一種矽基垂直槽式納米線光調製器的製造方法

2023-04-28 17:47:21 1

一種矽基垂直槽式納米線光調製器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種矽基垂直槽式納米線光調製器，可用於光通信、集成光子學和矽基光子學等領域。在垂直槽式納米線的基礎上，通過在其縫隙區及上包層填充電光係數高、折射率低的聚合物材料，高折射率區為本徵矽，兩側為鈮酸鋰並與電極直接接觸，構建矽光調製器。通過該調製器的設計，可以實現縫隙區的光功率及射頻電場最大，同時有效面積最小，獲得最優的電光效應，使光場/射頻電場的交迭積分因子最大、射頻傳輸損耗低、光/射頻模式的有效折射率匹配，以獲得最佳的調製性能。
【專利說明】一種矽基垂直槽式納米線光調製器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及集成光學【技術領域】，具體涉及一種矽基垂直槽式納米線光調製器。

【背景技術】
[0002] 光調製器是光網絡、光互連中的關鍵部件，主要功能是將電信號轉變成光信號在 光纖鏈路或者集成光波導中傳輸。由於外調製方式具有高速及可消除內調製產生的啁啾現 象等優點，使得高速、大容量光通信系統中均採用外調製技術。對於材料的選擇，光調製器 主要採用半導體、鐵電體和聚合物等材料，其中半導體材料容易實現各類光子器件的單片 集成，形成光子集成迴路（PICs)，突破分立器件的局限，使得它的處理功能和工作速度大幅 提高，功耗大大降低、尺寸大大縮小，因而極大地改善了晶片的成品率和可靠性，同時依託 目前成熟的標準CMOS工藝，可實現器件的低成本和批量化生產。其中矽基材料一作為一類 重要的半導體材料，已經被廣泛用於各種電子器件的製造中，在光子器件方面它也是很好 的選擇。但是，矽沒有線性電光效應，使得在研製光調製器方面面臨諸多挑戰。目前矽基光 調製器主要採用一種間接的電光效應即自由載流子色散效應，相應的調製速度也已經達到 40Gbit/s甚至更高。但是這與聚合物、III- V族半導體等其他材料的電光效應相比，顯得較 弱，導致驅動電壓很高，特別是重摻雜矽有源層還帶來非常高的傳輸損耗，在調製帶寬到達 數十GHz後，很難再進一步提高，所以需要找尋新的途徑來研製光調製器。
[0003] 槽波導作為一種新的波導結構，於2004年被美國康奈爾大學Michal Lipson教授 課題組最早提出，隨後受到許多研宄人員的關注。其結構是由兩個近靠的高折射率分布差 矽基納米線構成，中間形成納米槽或者納米縫，根據電磁場的邊值關係，在垂直於高折射率 差分布的材料分界面上，電場分量將出現不連續性，由於槽的寬度遠小於槽兩側條形波導 的特徵衰減長度，使得電場在低折射率的槽中大大增強，相應的模場也將集中於微槽區域。 對於垂直型的槽波導，根據其結構又可稱之為垂直槽式納米線，基於其獨特的場增強效應， 許多光子器件已被提出，例如：微環諧振腔、光開關、光發射器、定向耦合器、多模幹涉器、生 物/化學傳感器等。


