【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于平面光波导光调制器及其制备，具体涉及一种基于mzi结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器及其制备方法。
技术介绍
1、随着人工智能、物联网等新一代信息技术的飞速发展，传统的通信网络已难以满足人们对信息传输和交换的需求，高速光通信网络的发展刻不容缓。电光调制器作为光通信系统和片上光互连芯片的核心器件，用于完成信息的加载和信号的调控；其原理是利用材料的电光效应，使材料的折射率发生相应的线性变化，从而调控介质中传输光波的强度、相位等信息。
2、现有的电光调制器常使用的材料主要有以下几种：铌酸锂(lithium niobate,ln)、硅(silicon,si)和iii-v族化合物及聚合物。铌酸锂具备良好的物理、化学稳定性和优异的电光效应，是制造电光调制器的常用材料。传统的铌酸锂电光调制器，其波导是通过钛扩散或质子交换工艺制作的，这种波导芯层和包层之间的折射率差很小，对光的束缚能力较差，导致器件封装后的总长度通常在5～10cm，十分不利于集成。而基于薄膜铌酸锂的电光调制器克服了传统电光调制器的缺点，其波导芯层和包层之间的折射率之差较高，有利于减小器件整体尺寸。
3、根据波导类型的不同，薄膜铌酸锂波导可分为刻蚀(dry-etched)型和加载(rib-loaded)型波导。由于铌酸锂材料的化学惰性，物理干法刻蚀是制备刻蚀型铌酸锂波导的常用方法。该方法能够精确地控制刻蚀深度及波导形状。但是，在不同的刻蚀设备中，干法刻蚀工艺表现出较低的选择性和再现率，并且刻蚀形成的倾斜侧壁会增大波导的传输损耗。加
4、目前，基于铌酸锂薄膜的电光调制器得到了广泛的研究和快速的发展，但是随着光网络向着超高速和超远距离传输的升级，需要进一步提高其调制效率，以满足光通信网络日益增长的需求。
技术实现思路
1、为了进一步提高铌酸锂电光调制器的调制效率，本专利技术提供了一种基于mzi结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器及其制备方法。
2、本专利技术使用附有二氧化硅缓冲层的硅作为波导衬底，铌酸锂薄膜作为加载型波导的平板层，一种具有较高介电常数的电光聚合物作加载条。本专利技术选用的电光聚合物种类多、折射率小、电光系数大，与铌酸锂薄膜之间的折射率差较大。本专利技术采用的制备工艺简单，能够很好的与半导体工艺兼容，易于集成，符合大规模生产的要求，具有一定的实用价值。
3、如图1和图3所示，一种基于mzi结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，从下至上由硅衬底(1)、在硅衬底(1)之上制备的二氧化硅氧化层(2)、在二氧化硅氧化层(2)之上制备的铌酸锂薄膜(3)、在铌酸锂薄膜(3)之上制备的电光聚合物加载条波导(4)组成。
4、如图2所示，电光聚合物加载条波导(4)为mzi结构，从左到右沿光输入方向由输入直波导(8)、输入锥形波导(9)、结构相同的第一弯曲波导(10’)和第二弯曲波导(10)、结构相同且相互平行的第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)、结构相同的第三弯曲波导(15’)和第四弯曲波导(15)、输出锥形波导(16)、输出直波导(17)组成；在第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)外侧的铌酸锂薄膜(3)之上分别对称制备有长条形结构的第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)，在第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)内侧的铌酸锂薄膜(3)之上制备有矩形结构的信号电极(10)；第一弯曲波导(10’)和第三弯曲波导(15’)关于第一调制臂直波导(11)对称设置，第二弯曲波导(10)和第四弯曲波导(15)关于第二调制臂直波导(12)对称设置，第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)关于信号电极(10)对称设置；输入直波导(8)、输入锥形波导(9)、第一弯曲波导(10’)和第二弯曲波导(10)构成3-db y分束器，第三弯曲波导(15’)和第四弯曲波导(15)、输出锥形波导(16)、输出直波导(17)构成3-db y合束器。
