【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及硅基光电子集成，尤其涉及调制器，具体涉及一种基于应力光学效应的悬空调制器及其制备方法。
技术介绍
1、目前的硅基电光调制器根据其结构一般分为两种：一种是基于马赫曾德尔干涉仪(machβzehnder interferometer，简称mzi)型调制器，另一种是基于环形谐振腔型微环调制器。对于mzi型调制器，其尺寸一般在毫米量级，不利于高密度、大规模的光芯片集成；此外其具有较高的调制功耗，不利于低功耗器件的制备。而基于环形谐振腔的调制器尺寸则要紧凑很多，一般在微米量级，且调制功耗低。同时硅基调制器主要有两种调制方式，分别是热光调制和等离子色散调制。热光调制基于硅材料的热光效应，其难以实现高速调制。目前国内外大部分高速硅基调制器的调制功能都是基于硅材料的等离子色散效应，其原理是自由载流子浓度变化会对其折射率实部和虚部产生影响，改变其吸收率，所以自由载流子色散效应在提升调制速率的同时，也会导致巨大的能耗。
2、锆钛酸铅(pzt)作为一种压电系数高(e31达到-15c/m2，d33为300pc/n，d31为200pc/n)的压电材料，近年来应用应力光学效应在各种光学器件中得到了广泛的研究。目前已经有使用锆钛酸铅的应力光学效应来调谐光学波导的技术，相比热光调制器，应力光学效应的功耗可达到纳瓦(nw)级别，并提供了宽光学带宽、中等电学带宽。然而在实际设计和制备过程中，如何将压电层的应力更有效传导至波导中，实现更为高效的调制效果，同时避免电极的吸收损耗过大，则是一个更为值得研究的问题。
3、现有技术一《b
4、现有技术二《stress-optic modulator in triplex platform usingapiezoelectric lead zirconate titanate(pzt)thin film》(doi:10.1364/oe.23.014018)中公开了一种基于氮化硅波导的无源triplex平台的使用pzt压电材料的应力-光学相位调制器。该器件结构如图3所示，利用压电材料的逆压电效应，在压电层施加一个电场，沉积在光波导顶部的压电层被用来控制在结构中传播的光的相位。这种由应力引起的低功率调谐机制特别适用于低损耗的氮化硅波导，根据仿真及实际测试结果证明，较小的电极尺寸和较厚的压电层可以提高设备性能，且不同的压电材料所需尺寸不同，并且可以通过优化波导内部的应力分布来优化设备。与目前最新的在triplex中使用的热光调制相比，应力光效应使开关操作的功耗降低到了300nw，仅为热光功耗的百万分之一，并使调制速度提高到了200～300ns，提升了约三个数量级。该方案证明了基于应力光学效应制作的光开关拥有功耗低、反应快、相互干扰小等诸多优势，具有广阔发展前景。
5、现有技术三《silicon nitride stress-optic microresonator modulator foroptical control applications》(doi:10.1364/oe.467721)中公开了一种在全平面晶圆级氮化硅平台上集成压电pzt驱动的应力光学微环调制器，其器件结构如图4所示。该器件结构通过控制左右两侧压电层的距离，在2μm间隔时仍然保持低损耗(0.03db/cm)，带宽为20mhz，消光比大于14db，品质因子达到710万，功耗仅为20nw。该文献中演示了两种控制应用，一种是在pdh(pound-drever hall)锁环中实现激光稳定，将激光频率噪声降低40db，另一种是作为激光载波跟踪滤波器。
6、现有技术二和现有技术三种基于氮化硅平台集成压电驱动的mzi和微环调制器虽然都取得了重大进展，但是依然存在以下问题：(1)mzi结构的应力-光学效应调制器需要较长的电极长度(毫米量级)，结果导致具有较小的集成密度。(2)微环结构形成左右两侧的压电驱动层需要更为复杂的工艺，并且微环谐振腔、波导、压电层设计并未充分提高其带宽。(3)由于基于氮化硅波导的垂直结构需要考虑底部电极导致的光波导吸收损失，所以需要制备较厚的顶部氧化物包层减少损耗，较厚的氧化层厚度使其应力未充分聚集在波导处，导致调谐强度不高。
技术实现思路
1、为了解决上述问题中的至少一个问题，本专利技术提供一种基于应力光学效应的悬空调制器。该调制器在实现低功耗、低损耗的目的的同时，还能够实现应力更为聚集在波导结构中的目的，从而带来更高的调谐强度，能够满足高速率、大带宽、低功耗、高集成度的调制器的需求。
2、具体地，为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于应力光学效应的悬空调制器，包括soi波导、覆盖于所述soi波导上的覆盖层、沉积于所述覆盖层上表面的下电极、设置于所述下电极上表面的压电层、沉积于所述压电层上表面中部的上电极，覆盖于所述上电极上表面的保护层；所述soi波导包括由下至上的硅衬底、埋藏氧化物层和波导层；所述波导层、所述下电极、所述压电层和所述上电极构成微环结构或所述波导层、所述下电极、所述压电层和所述上电极构成马赫曾德尔结构；所述硅衬底远离所述埋藏氧化物层的一面开设有至少一个空气槽；所述压电层的材料为锆钛酸铅、氧化锌和氮化铝中的至少一种。
