一种新型高效率的片上中红外声光调制器及其制备方法

本发明涉及光电子技术领域，特别是涉及一种新型高效率的片上中红外声光调制器及其制备方法。

背景技术：

声光调控器件是涉及声波与光波相互作用的多物理场耦合元件，在多样化的光电子信息处理技术领域具有特殊地位。鉴于微波与光波间直接转换效率较低，声波作为一种重要的传输载体，在上述两种物理场的高效耦合与转换器件研究中扮演举足轻重的作用。随着片上硅基压电式光机器件及声光相互作用芯片的不断发展，声波已是连接光波与微波信号之间不可或缺的桥梁；同时，也是发展光波信号处理技术必不可少的调控手段。目前，商用的声光调控器件主要包括声光调制器、滤波器、q开关、移频器以及偏转器等，用于实现光波传输强度、方向和频率的有效控制。这些声光功能器件，本质上来讲，是基于布拉格光栅衍射效应和多普勒效应，结合电声换能器与压电晶体材料，对入射光波信号相关参数进行多维度调控的物理器件。然而，受限于声光体材料的尺寸和物理特性，声光调控器件在光波适用频段、声波调制速率、声光转换效率和电功率能耗等方面遇到了瓶颈。因此，如何在小尺寸器件结构下，提高声光相互作用强度；同时，拓展声光调控器件的光波工作带宽与声波加载频率，实现多个光波长工作条件下，集成化声-光信号的高速高效转换，俨然已是未来多样化、高性能声光调控器件发展的必然趋势。

此外，在近些年微波光子与量子技术的驱动下，表面波集成的波导型声光调控器件及芯片技术已成为实现微波到光量子信号高效转换的重要手段。特别地，考虑到大气透明窗口的存在，即3-5μm和8-12μm，未来针对“分子指纹”区域的光信息获取和声光调控等前沿技术，有望在生物化学传感、敏感气体探测、热成像、自由空间通信等民用和军事领域获得更多潜在的应用。

为了满足微波信号激励下，声表面波对光波相位改变量的最大化调制，基于不同的压电晶体薄膜材料，例如：铌酸锂、氮化铝、砷化镓等，从实验上探究了不同频率瑞利声表面波对近红外光导波的调制效果。但研究结果发现，多场耦合过程中由于机电耦合系数与光机耦合系数均较低，导致声表面波对光波调制效率偏低等突出问题，因此，提升多场耦合转换系数与增大声表面波对光波调制效率的研究具有突出的意义。进一步的，当拓展光波导工作波长至中远红外频段时，声表面波与光波相互作用会因为正负应变抵消问题存在显著减弱，如何增强声表面波与中红外光导波互作强度自然是一个迫切需要被解决的问题。由此可见，一方面，高效率声光调制的实现仍然面临一定的挑战；另一方面，高速率的声光调制也是当下片上高性能声光调控芯片追求的目标之一。高频声表面波对电极结构与波导器件的制备提出了更高的要求。此外，由于高频瑞利声表面波的波长接近甚至小于光波波长，造成声光互作强度减弱的问题更加突出。因此，从声光相互作用研究的角度思考，基于铌酸锂-硫系玻璃异质集成平台，开展高速高效率片上声光调控的研究成为本领域前沿探索的研究重点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新型高效率的片上中红外声光调制器，综合利用硫系玻璃材料优异的声光特性、红外谱段透明性与铌酸锂薄膜显著的压电效应，集成声表面波换能器与硫系光波导元件，解决了中红外光波损耗与声波损耗之间的平衡问题，进而解决了高频率瑞利声表面波与中红外光波导两者间互相作用的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种新型高效率的片上中红外声光调制器，包括：设置在基片上的铌酸锂-硫系玻璃异质层，所述铌酸锂-硫系玻璃异质层包括铌酸锂薄膜以及铌酸锂薄膜上异质集成的红外硫系光波导，所述红外硫系光波导由单层或者多层不同组分硫系玻璃薄膜材料组成，所述铌酸锂薄膜上设置叉指换能器，所述叉指换能器包括若干叉指电极。

