的光模块；(2)利用多个量子阱作为波导的波导芯进行光传输，QCSE效应导致的折射率变化大，易于相位调制，可降低驱动电压和器件总长度；(3)采用带状式行波电极进行调制，相较于集总电极，调制器的3-dB电光调制带宽有了改善，对于波导设计的灵活度也越高；(4)采用P-I-N型结构，外延生长简单，反向漏电流小，有利于降低成本；(5)相对于常规的PIN型光调制器中P型层的载流子吸收较大导致本征区域厚度的限制，调整了剖面浓度分布，引入轻掺杂层之后，P型掺杂层造成的载流子吸收损耗减少，本征区域的厚度可以做得更薄，施加在量子阱上的电压得以增强，所需要的驱动电压也更低；(6)综合权衡电光调制效率与插入损耗后，采用不对称的间隔层厚度；(7)采用与衬底InP晶格匹配的四元材料InGaAsP，可通过简易的组分工程，调整材料禁带宽度，选择更适合工作波长的材料，实现高效的调制器；(8)采用低介电常数的介质填充沟道，取代有沟道器件所需的空气桥工艺，降低工艺难度，并实现了器件平坦化。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器的结构图；
图2为图1中XX’轴的剖面图；
图3为图1中YY’轴的剖面图；
图4为有源波导结构图；
图5为量子阱层结构图；
图6为InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器的制备流程图；
图7为InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器的制备工艺图；
图8为无源波导结构图；
其中1为输入端、2为直流偏置电极、3为微波传输线、4为行波电极、5为周期性电极、6为调制臂、7为位电极、8为RF电源、9为电阻、10为光输出端。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器，其结构如图1所示(XX’轴的剖面图如图2所示，YY’轴的剖面图如图3所示)，该电光调制器包括依次相连的光输入端1(包括Y型分束器或1×2耦合器中的任意一种)、光调制区和光输出端10(包括Y型合束器或2×2耦合器中的任意一种)。
所述光调制区包含直流偏置电极2、行波电极4、两个调制臂6和分别连接在调制臂6上的两个相位电极7，其中所述行波电极包括微波传输线3和若干个周期性排列连接在所述微波传输线3上的周期性电极5，所述周期性电极5位于有缘波导结构的P型接触层表面，RF电源8和电阻9分别连接在所述微波传输线3两端；
上述有源波导结构从下到上依次包括InP衬底层和外延片(其结构如图4所示)，其中外延片从下到上依次包括N型掺杂层(即N型InP掺杂层，采用N型InP掺杂材料，其中掺杂浓度为1×1018～3×1018cm-3，该N型掺杂层的厚度为1±0.1μm)、间隔层Ⅰ(材料为InGaAsP、厚度不大于300nm)、量子阱层(其结构如图5所示，由多个周期性的量子阱组成，交替生长的25个量子阱，背景掺杂浓度为5×1015cm-3，总厚度为500nm，该量子阱包括中间的势阱和两侧的势垒，其中势阱采用λPL＝1.38μm、厚度为14nm的In1-xGaxAsyP1-y材料(其中y为0.7～0.9、x为0.464～0.466)，势垒采用厚度为6nm的InP材料)、间隔层Ⅱ(材料为InGaAsP、厚度不大于300nm，该间隔层Ⅱ的厚度小于间隔层Ⅰ的厚度)、P型轻掺杂层(P型InP轻掺杂层，其中掺杂浓度为3×1017～5×1017cm-3、厚度为300nm)、P型掺杂层(P型InP掺杂层，其中掺杂浓度大于等于1×1018cm-3、厚度为700nm)和P型接触层(P型InGaAs层，其中掺杂浓度大于等于1×1019cm-3，其厚度为0.1±0.01μm)。
制备上述InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器的流程如图6所示，具体方法包括如下步骤(如图7所示)：
(1)在上述外延片(该外延片的制备方法为：在半绝缘InP衬底上利用化学气相沉积依次制备N型掺杂层(N+-InP)、间隔层Ⅰ、量子阱层(MQW)、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层(P-InP)、P型掺杂层(P+-InP)和P型接触层(P++-InGaAs)，从而在InP衬底层上形成外延片)上采用PECVD方法沉积厚度为0.2μm的氮化硅(SiNx)介质膜作为掩膜。
(2)利用图形化工艺，依次进行涂胶、软烘焙、对准、曝光、显影、硬烘焙和刻蚀，将波导图形转移至外延片上。
(3)以步骤(1)中沉积的氮化硅(SiNx)介质膜为掩膜，利用干法或湿法刻蚀外延片，制作深脊波导。
(4)继续在深脊波导上淀积氮化硅(SiNx)介质膜，光刻N台阶图形，并以氮硅烷(SiNx)介质膜作为掩膜进行刻蚀，以便后续制备直流偏置电极。
(5)光刻行波调制波导，并以氮化硅(SiNx)介质膜作为掩膜，刻蚀至顶部间隔层表面，制备无源波导(如图8所示)。
(6)继续在无源波导上淀积氮化硅(SiNx)介质膜作为波导的钝化膜以及刻蚀阻挡层。
(7)淀积低介电常数材料(苯并环丁烯(BCB))，填充沟道，平坦化器件。
(8)淀积氮化硅(SiNx)介质膜，光刻电极孔，并在表面蒸发种子层，为电镀工艺做准备。
(9)采用光刻、电镀工艺制作微波传输线、周期性电极、相位电极与直流偏置电极。
(10)采用光刻、蒸发与剥离工艺制备阻值为50Ω电阻，同时为了实现欧姆接触，进行合金化工艺。
(11)采用减薄工艺，使外延片厚度减薄至所需厚度。
(12)为后续实现芯片集成，在外延片背面采取金属化工艺。
(13)将整个外延片解理成Bar条，再对Bar条进行进一步解离，并在Bar条侧面镀增透膜，减少光损耗。
