CN109613723A - 一种铌酸锂光调制器及其制备与封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信传输技术领域，具体涉及一种铌酸锂光调制器及其制备与封装方法，旨在解决现有技术中铌酸锂波导芯片的尺寸较大、制备工艺较为复杂、封装工艺较为简陋的问题，其技术要点在于使用氢化非晶硅在铌酸锂基底上制备波导结构，利用非晶硅的高折射率可以有效减小波导尺寸，从而减小铌酸锂光调制器上金属电极之间的间距，进而使得所需调制电压低；通过调节氢化非晶硅的厚度在保证波导尺寸的前提下最大化器件的光电效应，通过控制二氧化硅的厚度以及金属电极的厚度，能够保证较好的射频匹配，而与外界连接的光纤接口通过在穿过波导层的波导线实现；完善的封装工艺可以降低漏电现象发生的概率，避免因环境潮湿而导致的短路现象的发生。

Description

一种铌酸锂光调制器及其制备与封装方法

技术领域

本发明涉及光纤通信传输技术领域，具体涉及一种铌酸锂光调制器及其制备与封装方法。

背景技术

光调制器的主要功用在于将无意义的连续光波转换成高频率的负载有效信息的光信号。由于铌酸锂材料的高光电效应，铌酸锂光调制器已经成为现有***中使用最广泛的光调制器。铌酸锂光调制器的主要组成部分为铌酸锂波导芯片，将铌酸锂波导芯片进行一定的封装工艺便可以获得铌酸锂光调制器。

现有的铌酸锂波导芯片主要是用钛掺杂等方式制备而成，但是由于折射率对比度不高，铌酸锂波导芯片的波导尺寸一般比较大。这就导致铌酸锂光调制器的电极间距比较大，因而便需要较高的电压来保证足够的调制驱动场强，或者通过增长调制区域的长度来实现足够的调制器相位变化。无论采用哪一种方式都会一定程度上加大工业制备的难度，也造成了资源的浪费。

现有技术中也有人提出使用高硅量的氮化硅材料加在钛掺杂的铌酸锂波导上来改善波导芯片尺寸较大的不足的技术方案，进而改进铌酸锂光调制器的尺寸。如专利号为“CN101620296A”，专利名称为“一种光电衬底上的高约束波导”。这种波导虽然在一定程度上利用氮化硅材料本身的高折射对比度达到减少波导尺寸的效果，但是为了取得较好的光连通效果，需要氮化硅波导与钛掺杂铌酸锂波导两层波导相结合使用，最终导致整个波导芯片的尺寸其实并未真正缩小，而且由于氮化硅的折射率相对于铌酸锂来说并没有高太多，所以这种设计的实际尺寸优化效果不是很好。

另外，现有的铌酸锂光调制器为了实现较好的射频与匹配，射频波导的信号线往往很细。而为了避免射频信号线与光学波导相冲突，一般需要两层金属连接以实现与外界射频接口的连接。并且现有的铌酸锂光调制器的相关封装工艺还不够完善，例如铌酸锂光调制器的波导线往往是采用裸露的金属线直接与外界光纤接口相连，这种金属线电极间距即使是在6微米级别都有可能因为环境潮湿而导致断路或者短路等的现象，对环境适应能力较差。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中铌酸锂波导芯片的尺寸较大、制备工艺较为复杂、封装工艺较为简陋的缺陷，从而提供一种制造价格低廉，波导芯片尺寸小，所需调制电压低，并且最大化器件的光电效应的铌酸锂光调制器及其制备与封装方法。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种铌酸锂光调制器，包括波导芯片以及在所述波导芯片上端涂覆的保护材料和与外部光纤连接的波导线；所述波导芯片包括铌酸锂基底，以及依次设置于所述铌酸锂基底上的非晶硅层、二氧化硅层和金属电极；其中，所述非晶硅层的厚度小于所述铌酸锂基底的厚度，所述非晶硅层厚度为70nm-150nm，所述铌酸锂基底与所述非晶硅层共同构成波导；所述二氧化硅层上成型有电极填充区域，所述金属电极设置于所述电极填充区域内，所述二氧化硅层厚度为1um-2um；所述波导线设置于所述铌酸锂基底和所述非晶硅层之间。

进一步地，所述非晶硅层厚度为70nm－100nm。

进一步地，所述非晶硅层为氢化非晶硅层。

一种铌酸锂光调制器的制备方法，包括如下步骤:

S1：在铌酸锂基底表面沉积一层非晶硅材料，形成非晶硅层，所述非晶硅层的厚度小于所述铌酸锂基底的厚度，所述非晶硅层的厚度为70nm－150nm；

S2：在所述非晶硅层上进行光刻显影及刻蚀剥胶，形成波导；

S3：在所述波导上沉积一层二氧化硅，形成二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为1um－2um；

S4：在所述二氧化硅层上刻蚀形成电极填充区域；

S5：在所述电极填充区域内填充金属，形成金属电极。

进一步地，所述步骤S4包括：

S41：在所述二氧化硅层上依次设置剥离胶层和光阻剂层，并在所述光阻剂层上描绘出电极填充区域的形状；

S42：根据所述电极填充区域形状进行干法刻蚀以形成电极填充区域。

进一步地，所述步骤S5包括：

S51：剥离所述光阻剂层并去除所述电极填充区域之外的金属，得到波导芯片。

进一步地，所述非晶硅层厚度为70nm－100nm。

进一步地，所述非晶硅为氢化非晶硅。

一种铌酸锂光调制器的封装方法，包括如下步骤:

在所述波导芯片上涂覆保护材料；

在所述金属电极上的保护材料外表面上设置保护结构；

在所述波导线上包裹绝缘材料。

进一步地，所述绝缘材料为二氧化硅。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的铌酸锂光调制器及其制备与封装方法，使用非晶硅制备波导芯片，由于非晶硅超高的折射率，通过合理化设置非晶硅的宽度和厚度优化光学损耗，增强光电效应，进而能够减小调制器中金属电极之间的间距，进而大幅减小实现低电压信号调制所需的调制长度，从而可以大幅度减小调制器芯片尺寸；同时整个芯片只需要一个波导就可以实现与外界的光纤通信，无需多个波导以及波导与波导之间的渐变转换，也在一定程度上减少了波导芯片的尺寸。

(2)本发明所述的铌酸锂光调制器及其制备与封装方法，优选使用氢化非晶硅制作波导芯片，其包含了大量的Si：H链，其Si：H链的存在能够减小光学损耗。

(3)本发明所述的铌酸锂光调制器及其制备与封装方法，通过控制二氧化硅的厚度以及金属电极的厚度，能够保证较好的射频匹配，而与外界连接的光纤接口通过在穿过波导层的波导线实现，由于上述波导线都在波导层，又能够留足封装或测试的金属区域；同时相对于传统的铌酸锂光调制器芯片在制备过程中无法直接进行探针测试或者实现芯片连接，需要在芯片上使用两次光刻步骤才能完全实现金属连接的繁琐步骤，节省了加工过程，简化了流程，能够获得良好的经济效益。

(4)本发明所述的铌酸锂光调制器及其制备与封装方法，由二氧化硅包裹波导线，同时在波导芯片上涂覆保护材料，并在所述金属电极上的保护材料外表面上设置保护结构，进一步保护金属电极；封装工艺可以降低漏电现象发生的概率，避免因环境潮湿而导致的短路现象的发生，一定程度上提高了铌酸锂光调制器对环境的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。

图1是本发明一种实施例所述的波导芯片结构图；

图2是本发明一种实施例所述的铌酸锂光调制器结构图；

图3是本发明一种实施例所述的铌酸锂光调制器剖面图；

图4是本发明一种实施例所述的波导芯片与光纤的连接方式；

图5是本发明一种实施例所述的铌酸锂光调制器的制备方法流程图。

图中附图标记表示为：1、铌酸锂基底；12、波导；2、非晶硅层；3、二氧化硅层；4、金属电极；5、保护材料；6、保护结构；7、波导线；8、光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

实施例1：

下面结合附图对本实施例所述的铌酸锂光调制器进行具体阐述。如图1、图2和图3所示，本实施例所述的铌酸锂光调制器包括波导芯片以及在所述波导芯片上端涂覆的保护材料5和与外部光纤连接的波导线7；所述波导芯片包括铌酸锂基底1，以及依次设置于所述铌酸锂基底1上的非晶硅层2、二氧化硅层3和金属电极4；其中，所述非晶硅层2的厚度小于所述铌酸锂基底1的厚度，所述铌酸锂基底1和所述非晶硅层2共同构成波导12；所述二氧化硅层3上成型有电极填充区域，所述金属电极4设置于所述电极填充区域内；所述波导线7设置于所述铌酸锂基底1和所述非晶硅层2之间。

本实施例选用非晶硅作为高折射率材料形成波导12在铌酸锂基底1上成型。非晶硅材料本身的折射率不仅高于其他一般材料，也远高于氮化硅材料。氮化硅材料的折射率为2.2，非晶硅的折射率则达到了3.5，非晶硅这一晶体特性，使得波导的集成性得到很大的提高。

一般而言非晶硅的厚度越薄，光学模式就越大的渗透在铌酸锂内，就能够最大化器件的光电效应。但是如果非晶硅的厚度太薄，光学模式会扩大，那就得不到约束性较强的光学模式，不能够减小电极之间的间距。本实施例优选所述非晶硅层2厚度为70nm-150nm，更为优选地所述非晶硅层2厚度为70nm-100nm。本领域技术人员应当知晓，所述的非晶硅层的厚度设定为经过大量实验验证得来的，可以产生较好的技术效果。但是并不是用来限定非晶硅层的厚度，其他可实施的厚度的数据变化也在本实施例的保护范围之内。

本实施例所述的一种铌酸锂光调制器，使用非晶硅制备波导芯片，由于非晶硅超高的折射率，通过合理化设置非晶硅的厚度优化光学损耗，增强光电效应，进而能够减小铌酸锂光调制器中金属电极4之间的间距，进而大幅减小实现低电压信号调制所需的调制长度，从而可以大幅度减小铌酸锂光调制器芯片尺寸。同时整个芯片只需要一个波导就可以实现与外界的光纤通信，无需多个波导以及波导与波导之间的渐变转换，也在一定程度上减少了波导芯片的尺寸。

优选使用氢化非晶硅制作波导芯片，其Si：H链的存在能够减小光学损耗，能够在保证波导尺寸的前提下最大化器件的光电效应。

由于金属离波导越近，其对光的吸收就越大，也就无法获得较好的射频匹配，故金属电极4不能直接铺设在波导12上，而需远离波导的光学模式范围。本实施例的所述金属电极4铺设在二氧化硅上，所述二氧化硅层3厚度优选为1um-2um。所述金属电极4的厚度可以根据实际需要设定，可以与二氧化硅层3厚度相当，也可以超出二氧化硅层3的厚度。图4为本实施例所述的一种波导芯片与光纤的连接方式，如图4所示，通过控制二氧化硅的厚度以及金属电极4的厚度，能够保证较好的射频匹配。该波导12与外界光纤8的输入输出通信则通过波导线7和光纤8来实现，一种在硅光通信中普遍使用的渐变式波导可以逐渐的将高约束性的光模式扩大到光纤大小以实现最佳的光学耦合。由于上述波导线7都在波导层，所以能够留足封装或测试的金属区域。同时相对于传统的铌酸锂光调制器芯片在制备过程中由于波导线7比较细，无法直接进行探针测试或者实现芯片连接，进而需要在芯片上使用两次光刻步骤才能完全实现金属连接的繁琐步骤，节省了加工过程，简化了流程，能够获得良好的经济效益。

由于二氧化硅的包裹已经足以保证不漏电，可以满足实际使用中的需求。所以封装过程可以使用简单的铝线键合的封装方法以降低成本，也可以优选使用翻转芯片封装工艺进行封装，实际工业实施中可以根据具体需要进行选择，此处不对具体封装方法进行限定。由二氧化硅包裹波导线7，同时在波导芯片上涂覆保护材料5，并在所述金属电极4上的保护材料5外表面上设置保护结构6，进一步保护金属电极4。完善的封装工艺可以降低漏电现象发生的概率，避免因环境潮湿而导致的短路现象的发生，一定程度上提高了铌酸锂光调制器对环境的适应能力。

实施例2：

本实施例所述的一种铌酸锂光调制器的制备方法，如图5所示，包括如下步骤:

S1：在铌酸锂基底1表面沉积一层非晶硅材料，形成非晶硅层2，所述非晶硅层2的厚度小于所述铌酸锂基底1的厚度；

S2：在所述非晶硅层2进行光刻显影及刻蚀剥胶，形成波导12；

S3：在所述波导12上沉积一层二氧化硅，形成二氧化硅层3；

S4：在所述二氧化硅层3上刻蚀得到电极填充区域；

S5：在所述电极填充区域内填充金属，形成金属电极4。

本实施例选用非晶硅作为高折射率材料形成波导12在铌酸锂基底1上成型。非晶硅材料本身的折射率不仅高于其他一般材料，也远高于氮化硅材料。氮化硅材料的折射率为2.2，非晶硅的折射率则达到了3.5，非晶硅这一晶体特性，使得波导12的集成性得到很大的提高。

所述步骤S4包括：

S41：在所述二氧化硅层3上依次设置剥离胶层和光阻剂层；在所述光阻剂层上描绘出电极填充区域的形状；

S42：根据所述电极填充区域形状进行干法刻蚀以形成电极填充区域；

所述步骤S5包括：

S51：剥离掉光阻剂层并去除所述电极填充区域之外的金属，得到波导芯片。

覆盖上一层剥离胶和光阻剂的目标是在表面建立薄的、均匀的，并且没有缺陷的薄膜，并且可以描绘出电极填充区域形状。所述剥离胶的厚度为1um以上，所述光阻剂比二氧化硅层3更厚，以便于适应干法刻蚀步骤。所述干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术，通过所述步骤S41和所述步骤S42后整个二氧化硅层3上便出现了两个具有一定间距的电极填充区域。

将金属电极4填充到电极填充区域后，整个波导芯片的所有组件都已经齐全，作为刻蚀阻挡层的剥离胶层与光阻剂以及非电极填充区域内的金属则不再被需要，应当及时的除掉。通过常用的使用剥离溶液便可以去除，由于此剥离溶液已在现有技术中广泛使用，故此处不在赘述。

一般而言非晶硅的厚度越薄，光学模式就越大的掺杂在铌酸锂内，这样就能够最大化器件的光电效应。但是如果非晶硅的厚度太薄，那样光学模式会扩大，那就得不到约束性较强的光学模式，不能够减小电极之间的间距。本实施例优选所述非晶硅层2厚度为70nm-150nm，更为优选地所述非晶硅层2厚度为70nm-100nm。本领域技术人员应当知晓，所述的非晶硅层2的厚度设定为经过大量实验验证得来的，可以产生较好的技术效果。但是并不是用来限定非晶硅层2的厚度，其他可实施的厚度的数据变化也在本实施例的保护范围之内。

由于非晶硅超高的折射率，通过合理化设置非晶硅的宽度和厚度优化光学损耗，增强光电效应，进而能够减小调制器中金属电极4之间的间距，进而大幅减小实现低电压信号调制所需的调制长度，从而可以大幅度减小铌酸锂光调制器的波导芯片尺寸。同时整个波导芯片只需要一个波导就可以实现与外界的光纤通信，无需多个波导以及波导与波导之间的渐变转换，也在一定程度上减少了波导芯片的尺寸。

由于金属离波导越近，其对光的吸收就越大，也就无法获得较好的射频匹配，故金属电极4不能直接铺设在波导上。本实施例的所述金属电极4铺设在二氧化硅上，所述二氧化硅层3厚度优选为1um-2um。所述金属电极4的厚度可以根据实际需要设定，可以与二氧化硅层3厚度相当，也可以超出二氧化硅层3的厚度。通过控制二氧化硅的厚度以及金属电极的厚度，能够保证较好的射频匹配。该波导与外界光纤的输入输出通信则通过波导线7和光纤8来实现，一种在硅光通信中普遍使用的渐变式波导可以逐渐的将高约束性的光模式扩大到光纤大小以实现最佳的光学耦合。而与外界连接的光纤8接口通过在穿过波导层的波导线7实现，由于上述波导线7都在波导层，所以能够留足封装或测试的金属区域。同时相对于传统的铌酸锂光调制器芯片在制备过程中由于波导线7比较细，无法直接进行探针测试或者实现芯片连接，进而需要在芯片上使用两次光刻步骤才能完全实现金属连接的繁琐步骤，节省了加工过程，简化了流程，能够获得良好的经济效益。

所述步骤S1中，所述沉积方法为气相沉积法或溅射沉积法。由于气相沉积法和溅射沉积法已经较为成熟，此处不在赘述。但是本领域技术人员应当知晓，本实施例优选但不限于这两种沉积方式，其他可以实现沉积的方式均在本实施例的保护范围之内。

