CN110568551A - 铌酸锂光波导芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铌酸锂光波导芯片，包括单晶硅基板、薄膜铌酸锂、设置在所述薄膜铌酸锂上的负热光系数材料、设置在所述单晶硅基板上并包覆所述铌酸锂薄膜和负热光系数材料的二氧化硅包层，以及设置在所述二氧化硅包层上的金属电极；所述薄膜铌酸锂包括铌酸锂中心脊，或者，包括质子交换层和铌酸锂侧翼。由于铌酸锂的折射率随温度的升高而增大，本发明利用负热光系数材料折射率随温度升高而降低的特性，通过在铌酸锂薄膜上设置合适厚度的负热光系数材料层，可以消除铌酸锂光波导有效折射率对温度的敏感性，实现了几种非热敏设计的光波导结构，可以有效降低薄膜铌酸锂光波导芯片的热光系数，使薄膜铌酸锂光波导的各种物理性能对温度变化不敏感。
Description
技术领域
本发明涉及一种铌酸锂光波导芯片，属于光电器件领域。
背景技术
铌酸锂是一种被广泛应用于光电器件的材料之一。铌酸锂的各项光电特性，如低操作电压、低传输损耗等优势，使之被用于制造多种光电器件，例如光波导、高速光调制器、光学变频器等等。近年来薄膜铌酸锂-绝缘体(Lithium Niobate-on-Insulator)的发展使兼容现代集成电路制造工艺的薄膜铌酸锂光波导被广泛研究。薄膜铌酸锂光波导可以被应用于高速光电器件，例如马赫-曾德尔光调制器以及微环共振器等。传统铌酸锂光波导采用钛扩散方式在铌酸锂晶体上形成光波导结构，但通过此方式形成的光波导的折射率差较低，并不具备很强的光束缚能力。而基于薄膜铌酸锂-绝缘体(Lithium Niobate-on-Insulator)平台的单晶薄膜铌酸锂光波导，一般采用蚀刻的方式定义光波导的位置和形状，厚度低于1微米，具有更大的折射率差以及极强的光束缚能力。这种新型的铌酸锂光波导结构可以使用更低的电压进行调制，并且拥有更高的带宽和更低的传输损耗，在以马赫-曾德尔调制器、微环共振器为代表的光电器件的应用上非常理想。铌酸锂光波导需要保证单模传输的工作模式，特别是在1310nm和1550nm的光通讯波长范围，单模传输的工作模式是绝大多数光电器件的基本工作模式。为保证铌酸锂光波导器件可靠、稳定地工作，理想情况下光波导的有效折射率需要保持不变。然而，铌酸锂以及作为器件包层的氧化硅的折射率都随温度的升高而增大。在器件的工作过程中，环境温度会随着时间不断变化，从而使器件的有效折射率随之改变，这会严重影响器件的性能。因此，需要一种技术方案，实现非热敏的光电器件的设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铌酸锂光波导芯片，采用非热敏设计，可以有效降低光波导有效折射率的热光系数，使器件的性能对温度变化不敏感。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种薄膜铌酸锂光波导，包括单晶硅基板、薄膜铌酸锂、设置在所述薄膜铌酸锂上的负热光系数材料、设置在所述单晶硅基板上并包覆所述铌酸锂薄膜和负热光系数材料的二氧化硅包层，以及设置在所述二氧化硅包层上的金属电极；所述薄膜铌酸锂包括铌酸锂中心脊，或者，包括质子交换层和铌酸锂侧翼。
进一步地，所述铌酸锂光波导芯片的热光系数为10-8～10-7。
进一步地，所述铌酸锂中心脊的宽度为0.7～1.5μm，所述质子交换层的宽度为0.7～1.5μm。
进一步地，所述二氧化硅包层包括设置在所述薄膜铌酸锂和单晶硅基板之间的下包层和设置在所述负热光系数材料层上方的上包层，所述金属电极设置在所述上包层的相对两侧。
进一步地，所述的铌酸锂光波导芯片为脊型光波导，所述铌酸锂包括铌酸锂中心脊和自所述铌酸锂中心脊向两侧延伸的铌酸锂侧翼，所述铌酸锂中心脊凸出设置在所述下包层上，所述铌酸锂侧翼在所述下包层上平行延伸设置，所述负热光系数材料设置在所述铌酸锂中心脊和铌酸锂侧翼上；所述铌酸锂中心脊的宽度为W，所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.034～0.041。
进一步地，所述的铌酸锂光波导芯片为线型光波导，所述铌酸锂包括铌酸锂中心脊，所述铌酸锂中心脊凸出设置在所述下包层上，所述负热光系数材料设置在所述铌酸锂中心脊上；所述铌酸锂中心脊的宽度为W，所述所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.02～0.032。
进一步地，所述的铌酸锂光波导芯片为质子交换光波导，所述铌酸锂薄膜包括质子交换层和自所述质子交换层向两侧延伸的铌酸锂侧翼，所述质子交换层和铌酸锂侧翼平行于所述下包层设置，所述负热光系数材料设置在所述质子交换层和铌酸锂侧翼上；所述质子交换层的宽度为W，所述所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.037～0.042。
进一步地，所述的铌酸锂光波导芯片为孔道型光波导，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂中心脊，所述铌酸锂中心脊内凹设置在所述下包层内，所述负热光系数材料设置在所述铌酸锂中心脊上并平行于所述下包层设置；所述铌酸锂中心脊的宽度为W，所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.017～0.02。
进一步地，所述质子交换层为质子交换铌酸锂。
