硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列集成的方法技术

本发明专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的集成方法。利用该方法减少了铌酸锂晶体层的制备工艺难度，降低了铌酸锂与硅粘接的精度要求，并且可以一次性同时完成大规模阵列式铌酸锂晶体层的制备和粘接，大幅提升了硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的生产效率；通过对硅晶体层进行结构上的设计和优化，使得光可以在硅波导和铌酸锂波导中自然交替和互传，实现了高性能的铌酸锂薄膜电光调制效应。此外，该方法利用了标准化的硅基集成技术成熟度优势，将复杂的芯片制备工艺集中在硅晶体层，从而减小芯片制作过程中的工艺误差，保证了整个硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的性能稳定性。

Integrated method of silicon-based Lithium Niobate Thin Film electro-optic modulator array

【技术实现步骤摘要】
硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列集成的方法
本专利技术涉及光电子集成器件
，特别是一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列集成的方法。技术背景电光调制器将电信号加载到光信号上，是光通信、微波光子雷达等光信号处理系统的信号输入接口。其性能直接决定了光信号处理系统的性能，因此也成为了十分重要的光子器件。为了在芯片上实现集成电光调制器，出现了利用标准化硅基集成工艺的电光调制器(参见文献1：丁建峰，张磊，杨林，《硅基集成化的差分电光调制器及其制备方法》，国家专利技术专利CN105044931B，2015)。利用掺杂硅作为导光介质，可以通过电极的控制改变掺杂硅波导的有效折射率，可以完成相位调制，或者构成两臂干涉结构，进而将相位调制转化为强度调制。但是利用掺杂硅作为导光介质存在如下几个问题：掺杂硅对于光具有吸收作用，会显著增大电光调制器的插入损耗；掺杂硅的调制效率较低，因此设计的半波电压通常较高，降低了电光调制的转化率。为克服如上难点，研究人员利用铌酸锂作为导光介质，研制了一种新型的硅基铌酸锂异质集成电光调制器(参见文献2：M.He,etal,High-performancesiliconandlithiumniobateMach-Zehndermodulatorsfor100Gbit/sandbeyond,NaturePhotonics,publishedonline:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0378-6,2019)。该项技术在电光调制器的Y-分支部分使用硅晶体作为导光介质，充分利用标准化生产线的效率优势；在电光效应部分采用铌酸锂晶体作为导光材料，借助铌酸锂晶体的低损耗和高电光效率优势巧妙地解决了掺杂硅的短板。另外，铌酸锂晶体还具有超高带宽范围的优势，更能适应于未来超高速光信号处理系统的要求。在现阶段，将铌酸锂薄膜与硅进行混合集成的方式，通常采用外延生长或粘接方式进行。由于粘接方式的技术难度低、成品率高的特点，所以大多采用粘接方式。然而，粘接方式存在生产效率低下这一显著特点，不能适用于大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的制备。现有的复杂光子信号处理系统(参见文献3：例如多通道光子模数转换系统：邹卫文，于磊，杨光，陈建平，基于调制器多通道解复用的光模数转换装置，国家专利技术专利CN201710401304.2，2017；参见文献4：光子神经网络：Y.Shen,etal,Deeplearningwithcoherentnanophotoniccircuits,NaturePhotonics,vol.11,pp.441-446,2017等)对电光调制器的数量要求正在成几何式的增长。