一種基于soi的mz型聲光調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅基MZ型聲光調(diào)制器，特別涉及利用聲表面波做調(diào)制信號(hào)的一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]基于SOI (Silicon-On-1nsulator)材料的娃基集成光子學(xué)是近年來(lái)研宄的熱點(diǎn)，相較于其他材料的光電子集成技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于:首先，Si和S12折射率差大，對(duì)光的限制能力強(qiáng)，有利于減小器件尺寸，其次基于SOI的硅基光電子器件制作工藝與CMOS工藝完全兼容，因此有利于集成光電子芯片大規(guī)模低成本制造，以及光路與電路的單片集成。基于以上原因，硅基集成光子學(xué)在光互連、光傳感、微波光子學(xué)、量子光學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，聲表面波技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，大量性能與用途各異的聲表面波器件不斷涌現(xiàn)，如今聲表面波器件已經(jīng)無(wú)處不在，廣泛應(yīng)用于專業(yè)雷達(dá)、通信系統(tǒng)和日常消費(fèi)領(lǐng)域，如電視、音響混頻、移動(dòng)電話、高速公路的射頻遠(yuǎn)程收費(fèi)、電子標(biāo)簽等。在當(dāng)今以擴(kuò)頻為標(biāo)志的、快讀發(fā)展的移動(dòng)通信中，聲表面波濾波器發(fā)揮著極其重要的作用，聲表面波技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)研宄的熱點(diǎn)。
[0004]聲光效應(yīng)被應(yīng)用于集成光學(xué)作為光學(xué)調(diào)制已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了。雖然由于SOI本身沒(méi)有壓電性，難以激勵(lì)出聲表面波，SOI上的聲光調(diào)制器一直少有報(bào)道，但是在SOI材料上制作聲光調(diào)制器，就可充分結(jié)合聲光器件和硅基器件的優(yōu)勢(shì)，解決傳統(tǒng)聲光器件難以集成的問(wèn)題，所以如何設(shè)計(jì)SOI上聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，以及如何提高器件的效率是亟待解決的問(wèn)題。
[0005]圖1，圖2顯示的是傳統(tǒng)的基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)是有MZ光波導(dǎo)層，氧化鋅壓電層2，叉指換能器3，其將叉指換能器3放置在MZ光波導(dǎo)的一側(cè)，其基本工作原理是:叉指換能器3接入射頻信號(hào)，激發(fā)產(chǎn)生的聲表面波向兩側(cè)傳輸，經(jīng)過(guò)MZ光波導(dǎo)的時(shí)候改變波導(dǎo)的折射率，完成對(duì)光波導(dǎo)的調(diào)制。其存在的問(wèn)題是為了提高調(diào)制效率需要嚴(yán)格控制MZ光波導(dǎo)兩臂之間的距離為奇數(shù)倍的半波長(zhǎng)，這樣可以使一臂處于波峰的時(shí)候另一臂處于波谷，實(shí)際情況是聲波經(jīng)過(guò)無(wú)電極的部分波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致兩波導(dǎo)之間的距離難以準(zhǔn)確控制，并且聲波通過(guò)第一根波導(dǎo)的時(shí)候會(huì)有能量的損失，導(dǎo)致第二根波導(dǎo)不能得到一樣的調(diào)制效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器，把叉指換能器引入Mach-Zehnder光波導(dǎo)(即MZ光波導(dǎo))兩臂之間，解決了傳統(tǒng)的聲光調(diào)制器中由于聲表面波波長(zhǎng)難以確定，從而導(dǎo)致MZ光波導(dǎo)兩臂間距難以準(zhǔn)確設(shè)置的難題。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明包括MZ光波導(dǎo)、氧化鋅壓電層和叉指換能器，叉指換能器位于氧化鋅壓電層上；氧化鋅壓電層位于MZ光波導(dǎo)兩臂之間的頂層硅上，MZ光波導(dǎo)、氧化鋅壓電層和叉指換能器在空間上是自下而上分布的。
[0008]所述叉指換能器是位于MZ光波導(dǎo)兩臂之間的氧化鋅壓電層上，并且叉指換能器中心與MZ光波導(dǎo)兩臂的距離相等。
所述氧化鋅壓電層僅覆蓋在MZ兩臂之間或者完全覆蓋在SOI上表面。
[0009]所述的MZ光波導(dǎo)兩端分別是由1*2的麗I和2*1的麗I組成，中間為兩條直波導(dǎo)。
[0010]所述叉指換能器采用均勻單指換能器。
