[发明专利]一种基于双层传输线结构的硅基电光调制器行波电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于双层传输线结构的硅基电光调制器行波电极及其制备方法。所述行波电极包括从下至上依次设置的衬底、二氧化硅层、掺杂硅层、第一覆盖层、第一金属层、第二覆盖层和第二金属层。所述行波电极两侧还设置有贯穿衬底、二氧化硅层、掺杂硅层、第一覆盖层、第一金属层、第二覆盖层和第二金属层的窗口结构。本发明提供的基于双层传输线结构的硅基电光调制器行波电极通过形成通孔对衬底进行了挖空，有效地增大了光信号与微波信号等效折射率匹配程度，降低了基座带来的损耗，进一步提高了带宽。并且通过优化有源区来降低损耗，可以将降低金属损耗与介质损耗相结合来进一步优化调制器性能。

技术领域

本发明涉及一种基于双层传输线结构的硅基电光调制器行波电极及其制备方法，属于光通信器件技术领域。

背景技术

随着5G时代的到来，固网以及移动网的使用数量逐步上升，高性能计算的数据量急剧增长，人们对数据的要求也越来越高。数据流量持续增长已经成为必然趋势，这就要求传输系统必须朝着高速率，大吞吐量的趋势发展。如何构建传输能力更强，传输距离更长，传输效率更高的通信网络是人们一直关注的热点。

在整个光通信网络中，电光调制器是十分重要的一种器件，它负责将电信号转换成便于传输的光信号，因此制备带宽更大，损耗更低，可集成度高的电光调制器至关重要。由于硅材料具有很弱的电光效应，所以在制备硅基调制器时，需要利用等离子色散效应。等离子色散效应是指在硅材料中掺杂不同的载流子，常用的是磷和硼，使载流子浓度发生变化，进而引起折射率的改变，进行调制。趋肤效应是指当导体中有高频电流存在时，原来导体中的电流只能靠近表面流动，使得传输线有效横截面积减小，从而使传输线的电阻增加。考虑高频信号的邻近效应，当高频电流在两导体中彼此反向流动时，电流会集中于导体临近侧流动。因此增加趋肤深度并且在导体外侧增加一层金属可以有效降低电阻，从而降低损耗。

马赫-曾德尔电光调制器是常用的调制器之一。马赫-曾德尔型干涉仪由分束器，合束器以及两个调制臂组成，两个调制臂是对称分布的，调制臂是进行电光作用的主要场所。输入光在输入波导中传输，然后经过一个分束器分成两束相同的光，这两束光分别经过两个波导后在合束器中合成一束光。如果传输过程没有损耗，也没有对光进行调制，也就是没有在调制臂上施加电压，输出光与输入光相同。如果对两个臂施加电压，调制臂的折射率将会改变，波导中传播的波长也会变化，就会产生相位差。这种结构实现较简单，允许工作的波长范围较大，光学损耗较低。共面波导结构相比较共面带状线结构，它能够更好的对信号进行屏蔽，避免信号之间发生串扰。

中国专利文件CN112379538A公开了一种共面带状线行波电极及硅基马赫曾德尔调制器，具有共面波导-共面带状线的宽带过渡结构，所述共面带状线行波电极包括第一接地线、信号线、第二接地线；所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端、所述第一过渡段、所述第二过渡段、所述场耗散过渡段构成共面波导-共面带状线的过渡结构；所述第一地极接入端、所述信号接入端、所述第二地极接入端构成的共面波导结构。但是该专利依然存在行波电极微波损耗较大和带宽较小的问题。

很多研究着重于调制区的优化来降低损耗，但是通过降低行波电极金属损耗以及介质损耗来进一步提高带宽方法较少。因此，着重于二者结合来提高带宽很有必要。制备行波电极的材料有很多，比如铌酸锂晶体电光调制器，III-V族电光调制器，他们虽然更够得到较大带宽，但是制作成本高，器件体积大不利于集成化发展。硅材料具有材料丰富，制作成本低，可以和发展成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容等优点，获得了研究者青睐，因此研究损耗更低，带宽更大，可集成程度高的硅基电光调制器势在必行，为100G，400G光通信的发展打下坚实的基础。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于双层传输线结构的硅基电光调制器行波电极及其制备方法。本发明的调制器行波电极采用了将金属电极上制备二层金属以及衬底挖空技术相结合的方法来进一步提高带宽。

术语说明：