如何将具有优异性能的硅基铌酸锂薄膜电光调制器进行大规模阵列化集成和制备是该项技术进一步应用的瓶颈问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种大规模硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列，通过结构设计减少了铌酸锂晶体层的制备工艺难度，降低了铌酸锂与硅粘接的精度要求，并且可以一次性同时完成大规模阵列式铌酸锂晶体层的制备和粘接，大幅提升了硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的生产效率；通过对硅晶体层进行结构上的设计和优化，使得光可以在硅波导和铌酸锂波导中自然交替和互传，实现了高性能的铌酸锂薄膜电光调制效应。此外，该方法利用了标准化的硅基集成技术成熟度优势，将复杂的芯片制备工艺集中在硅晶体层，从而减小芯片制作过程中的工艺误差，保证了整个硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的性能稳定性。本专利技术的技术解决方案如下：一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的集成方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：1)通过热氧化法在光洁的硅晶体衬底上氧化形成氧化硅薄膜层；2)使用化学气相沉积(CVD)在氧化硅薄膜层上沉积一定厚度的多晶硅，再通过干法或湿法刻蚀形成具有阵列分布的多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器的硅波导层，该硅波导层包含了全部阵列式分布的电光调制器的分光器和光耦合器，分光器输入端为入射光端口，所述的光耦合器的输出端为调制光输出端口；调制器之间的光输出端口和光输入端口均可以相互连接，形成级联、并联、混连的结构；3)对于阵列中每一个电光调制器，在需要加载直流电压的硅波导两侧进行离子注入，一侧注入磷离子，另一侧注入硼离子形成横跨硅波导的PN结；4)通过化学气相沉积在硅波导层上形成一层金属层，再经过干法刻蚀工艺去除多余的金属，仅在PN结上方形成金属连线，同时形成与外界连接的金属线，完成直流偏置电极层和直流偏置输入端口；5)使用干法或湿法刻蚀在wafer级别的铌酸锂晶片上刻蚀形成周期性脊形结构，完成铌酸锂薄膜层的制备，该铌酸锂薄膜层同时覆盖在N个阵列式分布的硅波导层上方；6)将所述的铌酸锂薄膜层上的脊形结构与所述的硅波导层上的阵列式分布的光耦合器对准，利用粘接剂将所述的铌酸锂薄膜层和硅波导层进行粘接；7)通过化学气相沉积法在所述的铌酸锂薄膜层上形成一层金属，再通过湿法或干法刻蚀，去掉多余的金属，仅留下每个电光调制器上需要加载射频信号区域的射频金属电极和与外界连接的射频电极金属连线，形成射频电极层和射频信号输入端口；这样在集成了N个电光调制器的阵列中，一共有2*N个阵列式分布的分光器、2*N个阵列式分布的光耦合器、N个直流电压输入端口、N个射频输入端口。根据本专利技术的一个方面，提供了一种大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列结构，由下至上依次包括硅晶体衬底层、氧化硅薄膜层、硅波导层和铌酸锂薄膜层，在所述的硅波导层和铌酸锂薄膜层之间设有粘接剂层，用于粘接所述的硅波导层和铌酸锂薄膜层，在所述的硅波导层需要加载直流偏置的区域设置直流偏置电极层，在所述的铌酸锂薄膜层需要加载射频信号的区域设置射频电极层。所述的硅晶体衬底层、氧化硅薄膜层、硅波导层粘接剂层、铌酸锂薄膜层直流偏置电极层和射频电极层上周期性排列有多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器。所述的所有组件均为晶圆(wafer)级别的大规模阵列。在每一层上一次性同时制备多个周期性结构，同时制备大规模的硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列。由于是周期性重复结构，下文将通过其中一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器的结构对所述的每一个组件进行功能说明，并且说明其工作原理和过程。在本专利技术的一个硅基铌酸锂薄膜电光调制器中，所述的硅晶体衬底层为硅基铌酸锂薄膜电光调制器的集成提供基底材料；在所述的硅晶体衬底层上方进行氧化工艺可形成氧化硅薄膜层，该层作为光波导的下包层，为波导中的光提供束缚作用；在所述的氧化硅薄膜层上方完成硅晶体生长，可形成硅波导层；对所述的硅波导层进行干法或湿法刻蚀，可形成包括分光器、光耦合器在内的波导互连结构，该层作为光波导的芯，可完成分光、耦合、直流偏置和部分区域的导光的功能；所述的粘接剂层位于所述的硅波导层上方，可以粘接所述的硅波导层和所述的铌酸锂薄膜层；所述的铌酸锂薄膜层位于粘接剂层上方，是一片完整的经过刻蚀工艺的铌酸锂晶体片，用于部分区域中的导光与射频信号加载。