铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构制造技术

本实用新型专利技术公开了铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构，所述调制器芯片结构包括：共面行波电极、二氧化硅缓冲层、光波导层和铌酸锂晶体层；其中，所诉光波导层制备于所述铌酸锂晶体层上，所述共面行波电极位于所述铌酸锂晶体层的上表面，所述二氧化硅缓冲层位于所述铌酸锂晶体层的下表面；所述共面行波电极包括中心电极和两偏电极，所述中心电极位于所述两偏电极的中间位置。本实用新型专利技术的有益效果是，通过在波导底层加入二氧化硅绝缘层，可以减小微波损耗，提高电场作用效率，实现较低的半波电压，或减小器件的尺寸；利用薄膜化芯片，减小或去除行波电极与铌酸锂晶片之间二氧化硅缓冲层，可有效提高电光转换效率。

Chip structure of lithium niobate high frequency micro electro-optic modulator

The utility model discloses a chip structure of a lithium niobate high frequency micro electro-optic modulator, which comprises a coplanar traveling wave electrode, a silica buffer layer, an optical waveguide layer and a lithium niobate crystal layer, wherein the complained optical waveguide layer is prepared on the lithium niobate crystal layer, the coplanar traveling wave electrode is located on the upper surface of the lithium niobate crystal layer, and the silica is slow. The punching layer is located on the lower surface of the lithium niobate crystal layer, and the coplanar traveling wave electrode comprises a central electrode and a bipolar electrode, the central electrode is located in the middle of the bipolar electrodes. The beneficial effect of the utility model is that by adding silicon dioxide insulation layer to the bottom of the waveguide, the microwave loss can be reduced, the electric field efficiency can be improved, the half-wave voltage can be reduced, or the size of the device can be reduced; the silicon dioxide buffer layer between the traveling wave electrode and the lithium niobate chip can be reduced or removed by using the thin film chip, and the electro-optical conversion efficiency can be effectively improved.