[0011]本發(fā)明具有的有益效果是:
本發(fā)明提出利用聲表面波在介質(zhì)中傳播引起的周期性機(jī)械振動(dòng)來(lái)改變光波導(dǎo)的有效折射率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制的功能，聲波通過(guò)MZ光波導(dǎo)兩臂的時(shí)候，因?yàn)閮杀劬嚯x叉指換能器距離相等，所以可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)谝桓▽?dǎo)處于聲波波峰的時(shí)候，第二根波導(dǎo)處于聲波波谷，無(wú)需像傳統(tǒng)的聲光調(diào)制器那樣嚴(yán)格控制兩波導(dǎo)之間的距離，并且本發(fā)明波導(dǎo)處于叉指換能器兩側(cè)，可以避免聲波通過(guò)波導(dǎo)時(shí)候因?yàn)榉瓷涠p，而導(dǎo)致第二根波導(dǎo)不能得到一致調(diào)制的問(wèn)題，本發(fā)明可以充分利用叉指換能器產(chǎn)生的聲波，節(jié)省能源。
[0012]可將本發(fā)明應(yīng)用于集成光學(xué)設(shè)計(jì)中，器件是制作在使用最廣泛的SOI上的，成本低性能高，損耗小，與CMOS工藝完美兼容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，并且其所需施加的工作電壓低，節(jié)能環(huán)保。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是傳統(tǒng)的基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器俯視圖。
[0014]圖2是傳統(tǒng)的基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器的截面圖。
[0015]圖3是本發(fā)明中SOI上的MZ型聲光調(diào)制器的俯視圖。
[0016]圖4是一個(gè)實(shí)施例中氧化鋅濺射在叉指換能器部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖5是另一個(gè)實(shí)施例中氧化鋅完全覆蓋在SOI上表面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中:1、Mach-Zehnder光波導(dǎo)，2、氧化鋅壓電層，3、叉指換能器，4、頂層娃，5、二氧化硅襯底，6、底層硅。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020]如圖3所示，本發(fā)明包括MZ光波導(dǎo)1、氧化鋅壓電層2和叉指換能器3，叉指換能器3位于氧化鋅壓電層2上；氧化鋅壓電層2位于MZ光波導(dǎo)I兩臂之間的頂層硅上，MZ光波導(dǎo)1、氧化鋅壓電層2和叉指換能器3在空間上是自下而上分布的。
[0021]如圖3、圖4所示，所述叉指換能器3是位于MZ光波導(dǎo)I兩臂之間的氧化鋅壓電層2上，并且叉指換能器3中心與MZ光波導(dǎo)I兩臂的距離相等。
如圖4、圖5所示，所述氧化鋅壓電層2僅覆蓋在MZ兩臂之間或者完全覆蓋在SOI上表面。
[0022]所述的MZ光波導(dǎo)I兩端分別是由1*2的麗I和2*1的麗I組成，中間為兩條直波導(dǎo)。在所述的Mach-Zehnder光波導(dǎo)輸入端是1*2的MMI，MMI的兩個(gè)輸出端分別接兩段彎曲波導(dǎo)，兩端的彎曲波導(dǎo)和分別和兩根直波導(dǎo)相接，兩根直波導(dǎo)用彎曲波導(dǎo)放縮兩臂之間的間距，接輸出端2*1的麗I。
[0023]所述叉指換能器3采用均勻單指換能器。
[0024]如圖3所示，本發(fā)明在SOI材料(它由底層硅6、二氧化硅襯底5和頂層硅4組成)的頂層硅4上刻蝕出MZ光波導(dǎo)，增加彎曲波導(dǎo)半徑可以擴(kuò)展MZ光波導(dǎo)兩臂之間的距離，在MZ光波導(dǎo)兩臂之間濺射一層氧化鋅壓電層2，用于解決SOI材料沒(méi)有壓電性，不能產(chǎn)生聲表面波的問(wèn)題，在氧化鋅壓電層2上，生長(zhǎng)叉指換能器3，用于激發(fā)聲表面波，在叉指換能器3上加上射頻信號(hào)，配合氧化鋅壓電層2，即能產(chǎn)生聲表面波，并且會(huì)沿著介質(zhì)表面雙向傳輸，MZ光波導(dǎo)受到周期性的機(jī)械擾動(dòng)，局部會(huì)被壓縮或者拉伸，折射率會(huì)發(fā)生周期性的變化，完成聲波對(duì)光學(xué)信號(hào)的調(diào)制。
