[发明专利]一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法，该新型硅基混合材料集成电光调制器包括依次层叠排布的衬底层、隔离层和功能层，功能层包括硅波导单元、地电极、信号电极、以及导电溶胶凝胶；波导单元包括调制臂，调制臂一侧通过导电溶胶凝胶与地电极连接，调制臂另一侧通过导电溶胶凝胶与信号电极连接。本发明方案通过引入梳子状结构的导电溶胶凝胶来连接金属电极与调制臂，使电光调制器的响应速度和调制带宽显著提高，同时使光传输损耗显著降低。

技术领域

本发明涉及光通信技术，特别是一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法。

背景技术

随着人们对信息处理速度、数据传输速率和数据存储容量等要求的不断提高，信息网络以爆炸性的速度增长。为了满足大容量、超高速的信息互联互通需求，往往需要性能优越的电光信号处理器件。电光调制器作为光通信传输中实现信息在电信号与光信号之间转换的核心器件，其具有广阔的发展和应用前景，一直广受关注。为了在芯片上实现集成电光调制器，出现了利用标准化硅基集成工艺的电光调制器，利用掺杂硅作为导光介质，通过电极的控制可以改变掺杂硅波导的有效折射率，从而完成硅波导中信号的相位调制。

目前，常见的硅槽型波导电光调制器通常采用以下几种方案来实现金属电极与硅波导条之间的连接：

方案1，高掺杂硅条带与硅波导条带连接为一体且等厚度，在器件制作阶段，刻蚀成一维或二维周期结构并掺杂。该方案能在一定程度上解决导电连接问题，但存在下面几个缺点：(1)存在较大的光能量泄漏。由于掺杂硅与组成波导的硅材料的折射率、厚度相同，很容易导致有源区波导中的光能量向两侧泄漏，降低了光功率约束效果，增加了光传输损耗。虽然采用了周期结构来约束光功率，但能量泄漏仍然是可观的。(2)存在较大的光吸收损耗。为了实现良好的导电性，需要对连接部位的硅材料进行高掺杂，高掺杂硅对光能量具有很强的吸收作用，使得光传输损耗变大。(3)调制带宽受限。掺杂硅中的自由载流子对高频调制信号的响应速度有限，制约了调制带宽的提高。

方案2，高掺杂硅薄层与硅波导条连接为一体，但厚度小很多，在器件制作阶段，刻蚀成厚度为50nm左右的条带，形成连续的薄层连接金属电极与波导。采用很薄的厚度有利于保持有源区槽型硅波导的光传输功能，该方案存在与方案一类似的几个缺点：(1)存在较大的光吸收损耗。由于连接硅条带很薄，为了实现良好的导电连接，需要对其进行很高浓度的掺杂，这使得硅对光能量的吸收显著增加。(2)调制带宽受限。超薄硅中的自由载流子对高频调制信号的响应速度比方案1还要慢，制约了调制带宽的提高。

方案3，铁电材料填充在硅波导条与金属电极之间，形成与波导厚度相当的条带。铁电材料具有很大的相对介电常数，达到20～30，远大于硅和有源区电光聚合物的相对介电常数，这使得正负电极之间的驱动电压能够更多地分配到有源区电光材料上，实现了良好的导电传输，提高了驱动效果。但存在下面几个缺点：(1)存在一定的光能量泄漏。铁电材料的折射率在2.0左右，虽然小于硅材料的折射率，但比溶胶凝胶二氧化硅和电光聚合物的1.6左右的折射率大许多。因此，相比较而言会有相当比例的光会泄漏到铁电材料中。(2)调制带宽受限。铁电材料的介电常数很大，使得正负电极之间的分布电容很大，而大电容会增加电路的响应时间，减小响应速度。(3)制备工艺复杂。铁电薄膜材料不同于铁电体材料，很容易开裂，为了制备得到质量良好的薄膜，需要在一千摄氏度左右的高温中烘烤退火。

上述现有方法在制备硅槽型波导电光调制器时均存在诸多不足之处，特别是难以在提高调制带宽的同时使光传输损耗降低，故需要提出一种新的电光调制器用于解决上述现有问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新型硅基混合材料集成电光调制器及其制备方法，用于解决现有技术难以实现提高调制带宽的同时使光传输损耗降低的问题。