[發明專利]一種新型硅基混合材料集成電光調制器及其制備方法

在審

• 申請號: 202111384554.2
• 申請日: 2021-11-19
• 公開（公告）號: CN114035349A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 馬超;黃秋元;周鵬
• 申請（專利權）人: 武漢普賽斯電子技術有限公司
• 主分類號: G02F1/03
• 分類號: G02F1/03;G02F1/035;G02F1/21;G02F1/225
• 代理公司: 武漢智嘉聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 42231
• 代理人: 柏琳容

本發明公開了一種新型硅基混合材料集成電光調制器及其制備方法，該新型硅基混合材料集成電光調制器包括依次層疊排布的襯底層、隔離層和功能層，功能層包括硅波導單元、地電極、信號電極、以及導電溶膠凝膠；波導單元包括調制臂，調制臂一側通過導電溶膠凝膠與地電極連接，調制臂另一側通過導電溶膠凝膠與信號電極連接。本發明方案通過引入梳子狀結構的導電溶膠凝膠來連接金屬電極與調制臂，使電光調制器的響應速度和調制帶寬顯著提高，同時使光傳輸損耗顯著降低。

技術領域

本發明涉及光通信技術，特別是一種新型硅基混合材料集成電光調制器及其制備方法。

背景技術

隨著人們對信息處理速度、數據傳輸速率和數據存儲容量等要求的不斷提高，信息網絡以爆炸性的速度增長。為了滿足大容量、超高速的信息互聯互通需求，往往需要性能優越的電光信號處理器件。電光調制器作為光通信傳輸中實現信息在電信號與光信號之間轉換的核心器件，其具有廣闊的發展和應用前景，一直廣受關注。為了在芯片上實現集成電光調制器，出現了利用標準化硅基集成工藝的電光調制器，利用摻雜硅作為導光介質，通過電極的控制可以改變摻雜硅波導的有效折射率，從而完成硅波導中信號的相位調制。

目前，常見的硅槽型波導電光調制器通常采用以下幾種方案來實現金屬電極與硅波導條之間的連接：

方案1，高摻雜硅條帶與硅波導條帶連接為一體且等厚度，在器件制作階段，刻蝕成一維或二維周期結構并摻雜。該方案能在一定程度上解決導電連接問題，但存在下面幾個缺點：(1)存在較大的光能量泄漏。由于摻雜硅與組成波導的硅材料的折射率、厚度相同，很容易導致有源區波導中的光能量向兩側泄漏，降低了光功率約束效果，增加了光傳輸損耗。雖然采用了周期結構來約束光功率，但能量泄漏仍然是可觀的。(2)存在較大的光吸收損耗。為了實現良好的導電性，需要對連接部位的硅材料進行高摻雜，高摻雜硅對光能量具有很強的吸收作用，使得光傳輸損耗變大。(3)調制帶寬受限。摻雜硅中的自由載流子對高頻調制信號的響應速度有限，制約了調制帶寬的提高。

方案2，高摻雜硅薄層與硅波導條連接為一體，但厚度小很多，在器件制作階段，刻蝕成厚度為50nm左右的條帶，形成連續的薄層連接金屬電極與波導。采用很薄的厚度有利于保持有源區槽型硅波導的光傳輸功能，該方案存在與方案一類似的幾個缺點：(1)存在較大的光吸收損耗。由于連接硅條帶很薄，為了實現良好的導電連接，需要對其進行很高濃度的摻雜，這使得硅對光能量的吸收顯著增加。(2)調制帶寬受限。超薄硅中的自由載流子對高頻調制信號的響應速度比方案1還要慢，制約了調制帶寬的提高。

方案3，鐵電材料填充在硅波導條與金屬電極之間，形成與波導厚度相當的條帶。鐵電材料具有很大的相對介電常數，達到20～30，遠大于硅和有源區電光聚合物的相對介電常數，這使得正負電極之間的驅動電壓能夠更多地分配到有源區電光材料上，實現了良好的導電傳輸，提高了驅動效果。但存在下面幾個缺點：(1)存在一定的光能量泄漏。鐵電材料的折射率在2.0左右，雖然小于硅材料的折射率，但比溶膠凝膠二氧化硅和電光聚合物的1.6左右的折射率大許多。因此，相比較而言會有相當比例的光會泄漏到鐵電材料中。(2)調制帶寬受限。鐵電材料的介電常數很大，使得正負電極之間的分布電容很大，而大電容會增加電路的響應時間，減小響應速度。(3)制備工藝復雜。鐵電薄膜材料不同于鐵電體材料，很容易開裂，為了制備得到質量良好的薄膜，需要在一千攝氏度左右的高溫中烘烤退火。

上述現有方法在制備硅槽型波導電光調制器時均存在諸多不足之處，特別是難以在提高調制帶寬的同時使光傳輸損耗降低，故需要提出一種新的電光調制器用于解決上述現有問題。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種新型硅基混合材料集成電光調制器及其制備方法，用于解決現有技術難以實現提高調制帶寬的同時使光傳輸損耗降低的問題。