一种硅基电光调制器的制作方法

[0001]
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种硅基电光调制器。


背景技术：

[0002]
在硅基集成光电系统中，行波电极调制器由于具有可得到较高消光比与较易集成的特点而得到广泛应用，其一般基于soi(silicon-on-insulator，绝缘体上硅)工艺，制成硅基电光调制器。基于soi工艺的行波电极调制器一般由光波导负载和行波电极组成，电磁波在行波电极间传输，光载波在负载光波导中传输。在光载波和电磁波传输过程中，电磁波与光载波相互作用使光载波的相位发生变化，从而完成电信号到光信号的调制。在行波电极调制器中，其主要的性能评价指标为电光带宽以及阻抗，一般需要设计较高的电光带宽以及合适的阻抗。影响电光带宽的主要因素有两个：一为带负载行波电极的损耗，二为其微波群速度与光载波群速度的匹配程度。设计时，需要行波电极调制器具有较低的微波损耗，同时微波具有与光载波相同的群速度。
[0003]
在现有的soi工艺中，使用的衬底硅主要有两种，一般按电阻率区分，一种为高阻硅，电阻率在750ohm
·
cm以上，一种为低阻硅，电阻率在10ohm
·
cm左右。由于一些工艺中使用的衬底硅为低阻硅，低阻硅衬底的电阻率较低，因而行波电极辐射到低阻硅衬底中的电磁场会产生严重的衰减，导致行波电极调制器具有很高的微波损耗，从而使得行波电极调制器的整体电光带宽比较低，严重限制了行波电极调制器的性能和应用。并且，在行波电极调制器的设计中，一般由于电磁波的群速度要大于光载波的群速度，导致电磁波和光载波在传输过程中会有速度失配，从而导致调制器电光带宽的进一步降低。


