一種采用脊形波導(dǎo)的馬赫曾德光調(diào)制器晶片結(jié)構(gòu)及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器制作方式，所選用的基底材料是鈮酸鋰晶體，該晶片的復(fù)合結(jié)構(gòu)自下向上包括鈮酸鋰襯底，二氧化硅下包層，鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜，單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，二氧化硅上包層，行波電極。本發(fā)明能夠大大降低了在光傳輸過程中的損耗，在鈮酸鋰薄膜層鎂摻雜的濃度達(dá)到抗光折變閾值，能夠?qū)Χ滩ㄩL如紅光、綠光或藍(lán)紫色光進(jìn)行調(diào)制，采用二氧化硅作為上下包層，在實現(xiàn)低功耗驅(qū)動的同時降低了調(diào)制器的尺寸，提高了器件的穩(wěn)定性，具有制作工藝簡便，器件尺寸小，彎曲半徑小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
【專利說明】
一種采用脊形波導(dǎo)的馬赫曾德光調(diào)制器晶片結(jié)構(gòu)及其制備工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器及其制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]集成光學(xué)作為現(xiàn)代光電子技術(shù)的一個重要分支自從1969年首次提出后發(fā)展較快。隨著微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，平面加工技術(shù)的日臻完善，以晶體或者非晶體材料為襯底的光波導(dǎo)應(yīng)運(yùn)而生，使人們可以將光限制在與其波長相比擬的微小空間加以研究和利用。由于光限制在介質(zhì)波導(dǎo)中傳播，通過介質(zhì)的電光、聲光、磁光等多種物理效應(yīng)對其波導(dǎo)中傳播的光進(jìn)行控制和處理。目前，集成光學(xué)己初具規(guī)模，并在光通訊中顯示出獨特的優(yōu)越性。以妮酸鏗光調(diào)制器、光開關(guān)為代表的集成光學(xué)器件在光纖通訊、光學(xué)傳感和光學(xué)信息處理中有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)日益成熟。許多應(yīng)用系統(tǒng)元件已集成在一塊芯片上。并與先進(jìn)的電子學(xué)自動控制和信息處理現(xiàn)結(jié)合。大幅度提高了系統(tǒng)性能。其中用于寬帶光纖通用的外調(diào)制器，光纖CATV發(fā)射機(jī)和光纖陀螺多功能集成光學(xué)芯片已達(dá)到大規(guī)模的商品生產(chǎn)，并且由于優(yōu)異的性能和較低的成本，在國際市場上處于供不應(yīng)求的狀況。在人類進(jìn)入信息時代的今天，在信息高速傳輸、光學(xué)信息傳感和信息處理方面都有突出表現(xiàn)的LNIb03集成光學(xué)技術(shù)將發(fā)揮重要的作用，帶來良好的社會效益和豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]馬赫曾德(Mach-Zehnder)調(diào)制器是基于馬赫曾德干涉原理的波導(dǎo)型電介質(zhì)光調(diào)制器件，MZ由兩端的兩個Y分支器和中間兩個單波導(dǎo)調(diào)制器組成。調(diào)制器是產(chǎn)生光信號的關(guān)鍵器件。在TDM和WDM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中，從連續(xù)波(CW)激光器發(fā)出的光載波信號進(jìn)入調(diào)制器，高速數(shù)據(jù)流以驅(qū)動電壓的方式迭加到光載波信號上從而完成調(diào)制。但是由于材料電光系數(shù)較小，Z軸方向上LiNb03的電光系數(shù)為32pm/V，為保證較小半波電壓，需要增加器件的長度，因此目前基于鈮酸鋰的馬赫曾德調(diào)制器尺寸很大，無法滿足未來小型化模塊的需求，另外要降低驅(qū)動電壓需要增加長度，由于長度已經(jīng)太大，因此目前鈮酸鋰無法實現(xiàn)低驅(qū)動，不利于降低功耗。光調(diào)制器是最重要的集成光學(xué)器件之一，它可以對激光器發(fā)射光波的幅度或者相位進(jìn)行調(diào)制，使輸入信號施加到載波上進(jìn)行傳播。行波調(diào)制器的設(shè)計在光波和微波之間存在微波衰減和相速失配，解決這兩個問題的關(guān)鍵取決于如何設(shè)計電極。為了同時獲得寬的帶寬和低的驅(qū)動功率，必須始終使電極的設(shè)計最佳化。其中所包含的問題不僅限于行波電極的加載方式，同時在高速調(diào)制的過程中，鈮酸鋰基底上的光波導(dǎo)損耗也要盡可能降低，而最重要的，為了利用盡可能小的尺寸達(dá)到有效的調(diào)制長度，需要設(shè)計特定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使波導(dǎo)的彎曲半徑盡可能小，從而使器件的集成度更強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對以上現(xiàn)有存在的問題，本發(fā)明提供一種采用脊形波導(dǎo)的馬赫曾德光調(diào)制器晶片結(jié)構(gòu)及其制造工藝，在實現(xiàn)低功耗驅(qū)動的同時降低了調(diào)制器的尺寸，提高了器件的穩(wěn)定性，具有制作工藝簡便，器件尺寸小，彎曲半徑小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠推動基于LNOI平臺的集成光路和器件向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)，為下一代光電混合集成芯片的研發(fā)提供支撐。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案在于:
[0006]本發(fā)明提供一種采用脊形波導(dǎo)的馬赫曾德光調(diào)制器晶片結(jié)構(gòu)，所選用的基底材料是鈮酸鋰晶體，該晶片的復(fù)合結(jié)構(gòu)自下向上包括鈮酸鋰襯底，二氧化硅下包層，鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜，單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，二氧化硅上包層，行波電極。