5、进一步的，输入直波导(8)和输出直波导(17)的长度a1和a1’相等为10～500μm，宽度w1和w1’相等为1～5μm，第一弯曲波导(10’)、第二弯曲波导(10)、第三弯曲波导(15’)和第四弯曲波导(15)平行于输入直波导(8)中输入光方向的投影长度a2和a2’相等为15～300μm，宽度w2’、w2、w5’和w5相等为1～5μm；第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)的长度a3’和a3相等为3.5～9mm，宽度w3’和w3相等为1～5μm；输入锥形波导(9)和输出锥形波导(16)平行于输入直波导(8)中输入光方向的投影长度a4和a4’相等为5～100μm，输入锥形波导(9)与第一弯曲波导(10)和第二弯曲波导(10’)、输出锥形波导(16)与第三弯曲波导(15)和第四弯曲波导(15’)连接处的宽度w4和w4’相等为1～30μm；第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)的长度a5’和a5相等为4～8mm，宽度b1’和b1相等为80～150μm；信号电极(14)的长度a6为4～8mm，宽度b2为10～20μm；信号电极(14)与第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)之间的间距gap’和gap相等为2～20μm；第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)之间的距离为10～60μm。
6、硅衬底(1)的厚度h1为480～520μm，二氧化硅氧化层(2)的厚度h2为1～5μm，铌酸锂薄膜(3)的厚度h3为100～800nm，电光聚合物加载条波导(4’、4分别对应第一调制臂波导11、第二调制臂波导12)的厚度h4’、h4为0.5～5μm，信号电极(14)、第一接地电极(13’)、第二接地电极(13)的厚度h5、h6和h6’相等为0.5～6μm。信号电极(14)、第一接地电极(13’)、第二接地电极(13)是包括al、au在内的一些常用的金属材料。
7、本专利技术所述的一种基于mzi结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器的制备方法，其制作工艺流程见附图4，具体步骤如下：
8、a：铌酸锂晶圆清洗(铌酸锂晶圆于上海新硅聚合半导体有限公司购买，从上至下由si衬底(1)、sio2氧化层(2)和铌酸锂薄膜层(3)三部分组成)
9、首先使用丙酮、甲醇、异丙醇溶剂依次对铌酸锂薄膜层(3)表面清洗2～3次，确定铌酸锂表面清洁；
10、b:聚合物加载条制备
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【技术保护点】
1.一种基于MZI结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：从下至上由硅衬底(1)、在硅衬底(1)之上制备的二氧化硅氧化层(2)、在二氧化硅氧化层(2)之上制备的铌酸锂薄膜(3)、在铌酸锂薄膜(3)之上制备的电光聚合物加载条波导(4)组成，电光聚合物加载条波导(4)为MZI结构，从左到右沿光输入方向由输入直波导(8)、输入锥形波导(9)、结构相同的第一弯曲波导(10’)和第二弯曲波导(10)、结构相同且相互平行的第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)、结构相同的第三弯曲波导(15’)和第四弯曲波导(15)、输出锥形波导(16)、输出直波导(17)组成；在第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)外侧的铌酸锂薄膜(3)之上分别对称制备有长条形结构的第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)，在第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)内侧的铌酸锂薄膜(3)之上制备有矩形结构的信号电极(10)；第一弯曲波导(10’)和第三弯曲波导(15’)关于第一调制臂直波导(11)对称设置，第二弯曲波导(10)和第四弯曲波导(15)关于第二调制臂直波
2.如权利要求1所述的一种基于MZI结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：电光聚合物(25)的材料为掺有生色团分子的电光聚合物，其折射率低于铌酸锂的折射率；第一接地电极(13’)、第二接地电极(13)和信号电极(10)的材料为Al或Au。
3.如权利要求2所述的一种基于MZI结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：电光聚合物(25)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、SU-8 2002或SU-8 2005。