技术实现要素：

[0004]
本申请的目的在于提供一种硅基电光调制器，具有较高的电光匹配度和较低的微波损耗，可有效提升其电光带宽。
[0005]
为了实现上述目的之一，本申请提供了一种硅基电光调制器，包括依次层叠的衬底层、绝缘层和光波导层，以及设于所述光波导层上方的行波电极；还包括沿所述行波电极上电信号传输方向周期性设置的金属栅形结构，所述金属栅形结构设于所述光波导层上方。
[0006]
作为实施方式的进一步改进，所述金属栅形结构设于所述行波电极上方。
[0007]
作为实施方式的进一步改进，所述金属栅形结构设于所述行波电极两侧。
[0008]
作为实施方式的进一步改进，所述金属栅形结构设于所述光波导层与所述行波电极之间。
[0009]
作为实施方式的进一步改进，所述光波导层包括光波导和设于所述光波导两侧的掺杂电极，所述掺杂电极与相应的行波电极之间通过导电结构电性连接，所述导电结构沿行波电极上电信号传输方向设有周期性空隙结构；至少部分所述金属栅形结构穿过所述周期性空隙结构，设于所述行波电极下方。
[0010]
作为实施方式的进一步改进，所述导电结构上的周期性空隙结构的周期为金属栅形结构周期的n倍，n为大于或等于1的正整数。
[0011]
作为实施方式的进一步改进，所述金属栅形结构与所述行波电极绝缘设置。
[0012]
作为实施方式的进一步改进，所述金属栅形结构的周期在4～15微米。
[0013]
作为实施方式的进一步改进，所述金属栅形结构与所述行波电极的材质相同。
[0014]
作为实施方式的进一步改进，所述衬底层靠近所述绝缘层的表面设有凹槽，所述凹槽位于所述光波导层的光波导下方，沿所述光波导设置。
[0015]
本申请的有益效果：在行波电极周围增加金属栅形结构，一方面使行波电极的电磁波群速度与光载波的群速度相匹配，以提高行波电极的电光匹配度，另一方面屏蔽了行波电极向低阻硅衬底中辐射电磁场，以减小行波电极的微波损耗，有效提升了电光调制器的电光带宽。
附图说明
[0016]
图1为光调制系统示意图；
[0017]
图2为常用硅基行波电极调制器横截面示意图；
[0018]
图3为coms工艺中在覆盖层里沉积有金属层的结构示意图；
[0019]
图4为本申请硅基电光调制器实施例1示意图；
[0020]
图5为实施例1的结构中采用gssg行波电极示意图；
[0021]
图6为本申请硅基电光调制器实施例2示意图；
[0022]
图7为本申请硅基电光调制器实施例2的一种变形结构示意图；
[0023]
图8为本申请硅基电光调制器实施例3示意图；
[0024]
图9为本申请硅基电光调制器实施例4示意图。
具体实施方式
[0025]
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
[0026]
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
[0027]
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
[0028]
光调制系统一般由驱动器和调制器构成，行波电极调制器由于具有可得到较高消光比与较易集成的特点而得到广泛应用。行波电极调制器，按照驱动方式分有单极驱动和
双极驱动方式，按照光波导的排布方式还有串联推挽式结构和分离双臂式等结构。如图1所示，一般的行波电极调制系统主要由驱动器20和行波电极调制器10构成。基于soi工艺制成的行波电极调制器10的调制区域的截面示意如图2所示，包括依次层叠的衬底层110、绝缘层120和光波导层130，以及设于光波导层130上方的行波电极140，在行波电极140与光波导层130之间设有绝缘的覆盖层150。这里，衬底层110一般采用的是低阻硅，绝缘层120一般采用的是绝缘氧化物，光波导层130一般是soi(绝缘体上硅)中的顶层硅蚀刻而成，包括光波导131，并在光波导两侧制作掺杂区域形成掺杂电极132，掺杂电极132与光波导层130上方相应的行波电极140之间通过导电结构160电性连接。
[0029]
其工作原理为：驱动器(driver)20经过键合引线连接到行波电极调制器10，光波导131放置于行波电极140电场中，由驱动器20输出高速数字信号，数字信号到达行波电极调制器10，沿行波电极140传播，光波在光波导131中传播，行波电极140中高速数字信号所带来的电场变化会使光波导131的有效折射率发生变化。因此当高速数字信号在行波电极140上传播时，高速数字信号的电场使光波导131的折射率发生变化，从而使光载波的相位发生变化，使光载波携带上数字信号信息，光载波在后端的马赫增德尔干涉仪中干涉，从而完成调制。
[0030]
为了解决行波电极调制器微波损耗过大，以及因电磁波速度较快而与光载波失配的问题，本申请的硅基电光调制器在上述行波电极调制器的行波电极周围增加了金属栅形结构。该金属栅形结构一方面使行波电极的电磁波群速度与光载波的群速度相匹配，以提高行波电极的电光匹配度，另一方面屏蔽了行波电极向低阻硅衬底中辐射电磁场，以减小行波电极的微波损耗，有效提升了电光调制器的电光带宽。
[0031]
coms(complementary metal-oxide-semiconductor，互补金属氧化物半导体)集成器件具有功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高等众多优点，所以硅基电光调制器多采用coms工艺制作，具有较高的调制效率。coms工艺中，如图3所示，在光波导层130上面的覆盖层150里，可以沉积多层金属层170，用于定义半导体芯片内各集成器件之间的互联。在本申请的硅基电光调制器中，可以利用coms工艺在覆盖层150里沉积金属层170来制作金属栅形结构。当然，金属栅形结构可以设在行波电极的上方、下方或两侧等。
[0032]
实施例1
[0033]