综上所述，本发明公开了一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器，包括依次相连的光输入端、光调制区和光输出端，该光调制区中的行波电极包括微波传输线和若干个周期性排列连接在所述波传输线上的电极，其中电极位于有源波导结构的P型接触层表面且有源波导结构从下到上依次包括InP衬底层和外延片，其中所述外延片从下到上依次包括N型掺杂层、间隔层Ⅰ、量子阱层、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层、P型掺杂层和P型接触层。本发明中InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器具有以下优点：(1)基于InP衬底制备，其可集成度更高，在后续能够与激光器、放大器等器件集成，实现集成的光模块；(2)利用多个量子阱作为波导的波导芯进行光传输，QCSE效应导致的折射率变化大，易于相位调制，可降低驱动电压和器件总长度；(3)采用带状式行波电极进行调制，相较于集总电极，调制器的3-dB电光调制带宽有了改善，对于波导设计的灵活度也越高；(4)采用P-I-N型结构，外延生长简单，反向漏电流小，有利于降低成本；(5)相对于常规的PIN型光调制器中P型层的载流子吸收较大导致本征区域厚度的限制，调整了剖面浓度分布，引入轻掺杂层之后，P型掺杂层造成的载流子吸收损耗减少，本征区域的厚度可以做得更薄，施加在量子阱上的电压得以增强，所需要的驱动电压也更低；(6)综合权衡电光调制效率与插入损耗后，采用不对称的间隔层厚度；(7)采用与衬底InP晶格匹配的四元材料InGaAsP，可通过简易的组分工程，调整材料禁带宽度，选择更适合工作波长的材料，实现高效的调制器；(8)采用低介电常数的介质填充沟道，取代有沟道器件所需的空气桥工艺，降低工艺难度，并实现了器件平坦化。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器，其特征在于，所述电光调制器包括依次相连的光输入端(1)、光调制区和光输出端(10)；
所述光调制区包含直流偏置电极(2)、行波电极(4)、两个调制臂(6)和分别连接在调制臂(6)上的两个相位电极(7)，其中所述行波电极包括微波传输线(3)和若干个周期性排列连接在所述微波传输线(3)上的周期性电极(5)，所述周期性电极(5)位于有缘波导结构的P型接触层表面，RF电源(8)和电阻(9)分别连接在所述微波传输线(3)两端；
所述有源波导结构从下到上依次包括InP衬底层和外延片，其中所述外延片从下到上依次包括N型掺杂层、间隔层Ⅰ、量子阱层、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层、P型掺杂层和P型接触层。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述光输入端(1)包括Y型分束器或1×2耦合器中的任意一种，其中Y型分束器或1×2耦合器中的任意一种(1)的另一端与分别与两个调制臂(6)相连；
所述光输出端(10)包括与两个所述调制臂(6)的另一端相连的Y型合束器或2×2耦合器中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述间隔层Ⅰ的厚度大于间隔层Ⅱ的厚度，所述间隔层Ⅰ和间隔层Ⅱ的厚度不大于300nm，所述间隔层Ⅰ和间隔层Ⅱ的材料为InGaAsP。
4.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述量子阱层的总厚度为400～800nm，所述量子阱层由多个周期性的量子阱组成；
所述量子阱包括中间的势阱和两侧的势垒，所述势阱的材料为In1-xGaxAsyP1-y，其中y为0.7～0.9、x为0.464～0.466，所述势垒的材料为InP材料。
5.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述P型轻掺杂层为P型InP轻掺杂层，其中P的掺杂浓度为3×1017～5×1017cm-3；
所述P型掺杂层为P型InP掺杂层，其中掺杂浓度大于等于1×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述N型掺杂层为N型InP掺杂层，其中掺杂浓度为1×1018～3×1018cm-3，所述N型掺杂层的厚度为1±0.1μm；
所述P型接触层为P型InGaAs层，其中掺杂浓度大于等于1×1019cm-3，所述P型接触层的厚度为0.1±0.01μm。
7.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，在有源波导结构上制备电极的方法具体为：
(1)在InP衬底层上生长外延片：在半绝缘InP衬底上利用化学气相沉积依次制备N型掺杂层、间隔层Ⅰ、量子阱层、间隔层Ⅱ、P型轻掺杂层、P型掺杂层和P型接触层，从而在InP衬底层上形成外延片，从而得到有源波导结构；
(2)制备深脊波导结构：以SiNx介质膜作为掩膜，通过光刻、刻蚀的方法将波导版图转移至所述有源波导结构的外延片上形成深脊波导结构；
(3)波导钝化：在所述深脊波导结构表面沉积介质膜进行波导钝化；
(4)沟道填充：在所述波导钝化后的材料上采用介质常数小于3.9的材料进行沟道填充；
(5)在有源波导结构的表面制备电极：通过光刻或电镀在有源波导结构的P型接触层表面制备电极。
8.权利要求1～7任一项所述电光调制器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在所述外延片上采用PECVD方法沉积厚度为0.2μm的氮硅烷介质膜作为掩膜；
(2)利用图形化工艺，依次进行涂胶、软烘焙、对准、曝光、显影、硬烘焙和刻蚀，将波导图形转移至外延片上；
(3)以步骤(1)中沉积的氮化硅介质膜为掩膜，利用干法或湿法刻蚀外延片，制作深脊波导；
(4)继续在深脊波导上淀积氮化硅介质膜，光刻N台阶图形，并以氮硅烷介质膜作为掩膜进行刻蚀；
(5)光刻行波调制波导，并以氮化硅介质膜作为掩膜，刻蚀至顶部间隔层表面，制备无源波导；
(6)继续在所述波导上淀积氮化硅介质膜作为波导的钝化膜以及刻蚀阻挡层；
(7)淀积介质常数小于3.9的材料，填充沟道，平坦化器件；
(8)淀积氮化硅介质膜，光刻电极孔，并在表面蒸发种子层；