【發明內容】

[0004] 發明目的：為了解決現有技術的不足，本發明提供一種矽基垂直槽式納米線光調 制器，通過垂直槽式納米線和光電材料，解決了傳輸損耗高、製作工藝複雜的問題，克服了 現有技術的不足。
[0005] 技術方案：一種矽基垂直槽式納米線光調製器，包括矽襯底，其特徵在於，包括掩 埋氧化物層、信號電極、電極地、垂直槽式納米線、光電材料和填料；
[0006] 所述掩埋氧化物層覆蓋在矽襯底上，一條信號電極位於掩埋氧化物層表面中央， 兩條電極地分別對稱位於信號電極兩側，且與信號電極平行；每一條電極地和信號電極之 間，分別包括一組光電材料和垂直槽式納米線；該組光電材料由完全相同的兩條光電材料 組成，兩條光電材料的相對面之間填塞有垂直槽式納米線；該垂直槽式納米線開口向上； 所述兩條光電材料一條與電極地接觸，另一條與信號電極接觸；
[0007] 垂直槽式納米線上方和垂直槽式納米線之間的縫隙區域均填塞有填料。
[0008] 進一步的，光電材料為銀酸鋰材料。由於垂直槽式納米線結構兩側的娃納米線尺 寸小，直接套制行波調製電極困難，電極間距短，帶來嚴重的射頻傳輸損耗。一般需要形成 脊波導，在其兩側的平板波導上重摻雜，然後套制電極，同樣帶來嚴重的射頻傳輸損耗，限 制調製帶寬。為此，採用具有較低的光折射率和高的射頻介電常數的材料鈮酸鋰，將其填充 在垂直槽式納米線和電極之間，可顯著的減小電極的製作難度，不需要在納米線上製作電 極，同時依靠鈮酸鋰優異的電光特性，降低傳輸損耗。
[0009] 進一步的，光電材料的高度與垂直槽式納米線高度相同。光子器件目前主要採用 平面工藝製作，兩者高度一樣便於器件的實際製作，降低製作難度。
[0010] 進一步的，填料為聚合物填料。採用聚合物材料填充其縫隙區和上包層，基於其獨 特的波導結構，使得光場在縫隙區內出現明顯的增強，同時電場也主要落在該縫隙區域內 (納米尺度），可有效降低極化聚合物所需要的電壓，相應的器件功耗也可以降低。
[0011] 有益效果：與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下有益效果：
[0012] 1、驅動電壓低、功耗低。本發明採用垂直槽式納米線結構，採用聚合物材料填充其 縫隙區和上包層，基於其獨特的波導結構，使得光場在縫隙區內出現明顯的增強，同時電場 也主要落在該縫隙區域內（納米尺度），可有效降低極化聚合物所需要的電壓，相應的器件 功耗也可以降低。
[0013] 2、調製電極製作簡單、傳輸損耗低。由於垂直槽式納米線結構兩側的矽納米線尺 寸小，直接套制行波調製電極（如：共面金屬波導）困難，電極間距短，帶來嚴重的射頻傳輸 損耗。一般需要形成脊波導，在其兩側的平板波導上重摻雜，然後套制電極，同樣帶來嚴重 的射頻傳輸損耗（尤其在高速調製時），限制調製帶寬。為此，採用具有較低的光折射率和 高的射頻介電常數的材料一鈮酸鋰，將其填充在垂直槽式納米線和電極之間，可顯著的減 小電極的製作難度，不需要在納米線上製作電極，同時依靠鈮酸鋰優異的電光特性，降低傳 輸損耗。
[0014] 3、調製帶寬高、速率高。本發明所闡述的結構，高折射率區為本徵矽，電極間距大， 射頻傳輸損耗小，大大提高器件的調製帶寬，可超過200GHz，同時採用共面波導結構的行波 電極，實施推挽工作，通過優化設計，使得射頻/光模式的有效折射率匹配，實現高速調製， 可達40Gbit/s，且可進一步降低驅動電壓。
[0015] 4、結構緊湊、製作方便、成本低廉，易於集成。本發明器件是在高折射率差（絕緣 體上矽材料）的平臺上製作，使得器件的整體結構具有較高的緊湊性。同時該器件的製作 流程與目前成熟的標準CMOS工藝完全兼容，可依託現有的CMOS工藝線進行加工，以簡化器 件的製作過程，提高成品率並可與採用相同工藝的其它器件進行集成，實現器件的低成本 批量化生產。基於這些有益效果和優勢，該器件在集成光子學特別是矽基光子學領域有著 潛在的應用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明的橫截面結構示意圖；
[0017] 圖2為本發明中垂直槽式納米線結構橫電模的主分量模場分布圖；
[0018] 圖3為本發明中基於垂直槽式納米線光調製結構設計的2X2Mach_Zehnder型娃 光調製器結構示意圖；
[0019] 圖中，矽襯底1、掩埋氧化物層2、信號電極3、電極地4、垂直槽式納米線5、光電材 料6、填料7。