4.如权利要求1所述的一种基于MZI结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：输入直波导(8)和输出直波导(17)的长度a1和a1’相等为10～500μm，宽度w1和w1’相等为1～5μm，第一弯曲波导(10’)、第二弯曲波导(10)、第三弯曲波导(15’)和第四弯曲波导(15)平行于输入直波导(8)中输入光方向的投影长度a2和a2’相等为15～300μm，宽度w2’、w2、w5’和w5相等为1～5μm；第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)的长度a3’和a3相等为3.5～9mm，宽度w3’和w3相等为1～5μm；输入锥形波导(9)和输出锥形波导(16)平行于输入直波导(8)中输入光方向的投影长度a4和a4’相等为5～100μm，输入锥形波导(9)与第一弯曲波导(10)和第二弯曲波导(10’)、输出锥形波导(16)与第三弯曲波导(15)和第四弯曲波导(15’)连接处的宽度w4和w4’相等为1～30μm；第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)的长度a5’和a5相等为4～8mm，宽度b1’和b1相等为80～150μm；信号电极(14)的长度a6为4～8mm，宽度b2为10～20μm；信号电极(14)与第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)之间的间距gap’和gap相等为2～20μm；第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)之间的距离为10～60μm。
5.如权利要求1所述的一种基于MZI结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：硅衬底(1)的厚度h1为480～520μm，二氧化硅氧化层(2)的厚度h2为1～5μm，铌酸锂薄膜(3)的厚度h3为100～800nm，电光聚合物加载条波导(4)的厚度h4为0.5～5μm，信号电极(14)、第一接地电极(13’)、第二接地电极(13)的厚度h5、h6和h6’相等为0.5～6μm。
6.一种基于MZI结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器的制备方法，其步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于mzi结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：从下至上由硅衬底(1)、在硅衬底(1)之上制备的二氧化硅氧化层(2)、在二氧化硅氧化层(2)之上制备的铌酸锂薄膜(3)、在铌酸锂薄膜(3)之上制备的电光聚合物加载条波导(4)组成，电光聚合物加载条波导(4)为mzi结构，从左到右沿光输入方向由输入直波导(8)、输入锥形波导(9)、结构相同的第一弯曲波导(10’)和第二弯曲波导(10)、结构相同且相互平行的第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)、结构相同的第三弯曲波导(15’)和第四弯曲波导(15)、输出锥形波导(16)、输出直波导(17)组成；在第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)外侧的铌酸锂薄膜(3)之上分别对称制备有长条形结构的第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)，在第一调制臂直波导(11)和第二调制臂直波导(12)内侧的铌酸锂薄膜(3)之上制备有矩形结构的信号电极(10)；第一弯曲波导(10’)和第三弯曲波导(15’)关于第一调制臂直波导(11)对称设置，第二弯曲波导(10)和第四弯曲波导(15)关于第二调制臂直波导(12)对称设置，第一接地电极(13’)和第二接地电极(13)关于信号电极(10)对称设置；输入直波导(8)、输入锥形波导(9)、第一弯曲波导(10’)和第二弯曲波导(10)构成3-db y分束器，第三弯曲波导(15’)和第四弯曲波导(15)、输出锥形波导(16)、输出直波导(17)构成3-db y合束器。
2.如权利要求1所述的一种基于mzi结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：电光聚合物(25)的材料为掺有生色团分子的电光聚合物，其折射率低于铌酸锂的折射率；第一接地电极(13’)、第二接地电极(13)和信号电极(10)的材料为al或au。
3.如权利要求2所述的一种基于mzi结构电光聚合物加载条波导的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于：电光聚合物(25)的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、su-8 2002或su...
【专利技术属性】
技术研发人员：王希斌，付雨舒，李尚融，孙士杰，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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