[0007]本發(fā)明還提出了一種內(nèi)嵌Au和氧化硅雙層膜的近化學(xué)計量比LNOI晶片的制作方法，該方法包括以下步驟:，
[0008]步驟一、選用光學(xué)級雙拋0.5mm厚鈮酸鋰單晶為初始材料，將晶片清潔后在表面鍍制氧化鎂薄膜，經(jīng)過高溫擴(kuò)散和富鋰VTE，形成局部摻鎂的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體，且達(dá)到其抗光折變閾值(?0.78mol%)，采用He+離子注入的方式在鈮酸鋰材料的鎂摻雜的表面生成一層鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜；
[0009]步驟二、在鈮酸鋰襯底的上表面利用PECVD的方式沉積二氧化硅下包層，將所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜與所述二氧化硅下包層進(jìn)行表面鍵合，之后進(jìn)行退火分離，再對其表面進(jìn)行拋光，得到所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜；
[0010]步驟三、在所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜上表面PECVD的方式沉積一層氧化鉭單晶薄膜，再通過干法刻蝕出單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0011 ]步驟四、在所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上鍍制二氧化硅上包層，接著在所述二氧化硅上包層上濺射Au作為所述行波電極，
[0012]步驟五、最后采用楔形光纖與所述脊形波導(dǎo)進(jìn)行耦合，形成的封裝結(jié)構(gòu)就是鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器，所述封裝結(jié)構(gòu)包括輸入光纖、Y型波導(dǎo)分支、行波電極、地電極、外殼和輸出光纖，其中所述輸入光纖為所述楔形光纖且其用于將光耦合到光調(diào)制器，所述行波電極用于根據(jù)電信號對輸入光進(jìn)行調(diào)制，所述輸出光纖為所述楔形光纖且其用于將調(diào)制光輸出，所述外殼用于對耦合好的光纖與所述氧化鉭脊形波導(dǎo)進(jìn)行封裝。
[0013]本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比具體的積極有益效果為:
[0014]1、本發(fā)明在實現(xiàn)低功耗驅(qū)動的同時降低了調(diào)制器的尺寸。提高了器件的穩(wěn)定性，具有制作工藝簡便、器件尺寸小、彎曲半徑小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
[0015]2、本發(fā)明采用達(dá)到抗光折變閾值的鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜，可以對更高功率，短波長的光信號進(jìn)行調(diào)制，如紅色光、綠色光和藍(lán)紫色光，其具有更寬的可調(diào)諧光譜范圍。
[0016]3、相比類似結(jié)構(gòu)的氧化坦波導(dǎo)，本發(fā)明組成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰薄膜和氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同為單晶，可顯著降低了在光傳輸過程中的損耗。
【附圖說明】
[0017]圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2本發(fā)明制備工藝步驟一、二示意圖
[0019]圖3本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4本發(fā)明的調(diào)制原理不意圖。[0021 ]圖中:1-鈮酸鋰襯底，2-二氧化硅下包層，3-鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜，4-單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，5-二氧化硅上包層，6-行波電極，7-局部摻鎂近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜，8-鈮酸鋰晶體。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。
[0023]實施例:為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0024]如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器晶片結(jié)構(gòu)，該晶片的復(fù)合結(jié)構(gòu)自下向上包括鈮酸鋰襯底(I)，二氧化硅下包層(2)，鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3)，單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(4)，二氧化硅上包層(5)，行波電極(6)。在本發(fā)明的較佳實施例中，二氧化硅下包層(2)的厚度在I?2μηι之間，鎂摻雜近化學(xué)計量比銀酸鋰單晶薄膜(3)的厚度在300?800nm之間，氧化鉭脊形波導(dǎo)(4)的寬度為Ιμπι?5μηι，且其高度為200nm?400nm;行波電極6采用Au制成，且其高度在2μηι?8μηι之間。
[0025]本發(fā)明還提供一種采用脊形波導(dǎo)的馬赫曾德光調(diào)制器晶片結(jié)構(gòu)制造工藝，包括以下步驟:
[0026]I)選用光學(xué)級雙拋0.5_厚鈮酸鋰單晶(8)為初始材料，將晶片清潔后在表面鍍制120nm的氧化鎂薄膜，在1060°C空氣中氧化2小時，接下來在IlOOcC下進(jìn)行30小時的富鋰VTE，形成局部摻鎂的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體，且達(dá)到其抗光折變閾值(?0.78mol%)，采用He+離子注入的方式在鈮酸鋰材料的鎂摻雜的表面生成一層局部摻鎂近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(7);