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0021] 如圖1所示，一種矽基垂直槽式納米線光調製器，包括矽襯底1，其特徵在於，包括 掩埋氧化物層2、信號電極3、電極地4、垂直槽式納米線5、光電材料6和填料7 ;
[0022] 所述掩埋氧化物層2覆蓋在矽襯底1上，一條信號電極3位於掩埋氧化物層2表 面中央，兩條電極地4分別對稱位於信號電極3兩側，且與信號電極3平行；每一條電極地 4和信號電極3之間，分別包括一組光電材料6和垂直槽式納米線5 ;該組光電材料6由完 全相同的兩條光電材料6組成，兩條光電材料6的相對面之間填塞有垂直槽式納米線5 ;該 垂直槽式納米線5開口向上；所述兩條光電材料6 -條與電極地4接觸，另一條與信號電極 3接觸；
[0023] 垂直槽式納米線5上方和垂直槽式納米線5之間的縫隙區域均填塞有填料7。
[0024] 進一步的，光電材料6為鈮酸鋰材料。由於垂直槽式納米線結構兩側的矽納米線 尺寸小，直接套制行波調製電極困難，電極間距短，帶來嚴重的射頻傳輸損耗。一般需要形 成脊波導，在其兩側的平板波導上重摻雜，然後套制電極，同樣帶來嚴重的射頻傳輸損耗， 限制調製帶寬。為此，採用具有較低的光折射率和高的射頻介電常數的材料鈮酸鋰，將其填 充在垂直槽式納米線和電極之間，可顯著的減小電極的製作難度，不需要在納米線上製作 電極，同時依靠鈮酸鋰優異的電光特性，降低傳輸損耗。
[0025] 進一步的，光電材料6的高度與垂直槽式納米線5高度相同。
[0026] 進一步的，填料7為聚合物填料。採用聚合物材料填充其縫隙區和上包層，基於其 獨特的波導結構，使得光場在縫隙區內出現明顯的增強，同時電場也主要落在該縫隙區域 內納米尺度，可有效降低極化聚合物所需要的電壓，相應的器件功耗也可以降低。
[0027] 上述調製器的結構特性及工作原理如下：基於垂直槽式納米線在其縫隙區域內 強的場增強效應，選用電光係數較大的聚合物材料進行填充，可明顯降低驅動電壓、提升調 制帶寬，同時考慮到槽式納米線結構兩側的矽納米線尺寸小，直接套制行波調製電極（共 面金屬波導）困難，電極間距短，帶來嚴重的射頻傳輸損耗。一般需要形成脊波導，在其兩 側的平板波導上重摻雜，然後套制電極，但這同樣會帶來嚴重的射頻傳輸損耗，限制調製帶 寬。為解決這個問題，可利用鈮酸鋰獨特的材料特性：較低的光折射率而非常高的射頻介電 常數。在光頻波段，聚合物折射率最低、鈮酸鋰次之、矽最高，形成槽式納米光波導結構，使 得橫電模（TE模）的光場高度集中縫隙區；在射頻波段，聚合物相對介電常數最低、矽次之、 鈮酸鋰最高，調製電極形成槽式共面金屬波導，調製電壓主要落在縫隙區，射頻電場同樣高 度集中在縫隙區。這樣，射頻電場與光模場交迭積分因子最大，充分利用聚合物超高的線性 電光效應，大大降低器件的驅動電壓；高折射率區為本徵矽，電極間距大，射頻傳輸損耗小， 大大提高器件的調製帶寬；通過優化設計，使得光、射頻模式的有效折射率匹配，器件可實 現高速工作；電流在直流偏置下，電場主要落在納米尺度的縫隙區，可達50V/μ m(直流偏 置約為40V)，滿足聚合物材料的極化條件，可直接極化聚合物材料，實現強電光效應，另外， 製作流程完成兼容目前成熟的標準CMOS工藝。
[0028] 上述結構的器件採用共面金屬波導行波電極，中間為信號電極，兩側為地，當射頻 工作頻率為4時，其頻率響應m(fm)為：

【權利要求】
1. 一種娃基垂直槽式納米線光調製器，包括娃襯底（1)，其特徵在於，包括掩埋氧化物 層（2)、信號電極（3)、電極地（4)、垂直槽式納米線巧）、光電材料做和填料（7); 所述掩埋氧化物層（2)覆蓋在娃襯底（1)上，一條信號電極（3)位於掩埋氧化物層（2) 表面中央，兩條電極地（4)分別對稱位於信號電極（3)兩側，且與信號電極（3)平行；每一 條電極地（4)和信號電極（3)之間，分別包括一組光電材料做和垂直槽式納米線巧）；該 組光電材料化）由完全相同的兩條光電材料（6)組成，兩條光電材料（6)之間填塞有垂直 槽式納米線巧），該垂直槽式納米線（5)開口向上；所述兩條光電材料（6) -條與電極地 (4)接觸，另一條與信號電極（3)接觸； 垂直槽式納米線（5)上方和垂直槽式納米線（5)之間的縫隙區域均填塞有填料（7)。
2. 如權利要求1所述一種娃基垂直槽式納米線光調製器，其特徵在於，所述光電材料 (6)為魄酸裡材料。
3. 如權利要求1或2所述一種娃基垂直槽式納米線光調製器，其特徵在於，所述光電材 料化）的高度與垂直槽式納米線巧）高度相同。
4. 如權利要求1-3任一所述一種娃基垂直槽式納米線光調製器，其特徵在於，所述填 料（7)為聚合物填料。
【文檔編號】G02F1/03GK104460053SQ201410810586
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月23日 優先權日:2014年12月23日
【發明者】肖金標, 徐銀 申請人:東南大學