所述的铌酸锂薄膜层刻有脊形结构，用于增强导光时对光的束缚作用；所述的直流偏置电极层可加载直流偏置电压，在所述的硅波导层的一段区间内形成电场，改变这一区间的有效折射率，从而引起光的相位变化；所述的射频电极层可加载射频信号，在所述的铌酸锂薄膜层的一段区间内形成电场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的集成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)通过热氧化法在光洁的硅晶体衬底(2)上氧化形成氧化硅薄膜层(3)；2)使用化学气相沉积(CVD)在氧化硅薄膜层(3)上沉积一定厚度的多晶硅，再通过干法或湿法刻蚀形成具有阵列分布的多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器(1)的硅波导层(4)，该硅波导层(4)包含了全部阵列式分布的电光调制器的分光器(4.1)和光耦合器(4.2)，分光器(4.1)输入端为入射光端口，所述的光耦合器(4.2)的输出端为调制光输出端口；调制器之间的光输出端口和光输入端口均可以相互连接，形成级联、并联、混连的结构；3)对于阵列中每一个电光调制器(1)，在需要加载直流电压的硅波导(4)两侧进行离子注入，一侧注入磷离子，另一侧注入硼离子形成横跨硅波导的PN结；4)通过化学气相沉积在硅波导层(4)上形成一层金属层，再经过干法刻蚀工艺去除多余的金属，仅在PN结上方形成金属连线，同时形成与外界连接的金属线，完成直流偏置电极层(7)和直流偏置输入端口；5)使用干法或湿法刻蚀在wafer级别的铌酸锂晶片上刻蚀形成周期性脊形结构，完成铌酸锂薄膜层(6)的制备，该铌酸锂薄膜层(6)同时覆盖在N个阵列式分布的硅波导层(4)上方；6)将所述的铌酸锂薄膜层(6)上的脊形结构与所述的硅波导层(4)上的阵列式分布的光耦合器(4.2)对准，利用粘接剂(5)将所述的铌酸锂薄膜层(6)和硅波导层(4)进行粘接；7)通过化学气相沉积法在所述的铌酸锂薄膜层(6)上形成一层金属，再通过湿法或干法刻蚀，去掉多余的金属，仅留下每个电光调制器上需要加载射频信号区域的射频金属电极和与外界连接的射频电极金属连线，形成射频电极层(8)和射频信号输入端口；这样在集成了N个电光调制器的阵列中，一共有2*N个阵列式分布的分光器(4.1)、2*N个阵列式分布的光耦合器(4.2)、N个直流电压输入端口、N个射频输入端口。...

【技术特征摘要】
1.一种硅基铌酸锂薄膜电光调制器阵列的集成方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)通过热氧化法在光洁的硅晶体衬底(2)上氧化形成氧化硅薄膜层(3)；2)使用化学气相沉积(CVD)在氧化硅薄膜层(3)上沉积一定厚度的多晶硅，再通过干法或湿法刻蚀形成具有阵列分布的多个硅基铌酸锂薄膜电光调制器(1)的硅波导层(4)，该硅波导层(4)包含了全部阵列式分布的电光调制器的分光器(4.1)和光耦合器(4.2)，分光器(4.1)输入端为入射光端口，所述的光耦合器(4.2)的输出端为调制光输出端口；调制器之间的光输出端口和光输入端口均可以相互连接，形成级联、并联、混连的结构；3)对于阵列中每一个电光调制器(1)，在需要加载直流电压的硅波导(4)两侧进行离子注入，一侧注入磷离子，另一侧注入硼离子形成横跨硅波导的PN结；4)通过化学气相沉积在硅波导层(4)上形成一层金属层，再经过干法刻蚀工艺去除多余的金属，仅在PN结上方形成金属连线，同时形成与外界连接的金属线，完成直流偏置电极层(7)和直流偏置输入端口；5)使用干法或湿法刻蚀在wafer级别的铌酸锂晶片上刻蚀形成周期性脊形结构，完成铌酸锂薄膜层(6)的制备，该铌酸锂薄膜层(6)同时覆盖在N个阵列式分布的硅波导层(4)上方；6)将所述的铌酸锂薄膜层(6)上的脊形...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹卫文，徐绍夫，王静，陈建平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31