如图4所示，该实施例中，硅基电光调制器包括依次层叠的衬底层110、绝缘层120和光波导层130，以及设于光波导层130上方的行波电极140和设于行波电极140周围的金属栅形结构180。该金属栅形结构180沿行波电极140上电信号传输方向周期性设置。光波导层130包括光波导131和设于光波导131两侧的掺杂电极132，掺杂电极132与光波导层130上方相应的行波电极140之间通过导电结构160电性连接。该实施例中行波电极140采用的是gs型行波电极，即接地线g和信号线s，接地线g和信号线s分别位于光波导131两侧掺杂电极132的上方，各自通过导电结构160与掺杂电极132电性连接。该实施例中，导电结构160采用的是连续的导电面板结构，在其它实施例中，导电结构160也可以由若干的导电过孔组成，当然还可以采用其它结构。
[0034]
该实施例中，金属栅形结构180设于行波电极140上方，且与行波电极140绝缘设置。即在覆盖层中间沉积的金属层上制作行波电极140，在顶层沉积的金属层上制作金属栅形结构180。为清楚示意金属栅极结构180，图4中未画出覆盖层，下面的各附图也未画出覆
盖层，下文中不再赘述。该实施例中，用于制作行波电极的金属层和制作金属栅形结构的金属层的材质相同，如铝或铜等。
[0035]
由于金属栅形结构具有周期性结构，可有效减小电磁波的传输速度，即减慢了电磁波沿行波电极传输的速度，使得电信号在行波电极上传输的群速度与光波导层的光波导内传输的光载波的群速度相匹配，解决了电光调制器中电光失配的问题，提升了电光调制器的电光带宽。该实施例中，金属栅形结构的周期在4～15微米范围内，占空比在10-25范围内，可以使得行波电极上电信号的群速度与光波导内光载波的群速度更接近。
[0036]
如图4所示，该实施例中，电光调制器采用的是单端驱动的gs型行波电极。在其它实施例中，也可以采用如图5所示的差分驱动的gssg型行波电极，当然也可以采用其它类型的行波电极。
[0037]
实施例2
[0038]
如图6所示，与实施例1不同的是，该实施例中，金属栅形结构180设置在行波电极140与光波导层130之间，且与行波电极140绝缘设置。即在覆盖层中间沉积的金属层上制作金属栅形结构180，在顶层沉积的金属层上制作行波电极140。同实施例1一样，这里用于制作行波电极的金属层和制作金属栅形结构的金属层的材质也相同。该实施例中，一方面，金属栅形结构的周期性结构减慢了电磁波沿行波电极传输的速度，使得电信号在行波电极上传输的群速度与光波导层的光波导内传输的光载波的群速度相匹配，解决了电光调制器中电光失配的问题，提升了电光调制器的电光带宽。另一方面，金属栅形结构处于行波电极和光波导层之间，可阻挡行波电极的电磁场向衬底层(一般采用低阻硅)辐射，有效降低了行波电极的微波损耗，进一步提升了电光调制器的电光带宽。
[0039]
如图6所示，该实施例中，金属栅形结构180分布在电性连接掺杂电极132和行波电极140的导电结构160的两侧，且与导电结构160和行波电极140绝缘。在其它实施例中，如图7所示，也可以在导电结构160上沿行波电极140的电信号传输方向设置周期性空隙结构161，金属栅形结构180穿过导电结构160上的周期性空隙结构161，使得金属栅形结构180至少部分连续设于行波电极140下方，具有更大面积，对向下辐射的电磁场具有更好的屏蔽效果，可更有效地降低行波电极的微波损耗。该周期性空隙结构161的周期可以是金属栅形结构180周期的n倍，n为大于或等于1的正整数。同样的，金属栅形结构180穿过导电结构160的周期性空隙结构161时，也与该导电结构160绝缘设置。在图7中，上述导电结构160由多个导电柱间隔排列，形成多个周期性空隙结构161。在其它实施例中，导电结构也可以由多个导电过孔间隔排列，形成多个周期性空隙结构；或者也可以在连续的导电面板结构上蚀刻出多个间隔排列的开孔，形成多个周期性空隙结构。
[0040]
同实施例1一样，该实施例中，金属栅形结构的周期在4～15微米范围内，可以使得行波电极上电信号的群速度与光波导内光载波的群速度更接近。电光调制器可以采用单端驱动的gs型行波电极，也可以采用差分驱动的gssg型行波电极，当然还可以采用其它类型的行波电极。
[0041]
实施例3
[0042]
如图8所示，与实施例1不同的是，该实施例中，金属栅形结构180设置在行波电极140的两侧，且与行波电极140绝缘设置。即只需在覆盖层上沉积一层金属层，在该金属层上制作行波电极，在该金属层上行波电极140之外的位置制作金属栅形结构180。利用金属栅
形结构的周期性结构来减小电磁波的传输速度，即减慢电磁波沿行波电极传输的速度，使得电信号在行波电极上传输的群速度与光波导层的光波导内传输的光载波的群速度相匹配，解决了电光调制器中电光失配的问题，提升了电光调制器的电光带宽。而且只需沉积一层金属层，简化了制作工序，节省了材料，可有效降低电光调制器的制作成本。
[0043]
同实施例1，该实施例中，金属栅形结构的周期在4～15微米范围内，可以使得行波电极上电信号的群速度与光波导内光载波的群速度更接近。电光调制器可以采用单端驱动的gs型行波电极，也可以采用差分驱动的gssg型行波电极，当然还可以采用其它类型的行波电极。
[0044]
实施例4
[0045]
如图9所示，该实施例是在上述任一实施例的基础上，在衬底层110靠近绝缘层120的表面增加凹槽111，该凹槽111位于光波导层130的光波导131的下方，沿光波导131设置。在光波导131下方的衬底层110设置凹槽111，即将光波导131下方的衬底层110掏空一部分，在衬底层110与绝缘层120之间形成一中空结构，可以减少电磁场在衬底层110中的分布，从而减少电磁场在衬底层中的损耗，进一步降低了行波电极的微波损耗，利于提升电光调制器的电光带宽。这里，凹槽111横截面的形状可因实际制作工艺的不同而不同，如图9所示的凹槽111横截面为矩形，在其它实施例中，也可能是半椭圆或其它规则或不规则形状等。
[0046]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。