基于铌酸锂薄膜的光子晶体微环调制器芯片的制作方法

本发明涉及集成光学电光调制器技术领域，尤其是一种基于铌酸锂薄膜的光子晶体微环调制器芯片。

背景技术：

光调制器作为目前高速光通信、光纤传感、光谱测量、光存储等多个领域的核心器件，已发展出基于电光、声光、磁光等效应的多种器件，电光调制器通过外加电场的变化调控输出光的振幅或相位，在能耗、速度、继承性等方面都有一定的优势，其应用最为广泛，现有技术中在电光调制器趋于小型化的同时，对于高调制效率、大调制带宽方面的问题，目前还没有得到很好的解决。

铌酸锂晶体具有较大的电光系数，同时具备良好的物理机械性能能，损伤阈值高、透光范围宽且材质成本相对较低，在光调制器方面的应用最为成熟。传统铌酸锂电光调制器芯片主要是基于铌酸锂体材质，面临着尺寸功耗大，集成度低、制作成本较高难扩展等问题。随着铌酸锂离子切片薄膜技术的发展，铌酸锂薄膜由于其高折射率差和微米量级的薄膜厚度、cmos工艺兼容性，为器件集成度和性能大幅度提高提供了新的方向。

目前电致折射率电光调制器结构主要有通过干涉仪（如马赫-泽德干涉型）或谐振装置（如微环谐振腔型）实现相位到强度的变化，最终实现信号的调制，其中微环谐振腔结构通过谐振效应完成微小折射率变化对传输特性的较大影响，其结构极其紧凑，可以实现高调制效率和非常大的调制带宽。另外凭借其自身光子局域特性及光-物质相互作用，光子晶体波导可以在微纳米尺度下控制光的传播，同时依据光子晶体波导慢光效应对铌酸锂电光效应的增强作用理论，减小器件尺寸的同时极大提升调制效率。为此，设计一种基于铌酸锂薄膜的光子晶体微环调制器芯片，使其具有足够小的尺寸、具有更大的带宽和更高的调制效率将显得十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于铌酸锂薄膜的光子晶体微环调制器芯片，本发明包括芯片基底、芯片下包层、波导芯层及芯片上包层；本发明采用在波导芯层集成了输入光波导、光子晶体微环调制结构及输出光波导，其中光子晶体微环调制结构由单个直通波导及一个闭合环形波导组成，直通波导为二维线缺陷光子晶体波导结构，环形波导为二维圆形晶格环形谐振腔型光子晶体波导结构，调制电极设置在环形波导上，光由输入光波导进入光子晶体微环调制器的直波导，传输过程中经耦合区进入环形波导，光在光子晶体环形波导中形成谐振，基于铌酸锂材料电光效应通过调制电极引入相位变化，完成对微环谐振调控，实现对入射光的调制，调制后的光经耦合区重新耦合进直波导，再传输进入输出直波导。波导芯层采用铌酸锂薄膜材质制备，具有高电光系数的同时能极大减小器件尺寸提高集成度，结合光子晶体波导慢光效应增强电光效应，使调制器工作在低驱动电压，进一步减小结构尺寸。该调制器芯片制作工艺简单，易于集成和扩展，具有良好的可靠性和性能稳定性。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于铌酸锂薄膜的光子晶体微环调制器芯片，其特点包括芯片基底、芯片下包层、波导芯层及芯片上包层；

所述芯片基底、芯片下包层、波导芯层及芯片上包层依次由下而上按层设置；

所述波导芯层由输入光波导、光子晶体微环调制结构及输出光波导构成；且光子晶体微环调制结构的输入端口与输入光波导的输出端口连接，光子晶体微环调制结构的输出端口与输出光波导输入端口连接；

所述光子晶体微环调制结构由单个直通波导及一个闭合环形波导组成，所述闭合环形波导上设有内侧环及外侧环，单个直通波导上设有带形区，单个直通波导上带形区的中部与闭合环形波导的外侧环之间形成交集的耦合区；

所述芯片上包层上设有调制电极正极及接地电极；且调制电极正极连接于闭合环形波导内侧，接地电极连接于闭合环形波导外侧。

所述输入光波导及输出光波导为脊形光波导，脊形光波导为平板层上设置脊高，脊高为h1，平板层高度为h2，满足条件(h1+h2)等于铌酸锂薄膜厚度h。

所述单个直通波导的带形区为二维线缺陷光子晶体波导结构，晶格排列为矩形或三角形。

所述闭合环形波导的内侧环及外侧环为二维环形谐振腔型光子晶体波导结构，晶格排列为圆形。

所述芯片基底的材质为铌酸锂或硅；所述芯片下包层的材质为二氧化硅；所述芯片上包层的材质为二氧化硅或电光聚合物材料；所述波导芯层的材质为铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜的厚度为h，其中：0.5μm≤h≤1μm，以保证波导芯层结构的尺寸在微纳米量级同时能实现光的低损耗传输。

本发明的有益效果在于：

1.充分利用铌酸锂材质本身优良的电光调制特性，基于铌酸锂薄膜平台制备电光调制器芯片，体积可由传统的cm量级缩小至微纳米量级，制作工艺具有cmos工艺兼容性，易于其他光子器件进行单片集成，方便制造；

