一种低电压驱动的薄膜电光调制器及其制备方法

本发明属于光通信，具体涉及一种低电压驱动的薄膜电光调制器及其制备方法。

背景技术：

1、在光通信系统中，电光调制器是制约光通信效率的关键器件，其作用是将电信号转换成高比特率的光信号。目前硅基光子调制器应用广泛，其具有很强的抗腐蚀性、热导率高等特点，且硅基器件的制备工艺成熟。硅基光电调制器主要依赖硅基光子材料的等离子色散效应，该效应通过电场引起载流子浓度的变化，从而引起折射率和吸收系数的变化。但是载流子的注入和耗尽过程会限制电光调制器速率，并且掺杂会引入光学损耗。基于钙钛矿氧化物的调制器中不存在这些约束，因为它们主要利用波克尔斯（pockels）效应通过施加电场来实现光调制。钛酸钡 (batio3)是一种著名的无铅钙钛矿氧化物，其具有高电光系数和大双折射率，以及在宽波长范围内均有高透明度。除了具有优异的化学和热稳定性外，钛酸钡薄膜在硅衬底上可实现直接外延生长且具有良好的结晶质量。铁电氧化物(如钛酸钡)中的居里温度(tc)，即铁电-反铁电相变发生的温度，对于其在电光器件中的应用至关重要，因为大多数器件仅在tc以下有效。然而，钛酸钡的tc约为100℃，这严重限制了其在不同温度条件下的光电应用。然而，钛酸钡基光子器件在高波克尔斯系数和tc之间存在权衡，要保持其高波克尔斯系数(rc)的同时不影响tc和高透明度目前还难以实现。

2、阳离子掺杂是一种将外部阳离子引入材料晶体结构的方法，可以改变材料的电学和光学性质。通过选择适当的阳离子元素进行掺杂，可以提高材料的导电性、增加载流子浓度，从而提高电光调制效果。此外，阳离子掺杂还可以改变材料的晶格结构，提高薄膜的光学透明度和传导性能。

技术实现思路

1、针对上述技术现状，本发明的目的在于提供了一种低电压驱动的薄膜电光调制器及其制备方法。所述调制器包括波导层选用阳离子掺杂的钛酸钡薄膜，其具有较大的电光系数，能够在更低的电压下实现高速光信号的调制。此外，还提供一种新的合成和致密工艺，用于生产掺杂钙钛矿氧化物，从而可以精确控制微观结构、介电、光学和电光特性。最后，通过优化波导器件的结构尺寸，进一步降低了调制器的驱动电压。由于本发明中的薄膜光电调制器具有高电光系数和温度/频率耐用的特性，可用于节能、超紧凑的集成光子系统。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：以乙酸钡(ba(ch3coo)2)和异丙醇钛(ti[och(ch3)2]4)为原料，以乙醇和乙酸为溶剂合成了batio3薄膜。关于batio3薄膜的a位或b位掺杂，使用乙酸镧(la(ch3coo)3)或乙酸铅(pb(ch3coo)2)或乙酸铪(hf(ch3coo)4)作为前驱体，并分别添加到batio3溶液中，经过搅拌、旋涂、蒸发、退火，形成阳离子掺杂的钛酸钡薄膜。然后通过光刻和刻蚀工艺，在钛酸钡波导层上形成脊型结构。再采用磁控溅射法在波导层上溅射一层sio2上包层，最后采用光刻和磁控溅射工艺制备电极层形成薄膜电光调制器。

