本发明属于光通信技术领域，特别是涉及一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着光通信技术在宽带网络、移动通信、金融交易、数据中心等传统业务以及云计算、大数据、5g通信等新兴业务的广泛应用，传统技术在通信的速率、容量、时延等方面已难以满足人们日常生活的需求。因此，通信运营商越来越多地在光网络的构架中采用相干处理技术以实现高速率、大容量、低时延、低能耗的光传送网络的组建。
在相干处理技术方案中，高速光调制器是相干光通信系统的核心器件，多个高速光调制器(mz光调制器)的并联以及正交偏振复用技术的采用，是实现100g/400g光纤通信系统的关键所在。铌酸锂光调制器以其低损耗、高带宽、性能稳定、高消光比等特点，成为目前商用高速光调制器的主流选择，也是相干光通信系统中最为广泛使用的光调制器。
当前的相干光通信系统对光模块的体积和功耗等指标要求实现进一步的减小或降低，而现有的铌酸锂高速光调制器主要存在有以下几方面的问题：
(1)现有铌酸锂高速光调制器较低的电光调制效率使得器件的驱动电压较高，特别是当多个mz调制器进行并联以构建pm-qpsk等相干光调制器时，器件的驱动电压则会大幅地增加；
(2)现有铌酸锂高速光调制器不得不靠增加行波电极长度以降低器件的驱动电压，但这无疑增加了器件的体积；
(3)铌酸锂晶体难以通过镀膜技术制备于砷化镓或硅等半导体晶片上，使得铌酸锂与激光器、光探测器等结构难以实现异质集成或单片集成。
为了满足数据中心、相干光通信等领域对低功耗、小尺寸、高性能的光模块的需求，高速光调制器厂商纷纷将更多的研发力量投入到磷化铟光调制器和硅光调制器等新技术，以实现光调制器与激光器、探测器的单片集成，或光调制器与硅基大规模集成电路的单片集成。然而，磷化铟光调制器的高成本和温度敏感性、硅光调制器的非线性电光效应和60ghz调制带宽理论上限等问题，也限制了这两种新型光调制器技术的广泛应用。
技术实现要素：
本发明提出了一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法，以实现如下三个目的：
(1)采用键合技术将铌酸锂晶体键合于硅基二氧化硅基底晶片之上以实现低损耗、高带宽、高稳定性的铌酸锂光调制器与硅基大规模集成电路的混合集成；
(2)通过将铌酸锂晶片薄膜化，并结合硅基二氧化硅基底晶片中二氧化硅层的低介电常数、低介电损耗等特点，实现铌酸锂光调制器的调制速率(或调制带宽)的提升，无须采用现有相干光调制器的复杂结构即可实现同样的通信容量，大幅降低器件的驱动电压；
(3)利用二氧化硅层较高的绝缘性和铌酸锂晶片的薄膜化，实现分布于铌酸锂薄膜中的微波电磁场强度的增加，提高电场对光场的调制效率，降低器件的驱动电压。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种硅基铌酸锂高速光调制器，包括：硅基底晶片1、二氧化硅下包层2、铌酸锂薄膜3、光学波导4、金属电极、硅v形槽6、耦合光纤7，
所述硅基底晶片1采用[100]晶向的单晶硅晶片，厚度在0.1mm至2mm；
所述二氧化硅下包层2位于硅基底晶片1的上表面，所述二氧化硅下包层2的厚度在1μm至30μm；
所述铌酸锂薄膜3位于二氧化硅下包层2之上，铌酸锂薄膜3的晶向为x切y传或x切z传，厚度在1μm至20μm；
所述光学波导4为钛扩散波导或退火质子交换波导，为直条形波导结构或mz波导结构，所述光学波导4制作于铌酸锂薄膜3中，波导宽度在1μm至10μm，波导深度在1μm至10μm；
所述金属电极包括信号电极5-1和地电极5-2，制作于铌酸锂薄膜3上表面，厚度在1μm至30μm，所述金属电极采用金作为电极材料；
所述硅v形槽6采用[100]晶向的单晶硅材料，用于放置耦合光纤7；
所述耦合光纤7为单模光纤或单模保偏光纤，置于硅v形槽6中。
本发明还提供了一种制备上述硅基铌酸锂高速光调制器的制备方法，包括如下制备步骤：
