一種基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于SOI的Si?PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，包括硅矩形平板直波導和硅矩形平板環形波導，硅矩形平板直波導和硅矩形平板環形波導相耦合，硅矩形平板直波導作為該混合型電光環形調制器的直通端，硅矩形平板環形波導作為該混合型電光環形調制器的諧振環；硅矩形平板直波導和硅矩形平板環形波導通過一個PLZT矩形通道完全包覆住，形成Si?PLZT混合型結構；在環形波導部分的內外兩側設置有一對半包裹型的彎曲共面行波電極對，通過彎曲共面行波電極對該混合型電光環形調制器進行加電調制，使PLZT矩形通道的折射率發生變化。本發明具有調制靈敏度高、器件尺寸小、可靠性好以及調制帶寬大等特性。
【專利說明】
-種基于so I的S i -PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器
技術領域
[0001] 本發明設及一種基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，屬于娃 基異質結電光調制器的集成及光通信技術。
【背景技術】
[0002] 隨著光網絡通信的發展，人們希望通過改善光通信技術來提高器件的工作特性， 并且降低相應的工藝難度和制作成本。作為光通信技術的核屯、器件，光波導調制器的研制 逐漸趨于小型化，低功耗，低插損，快響應等。另一方面，正在建立和完善中的全光網絡迫切 的需求穩定且具有多種功能的集成光波導器件。綜合考慮運些因素，波導環形調制器是目 前的最佳解決方案之一。
[0003] 由于結構與工藝比較簡單，且尺寸小、容差率高，所W波導環形調制器常常被用于 進行大規模的單片集成。但是，目前所普遍采用的介質型波導環形調制器的整體尺寸偏大， 電極結構復雜，且工作穩定性差。尤其是基于熱光特性的聚合物及Si02型波導環形調制器， 其響應速率慢，功耗大等缺點非常明顯。因此運種類型的波導環形調制器在光通信網絡中 的應用受到了很大的限制。近幾年來，隨著電光、半導體、相變等材料在集成光子領域的應 用，基于波導環形諧振腔的各種類型調制器也得到了長足的發展。在運些器件中，由于電光 類波導環形調制器具有響應速率快，插損小，易于集成等特點，從而獲得了極大的關注。
[0004] 近幾年來，越來越多的研究人員開始轉向于混合材料的波導調制器的研制。通過 運種方法可W將不同材料所具備的特性結合起來，從而提高器件的整體性能并達到'揚長 避短'的效果。基于娃材料與電光類材料相結合的波導環形調制器是當前混合型波導調制 器研究的主流方向之一。一方面，人們可W利用娃材料折射率高運一特點，將波導的尺寸進 一步縮小，從而保證器件的小型化;另一方面，電光材料的響應速率快，且對光的透射率也 很高，可W使器件獲得低插入損耗、高調制頻率等特性。為了簡化集成工藝，并使得娃與電 光材料進行有效的結合，SOI基片成為制作此類器件的最佳平臺。
【發明內容】
[0005] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種基于SOI的Si-PLZT 異質結結構的混合型電光環形調制器，在保證器件的整體集成度比較高的前提下，將化ZT 薄膜與娃波導結合形成異質結結構的混合波導，從而達到小尺寸、大帶寬、快速響應的設計 目的。
[0006] 技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0007] -種基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，包括制作在SOI基 片頂層娃表面上的娃矩形平板直波導和娃矩形平板環形波導，娃矩形平板直波導和娃矩形 平板環形波導相禪合，娃矩形平板直波導作為該混合型電光環形調制器的直通端，娃矩形 平板環形波導作為該混合型電光環形調制器的諧振環;娃矩形平板直波導和娃矩形平板環 形波導通過一個化ZT矩形通道完全包覆住，形成Si-PLZT混合型波導；將Si-PLZT混合型波 導分為直波導和環形波導兩部分，在環形波導部分的內外兩側設置有一對半包裹型的彎曲 共面行波電極對，通過彎曲共面行波電極對該混合型電光環形調制器進行加電調制，使 化ZT矩形通道的折射率發生變化，從而改變娃矩形平板環形波導內光波的相位。