【技术实现步骤摘要】
铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构
本技术涉及电光调制器芯片结构领域，特别是铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构。
技术介绍
在传统结构中，为实现相位匹配和减小微波损耗，比较可行的办法是调整电极厚度和SiO2缓冲层厚度。特别是在高带宽情况下，为减小微波损耗往往需要较厚的中心电极厚度(>20微米)和较厚的SiO2层厚度(>1微米)。一方面电极越厚，工艺难度越大，制作成本越高。另一方面较厚的缓冲层极大地阻碍了电场有效作用到光波导区域，增加了器件的驱动电压。在传统结构下，理论上工作在100GHZ时，半波驱动电压长度积VπL约为20Vcm(约12V@10GHz)，这意味着需要非常高的驱动功率，无法满足实际功耗需求；T.Gorman等人在2008年提出了一种薄膜化铌酸锂光波导调制器，在此方案中，铌酸锂调制器由一片绑定在开有沟槽的二氧化硅基底上铌酸锂薄膜构成；但是在实际制作中，铌酸锂与二氧化硅热胀系数差别大，易产生局部应力，上层薄膜容易崩裂，很难实现批量生产。
技术实现思路
本技术的目的是为了解决上述问题，设计了铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构。实现上述目的本技术的技术方案为，铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构，所述调制器芯片结构包括：共面行波电极、二氧化硅缓冲层、光波导层和铌酸锂晶体层；其中，所诉光波导层制备于所述铌酸锂晶体层上，所述共面行波电极位于所述铌酸锂晶体层的上表面，所述二氧化硅缓冲层位于所述铌酸锂晶体层的下表面；所述共面行波电极包括中心电极和两偏电极，所述中心电极位于所述两偏电极的中间位置。优选的，所述调制器芯片结构还包括：铌酸锂基底，所述铌酸锂基底位于所述二氧化硅缓冲层的下表面。进一步的，所述二氧化硅层的厚度为6微米。优选的，所述调制器芯片结构还包括：金膜层和二氧化硅基底，所述二氧化硅基底位于所述二氧化硅缓冲层的下方，所述金膜层位于所述二氧化硅基底与所诉二氧化硅缓冲层之间，所述铌酸锂晶体层的上表面为脊型结构，且该脊型结构与所述光波导层的位置相对应，所述二氧化硅基底刻蚀有沟槽，所述沟槽位于与所述二氧化硅缓冲层下方且其与所述光波导层的位置相对应。进一步的，所述二氧化硅缓冲层的厚度大于1微米，所诉金膜层的厚度为400纳米。其有益效果在于，1.通过在波导底层加入二氧化硅绝缘层，可以减小微波损耗，提高电场作用效率，实现较低的半波电压，或减小器件的尺寸。2.利用薄膜化芯片，减小或去除行波电极与铌酸锂晶片之间二氧化硅缓冲层，可有效提高电光转换效率，与传统体材料平台上实现的调制器比较，可缩小器件体积或降低半波电压。3.进一步优化了器件结构，首次提出了薄膜波导与脊形结构相结合，进一步提高电场作用效率，减小微波损耗，可在25GHz以上高带宽工作频率下，依然获得较低的VπL，降低现有器件的功耗。4.提出使用金-金键合方式绑定铌酸锂薄膜制作调制器芯片，从而可选择先制备铌酸锂薄膜，波导后期加工的工艺流程。相比国外已有报道的制作工艺，本项目采用的工艺流程更加科学合理，成本低，成品率高，易于大规模生产加工。附图说明图1是本技术的横截面结构示意图，其中，(a)显示的是带宽低于2.5GHz时的结构，(b)显示的是带宽大于10GHz以上时的结构；图2是本技术在带宽低于2.5GHz时结构的制作工艺流程；图3是本技术在带宽大于10GHz时结构的制作工艺流程；具体实施方式下面结合附图对本技术进行具体描述，如图1所示，铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构，所述调制器芯片结构包括：共面行波电极、二氧化硅缓冲层、光波导层和铌酸锂晶体层；其中，所诉光波导层制备于所述铌酸锂晶体层上，所述共面行波电极位于所述铌酸锂晶体层的上表面，所述二氧化硅缓冲层位于所述铌酸锂晶体层的下表面；所述共面行波电极包括中心电极和两偏电极，所述中心电极位于所述两偏电极的中间位置。实施例1，当带宽低于2.5GHz时，所述调制器芯片结构还包括：铌酸锂基底，所述铌酸锂基底位于所述二氧化硅缓冲层的下表面，相比常规结构，通过将二氧化硅绝缘层设置于铌酸锂晶体与铌酸锂基底之间，可以减小微波损耗，提高电场作用效率，实现较低的半波电压，或减小器件的尺寸。所述二氧化硅层的厚度为6微米。