进一步的，所述红外硫系光波导为rt型微环谐振器、mzi型波导、一维光子晶体纳米梁、二维光子晶体谐振器或光机械谐振腔等波导结构。

进一步的，所述铌酸锂-硫系玻璃异质层相对于基片来说为未悬浮状态或悬浮状态。

进一步的，所述铌酸锂-硫系玻璃异质层处于悬浮状态，构成波导型声波谐振器。

进一步的，所述铌酸锂薄膜厚度为100nm～1500nm；所述叉指换能器可实现200mhz～10ghz瑞利声表面波的激发；所述红外硫系光波导宽度为300nm～30μm，高度为350nm～2500nm，工作波长为800nm～30000nm。

本发明还提供了一种新型高效率的片上中红外声光调制器的制备方法，应用于上述的新型高效率的片上中红外声光调制器，包括以下步骤：

s1，在覆盖铌酸锂薄膜的基片上预先加工好叉指电极，然后采用热蒸镀法沉积至少一层硫系玻璃薄膜；

s2，利用电子束直写系统在硫系玻璃薄膜上曝光电子胶；

s3，通过显影获得电子胶掩膜图形；

s4，以电子胶上所获图形为掩膜，利用反应离子刻蚀设备进行干法刻蚀；

s5，将刻蚀后的基片放入腔室，利用氧气等离子体刻蚀气体去除残余在顶部的电子胶。

进一步的，所述方法还包括：

s6-1，对经过步骤s5处理的基片，再次利用电子束直写系统或普通紫外光刻系统曝光电子胶或者光刻胶，然后通过显影获得新的电子胶或光刻胶掩膜图形；

s7-1，基于新的电子胶或光刻胶掩膜图形，或者借助蒸镀、溅射沉积工艺转移获得其他材料的硬掩膜，之后利用反应离子刻蚀设备进行干法刻蚀，并刻穿铌酸锂薄膜，暴露氧化硅层，实现开窗；

s8-1，利用氢氟酸缓冲液腐蚀底部氧化硅薄膜，控制刻蚀时间实现铌酸锂底部的掏空；

s9-1，优化氧等离子体的干法刻蚀工艺，去除残胶，即可完成铌酸锂-硫系玻璃异质层在悬浮状态下的异质集成结构。

进一步的，所述步骤s1中，采用热蒸镀法沉积两层不同组分硫系玻璃薄膜，从下至上分别为ge25sb10s65硫系玻璃薄膜和as2s3硫系玻璃薄膜。除此之外，还有其他类型硫系玻璃的组合，只要满足底层硫系玻璃薄膜的光学折射率比顶层硫系玻璃薄膜的光学折射率低即可。

进一步的，所述步骤s4中，仅刻蚀掉上层的as2s3硫系玻璃薄膜；

所述方法还包括：

s6-2，对经过步骤s5处理的基片，再次利用电子束直写系统或普通紫外光刻系统曝光电子胶或光刻胶，然后通过显影获得新的电子胶或光刻胶掩膜图形；

s7-2，基于新的电子胶或光刻胶掩膜图形，利用反应离子刻蚀设备进行干法刻蚀，刻蚀掉叉指电极附近的ge25sb10s65硫系玻璃薄膜；

s8-2，将刻蚀后的基片放入腔室，利用氧气等离子体刻蚀气体去除残余在顶部的电子胶。

进一步的，所述方法还包括：

s9-2，对经过步骤s8-2处理的基片，再次利用电子束直写系统或普通紫外光刻系统曝光电子胶或光刻胶，然后通过显影获得新的电子胶或光刻胶掩膜图形；

s10，基于新的电子胶或光刻胶掩膜图形，或者借助蒸镀、溅射沉积工艺转移获得其他材料的硬掩膜，之后利用反应离子刻蚀设备进行干法刻蚀，并刻穿铌酸锂薄膜，暴露氧化硅层，实现开窗；