第一步：在硅基底晶片1上表面，采用热氧化工艺或采用离子溅射技术、磁控溅射技术、化学气相沉积技术任一镀膜技术，制备一层二氧化硅下包层2，形成硅基二氧化硅基底晶片；
第二步：将铌酸锂单晶晶片与硅基二氧化硅基底晶片进行键合；
第三步：采用精细研磨抛光工艺，将铌酸锂单晶晶片进行减薄，形成铌酸锂薄膜3；
第四步：在铌酸锂薄膜3上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成退火质子交换光学波导所需的铬膜图形或二氧化硅膜图形；
第五步：采用退火质子交换工艺，在铌酸锂薄膜3中制备退火质子交换光学波导；
第六步：采用湿法腐蚀工艺，将铌酸锂薄膜3上表面的铬膜图形或二氧化硅膜图形腐蚀掉；
第七步：在铌酸锂薄膜3上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成行波电极结构所需的钛金膜或铬金膜图形；
第八步：采用厚胶光刻工艺，制备行波电极电镀所需的厚光刻胶掩膜结构；
第九步：将采用步骤一至步骤八制备的晶片浸泡在金电镀液中，制备行波电极所需的厚电极结构；
第十步：在波导晶片端面点紫外胶，将带有单模光纤或单模保偏光纤的硅v形槽6与波导晶片端面进行粘接，对紫外胶进行曝光固化。
本发明还提供了另外一种制备上述硅基铌酸锂高速光调制器的制备方法，包括如下制备步骤：
第一步：在硅基底晶片(1)上表面，采用热氧化工艺或采用离子溅射技术、磁控溅射技术、化学气相沉积技术任一镀膜技术，制备一层二氧化硅下包层(2)，形成硅基二氧化硅基底晶片；
第二步：铌酸锂单晶晶片上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成钛扩散光学波导所需的钛膜图形；
第三步：采用钛扩散工艺，在铌酸锂单晶晶片中制备钛扩散光学波导；
第四步：将形成有钛扩散光学波导的铌酸锂单晶晶片与硅基二氧化硅基底晶片进行键合；
第五步：采用精细研磨抛光工艺，将铌酸锂单晶晶片进行减薄，形成铌酸锂薄膜；
第六步：在铌酸锂薄膜(3)上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成行波电极结构所需的钛金膜或铬金膜图形；
第七步：采用厚胶光刻工艺，制备行波电极电镀所需的厚光刻胶掩膜结构；
第八步：将采用步骤一到七制备的晶片浸泡在金电镀液中，制备行波电极所需的厚电极结构；
第九步：在波导晶片端面点紫外胶，将带有单模光纤或单模保偏光纤的硅v形槽与波导晶片端面进行粘接，对紫外胶进行曝光固化。
6.有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)实现了铌酸锂单晶晶体与硅单晶晶体的异质集成，将铌酸锂光调制器的低损耗、高带宽、高稳定性等特点与硅单晶易于制作大规模集成电路结构的优势进行了良好的结合；
(2)铌酸锂晶片的薄膜化，以及二氧化硅下包层的低介电常数、低介电损耗等特性，可实现铌酸锂光调制器的调制速率(或调制带宽)的提升，无须采用现有相干光调制器的复杂结构即可实现同样的通信容量，大幅降低器件的驱动电压；
(3)铌酸锂晶片的薄膜化，以及二氧化硅下包层的高绝缘性，可实现分布于铌酸锂薄膜中的微波电磁场强度的增加，提高电场对光场的调制效率，降低器件的驱动电压。
附图说明
图1、本发明提出的硅基铌酸锂高速光调制器实施例1和实施例2的芯片结构示意图；
图2、本发明提出的硅基铌酸锂高速光调制器实施例1的芯片剖面示意图；
图3、本发明提出的硅基铌酸锂高速光调制器实施例2的芯片剖面示意图；
图4、本发明提出的硅基铌酸锂高速光调制器实施例3和实施例4的芯片结构示意图；
图5、本发明提出的硅基铌酸锂高速光调制器实施例3的芯片剖面示意图；
图6、本发明提出的硅基铌酸锂高速光调制器实施例4的芯片剖面示意图；