如图2所示，2.5GHz铌酸锂高频微型电光调制器制作工艺流程：1)镀制SiO2(二氧化硅)：在该流程中首先选择在两块铌酸锂晶片表面利用化学气相沉积(PECVD)的方法制作二氧化硅缓冲层；2)键合绑定：在真空高温高压环境下利用SiO2中氧－氧键实现两片铌酸锂的绑定。3)减薄抛光：对其中一片铌酸锂进行研磨减薄，并抛光。最终获得绝缘铌酸锂衬底上铌酸锂薄膜，薄膜厚度约6微米。之所以选择铌酸锂作为衬底，是因为衬底与薄膜材料一致时，热应力最小，利于后期加工制作。4)制作波导：后期进行波导加工制作时，选择500摄氏度以下进行的质子交换工艺(不能选择工作温度大于1000摄氏度钛扩散制作波导工艺，以防止键合层裂开)。5)镀制电机：制作好波导后的芯片进一步的利用光刻、镀膜及电镀工艺完成金电极的制作，端面抛光后用于下一步的测试工作。实施例2，如图1所示，当带宽大于10GHz时，所述调制器芯片结构还包括：金膜层和二氧化硅基底，所述二氧化硅基底位于所述二氧化硅缓冲层的下方，所述金膜层位于所述二氧化硅基底与所诉二氧化硅缓冲层之间，所述铌酸锂晶体层的上表面为脊型结构，且该脊型结构与所述光波导层的位置相对应，所述二氧化硅基底刻蚀有沟槽，所述沟槽位于与所述二氧化硅缓冲层下方且其与所述光波导层的位置相对应。所述二氧化硅缓冲层的厚度大于1微米，所诉金膜层的厚度为400纳米。如图3所示，10Ghz以上高频铌酸锂薄膜调制器的制备工艺流程：1)刻蚀沟槽：首选选用二氧化硅作为衬底材料，在局部通过反应离子刻蚀制作沟槽；2)局部镀制金膜：表面镀约200nm厚度金膜。3)镀制SiO2及金膜：同时在另一光学级铌酸锂表面面镀制二氧化硅(>1微米)，接着镀制200nm厚度金膜。4)键合绑定：通过标准键合技术把二氧化硅基底和铌酸锂晶片通过金-金键绑定，使用研磨抛光工艺对铌酸锂进行减薄。5)制作光波导，刻蚀脊型：进一步通过钛扩散或质子交换技术在铌酸锂薄膜上制作光波导。接着通过电感耦合离子刻蚀(ICP)在波导两侧刻蚀出脊型结构。6)制作金电极：利用套刻及电镀工艺制作厚金电极，完成调制器芯片的制备。同样，进行端面抛光后就可以进行后期测试工作了。工作原理：图1中(a)显示的是带宽低于2.5GHz铌酸锂高频微型电光调制器，在带宽要求不高度情况下，更强的低半波电压，通过在光波导层加入二氧化硅缓冲层，减小微波损耗，提高电场作用效率，实现较低的半波电压，或减小器件的尺寸。相比于T.Gorman等人在2008年提出的一种薄膜化铌酸锂光波导调制器，该方案优点在于无需制作基底沟槽，简化的工艺步骤，可以采购商用化铌酸锂薄膜作为初始材料制作波导，有效降低了制作成本。图1中(b)为带宽大于10GHz以上的铌酸锂高频微型电光调制器。该方案特点是在铌酸锂晶体层下镀制了一层二氧化硅，然后通过金-金键合，绑定到二氧化硅基底上。T.Gorman等人在2008年提出的一种薄膜化铌酸锂光波导调制器在实际制作中是很难实现批量生产的，原因在于铌酸锂与二氧化硅热胀系数差别大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构，其特征在于，所述调制器芯片结构包括：共面行波电极、二氧化硅缓冲层、光波导层和铌酸锂晶体层；其中，所诉光波导层制备于所述铌酸锂晶体层上，所述共面行波电极位于所述铌酸锂晶体层的上表面，所述二氧化硅缓冲层位于所述铌酸锂晶体层的下表面；所述共面行波电极包括中心电极和两偏电极，所述中心电极位于所述两偏电极的中间位置。

【技术特征摘要】
1.铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构，其特征在于，所述调制器芯片结构包括：共面行波电极、二氧化硅缓冲层、光波导层和铌酸锂晶体层；其中，所诉光波导层制备于所述铌酸锂晶体层上，所述共面行波电极位于所述铌酸锂晶体层的上表面，所述二氧化硅缓冲层位于所述铌酸锂晶体层的下表面；所述共面行波电极包括中心电极和两偏电极，所述中心电极位于所述两偏电极的中间位置。2.根据权利要求1所述的铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构，其特征在于，所述调制器芯片结构还包括：铌酸锂基底，所述铌酸锂基底位于所述二氧化硅缓冲层的下表面。3.根据权利要求2所述的铌酸锂高频微型电光调制器芯片结构，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：华平壤，姜城，
申请(专利权)人：派尼尔科技天津有限公司，
类型：新型
国别省市：天津,12