s11，利用氢氟酸缓冲液腐蚀底部氧化硅薄膜，控制刻蚀时间实现铌酸锂底部的掏空；

s12，优化氧等离子体的干法刻蚀工艺，去除残胶，即可完成铌酸锂-硫系玻璃异质层在悬浮状态下的异质集成结构。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的新型高效率的片上中红外声光调制器及其制备方法，第一，基于低损耗铌酸锂-硫系玻璃混合异质集成波导结构，铌酸锂与硫系薄膜材料的异质集成，可显著发挥压电效应和弹光效应的优势，拓展声光调制器的工作波段，改善片上声光调制的性能，实现新型高效率片上声光调制器，相比单一材料的声光调制器，受限于材料固有属性，声光调制器件适用的光波波段有限，而本发明不仅可以扩展光波工作波长至中远红外谱段，而且可以利用其优异的声光特性来进一步提升声表面波对中红外光导波的调制效果；第二，本发明结合光学和声学波导优化设计与模式调控，在高频瑞利声表面波驱动下，利用声波与中红外光导波两者间的相作增强，可实现多功能高速率的片上中红外声光调控；对比目前现有技术，该方案的提出将会一定程度上填补片上中红外声光调制器的空白。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一新型高效率的片上中红外声光调制器的端面结构示意图；

图2为本发明实施例一新型高效率的片上中红外声光调制器的制备方法流程图；

图3为本发明实施例二新型高效率的片上中红外声光调制器的端面结构示意图；

图4为本发明实施例二新型高效率的片上中红外声光调制器的制备方法流程图；

图5为本发明实施例三新型高效率的片上中红外声光调制器的端面结构示意图；

图6为本发明实施例三新型高效率的片上中红外声光调制器的制备方法流程图；

图7为本发明实施例四新型高效率的片上中红外声光调制器的端面结构示意图；

图8为本发明实施例四新型高效率的片上中红外声光调制器的制备方法流程图；

图9为本发明实施例片上中红外声光调制器测试系统示意图。

附图标记说明：1、si(硅)；2、sio2(二氧化硅)；3、linbo3(铌酸锂)；4、chg(硫系玻璃层)；5、au(金)；6、resist(防蚀涂层，为电子胶或光刻胶)；7、chg2(第二硫系玻璃层)；8、chg1(第一硫系玻璃层)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种新型高效率的片上中红外声光调制器，综合利用硫系玻璃材料优异的声光特性、红外谱段透明性与铌酸锂薄膜显著的压电效应，集成声表面波换能器与硫系光波导元件，解决了中红外光波损耗与声波损耗之间的平衡问题，进而解决了高频率瑞利声表面波与中红外光波导两者间互相作用的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的新型高效率的片上中红外声光调制器，包括：设置在基片上的铌酸锂-硫系玻璃异质层，所述铌酸锂-硫系玻璃异质层包括铌酸锂薄膜以及铌酸锂薄膜上异质集成的红外硫系光波导，所述红外硫系光波导由单层或者多层不同组分硫系玻璃薄膜材料组成，所述铌酸锂薄膜上设置叉指换能器，所述叉指换能器包括若干叉指电极。在具体实施例中，基片包括硅1以及二氧化硅2，其上设置铌酸锂3，叉指电极采用金5；在不同实施例中，红外硫系光波导包括单层硫系玻璃层4或者第二硫系玻璃层7、第一硫系玻璃层8组成的双层结构。

其中，所述红外硫系光波导为rt型微环谐振器、mzi型波导、一维光子晶体纳米梁、二维光子晶体谐振器或光机械谐振腔。所述铌酸锂-硫系玻璃异质层相对于基片来说为未悬浮状态或悬浮状态。所述铌酸锂-硫系玻璃异质层处于悬浮状态，构成波导型声波谐振器。所述铌酸锂薄膜厚度为100nm～1500nm；所述叉指换能器可实现200mhz～10ghz瑞利声表面波的激发；所述红外硫系光波导宽度为300nm～30μm，高度为350nm～2500nm，工作波长为800nm～30000nm。

铌酸锂-硫系玻璃异质集成平台，可以很好权衡声波损耗与红外光波损耗，增强声光相互作用。铌酸锂材料是很好的电光晶体材料，兼顾优异的压电效应，在通信波段，铌酸锂薄膜材料可以用于光波导芯层，实现对光波模式的束缚。铌酸锂材料在工作波长大于5μm时存在较大吸收，此时利用铌酸锂薄膜作为部分芯层或下包层区域势必会增大中红外光波的传输损耗，利用多层硫系薄膜复合结构有助于改善中红外光波的束缚。同时，铌酸锂-硫系玻璃异质集成的方案，也为片上中红外声光调制器的实现提供了切实可行的新思路。片上高性能红外声光调制器的性能是由声表面波与红外光导波两者间有效的重叠积分所决定，并且可以通过光波模式等效折射率的改变来表征。具体的，依据光波模式在波导芯层的分布，影响光波模式有效折射率改变的因素主要来源于三种物理效应，即移动边界效应，光弹效应和电光效应。具体哪种效应占主导，与工作波长和器件结构有直接的关系。设计不同异质集成红外光波导与声波谐振器的几何结构，可以获得不同的调制效果，下面将列举几个典型的混合集成声光调制的实现方案。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供的新型高效率的片上中红外声光调制器，主要包括铌酸锂薄膜上的叉指电极idt和薄膜上异质集成的硫系rt型微环谐振器，波导工作在1550nm附近的通信波段，idt产生1ghz声表面波。选择高q值硫系rt型微环谐振器是因为其具有优异的光弹效应，结合紧凑的光波模式局域特性，有助于增大声表面波与光波之间的重叠积分，实现高效的强度调制。

如图2所示，上述基于rt型光学谐振器的新型高效率的片上中红外声光调制器的制备方法，具体步骤如下：

s1、在预先加工了idt电极的基片上采用热蒸镀法沉积厚度为850nm的ge25sb10s65硫系玻璃薄膜；

s2、利用电子束直写系统(ebl,vistecebpg5000+)将正性电子胶(apr6200)曝光在预先制备的chg薄膜上；厚度约为400nm，之后在130℃的热板上烘烤5min后，利用二甲苯显影后即可在电子胶上获得微环形状的掩膜图形；

s3、利用反应离子刻蚀设备，以电子胶上所获图形为掩膜，借助chf3气体与氩气进行干法刻蚀，要求侧壁形貌光滑陡直；设定刻蚀功率为60w，气压是60mtorr，刻蚀气压60mtorr，刻蚀气体流速为25与30sccm；

s4、将刻蚀后的基片放入腔室，利用氧气等离子体刻蚀气体去除残余在顶部的电子胶，其中，气体流速为50sccm，射频功率为20w，感应耦合等离子体icp功率为1000w，工艺结束后即可完成基片上微环图形的转移加工。

图9所示为本发明对应的测试系统示意图，该测试系统主要包括：可调谐量子级联激光器、掺饵光纤放大器、光电探测器、矢量网络分析仪、光谱仪。

器件测试时，对器件表面加载一定频率的微波电信号激励，当满足阻抗和频率匹配的条件下，idt会在压电薄膜表面形成声表面波，完成微波-声波的能量转换。当声波传输至红外光波导区域时，根据斜率探测机制，失谐红外波长的透过率会受到声波的调制，同时可以产生光学边带。通过光电探测器将光信号转换成电信号，与载波拍频后可以用网络分析仪观察到对应声波调制信号的s21透射谱，用光谱仪可以观察到光学边带信号的强度。通过分析s21透射谱，可以分析声波-光波的转换效率和调制性能。

实施例二

如图3所示，本发明实施例二提供的新型高效率的片上中红外声光调制器，主要包括铌酸锂薄膜上的叉指电极idt和薄膜上异质集成的硫系rt型微环谐振器，波导工作在1550nm附近的通信波段，idt产生1ghz声表面波。