2.采用微环型调制结构，利用铌酸锂晶体的电光效应和微腔的光学谐振特性，可以得到小型大带宽的调制特性；

3.利用光子晶体波导光子局域特性，控制光路传播，构成微环谐振腔型调制结构，进一步减小调制器芯片尺寸；光子晶体波导中，由于光的群速度降低，增强了物质结构内电磁场的能量密度，提供光能的空间压缩，使得光-物质之间作用即电光效应得到增强，相比常规结构，更小的尺寸即能实现更大的调制效果，极大地增强了调制效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的a-a截面的结构示意图；

图3为光子晶体微环调制结构的示意图；

图4为图1的b-b截面的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2，本发明包括芯片基底1、芯片下包层2、波导芯层3及芯片上包层4；

所述芯片基底1、芯片下包层2、波导芯层3及芯片上包层4依次由下而上按层设置。

参阅图1、图2、图3，所述波导芯层3由输入光波导5、光子晶体微环调制结构6及输出光波导7构成；且光子晶体微环调制结构6的输入端口与输入光波导5的输出端口连接，光子晶体微环调制结构6的输出端口与输出光波导7输入端口连接；

所述光子晶体微环调制结构6由单个直通波导10及一个闭合环形波导9组成，所述闭合环形波导9上设有内侧环及外侧环，单个直通波导10上设有带形区，单个直通波导10上带形区的中部与闭合环形波导9的外侧环之间形成交集的耦合区12。

参阅图1、图3、图4，所述芯片上包层4上设有调制电极正极11及接地电极13；且调制电极正极11连接于闭合环形波导9内侧，接地电极13连接于闭合环形波导9外侧。

参阅图1、图2、图4，所述的输入光波导5及输出光波导7为脊形光波导8，脊形光波导8为平板层上设置脊高，脊高为h1，平板层厚度为h2，满足条件(h1+h2)等于铌酸锂薄膜厚度h。

参阅图1、图3，所述的单个直通波导10的带形区为二维线缺陷光子晶体波导结构，晶格排列为矩形或三角形。

参阅图1、图3，所述的闭合环形波导9的内侧环及外侧环为二维环形谐振腔型光子晶体波导结构，晶格排列为圆形。、

参阅图1、图2，所述芯片基底1的材质为铌酸锂或硅；所述芯片下包层2的材质为二氧化硅；所述芯片上包层4的材质为二氧化硅或电光聚合物材料；所述波导芯层3的材质为铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜的厚度为h，其中：0.5μm≤h≤1μm，以保证波导芯层结构的尺寸在微纳米量级同时能实现光的低损耗传输。

实施例：

参阅图1、图3，本发明的光子晶体微环调制结构6由单个直通波导10及一个闭合环形波导9组成，所述闭合环形波导9上设有内侧环及外侧环，闭合环形波导9的内侧环及外侧环为二维环形谐振腔型光子晶体波导结构，晶格排列为圆形；所述单个直通波导10上设有带形区，单个直通波导10的带形区为二维线缺陷光子晶体波导结构，晶格排列为矩形或三角形。

工作时，光由输入光波导5进入光子晶体微环调制结构6的直波导，传输过程中经耦合区进入环形波导，光在光子晶体环形波导中形成谐振，基于铌酸锂材质电光效应通过调制电极引入相位变化，完成对微环谐振调控，实现对入射光的调制，调制后的光经耦合区重新耦合进直波导，再传输进入输出直波导。

参阅图1、图3，单个直通波导10上带形区的中部与闭合环形波导9的外侧环之间形成交集的耦合区12。

参阅图1、图4，本发明芯片上包层4上设有调制电极正极11及接地电极13；且调制电极正极11连接于闭合环形波导9内侧，接地电极13连接于闭合环形波导9外侧。调制电极正极11加电压v，接地电极13接地g，调制电极正极11与接地电极13两极之间形成电场14，由于电光效应铌酸锂薄膜光子晶体波导的折射率会发生相应变化，从而改变出射光的相位以及微腔的谐振特性的变化，继而达到调制的目的。

参阅图1、图2，本发明波导芯层3的输入光波导5及输出光波导7为脊形光波导8，脊形光波导8为在平板层上设置脊高形成，膜厚为h；h=h1+h2；其中，平板层的厚度为h2；脊高的高度为h1；

本发明实施步骤如下：

1）选择单晶铌酸锂薄膜晶圆为波导芯层3，为了降低铌酸锂薄膜波导的传输损耗，首先完成铌酸锂薄膜芯层质子交换及退火工艺；

2）按照输入光波导及输出光波导设计要求制作第一掩膜版，光刻后对脊形光波导8结构进行干法刻蚀工艺，实施icp电感耦合等离子体刻蚀；

3）按照光子晶体微环调制区结构设计要求制作第二掩膜版，光刻后进行晶格孔刻蚀，采用干法刻蚀或者聚焦离子束刻蚀法，完成单个直通波导10及一个闭合环形波导9；

4）前两步结构刻蚀完成后，沉积芯片上包层4二氧化硅薄膜或电光聚合物材料，保证波导芯层3覆盖良好，且上包层薄膜应力较小，可有效防止光从上包层泄露；

5）按照电极结构设计要求制作第三掩膜版，套刻后进行金属电极溅射沉积调制电极正极11及接地电极13。

完成基于铌酸锂薄膜的光子晶体微环调制器芯片的制备。

将本发明应用时需要进行通光耦合，可以利用两根锥形透镜光纤分别对准调制器芯片输入光波导的左端口和输出光波导的右端口进行低插入损耗耦合；或者与发光芯片出光端面进行直接对准耦合。