(9)采用光刻、电镀工艺在种子层上制作微波传输线、周期性电极、相位电极与直流偏置电极；
(10)采用光刻、蒸发与剥离工艺制备电阻，同时进行合金化工艺实现欧姆接触；
(11)采用减薄工艺使外延片厚度减薄至所需厚度；
(12)在外延片背面采取金属化工艺以实现芯片集成；
(13)将整个外延片解理成Bar条，再对Bar条进行进一步解离，并在Bar条侧面镀增透膜，减少光损耗。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述采用介质常数小于3.9的材料为苯并环丁烯。
10.权利要求1～7任一项所述电光调制器在调节光的强度方面的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310442823.9A CN116719193A (zh) | 2023-04-23 | 2023-04-23 | 一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310442823.9A CN116719193A (zh) | 2023-04-23 | 2023-04-23 | 一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116719193A true CN116719193A (zh) | 2023-09-08 |
Family
ID=87870397
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310442823.9A Pending CN116719193A (zh) | 2023-04-23 | 2023-04-23 | 一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116719193A (zh) |
-
2023
- 2023-04-23 CN CN202310442823.9A patent/CN116719193A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7929813B2 (en) | QAM optical modulators | |
| US6633692B2 (en) | High carrier injection optical waveguide switch | |
| CN108828797B (zh) | 一种硅基电吸收调制器及其制备方法 | |
| US20220181846A1 (en) | Optical modulator and method for manufacturing the same | |
| CN112290385A (zh) | 多波长硅基iii-v族混合集成激光器阵列单元及制作方法 | |
| Bhasker et al. | Low voltage, high optical power handling capable, bulk compound semiconductor electro-optic modulators at 1550 nm | |
| CN114284865B (zh) | 有源反馈分布式反馈激光器及其制作方法 | |
| CN115275768A (zh) | 高速电吸收调制激光器芯片及其制备方法 | |
| CN104701734A (zh) | 一种半导体激光器及其制作方法及激光器阵列 | |
| CN114188823A (zh) | 无制冷抗反射InP基量子点/量子阱耦合EML外延片的制备方法 | |
| CN103605218B (zh) | 波导型电光调制器及其制作方法 | |
| CN116719193A (zh) | 一种InP基的马赫-曾德尔干涉型电光调制器及其制备方法 | |
| Bhasker et al. | Intensity and phase modulators at 1.55 μm in GaAs/AlGaAs layers directly grown on silicon | |
| CN207895208U (zh) | 一种波长无关高消光比的硅光子调制器 | |
| KR0174303B1 (ko) | 반도체장치 및 그 제조방법 | |
| CN115167015A (zh) | 波导调制器以及波导调制器制备方法 | |
| US20230251417A1 (en) | Semiconductor optical integrated element | |
| CN108051972B (zh) | 一种波长无关高消光比的硅光子调制器 | |
| Matsuo | Heterogeneously integrated III–V photonic devices on Si | |
| CN116107103B (zh) | 高分辨垂直光学相位调制阵列 | |
| CN113917714A (zh) | 具有脊形波导的单片硅上iii-v族光电调相器 | |
| Aihara et al. | 56-Gbit/s operations of Mach-Zehnder modulators using 300-µm-long membrane InGaAsP phase shifters and SiN waveguides on Si | |
| WO2023238184A1 (ja) | 光変調器 | |
| Hiraki et al. | Heterogeneously Integrated Mach-Zehnder Modulator Using Membrane InGaAsP Phase Shifter and Hydrogen-free SiN Waveguide on Si Platform | |
| US11747659B2 (en) | Optical modulator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |