一种混合调制器及制备方法与流程

1.本技术涉及纳米光学技术领域，特别涉及一种混合调制器及制备方法。


背景技术：

2.光学材料各有优势劣势。硅材料在器件设计及制备成本上较为优越，但其不具备二阶非线性以及线性电光效应；铌酸锂材料具有优异的二阶非线性和线性电光效应，可弥补硅材料在这两个性能的缺失。将硅材料和铌酸锂材料集成，有利于制得更高性能的光学芯片和器件。
3.然而铌酸锂材料化学性质十分稳定，难以利用传统的反应离子刻蚀等反应性刻蚀工艺进行波导的加工；采用氩刻蚀的物理刻蚀方法，存在着侧壁倾角较大，无源器件设计困难的缺点。


技术实现要素：

4.本技术提供一种混合调制器及制备方法，能够至少避免混合调制器制备过程中铌酸锂材料受刻蚀的问题。
5.本发明实施例提供了一种混合调制器，包括：
6.绝缘体上铌酸锂结构，绝缘体上铌酸锂结构包括依次层叠设置的硅衬底层、二氧化硅光隔离层和铌酸锂薄膜层；
7.在铌酸锂薄膜层远离二氧化硅光隔离层的一侧，有至少两个间隔设置的电极层；至少两个电极层之间设置有二氧化硅介质层；至少两个二氧化硅介质层之间设置有氮化硅波导层；
8.氮化硅波导层上设置有硅波导层。
9.可选的，硅波导层内包括第一硅波导无源器件；第一硅波导无源器件包括硅功率分配器；氮化硅波导层与硅功率分配器构成马赫-曾德尔干涉器结构。
10.可选的，硅波导层内还包括第二硅波导无源器件；第二硅波导无源器件包括多模干涉耦合器、定向耦合器、y形分束器、偏振分束器、偏振旋转器、偏振旋转分束器和阵列波导光栅中的一个或多个的组合。
11.可选的，二氧化硅介质层的高度与氮化硅波导层高度之差为h，0≤h＜50纳米。
12.可选的，电极层结构包括共平面电极结构。
13.本发明实施例提供了一种混合调制器制备方法，包括：
14.对硅晶圆进行离子注入，以在硅晶圆内形成缺陷层；
15.在硅晶圆的离子注入面上生长指定厚度的氮化硅层，并对氮化硅层进行刻蚀以形成氮化硅波导层；
16.在硅晶圆的离子注入面上生长二氧化硅介质层，以使得二氧化硅介质层覆盖氮化硅波导层；
17.将二氧化硅介质层与绝缘体上铌酸锂结构中的铌酸锂薄膜层进行晶圆键合，得到
第一键合结构；绝缘体上铌酸锂结构包括硅衬底层、二氧化硅光隔离层和铌酸锂薄膜层；
18.对第一键合结构进行退火处理，以使得硅晶圆沿缺陷层剥离，得到第二键合结构；
19.对第二键合结构中的硅晶圆层进行刻蚀，以形成硅波导层；
20.刻蚀第二键合结构中的二氧化硅介质层，形成电极沉积通孔；
21.在电极沉积通孔上沉积电极层，得到混合调制器。
22.可选的，离子注入包括注入氢离子和/或氦离子。
23.可选的，二氧化硅介质层覆盖氮化硅波导层后，平坦化二氧化硅介质层，且控制氮化硅波导层上的二氧化硅介质层的高度小于50纳米。
24.可选的，将二氧化硅介质层与绝缘体上铌酸锂结构中的铌酸锂薄膜层进行晶圆键合，得到第一键合结构包括：对二氧化硅介质层进行抛光处理，得到抛光后的二氧化硅介质层；将抛光后的二氧化硅介质层与绝缘体上铌酸锂结构中的铌酸锂薄膜层进行晶圆键合，得到第一中间键合结构；对第一中间键合结构进行退火处理，得到第一键合结构；退火处理用于加强第一中间键合结构中晶圆键合界面的键合强度。
25.可选的，对第一键合结构进行退火处理，以使得硅晶圆沿缺陷层剥离，得到第二键合结构包括：对第一键合结构进行退火处理，以使得硅晶圆沿缺陷层剥离，得到第二中间键合结构；对第二中间键合结构进行化学机械抛光处理，以去除缺陷层，得到第二键合结构。
26.本发明的有益效果是：通过在硅波导层和铌酸锂薄膜层之间加入氮化硅材料作为过渡波导，实现硅材料与铌酸锂材料的光学集成。同时氮化硅材料作为加载条形波导，实现光同时限制在铌酸锂薄膜层和氮化硅波导层中，避免在混合调制器制备过程中铌酸锂材料受刻蚀，从而易于设计无源器件。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
28.图1是本发明实施例提供的一种混合调制器的结构示意图；
29.图2是本发明实施例提供的一种混合调制器制备方法流程示意图；
30.图3是本发明实施例提供的一种混合调制器制备方法局部流程示意图。
31.图中附图标记对应为：1-硅衬底层；2-二氧化硅光隔离层；3-铌酸锂薄膜层；4-电极层；5-二氧化硅介质层；6-氮化硅波导层；7-硅波导层；32-铌酸锂薄膜层远离二氧化硅光隔离层的一侧；101-硅晶圆；102-缺陷层；110-第一键合结构；120-第二键合结构；121-第二中间键合结构；130-混合调制器。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
34.实施例一
