[发明专利]一种电光调制集成波导结构

说明书

本发明公开了一种电光调制集成波导结构，主要解决现有技术中氮化铝电光调制器调制深度和速率不足的问题。方案为：自下而上包括硅衬底、氧化硅埋层、半导体薄层和波导调制区域；其中，半导体薄层厚度不超过100nm；波导调制区域包括波导、盖层、顶电极和底电极；波导位于半导体薄层的上表面中间位置，并与半导体薄层紧密接触；盖层覆盖在波导和半导体薄层之上；顶电极位于波导的正上方，并与盖层紧密接触；底电极位于波导的一侧。本发明能够有效避免氧化硅介质的过度分压作用，实现电场最大化利用；同时，具有结构工艺简单、成本低廉且兼容性强的特点，可大幅度提高氮化铝电光调制器的性能。

技术领域

本发明属于硅基光子集成回路技术领域，进一步涉及复合光波导结构，具体为一种电压驱动的高速电光调制集成波导结构。可用于波导延迟线、微环调制器、纳米梁谐振腔调制器等器件的制作。

背景技术

光通信技术具备传输距离长、节能环保、传输容量大和通信速度快等优点，已经被广泛应用于现代通信网络中。在光通信技术涉及的核心部件中，电光调制器是一种将电信号加载至光载波上的关键功能器件。对光通信链路，调制器的性能不仅决定了发射光信号的码率、质量和传输距离，而且关系到光模块尺寸和功耗等模块指标。因此，电光调制器是高速光通信链路关键的瓶颈性器件。

传统的硅基以及III-V族磷化铟光调制器主要应用在中短距离通信中，无法满足长距离信号传输要求，相比较而言，基于电光效应的马赫-增德尔(Mach-Zehnder,MZ)调制器，是高速、超长距光通信的重要器件。电光调制器的基础是电光效应，即电光材料的折射率变化量可以通过外加电场的强度进行调节，主要包括基于泡克斯效应的线性电光原理和基于克尔效应的二次电光原理。一般来讲，线性电光效应比二次电光效应的作用效果更为明显，因此实际应用中更多采用线性电光调制器对光波进行调制。

电光晶体，通常是指不具有对称中心结构的各向异性晶体材料，常见的包括铌酸锂(LiNbO₃)，钛酸钡(BaTiO₃)等晶体材料。氮化铝(AlN)材料，晶格结构属于六方纤锌矿结构，以铝原子为中心，和周围四个氮原子形成一个四面体结构，由于其结构的不对称性，因此具备电光转化特性。除此之外，氮化铝具备极低的传输损耗特性、极宽的通光范围、再极高的导热特性，还具备与硅COMS工艺的完美兼容特性。由于以上优点，氮化铝有望成为光子集成回路中光调制器的重要技术。通常，氮化铝采用磁控溅射等工艺进行制备，通过工艺条件优化，可以在c轴002晶向上择优生长，从而获取优异的电光特性。常见的氮化铝波导电光调制器结构，需要将施加的电场方向与氮化铝的c轴方向高度重合，从而实现最佳的调制效果。现有的技术中，为了避免金属电极对波导中传输光场产生较大的吸收，需要采用较厚的低折射率氧化硅材料覆盖在氮化铝材料周围，从而起到既能限制光场，又能隔离金属吸收的作用，但是这样的结构，氧化硅不可避免会分走一部分电压，造成加载到氮化铝电光材料上的电压不足，严重制约氮化铝电光调制器的调制深度和调制速率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种电光调制集成波导结构，用于解决现有方案中氮化铝调制深度和调制速率不足的问题。通过氮化铝与薄层硅形成的复合波导结构，实现沿氮化铝材料c轴取向方向电场的高效加载，对施加电压的高效利用可大幅度提高氮化铝电光调制器的性能，从而为片上大规模集成的非线性光电子器件提供了一种基础的解决方案。