图中，各个标记所对应的名称分别为：1.基底晶片；2.二氧化硅下包层；3.铌酸锂薄膜；4.光学波导；4-1.输入波导；4-2.y分支结构波导；4-3.双臂波导；4-4.输出波导；5-1.信号电极；5-2.地电极；6.硅v形槽；7.耦合光纤。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例所述的一种硅基铌酸锂高速光调制器，包括：硅基底晶片1、二氧化硅下包层2、铌酸锂薄膜3、光学波导4、金属电极5、信号电极5-1、地电极5-2、硅v形槽6、耦合光纤7，本实施例所述的硅基铌酸锂高速光调制器为相位调制器，图1所示为硅基铌酸锂高速光调制器的结构示意图，图2所示为硅基铌酸锂高速光调制器的芯片横截面示意图。
硅基底晶片1采用[100]晶向、低电阻率的单晶硅晶片，厚度在0.1mm至2mm。硅基底晶片1的晶向保持与硅v形槽6的晶向是一致的，以实现硅基铌酸锂光调制器芯片与硅v形槽6之间在全温度范围内相同的膨胀。
二氧化硅下包层2位于硅基底晶片1的上表面，可采用热氧化工艺在硅基底晶片1的上表面形成一层二氧化硅膜层，或采用离子溅射技术、磁控溅射技术、化学气相沉积技术等任一制备技术在硅基底晶片1的上表面制备得到，厚度在10μm至30μm。二氧化硅下包层2利用二氧化硅材料的低介电常数(ε～4)、低正切损耗(δ～6×10-5@10ghz)，可以有效地实现铌酸锂光调制器的调制速率(或调制带宽)的提升。另外，二氧化硅下包层2利用二氧化硅材料的高绝缘性或高电阻率(1016ωcm)，可以实现分布于铌酸锂薄膜3中的电场强度的提升，提高电光调制效率，有效地降低器件的驱动电压。
铌酸锂薄膜3位于二氧化硅下包层2之上，通过将光学级铌酸锂单晶晶片键合于二氧化硅下包层2上并进行精细研磨抛光制得，铌酸锂薄膜3的晶向为x切y传或x切z传，厚度在1μm至20μm。采用键合与精细研磨抛光相结合的技术，可以保持铌酸锂晶片的单晶属性，克服了采用mbe、磁控溅射等镀膜技术制作的铌酸锂薄膜存在的晶格缺陷较大、电光系数较低、无法制备微米级厚度等问题。
光学波导4为直条形的退火质子交换光学波导，制作于铌酸锂薄膜中，波导宽度在1μm至10μm，波导深度在1μm至10μm。
金属电极5采用行波式电极结构，由一个信号电极5-1和一个地电极5-2组成，置于光学波导的左、右两侧。金属电极5制作于铌酸锂薄膜3的上表面，采用金作为电极材料，厚度在1μm至30μm。为增加金与铌酸锂薄膜之间的粘附力，在制备金膜之前，在铌酸锂薄膜的上表面先制备一层钛膜或铬膜，厚度在10nm至200nm，并在此基础上制作金属电极5所需的金膜，以形成钛金电极或铬金电极。
硅v形槽6采用[100]晶向的单晶硅材料，通过常规的硅湿法腐蚀工艺制作，用于放置耦合光纤7。硅v形槽6具有与硅基底晶片1相同的晶向，因此也具有相同的热膨胀属性，可避免在全温度范围内(-45℃至75℃)由于v形槽材料与基底晶片材料不一致导致的输出光功率的变化。
耦合光纤7为单模光纤或单模保偏光纤，置于硅v形槽6中。
为制备上述硅基铌酸锂高速光调制器，本实施例提供了一种硅基铌酸锂高速光调制器的制备方法包括如下步骤：
(1)在硅基底晶片1的上表面，采用热氧化工艺或采用离子溅射技术、磁控溅射技术、化学气相沉积技术等任一镀膜技术，制备一层二氧化硅下包层2，形成硅基二氧化硅基底晶片1；
(2)将铌酸锂单晶晶片与硅基二氧化硅基底晶片1进行键合；
(3)采用精细研磨抛光工艺，将铌酸锂单晶晶片进行减薄，形成铌酸锂薄膜3；
(4)在铌酸锂薄膜3的上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成退火质子交换光学波导4所需的铬膜图形或二氧化硅膜图形；
(5)采用退火质子交换工艺，在铌酸锂薄膜3中制备退火质子交换光学波导4；
(6)采用湿法腐蚀工艺，将铌酸锂薄膜3上表面的铬膜图形或二氧化硅膜图形腐蚀掉；
(7)在铌酸锂薄膜3的上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成行波电极结构5-1和5-2所需的钛金膜或铬金膜图形；
(8)采用厚胶光刻工艺，制备行波电极5-1和5-2电镀所需的厚光刻胶掩膜结构；
(9)将采用步骤(1)-(8)制备的晶片浸泡在金电镀液中，制备行波电极5-1和5-2所需的厚电极结构；
(10)在波导晶片端面点紫外胶，将带有耦合光纤7的硅v形槽6与波导晶片端面进行粘接，对紫外胶进行曝光固化。
实施例2
如图1和图3所示，本实施例与实施例1所述硅基铌酸锂高速光调制器的区别在于，本实施例采用的光学波导4为钛扩散光学波导。本实施例的技术方案与实施例1的技术方案基本相同，只是将实施例1中的光学波导4由退火质子交换光学波导改为钛扩散光学波导，在此不再作具体描述其详细的技术方案。
为制备上述硅基铌酸锂高速光调制器，本实施例提供了一种硅基铌酸锂高速光调制器的制备方法包括如下步骤：
(1)在硅基底晶片1的上表面，采用热氧化工艺或采用离子溅射技术、磁控溅射技术、化学气相沉积技术等任一镀膜技术，制备一层二氧化硅下包层2，形成硅基二氧化硅基底晶片1；
(2)铌酸锂单晶晶片上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成钛扩散光学波导4所需的钛膜图形；
(3)采用钛扩散工艺，在铌酸锂单晶晶片中制备钛扩散光学波导4；
(4)将形成有钛扩散光学波导4的铌酸锂单晶晶片与硅基二氧化硅基底晶片1进行键合；
(5)采用精细研磨抛光工艺，将铌酸锂单晶晶片进行减薄，形成铌酸锂薄膜3；
(6)在铌酸锂薄膜3的上表面，采用光刻和镀膜工艺，制备形成行波电极结构5-1和5-2所需的钛金膜或铬金膜图形；
(7)采用厚胶光刻工艺，制备行波电极5-1和5-2电镀所需的厚光刻胶掩膜结构；
(8)将采用步骤(1)-(7)制备的晶片浸泡在金电镀液中，制备行波电极5-1和5-2所需的厚电极结构；
(9)在波导晶片端面点紫外胶，将带有耦合光纤7的硅v形槽6与波导晶片端面进行粘接，对紫外胶进行曝光固化。
实施例3
如图4和图5所示，本实施例与实施例1所述硅基铌酸锂高速光调制器的主要区别在于，本实施例为强度调制器。本实施例与实施例1的具体区别在于：
第一、光学波导4采用mz型光学波导，由输入波导4-1、y分支结构波导4-2、双臂波导4-3和输出波导4-4组成，光学波导4制作于铌酸锂薄膜中，波导宽度在1μm至10μm，波导深度在1μm至10μm；
第二、金属电极5采用行波式电极结构，由一个信号电极5-1和两个地电极5-2组成，置于双臂波导4-3的左侧、中间和右侧。金属电极5制作于铌酸锂薄膜3的上表面，采用金作为电极材料，厚度在1μm至30μm。为增加金与铌酸锂薄膜之间的粘附力，在制备金膜之前，在铌酸锂薄膜的上表面先制备一层钛膜或铬膜，厚度在10nm至200nm，并在此基础上制作金属电极5所需的金膜，以形成钛金电极或铬金电极。
本实施例的技术方案调制器与制备方法与实施例1的技术方案基本相同，只是将实施例1中的光学波导4由直条型光学波导改为mz型光学波导，将实施例1中的金属电极5由一个地电极5-2改为两个地电极5-2，在此不再作具体描述其详细的技术方案和制备方法。
实施例4
如图4和图6所示，本实施例与实施例2所述硅基铌酸锂高速光调制器的主要区别在于，本实施例为强度调制器。本实施例与实施例2的具体区别在于：
第一、光学波导4采用mz型光学波导，由输入波导4-1、y分支结构波导4-2、双臂波导4-3和输出波导4-4组成，光学波导4制作于铌酸锂薄膜中，波导宽度在1μm至10μm，波导深度在1μm至10μm；
第二、金属电极5采用行波式电极结构，由一个信号电极5-1和两个地电极5-2组成，置于双臂波导4-3的左侧、中间和右侧。金属电极5制作于铌酸锂薄膜3的上表面，采用金作为电极材料，厚度在1μm至30μm。为增加金与铌酸锂薄膜之间的粘附力，在制备金膜之前，在铌酸锂薄膜的上表面先制备一层钛膜或铬膜，厚度在10nm至200nm，并在此基础上制作金属电极5所需的金膜，以形成钛金电极或铬金电极。
本实施例的调制器以及制备方法的技术方案与实施例2的技术方案基本相同，只是将实施例2中的光学波导4由直条型光学波导改为mz型光学波导，将实施例2中的金属电极5由一个地电极5-2改为两个地电极5-2，在此不再作具体描述其详细的技术方案和制备方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。