这是一种集成波导结构是悬浮的状态，即去除铌酸锂薄膜下方的氧化硅。在这种结构下，可以利用悬浮的铌酸锂薄膜构成声表面波谐振器，增大声波振幅，提高声波对光波的调制效果。同时，基于悬浮的结构，声光相互作用长度可以做的相对小一些。

如图4所示，上述基于rt型光学谐振器悬浮结构下的新型高效率的片上中红外声光调制器的制备方法，具体步骤如下：

s1、在预先加工了idt电极的基片上采用热蒸镀法沉积厚度为850nm的ge25sb10s65硫系玻璃薄膜；

s2、利用电子束直写系统(ebl,vistecebpg5000+)将正性电子胶(apr6200)曝光在预先制备的chg薄膜上，厚度约为400nm，之后在130℃的热板上烘烤5min后，利用二甲苯显影后即可在电子胶上获得微环形状的掩膜图形；

s3、利用反应离子刻蚀设备，以电子胶上所获图形为掩膜，借助chf3气体与氩气进行干法刻蚀，要求侧壁形貌光滑陡直；设定刻蚀功率为60w，气压是60mtorr，刻蚀气压60mtorr，刻蚀气体流速为25与30sccm；

s4、将刻蚀后的基片放入腔室，利用氧气等离子体刻蚀气体去除残余在顶部的电子胶。其中，气体流速为50sccm，射频功率为20w，感应耦合等离子体icp功率为1000w，工艺结束后即可完成基片上微环图形的转移加工；

s5、将正性电子胶(apr6200)曝光在带图案的chg薄膜上，通过显影后在铌酸锂薄膜表面刻蚀开窗；

s6、利用氢氟酸缓冲液腐蚀底部氧化硅薄膜，控制刻蚀时间实现铌酸锂底部的掏空；

s7、优化氧等离子体的干法刻蚀工艺，去除残胶，即可完成铌酸锂与硫系波导在悬浮状态下的异质集成结构。

本实施例二对应的测试系统和测试步骤与所述实施例一相同。

实施例三

如图5所示，本发明实施例三提供的新型高效率的片上中红外声光调制器是一种基于rt型光学谐振器的铌酸锂-多层硫系玻璃异质集成中红外声光调制器。它主要包括铌酸锂薄膜上的叉指电极idt，以及在ge25sb10s65硫系玻璃薄膜上异质集成as2s3的rt型微环谐振器，对光波波长在5μm以上的中红外光波进行调控，idt产生0.6-0.7ghz声表面波。这里选用两层或者多层硫系玻璃薄膜构成同质波导结构，可显著降低红外光波在异质集成光波导中的传输损耗。除此之外，还有其他类型硫系玻璃的组合，只要满足底层硫系玻璃薄膜的光学折射率比顶层硫系玻璃薄膜的光学折射率低即可。

如图6所示，上述基于rt型谐振器的铌酸锂-多层硫系玻璃异质集成中红外声光调制器的制备方法，具体步骤如下：

s1、在预先加工了idt电极的基片上采用热蒸镀法沉积厚度为850nm的ge25sb10s65硫系玻璃薄膜；

s2、在镀好的ge25sb10s65硫系玻璃薄膜(chg2)上再一次用热蒸镀法沉积厚度为850nm的as2s3硫系玻璃薄膜(chg1)；

s3、利用电子束直写系统(ebl,vistecebpg5000+)将正性电子胶(apr6200)曝光在预先制备的chg1薄膜上，厚度约为400nm，之后在130℃的热板上烘烤5min后，利用二甲苯显影后即可在电子胶上获得微环形状的掩膜图形；

s4、利用反应离子刻蚀设备，以电子胶上所获图形为掩膜，对chg1薄膜进行干法刻蚀，要求侧壁形貌光滑陡直；

s5、在预先制备的chg2薄膜上再一次用正性电子胶(apr6200)旋涂,之后在130℃的热板上烘烤5min后，利用二甲苯显影后即可暴露出叉指电极idt上的chg2薄膜；

s6、将刻蚀后的基片放入腔室，利用氧气等离子体刻蚀气体去除残余在顶部的电子胶。其中，气体流速为50sccm，射频功率为20w，感应耦合等离子体icp功率为1000w，工艺结束后即可完成基片上微环图形的转移加工。

