[发明专利]一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器，属于集成光学领域。本发明公开的电光调制器结构包括：绝缘体上材料、调制电极和光波导；所述绝缘体上材料包括自下而上依次层叠的衬底层、键合层和薄膜层；调制电极贯穿薄膜层设置在键合层上表面，并与键合层相接触；调制电极为行波电极或集总电极，包括信号电极和地电极；信号电极与地电极之间设有光波导，光波导制作于薄膜层；调制电极与光波导之间的间距＞0。相较于现有技术，本发明提供的一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器降低了电容及工艺制作的复杂性，同时增强了电光调制效率，实现了宽带高速调制。

技术领域

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法。

背景技术

集成光学作为当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，其主要研究内容包括光波在薄膜材料中的准直、偏转、滤波、空间辐射、光震荡、传导、放大、调制以及与此相关的薄膜材料的非线性光学效应等。近年来，随着由于通信市场的蓬勃发展，光通信网络越来越受到重视，光通信网络中的各个器件如复用器、调制器、激光器、中继放大器、探测器等的性能要求也不断提高；同时，离子束注入、直接键合、聚焦离子束刻蚀等的微加工技术的发展，光电子学方面研究的深入，以及具有各种光学性能材料的发现，推动了集成光学逐步走向成熟。

光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。光调制器按照其调制原理，可分为电光、热光、声光等调制器。他们所依据基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等，其中电光调制器是通过电压或电场的变化调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它在损耗、功耗、速度、集成性等方面都优于其他类型的调制器以实现电信号到光信号的转变。

目前最为常用的商用电光调制器为铌酸锂块材马赫－曾德型电光调制器，由X切或Z切块材LiNbO₃经过Ti扩散制成波导并配合对应的电极设计实现宽带的高速调制。但是因其驱动电压在3～5V左右，意味着工作状态下需要较高的功耗；3～5厘米的较大尺寸，制约了集成度的提高；采用Ti扩散或质子交换法制造，工艺复杂成本高，且对于材料存在一定损伤，一定程度上制约了其大规模生产和应用。

随着晶圆键合技术和半导体加工技术的进步，绝缘体上材料作为一种新型光学材料平台备受关注。其将硅、碳化硅、铌酸锂等材料通过聚合物或氧化硅的粘结，将单晶薄膜置于衬底材料上，具有减小寄生电容，抑制漏电流，易于集成，与现有CMOS工艺兼容等优势。

目前使用绝缘体上材料制作的电光调制器有两种结构，一种是在绝缘体上材料的上表面制备额外的氧化硅缓冲层，并将金属电极设置在缓冲层上，利用氧化硅的低介电常数特性，以实现光波和微波的速度匹配，并且实现更高的3dB带宽。例如，A.Honardoost,F.A.Juneghani,R.Safian,and S.Fathpour,Opt.Express,OE,vol.27,no.5,Mar.2019。这种结构由于额外的SiO₂缓冲层设置会造成一定程度上电场与光场耦合的效率降低，同时也增加了电光调制器工艺制作的复杂性。另外一种结构则采用直接将金属电极生长在绝缘体上材料的上方的方式，以此来提高电光的调制效率。例如，High modulation efficiencylithium niobate Michelson interferometer modulator,Opt.Express,OE,vol.27,no.13,Jun.2019.这种结构虽然减少了缓冲层的设置，但是由于绝缘体上材料的介电常数高于氧化硅，电容更大，不利于实现高频传输。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中存在问题或改进需求，提出一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法。该电光调制器及其制备方法不仅降低了电容及工艺制作的复杂性，还增强了电光调制效率，实现了宽带高速调制。