[0025]本發(fā)明是基于圖1，圖2中傳統(tǒng)的聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，將叉指電極引入MZ光波導(dǎo)兩臂之間，工作原理與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，本發(fā)明需要控制兩臂到波導(dǎo)的距離相等，叉指換能器3產(chǎn)生的聲表面波通過(guò)波導(dǎo)的時(shí)候恰巧一臂處于波峰的時(shí)候另一臂處于波谷，不在需要控制兩臂之間的間距，其優(yōu)勢(shì)在于:1、不需要嚴(yán)格控制兩臂之間的距離，2、利用聲波雙向傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，兩側(cè)的聲波調(diào)制兩臂互不干擾，解決了聲波通過(guò)第一根波導(dǎo)能量損耗的問(wèn)題，3、兩側(cè)的聲波都能用于光學(xué)調(diào)制，充分利用兩側(cè)的聲表面波能量，符合節(jié)能環(huán)保的理念。
[0026]本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)制作可以通過(guò)但不限于以下方式實(shí)施:
娃基波導(dǎo)的制作:采用頂層娃厚為220nm、二氧化娃埋層2 μπι的絕緣層上娃(SOI)材料，完成晶圓表面清洗之后，進(jìn)行深紫外光刻獲得硅刻蝕掩膜，通過(guò)硅干法刻蝕，制作出所需的MZ光波導(dǎo)，去除掩膜，并進(jìn)行表面清洗。
[0027]氧化鋅的濺射:采用磁控濺射技術(shù)，選用鋅靶作為濺射靶材，氬氣(Ar)為濺射氣體，氧氣為反應(yīng)氣體，反應(yīng)前清洗基片保證薄膜初始沉積有良好的取向，預(yù)沉積后通入氬氣和氧氣，調(diào)節(jié)二者比例，試驗(yàn)中要求真空度優(yōu)于4*10_4Pa，將靶材上的鋅與氧氣氧化反應(yīng)生成的氧化鋅，沉積到器件表面，控制氧化鋅的厚度為2 μπι，實(shí)驗(yàn)中用掃描電鏡和原子力顯微鏡來(lái)觀察薄膜表面形貌，結(jié)晶狀況及表面粗糙度。對(duì)于氧化鋅僅僅覆蓋在叉指電極周圍的器件，需要電極以外部分的氧化鋅清洗掉。
[0028]叉指換能器的制作:采用直流濺射法，在氧化鋅表面生成200nm的鋁膜，通過(guò)光刻技術(shù)，光刻板上有所需要的電極的圖形，采用接觸式曝光的方法，在波導(dǎo)中心位置刻出叉指電極圖樣，壓電基片顯影后，留下帶膠的圖形，再通過(guò)干法刻蝕工藝，制作出鋁電極。
[0029]由此，完成SOI上的MZ型聲光調(diào)制器的制作，用探針在叉指換能器上加入射頻信號(hào)，加入電壓為IV的時(shí)候，對(duì)波導(dǎo)折射率的改變?yōu)?(Γ4量級(jí)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器，包括MZ光波導(dǎo)(1)、氧化鋅壓電層(2)和叉指換能器(3)，叉指換能器(3)位于氧化鋅壓電層(2)上；其特征在于:氧化鋅壓電層(2)位于MZ光波導(dǎo)⑴兩臂之間的頂層硅上，MZ光波導(dǎo)(I)、氧化鋅壓電層(2)和叉指換能器(3)在空間上是自下而上分布的。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器，其特征在于:所述叉指換能器(3)是位于MZ光波導(dǎo)(I)兩臂之間的氧化鋅壓電層(2)上，并且叉指換能器(3)中心與MZ光波導(dǎo)(I)兩臂的距離相等。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器，其特征在于:所述氧化鋅壓電層(2)僅覆蓋在MZ兩臂之間或者完全覆蓋在SOI上表面。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器，其特征在于:所述的MZ光波導(dǎo)(I)兩端分別是由1*2的麗I和2*1的麗I組成，中間為兩條直波導(dǎo)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器，其特征在于:所述叉指換能器(3)采用均勻單指換能器。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于SOI的MZ型聲光調(diào)制器。包括MZ光波導(dǎo)、氧化鋅壓電層和叉指換能器，叉指換能器位于氧化鋅壓電層上；氧化鋅壓電層位于MZ光波導(dǎo)兩臂之間的頂層硅上，MZ光波導(dǎo)、氧化鋅壓電層和叉指換能器在空間上是自下而上分布的。本發(fā)明利用叉指電極激勵(lì)出聲表面波，通過(guò)聲表面波和聲光效應(yīng)改變光波導(dǎo)的有效折射率，實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制?？蓪⒈景l(fā)明應(yīng)用于集成光學(xué)設(shè)計(jì)中，器件是制作在使用最廣泛的SOI上的，成本低性能高，損耗小，與CMOS工藝完美兼容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，并且其所需施加的工作電壓低，節(jié)能環(huán)保。
【IPC分類】G02F1/11
【公開(kāi)號(hào)】CN104991356
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510440024
【發(fā)明人】余輝, 秦晨, 葉喬波, 趙昌云, 江曉清
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年7月24日