[0027]2)在鈮酸鋰襯底(I)的上表面利用PECVD的方式沉積一層I?2μπι的二氧化硅下包層(2)將所述局部摻鎂近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(7)與所述二氧化硅下包層(2)進(jìn)行表面鍵合，之后進(jìn)行退火分離，再對其表面進(jìn)行拋光，得到厚度約為300?SOOnm的鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3)，如圖2;
[0028]3)在所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3)上表面利用TiC15和Ν20通過PECVD的方式在600°C以上沉積一層氧化鉭單晶薄膜，薄膜厚度可以是100?500nm，再通過干法刻蝕出寬為I?5μπι的單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(4);
[0029]4)在所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3)和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
(4)上鍍制二氧化硅上包層(5)，接著在所述二氧化硅上包層上濺射Au作為所述行波電極
(6)，
[0030]5)最后采用楔形光纖與所述脊形波導(dǎo)進(jìn)行耦合，形成的封裝結(jié)構(gòu)就是鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器，所述封裝結(jié)構(gòu)包括輸入光纖、Y型波導(dǎo)分支、行波電極、地電極、夕卜殼和輸出光纖，其中所述輸入光纖為所述楔形光纖且其用于將光耦合到光調(diào)制器，所述行波電極用于根據(jù)電信號對輸入光進(jìn)行調(diào)制，所述輸出光纖為所述楔形光纖且其用于將調(diào)制光輸出，所述外殼用于對耦合好的光纖與所述氧化鉭脊形波導(dǎo)進(jìn)行封裝。
[0031]通過采用上述技術(shù)方案，如圖3所示，其調(diào)制電壓與所需調(diào)制長度的關(guān)系如下:
[0032]νΡ? = λ.d/(2 Γ.ηο3.γ 33.L)
[0033]L = A.d/(2 Γ.ηο3.γ 33.Vpt)
[0034]其中，Vpt為半波電壓，λ為波長，Γ為電場交疊因子，ηο3為折射率，γ33為電光系數(shù)，L為行波電極長度，d為電場路徑長度，所述L決定所述調(diào)制器的長度。通常情況下，本發(fā)明的電極間距為6μπι，半波電壓達(dá)〈4V，依據(jù)本發(fā)明所述工藝指標(biāo)制備的微環(huán)振蕩器，其微環(huán)直徑可以達(dá)到300μπι，品質(zhì)因數(shù)在7.0xlO4以上。
[0035]以上對本發(fā)明的一個實施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器，其特征在于，該晶片的復(fù)合結(jié)構(gòu)自下向上包括鈮酸鋰襯底(I)，二氧化硅下包層(2)，鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3)，單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(4)，二氧化硅上包層(5)，行波電極(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟一、選用光學(xué)級雙拋0.5mm厚鈮酸鋰單晶(8)為初始材料，將晶片清潔后在表面鍍制120nm的氧化鎂薄膜，在1060 V空氣中氧化2小時，接下來在1100 V下進(jìn)行30小時的富鋰VTE，形成局部摻鎂的近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體，且達(dá)到其抗光折變閾值(?0.78mol%)，采用He+離子注入的方式在鈮酸鋰材料的鎂摻雜的表面生成一層局部摻鎂近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(7); 步驟二、在鈮酸鋰襯底(I)的上表面利用PECVD的方式沉積一層I?2μπι的二氧化硅下包層(2)將所述局部摻鎂近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(7)與所述二氧化硅下包層(2)進(jìn)行表面鍵合，之后進(jìn)行退火分離，再對其表面進(jìn)行拋光，得到厚度約為300?SOOnm的鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3); 步驟三、在所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3)上表面利用TiC15和Ν20通過PECVD的方式在600°C以上沉積一層氧化鉭單晶薄膜，薄膜厚度可以是100?500nm，再通過干法刻蝕出寬為I?5μπι的單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(4); 步驟四、在所述鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜(3)和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(4)上鍍制二氧化硅上包層(5)，接著在所述二氧化硅上包層上濺射Au作為所述行波電極(6)， 步驟五、最后采用楔形光纖與所述脊形波導(dǎo)進(jìn)行耦合，形成的封裝結(jié)構(gòu)就是鎂摻雜近化學(xué)計量比鈮酸鋰單晶薄膜和單晶氧化鉭脊形波導(dǎo)的光調(diào)制器，所述封裝結(jié)構(gòu)包括輸入光纖、Y型波導(dǎo)分支、行波電極、地電極、夕卜殼和輸出光纖，其中所述輸入光纖為所述楔形光纖且其用于將光耦合到光調(diào)制器，所述行波電極用于根據(jù)電信號對輸入光進(jìn)行調(diào)制，所述輸出光纖為所述楔形光纖且其用于將調(diào)制光輸出，所述外殼用于對耦合好的光纖與所述氧化鉭脊形波導(dǎo)進(jìn)行封裝。
【文檔編號】G02F1/035GK105974614SQ201610518099
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】華平壤, 陳朝夕
【申請人】派尼爾科技（天津）有限公司