[000引本發明W娃矩形平板波導作為Si-PLZT混合型波導的忍層，PLZT矩形通道作為Si- 化ZT混合型波導的包層;通過娃矩形平板波導束縛傳輸的光場，娃矩形平板直波導用于光 信號的輸入與輸出，娃矩形平板環形波導用于禪合輸入的的光信號并產生一定的相位差； 通過化ZT矩形通道對外界施加的電場產生電光響應，從而發生折射率改變，影響傳輸光波 的相位;外界施加的電場通過一對彎曲共面行波電極施加在化ZT矩形通道上。
[0009] 本發明由于采用W娃矩形平板波導作為Si-PLZT混合型波導的忍層對光場進行束 縛，其結構尺寸要接近微納級別的同類型娃波導器件，而在與化ZT矩形通道形成異質結結 構之后，Si-化ZT混合型波導同時具備了電光調制的特性，從而使高度集成化與高速響應有 效地結合在了 一起。
[0010] 具體的，將內側的彎曲共面行波電極稱為內環共面行波電極，將外側的彎曲共面 行波電極稱為外環共面行波電極，內環共面行波電極覆蓋化ZT矩形通道內側面和頂面內側 區域，外環共面行波電極覆蓋化ZT矩形通道外側面和頂面外側區域，內環共面行波電極和 外環共面行波電極之間存在間隙。
[0011] 本發明結構的相位調制是通過對環形波導進行加電，使化ZT矩形通道的折射率發 生改變，從而達到相位調制的目的，調制電極是由半包裹型的彎曲共面行波電極組成，因為 彎曲共面行波電極與化ZT矩形通道直接接觸且兩個化ZT矩形通道之間相距較近，所W電場 分布比較均勻，調制效率較高。
[0012] 優選的，所述彎曲共面行波電極為180°的半環結構。
[0013] 有益效果:本發明提供的基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制 器，與現有技術相比，具有如下優勢:在保證環形調制器集成度較高的情況下，將娃矩形波 導與化ZT材料在SOI基片上進行有效、合理的集成，從而達到小尺寸、大帶寬、快響應速率的 器件設計目的。現有的普通介質型波導電光環形調制器設計制作方案中，金屬電極通常與 波導忍層的相距較遠，雖然有利于避免金屬對光的吸收，降低器件的整體插損，但由于分壓 的影響，從而造成在波導中電場分布不均勻且強度較弱，導致加電調制效率下降。而本發明 為了達到提高調制效率、縮短響應時間的效果，采用半包裹型的彎曲共面行波電極，其完全 覆蓋住Si-PLZT混合型波導的側壁，并且部分覆蓋在Si-PLZT混合型波導的頂部，電極之間 的間距大大縮短。由于直接與化ZT矩形通道接觸，材料分壓所造成的影響被很大的削弱了， 并且電場在波導中的分布也十分的均勻。本發明的Si-PLZT混合型波導，PLZT矩形通道直接 覆蓋并包裹住娃矩形平板波導作為包層，由此可W保證大部分傳輸模場束縛在化ZT材料 中。本發明在實現尺寸小型化的同時，保證了電光調制的效率。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明的俯視結構示意圖；
[0015] 圖2為本發明的S維立體結構示意圖；
[0016] 圖3為本發明中的包含電極部分的Si-PLZT混合型波導截面示意圖；
[0017] 圖4為本發明在不同的外部驅動電壓下對TE模場的輸出示意圖；
[0018]圖5為本發明射頻振幅與頻率的關系示意圖；
[0019]圖中包括:娃矩形平板直波導1、娃矩形平板環形波導2、化ZT矩形通道3、內環共面 行波電極4、外環共面行波電極5、S0I基片頂層娃6、S0I基片Si化緩沖層7、S0I基片底層娃8。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0021] -種基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，包括直波導、環形 波導、半包裹型的彎曲共面行波電極和化ZT矩形通道。整個器件位于化ZT薄膜層之上，忍片 的襯底為SOI基片。直波導與環形波導均是由娃矩形平板波導構成，兩者之間存在一定的縫 隙，PLZT矩形通道完全覆蓋且包裹住娃矩形波導作為包層材料;一對共面行波電極則分別 位于環形波導的內外兩側作為正負極進行加電，電極的材料為金，其中電極的總體寬度大 約3皿，高度為1皿，并部分覆蓋在化ZT矩形通道頂部。
[0022] 本發明是基于SOI襯底和化ZT電光薄膜材料設計的電光環形調制器，對于不同的 緩沖層及頂層娃厚度和化ZT薄膜材料的組分，為了保證器件的性能設計的要求也有所不 同，在此為了統一敘述，本發明的基片材料參數為：緩沖層Si化厚度1.7WI1，頂層娃厚度 100nm，PLZT 的各元素組分為92/8/65/35(Pb/La/Zr/Ti)。