3、即本发明的技术方案为：一种低电压驱动的薄膜电光调制器及其制备方法，包括如下步骤：

4、(1)使用乙酸钡(ba(ch3coo)2)作为钡源，异丙醇钛(ti[och(ch3)2]4)作为钛源，以乙醇和乙酸为溶剂合成了钛酸钡溶液。

5、(2)将a位或者b位掺杂溶液添加到钛酸钡溶液中并在磁力搅拌机上搅拌1～4小时。

6、(3)将制备好的溶胶滴在已清洗好的基片上，使用匀胶机以旋涂溶胶，经过蒸发，形成湿的凝胶膜附着在基片表面。

7、(4)将匀胶后形成的湿膜放入管式炉中进行热处理。

8、(5)通过光刻和刻蚀工艺，在钛酸钡波导层上形成脊型结构。

9、(6) 采用光刻和磁控溅射工艺制备电极层。

10、(7) 采用磁控溅射、光刻和刻蚀工艺制备sio2上包层。

11、所述步骤1中乙酸钡的质量为5~15g、异丙醇钛为10~20g。

12、所述步骤2中各掺杂元素分别为la、pb、hf中的一种。其中，la掺杂钛酸钡薄膜所用的溶液为乙酸镧(la(ch3coo)3)，la的掺杂浓度在1～5wt%之间；pb掺杂钛酸钡薄膜所用的溶液为乙酸铅 (pb(ch3coo)2)，pb的掺杂浓度在5～20wt%之间；hf掺杂钛酸钡薄膜所用的溶液为乙酸铪(hf(ch3coo)4)，hf的掺杂浓度在5～20wt%之间。

13、所述步骤3中匀胶机转速为3000～5000r/min，旋涂时间为30～60s。

14、所述步骤4中在管式炉中将匀胶后形成的湿膜放入管式炉中在700°c退火1~3小时最终得到阳离子掺杂的钛酸钡薄膜。

15、所述步骤5中所述的刻蚀方法为离子束刻蚀(ibe)、电感耦合等离子体刻蚀(icp)、反应离子刻蚀(rie)中的一种。

16、与现有技术相比，本发明具有如下技术优点：

17、(1) 本发明采用阳离子掺杂的钛酸钡薄膜作为调制器的波导层，其具有较大的电光系数，从而实现调制器在低驱动电压下工作。

18、(2)本发明采用溶胶凝胶法制备不同阳离子掺杂钛酸钡薄膜，能够很好控制掺杂浓度，形成完整均匀的薄膜。该制备方法具有成本低，方法简单易操作，均匀性好，并且可以精确控制薄膜微观结构、介电、光学和电光特性等特点。

19、(3)本发明通过优化波导器件的结构尺寸，可进一步降低了器件的驱动电压。

技术特征：

1.一种低电压驱动的薄膜电光调制器，其特征在于，包括：衬底、下包层、光波导层、上包层、驱动电极；

2.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器，其特征在于，所述的衬底为硅衬底。

3.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器，其特征在于，所述的下包层和上包层均为二氧化硅，厚度为200-500nm。

4.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器，其特征在于，所述的驱动电极的材质为金、铝、银中的一种，电极间隙为1-10um，电极宽度为1-10um，厚度为0.2-2um。

5.根据权利要求1所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中乙酸钡的质量为5~15g、异丙醇钛为10~20g。

7.根据权利要求5所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器的制备方法，其特征在于，步骤2）中掺杂元素为la、pb、hf中的一种；其中，la掺杂钛酸钡薄膜所用的溶液为乙酸镧，la的掺杂浓度在1～5wt%之间；pb掺杂钛酸钡薄膜所用的溶液为乙酸铅，pb的掺杂浓度在5～20wt%之间；hf掺杂钛酸钡薄膜所用的溶液为乙酸铪，hf的掺杂浓度在5～20wt%之间。

8.根据权利要求5所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中匀胶机转速为3000～5000r/min，旋涂时间为30～60s。

9.根据权利要求5所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中将匀胶后形成的湿膜放入管式炉中在700°c退火1~3小时，得到阳离子掺杂的钛酸钡薄膜。

10.根据权利要求5所述的一种低电压驱动的薄膜电光调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中所述的刻蚀方法为离子束刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀中的一种。

技术总结
本发明公开了一种低电压驱动的薄膜电光调制器及其制备方法，该调制器采用阳离子掺杂的钛酸钡薄膜作为电光调制器的波导层材料，所述阳离子掺杂的钛酸钡薄膜相对于纯钛酸钡薄膜及其他薄膜材料具有更大的电光系数，故可以在低驱动电压下实现高效的光调制。此外，本发明还提供一种新的合成和致密工艺，用于制备掺杂的钙钛矿氧化物，从而可以精确控制其微观结构、介电、光学和电光特性。最后，通过优化波导器件的结构尺寸，进一步降低了调制器的驱动电压。本发明为获得低驱动电压光调制器提供了新的解决方案，有望推动光通信、显示技术和光电子学等领域的进步和发展。

技术研发人员：朱敏敏,魏灿,杨丹
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16