所述非晶硅优选为氢化非晶硅。众所周知，所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。所述的氢化非晶硅，包含了大量的Si：H链，所述Si：H链的存在能够减小光学损耗，即能够在保证波导尺寸的前提下最大化器件的光电效应。

所述光阻剂为正性胶或负性胶。光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之，对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。利用这种性能，将光阻剂作涂层，就能在表面刻蚀所需的图形。区别在于二者经过干法刻蚀后形成的图形不同，故在实际生产中需要事先设计好针对不同光阻剂所需要使用的图形。由于光阻剂的使用为常用技术手段，此处不在详述。

实施例3：

本实施例是基于实施例1所述的一种铌酸锂光调制器的封装方法，包括如下步骤:

在所述波导芯片上涂覆保护材料5；

在所述金属电极4上的保护材料5外表面上设置保护结构6；

在所述波导线7上包裹绝缘材料。

所述保护材料5优选为有机硅类胶、环氧类胶以及亚克力胶中的一种。所述保护结构6优选为铟球。所述绝缘材料优选为二氧化硅。本领域技术人员应当知晓，以上优选实施方式只是为了可以实施本实施例所述的技术方案，并非用于对本实施例的限制，其他显而易见的材料替换和形式变化均在本实施例的保护范围之内。

本实施例所述的一种铌酸锂光调制器封装方法，由二氧化硅包裹波导线7，同时在波导芯片上涂覆保护材料5，并在所述金属电极4上的保护材料5外表面上设置保护结构6，进一步保护金属电极4。封装工艺可以降低漏电现象发生的概率，避免因环境潮湿而导致的短路现象的发生，一定程度上提高了铌酸锂光调制器对环境的适应能力。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种铌酸锂光调制器，其特征在于，包括波导芯片以及在所述波导芯片上端涂覆的保护材料和与外部光纤连接的波导线；

所述波导芯片包括铌酸锂基底，以及依次设置于所述铌酸锂基底上的非晶硅层、二氧化硅层和金属电极；其中，所述非晶硅层的厚度小于所述铌酸锂基底的厚度，所述非晶硅层厚度为70nm-150nm，所述铌酸锂基底与所述非晶硅层共同构成波导；所述二氧化硅层上成型有电极填充区域，所述金属电极设置于所述电极填充区域内，所述二氧化硅层厚度为1um-2um；

所述波导线设置于所述铌酸锂基底和所述非晶硅层之间。

2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂光调制器，其特征在于，所述非晶硅层厚度为70nm－100nm。

3.根据权利要求1或2所述的一种铌酸锂光调制器，其特征在于，所述非晶硅层为氢化非晶硅层。

4.一种铌酸锂光调制器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在铌酸锂基底表面沉积一层非晶硅材料，形成非晶硅层，所述非晶硅层的厚度小于所述铌酸锂基底的厚度，所述非晶硅层的厚度为70nm－150nm；

S2：在所述非晶硅层上进行光刻显影及刻蚀剥胶，形成波导；

S3：在所述波导上沉积一层二氧化硅，形成二氧化硅层，所述二氧化硅层的厚度为1um－2um；

S4：在所述二氧化硅层上刻蚀形成电极填充区域；

S5：在所述电极填充区域内填充金属，形成金属电极。

5.根据权利要求4所述的一种铌酸锂光调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41：在所述二氧化硅层上依次设置剥离胶层和光阻剂层，并在所述光阻剂层上描绘出电极填充区域的形状；

S42：根据所述电极填充区域形状进行干法刻蚀以形成电极填充区域。

6.根据权利要求5所述的一种铌酸锂光调制器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51：剥离所述光阻剂层并去除所述电极填充区域之外的金属，得到波导芯片。

7.根据权利要求4－6任一所述的一种铌酸锂光调制器的制备方法，其特征在于，所述非晶硅层厚度为70nm－100nm。

8.根据权利要求4－6任一所述的一种铌酸锂光调制器的制备方法，其特征在于，所述非晶硅为氢化非晶硅。

9.一种权利要求1－3任一所述的铌酸锂光调制器的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

在所述波导芯片上涂覆保护材料；

在所述金属电极上的保护材料外表面上设置保护结构；

在所述波导线上包裹绝缘材料。

10.根据权利要求9所述的一种铌酸锂光调制器的封装方法，其特征在于，所述绝缘材料为二氧化硅。