[0023] 如圖1和圖2所示，為本發明的一種具體實施結構，包括制作在SOI基片頂層娃6表 面上的娃矩形平板直波導1和娃矩形平板環形波導2,娃矩形平板直波導1和娃矩形平板環 形波導2相禪合，娃矩形平板直波導1作為該混合型電光環形調制器的直通端，娃矩形平板 環形波導2作為該混合型電光環形調制器的諧振環;娃矩形平板直波導1和娃矩形平板環形 波導2通過一個化ZT矩形通道3完全包覆住，形成Si-PLZT混合型波導；將Si-PLZT混合型波 導分為直波導和環形波導兩部分，在環形波導部分的內外兩側設置有一對半包裹型的彎曲 共面行波電極對;將內側的彎曲共面行波電極稱為內環共面行波電極4，將外側的彎曲共面 行波電極稱為外環共面行波電極5,內環共面行波電極4覆蓋化ZT矩形通道3內側面和頂面 內側區域，外環共面行波電極5覆蓋化ZT矩形通道3外側面和頂面外側區域，內環共面行波 電極4和外環共面行波電極5之間存在間隙;通過內環共面行波電極4和外環共面行波電極5 對該混合型電光環形調制器進行加電調制，使化ZT矩形通道3的折射率發生變化，從而改變 娃矩形平板環形波導2內光波的相位。
[0024] 該案結構中，由娃矩形平板直波導1、娃矩形平板環形波導2、化ZT矩形通道3、內環 共面行波電極4和外環共面行波電極5共同構成的結構為對稱結構，總體長度是微米量級， 娃矩形平板直波導1和娃矩形平板環形波導2之間的間隙為32皿，而化ZT矩形通道3作為包 層完全覆蓋娃矩形平板直波導1和娃矩形平板環形波導2,內環共面行波電極4和外環共面 行波電極5除了與化ZT矩形通道3的側面相接觸外，還有一部分延伸至化ZT矩形通道3頂面， 延伸的寬度約為135WI1，化ZT矩形通道3的高度為400nm，寬度為1.7WI1，娃矩形平板直波導1 和娃矩形平板環形波導2的頂面距離SOI基片頂層娃6表面的高度約為lOOnm。
[0025] 娃矩形平板直波導1、娃矩形平板環形波導2和化ZT矩形通道3可W通過外延生長、 氣相沉積、電子束及紫外光刻、等離子刻蝕等分步加工的方式制作在SOI的頂層娃6表面，審U 作過程可W為:在SOI的頂層娃6表面上外延生長一層100皿厚的化ZT薄膜，再通過氣相沉積 將厚度為IOOnm的娃沉積在化ZT薄膜上，通過電子束光刻和刻蝕制作出娃矩形平板直波導1 和娃矩形平板環形波導2,再在制作好的娃矩形平板直波導I和娃矩形平板環形波導2上覆 蓋并外延生長一層SOOnm厚的化ZT薄膜，經過紫外光刻和等離子刻蝕將其制作成化ZT矩形 通道3,整個制作工藝與目前IBM32nm的CMOS加工工藝相兼容。
[00%]為了縮小整個器件的尺寸并提高集成度，采用娃矩形平板波導作為Si-PLZT混合 型波導的忍層，而由于娃的折射率比較大，因此可W有效地將光場束縛在化ZT矩形通道3 中。束縛在化ZT矩形通道3中的TE及TM模場的能量比例均高達70% W上，運有利于提高器件 的電調制效率。而為了達到相位調制的目的，通過在環形波導部分的內外兩側設置一對半 包裹型的彎曲共面行波電極，使得化ZT矩形通道3與外界電源相連，由此產生的電場會均勻 的分布于化ZT矩形通道3中從而改變化ZT材料的折射率。隨著包層材料的折射率發生改變， 使得Si-PLZT混合型波導中傳輸的光場有效折射率Neff發生變化，從而改變了娃矩形平板環 形波導2中光波的相位。因為一對包裹型的彎曲共面行波電極與化ZT矩形通道3的側壁直接 接觸，并且有一部分覆蓋在其頂部，所W空氣層及其他材料分壓的影響非常小，使得加電效 率得到了很大的提升。同時，相對于電極的尺寸，Si-化ZT混合型波導的結構很小，不會對微 波信號造成太大的損耗，從而提高了器件的調制帶寬。
[0027]本案結構采用的是商用的SOI基片襯底，制作出的混合型電光環形調制器的具體 參數如表1所示。
[002引表1結構參數 [0029]
[0030]
[0031] 通過化ZT材料的極化張量矩陣來分析Si-PLZT混合型波導在外部電場作用下時 化ZT矩形通道3的折射率所發生的變化，用3 X 3矩陣其可W表示為：
[0032]
[0033] ^表示化ZT矩 形通道3在加電及未加電時的相對介電常數分量，而旬'是由電壓引起的靜電場分量，丫 IJ則 表示化ZT(8/65/35)薄膜的一階電光系數張量，且丫 13= 丫 23= 丫 33>45pm/V，丫 42= 丫 8pm/V;i, j = x,y,z。