4、在一些具体的实施方案中，所述覆盖层的材料为二氧化硅。
5、在一些具体的实施方案中，所述空气槽位于所述波导层的正下方，且贯穿所述硅衬底和所述埋藏氧化物层。
6、在另一些具体的实施方案中，所述空气槽位于所述波导层底部的两侧，且贯穿所述硅衬底和所述埋藏氧化物层。
7、在本专利技术优选的实施方案中，所述埋藏氧化物层的材料为二氧化硅。
8、在本专利技术优选的实施方案中，所述保护层的材料为二氧化硅。
9、在本专利技术优选的实本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，包括SOI波导、覆盖于所述SOI波导上的覆盖层、沉积于所述覆盖层上表面的下电极、设置于所述下电极上表面的压电层、沉积于所述压电层上表面中部的上电极，覆盖于所述上电极上表面的保护层；所述SOI波导包括由下至上的硅衬底、埋藏氧化物层和波导层；所述波导层、所述下电极、所述压电层和所述上电极构成微环结构或所述波导层、所述下电极、所述压电层和所述上电极构成马赫曾德尔结构；所述硅衬底远离所述埋藏氧化物层的一面开设有至少一个空气槽；所述压电层的材料为锆钛酸铅、氧化锌和氮化铝中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，所述空气槽的宽度为0.45～5μm，其深度与宽度的比为(30～150):1。
3.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，所述波导层为条形波导，所述条形波导的宽度为450～500nm，厚度为220～300nm；或所述波导层为脊型波导，所述脊型波导的总高度为220～300nm，脊区高度为50～150nm，脊区宽度为450～660nm。
4.
5.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，所述上电极的厚度为150～250nm；或/和所述下电极的厚度为150～250nm。
6.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，所述上电极的宽度为1～25μm；或/和所述下电极的宽度为1～25μm。
7.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，所述上电极的材料为铂、钛、金中至少一种；或/和所述下电极的材料为铂钛合金。
8.权利要求1～7任一项所述的基于应力光学效应的悬空调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一接触金属电极包括位于所述第一通孔内的第一金属线和位于所述第一通孔外的第一金属垫，所述第二接触金属电极包括位于所述第二通孔内的第二金属线和位于所述第二通孔外的第二金属垫；所述第一金属线、所述第二金属线、所述第一金属垫、所述第二金属垫的材料均为金、铜、铝中的一种。
...【技术特征摘要】
1.一种基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，包括soi波导、覆盖于所述soi波导上的覆盖层、沉积于所述覆盖层上表面的下电极、设置于所述下电极上表面的压电层、沉积于所述压电层上表面中部的上电极，覆盖于所述上电极上表面的保护层；所述soi波导包括由下至上的硅衬底、埋藏氧化物层和波导层；所述波导层、所述下电极、所述压电层和所述上电极构成微环结构或所述波导层、所述下电极、所述压电层和所述上电极构成马赫曾德尔结构；所述硅衬底远离所述埋藏氧化物层的一面开设有至少一个空气槽；所述压电层的材料为锆钛酸铅、氧化锌和氮化铝中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，所述空气槽的宽度为0.45～5μm，其深度与宽度的比为(30～150):1。
3.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，所述波导层为条形波导，所述条形波导的宽度为450～500nm，厚度为220～300nm；或所述波导层为脊型波导，所述脊型波导的总高度为220～300nm，脊区高度为50～150nm，脊区宽度为450～660nm。
4.根据权利要求1所述的基于应力光学效应的悬空调制器，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：应豪，胡昌宇，王红莉，杨冰，
申请(专利权)人：湖北九峰山实验室，
类型：发明
国别省市：
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