35.请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种混合调制器的结构示意图。该混合调制器包括绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator，简称lnoi)结构，绝缘体上铌酸锂结构包括依次层叠设置的硅衬底层1、二氧化硅光隔离层2和铌酸锂薄膜层3。可选的，二氧化硅光隔离层2的高度为2-9微米；铌酸锂薄膜层3的高度为100-700纳米。
36.在铌酸锂薄膜层远离二氧化硅光隔离层的一侧32，有至少两个间隔设置的电极层4，其中，图1展现了三个电极层4。本技术实施例中，电极层4结构包括共平面电极结构，还包括微带线结构或环形结构。至少两个电极层4之间设置有二氧化硅介质层5，至少两个二氧化硅介质层5之间设置有氮化硅波导层6。由此，氮化硅波导层6与铌酸锂薄膜层3构成加载条形波导结构。其中，二氧化硅介质层5的高度与氮化硅波导层6高度之差为h，0≤h＜50纳米。可选的，氮化硅波导层6的高度为50-300纳米，氮化硅波导层6的宽度为0.5-5微米。
37.继续参阅图1，氮化硅波导层6上设置有硅波导层7，从而硅波导层7与氮化硅波导层6之间的光耦合通过垂直耦合结构实现。可选的，硅波导层7波导层的高度为100-400纳米。硅波导层7内包括第一硅波导无源器件，其中，第一硅波导无源器件包括硅功率分配器。氮化硅波导层6与硅功率分配器构成马赫-曾德尔干涉器结构。
38.硅波导层7内还包括第二硅波导无源器件；第二硅波导无源器件包括多模干涉耦合器、定向耦合器、y形分束器、偏振分束器、偏振旋转器、偏振旋转分束器和阵列波导光栅中的一个或多个的组合。
39.实施例二
40.本发明实施例提供一种混合调制器制备方法，图2所示的该制备方法包括：
41.s201：对硅晶圆101进行离子注入，以在硅晶圆101内形成缺陷层102。
42.离子注入包括注入氢离子和/或氦离子，可选的，注入能量为20-60千电子伏特，注入剂量为2e
16-1e
17
离子/平方厘米。
43.s202：在硅晶圆101的离子注入面上生长指定厚度的氮化硅层，并对氮化硅层进行刻蚀以形成氮化硅波导层6。
44.可选的，生长氮化硅层的温度为100—800摄氏度。
45.此外，本发明实施例对s201和s202的执行顺序没有要求。
46.s203：在硅晶圆101的离子注入面上生长二氧化硅介质层5，以使得二氧化硅介质层5覆盖氮化硅波导层6。
47.s2031：当二氧化硅介质层5覆盖氮化硅波导层6后，平坦化二氧化硅介质层5，且控制氮化硅波导层6上的二氧化硅介质层5的高度小于50纳米。
48.s204：将二氧化硅介质层5与绝缘体上铌酸锂结构中的铌酸锂薄膜层3进行晶圆键
合，得到第一键合结构110。
49.绝缘体上铌酸锂结构包括硅衬底层1、二氧化硅光隔离层2和铌酸锂薄膜层3。
50.将二氧化硅介质层5与绝缘体上铌酸锂结构中的铌酸锂薄膜层3进行晶圆键合，得到第一键合结构110包括：
51.s2041：对二氧化硅介质层5进行抛光处理，得到抛光后的二氧化硅介质层5。
52.s2042：将抛光后的二氧化硅介质层5与绝缘体上铌酸锂结构中的铌酸锂薄膜层3进行晶圆键合，得到第一中间键合结构。
53.s2043：对第一中间键合结构进行退火处理，得到第一键合结构110。退火处理用于加强第一中间键合结构中晶圆键合界面的键合强度。
54.可选的，退火温度为300-900摄氏度。
55.s205：对第一键合结构110进行退火处理，以使得硅晶圆101沿缺陷层102剥离，得到第二键合结构120。
56.s206：对第二键合结构120中的硅晶圆层进行刻蚀，以形成硅波导层7。
57.s207：刻蚀第二键合结构120中的二氧化硅介质层5，形成电极沉积通孔。
58.s208：在电极沉积通孔上沉积电极层4，得到混合调制器130。
59.如图3所示，s205对第一键合结构110进行退火处理，以使得硅晶圆101沿缺陷层102剥离，得到第二键合结构120包括：
60.s2051：对第一键合结构110进行退火处理，以使得硅晶圆101沿缺陷层102剥离，得到第二中间键合结构121。
61.s2052：对第二中间键合结构121进行化学机械抛光(cmp)处理，以去除缺陷层102，得到第二键合结构120。
62.由上述本发明提供的实施例可见，本发明通过在硅波导层和铌酸锂薄膜层之间加入氮化硅材料作为过渡波导，实现了硅材料与铌酸锂材料的光学集成。同时，氮化硅材料作为加载条形波导，可以避免在混合调制器制备过程中铌酸锂材料受刻蚀，从而易于设计无源器件。
63.需要说明的是：上述本技术实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
64.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
65.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
66.以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。