[0034] 再利用傳輸矩陣法進一步分析混合型電光環形調制器的輸出情況，Si-化ZT混合 型波導由娃矩形平板直波導1、娃矩形平板環形波導2和化ZT矩形通道3構成，在輸出端的輸 出功率可W表示為：
[0035]
[0036]
[0037] 式中，6。。*，61。，6"噸分別表示在諧振腔達到平衡狀態時輸出、輸入^及圓環中光波 的振幅。a是內損耗因子，用于描述光波在環形波導中傳輸時的損耗；It I是用于描述環形波 導與直波導之間的禪合效率;Lcircle是環形波導的周長，而拍el是Si-PLZT混合型波導中模場 的有效折射率實部。
[0038] 對于常規的娃基或者化ZT環形波導調制器，電極的制作往往遠離忍層。對于本發 明提供的基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，由于采用半包裹型的共 面行波電極，其直接與PLZT包層的側壁W及部分上表面相接觸，所W在同樣的電壓下，本發 明的波導結構中的電場要大于其他常規的環形波導調制器，并且電場的分布也十分均勻。 除此之外，PLZT矩形通道完全包裹住了娃矩形平板波導，保證大部分的傳輸模場均位于 化ZT包層中，進一步提高了器件對傳輸光波的調制效率，在不同的外加電壓下其對TE模場 的輸出光功率如圖4所示。且由于Si-PLZT異質結結構的混合型波導尺寸很小，因此波導材 料所引起的微波損耗不大，本發明射頻調制信號的振幅與輸入頻率之間關系如圖5所示。
[0039] 如圖4和圖5所示，當輸入光波長范圍在1545nm-1555nm之內時，共振波長調制效 率dVdV可W達到25pm/V，已經接近同類型的電光聚合物波導環形調制器，且集成度要高得 多。并且，如果輸入的工作波長為1550.22nm，當外部驅動電壓為20V時可W獲得的消光比高 達32地。由此可W證明，本發明在滿足調制效率高的同時還可W保證良好的消光比。而通過 對該結構下所傳輸的微波信號的輸出與反射進行分析后發現，當射頻的頻率達到14G化時， 本發明的射頻輸出信號振幅下降到初始狀態的一半，因此該器件的調制帶寬大約為14GHz。 本發明的基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器可W獲得大消光比、低驅 動電壓等特性，適用于高頻大帶寬調制。圖4中，Wave length表示波長，Transmission表示輸 出光功率;圖5中，化equency表示頻率，RF magn;Uude表示射頻信號強度。
[0040] W上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，其特征在于:包括制 作在SOI基片頂層硅(6)表面上的硅矩形平板直波導（1)和硅矩形平板環形波導（2)，硅矩形 平板直波導（1)和硅矩形平板環形波導（2)相耦合，硅矩形平板直波導（1)作為該混合型電 光環形調制器的直通端，硅矩形平板環形波導（2)作為該混合型電光環形調制器的諧振環； 硅矩形平板直波導（1)和硅矩形平板環形波導（2)通過一個PLZT矩形通道(3)完全包覆住， 形成Si-PLZT混合型波導；將Si-PLZT混合型波導分為直波導和環形波導兩部分，在環形波 導部分的內外兩側設置有一對半包裹型的彎曲共面行波電極對，通過彎曲共面行波電極對 該混合型電光環形調制器進行加電調制，使PLZT矩形通道(3)的折射率發生變化，從而改變 硅矩形平板環形波導(2)內光波的相位。2. 根據權利要求1所述的基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，其 特征在于:將內側的彎曲共面行波電極稱為內環共面行波電極(4)，將外側的彎曲共面行波 電極稱為外環共面行波電極(5)，內環共面行波電極(4)覆蓋PLZT矩形通道(3)內側面和頂 面內側區域，外環共面行波電極(5)覆蓋PLZT矩形通道(3)外側面和頂面外側區域，內環共 面行波電極(4)和外環共面行波電極(5)之間存在間隙。3. 根據權利要求1所述的基于SOI的Si-PLZT異質結結構的混合型電光環形調制器，其 特征在于:所述彎曲共面行波電極為180°的半環結構。
【文檔編號】G02F1/03GK105954892SQ201610490158
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】胡國華, 戚志鵬, 劉暢, 李磊, 惲斌峰, 張若虎, 崔平, 崔一平
【申請人】東南大學