本实施例三对应的测试系统和测试步骤与所述实施例一相同。

实施例四

如图7所示，本发明实施例四提供的是一种基于rt型光学谐振器悬浮结构下的铌酸锂-多层硫系玻璃异质集成中红外声光调制器。它主要包括铌酸锂薄膜上的叉指电极idt，以及在ge25sb10s65硫系玻璃薄膜上异质集成as2s3的rt型微环谐振器，它是对光波波长在5μm以上的中远红外光波进行调控，idt产生0.6-0.7ghz声表面波。过厚的硫系薄膜材料会增加声波的衰减，削弱声波对光波芯层模式等效折射率的影响。利用悬浮的铌酸锂薄膜构成声表面波谐振器，增大声波振幅，提高声波对光波的调制效果。同时，基于悬浮的结构，声光相互作用长度可以做的相对小一些。

如图8所示，上述基于rt型谐振器悬浮结构下的铌酸锂-多层硫系玻璃异质集成中红外声光调制器的制备方法具体步骤如下：

s1、在预先加工了idt电极的基片上采用热蒸镀法沉积厚度为850nm的ge25sb10s65硫系玻璃薄膜(chg2)；

s2、在镀好的ge25sb10s65硫系玻璃薄膜上再一次用热蒸镀法沉积厚度为850nm的as2s3硫系玻璃薄膜(chg1)；

s3、利用电子束直写系统(ebl,vistecebpg5000+)将正性电子胶(apr6200)曝光在预先制备的chg1薄膜上，厚度约为400nm，之后在130℃的热板上烘烤5min后，利用二甲苯显影后即可在电子胶上获得微环形状的掩膜图形；

s4、利用反应离子刻蚀设备，以电子胶上所获图形为掩膜，对chg1薄膜进行干法刻蚀，要求侧壁形貌光滑陡直；

s5、在预先制备的chg2薄膜上再一次用正性电子胶(apr6200)旋涂，之后在130℃的热板上烘烤5min后，利用二甲苯显影后即可暴露出叉指电极idt上的chg2薄膜；

s6、将刻蚀后的基片放入腔室，利用氧气等离子体刻蚀气体去除残余在顶部的电子胶，其中，气体流速为50sccm，射频功率为20w，感应耦合等离子体icp功率为1000w，工艺结束后即可完成基片上微环图形的转移加工；

s7、将正性电子胶(apr6200)旋涂在带图案的chg2薄膜上，曝光显影后利用干法刻蚀刻穿铌酸锂薄膜，暴露氧化硅层，实现开窗；

s8、利用氢氟酸缓冲液腐蚀底部氧化硅薄膜，控制刻蚀时间实现铌酸锂底部的掏空；

s9、优化氧等离子体的干法刻蚀工艺，去除残胶，即可完成铌酸锂与硫系波导在悬浮状态下的异质集成结构；

综上，本发明提供的新型高效率的片上中红外声光调制器及其制备方法，第一，铌酸锂-硫系玻璃异质集片上声光调制器主要是利用硫系玻璃材料优异的光弹特性、宽带的红外光波透过率以及非线性效应，结合铌酸锂薄膜出色的压电效应，通过优化光学波导/声学波导几何结构，匹配合适的光学/声学传播模式，可实现多功能高速高效率的片上中红外声光调制器；第二，本发明结合光学和声学波导优化设计与模式调控，在高频瑞利声表面波驱动下，利用声波与中红外光导波两者间的相作增强，可实现多功能高速率的片上中红外声光调控；对比目前现有技术，该方案的提出将会一定程度上填补片上中红外声光调制器的空白。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。