进一步地，所述负热光系数材料层选自包括二氧化钛、氧化锌、镁掺杂氧化锌、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、甲胺氯铅酸盐中的任一种或多种。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：由于铌酸锂和氧化硅的折射率随温度的升高而增大，本发明利用二氧化钛折射率随温度升高而降低的特性，通过在铌酸锂薄膜上设置合适厚度的二氧化钛层，可以消除铌酸锂光波导有效折射率对温度的敏感性，实现了几种非热敏结构的设计，可以有效降低铌酸锂光波导的热光系数，使铌酸锂光波导的性能对温度变化不敏感。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例一中铌酸锂光波导的结构示意图；
图2a和2b(附件1图1)分别为本发明实例一中有效折射率随温度变化曲线与光场分布示意图；
图3a和3b分别为本发明实例一中光热系数随铌酸锂光波导宽度与二氧化钛层厚度的变化曲线；
图4为本发明实施例二中铌酸锂光波导的结构示意图；
图5a和5b(附件1图2)分别为本发明实例二中有效折射率随温度变化曲线与光场分布示意图；
图6a和6b分别为本发明实例二中光热系数随铌酸锂光波导宽度与二氧化钛层厚度的变化曲线；
图7为本发明实施例三中铌酸锂光波导的结构示意图；
图8a和8b(附件1图3)分别为本发明实例三中有效折射率随温度变化曲线与光场分布示意图；
图9a和9b分别为本发明实例三中光热系数随铌酸锂光波导宽度与二氧化钛层厚度的变化曲线；
图10为本发明实施例四中铌酸锂光波导的结构示意图；
图11a和11b(附件1图4)分别为本发明实例四中有效折射率随温度变化曲线与光场分布示意图；
图12a和12b分别为本发明实例四中光热系数随铌酸锂光波导宽度与二氧化钛层厚度的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。
本发明的铌酸锂光波导包括铌酸锂薄膜、设置在所述铌酸锂薄膜上的二氧化钛层、以及包覆所述铌酸锂薄膜和二氧化钛层的二氧化硅包层；所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂中心脊，或者，包括质子交换层和铌酸锂侧翼。
通过本发明的结构设计，能将铌酸锂光波导的热光系数降低至10-8～10-7。并且，从工艺、热光系数、导波性能等综合角度考虑，所述铌酸锂中心脊的宽度为0.7～1.5μm，所述质子交换层的宽度为0.7～1.5μm。
本发明中的铌酸锂光波导基于薄膜铌酸锂-绝缘体(Lithium Niobate-on-Insulator)平台，即铌酸锂薄膜-二氧化硅-硅复合晶圆结构。对于脊型光波导、线型光波导，首先利用电子束光刻技术(electron beam lithography)或光学光刻技术(opticallithography)定义光波导的位置和形状，再采用离子束铣(ion milling)、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP-RIE)、或湿法蚀刻(Wet Etch)、或晶体离子切片技术(Crystal Ion Slicing)完成光波导制作。对于孔道型光波导，在完成蚀刻步骤后，还需再沉积额外的二氧化硅层，使二氧化硅的顶部与铌酸锂光波导顶部齐平。对于质子交换光波导，需要铌酸锂浸入高温酸性溶液进行质子交换，形成质子交换铌酸锂。完成的铌酸锂光波导经过简单的二氧化硅包附和电极金属蒸镀即可作为器件使用。二氧化硅包层通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、化学气相沉积法(CVD)或物理气相沉积(PVD)生长。对于负热光系数材料，二氧化钛层通过反应溅射(Reactive Sputtering)、射频磁控溅射(RFMagnetron Sputtering)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、脉冲激光沉积(PLD)等工艺手段制作；氧化锌和镁掺杂氧化锌也可通过反应溅射(Reactive Sputtering)、射频磁控溅射(RF Magnetron Sputtering)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、脉冲激光沉积(PLD)等工艺手段制作；其他有机物材料可通过简单的旋涂法(Spin-Coating)制作。
在对光波导结构的设计中，本发明以标量海姆霍兹公式作为指导，即：
其中Ψ可为任何场分量，k0为真空波数，n为折射率，z方向为传播方向，x、y为横截面的竖直、平行方向。为得到此方程的解，可通过有效折射率法简化为:
其中F、G为模分布，neff为有效折射率，β为传播常数。通过此方法，可以计算得出光波导的传播常数和有效折射率。
下面将结合具体实施例来对本发明进行进一步说明。
实施例一 脊型光波导
请参见图1，本实施例中，铌酸锂光波导为脊型光波导，该结构的光波导芯片在20～50℃下的最优热光系数为4×10-8。作为对照，同样结构不含二氧化钛(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.7×10-5。
本实施例中，该铌酸锂光波导包括单晶硅基板1-10、铌酸锂薄膜1-1、设置在所述铌酸锂薄膜1-1上的二氧化钛层1-2、包覆所述铌酸锂薄膜1-1和二氧化钛层1-2的二氧化硅包层1-3，以及设置在二氧化硅包层1-3上的金属电极1-4。所述铌酸锂薄膜1-1的厚度为300nm，其包括铌酸锂中心脊1-11和自所述铌酸锂中心脊1-11向两侧延伸的铌酸锂侧翼1-12。所述二氧化硅包层1-3包括设置在所述铌酸锂薄膜1-1下方的下包层1-31和设置在所述二氧化钛层1-2上方的上包层1-32，下包层1-31的厚度为4.7μm，上包层1-32的厚度为1.5μm。所述下包层1-31设置在单晶硅基板1-10上，铌酸锂中心脊1-11凸出设置在所述下包层1-31上，所述铌酸锂侧翼1-12在所述下包层1-31上平行延伸设置，所述二氧化钛层1-2设置在所述铌酸锂中心脊1-11和铌酸锂侧翼1-12上，金属电极1-4设置在上包层1-32上表面的相对两侧。在铌酸锂光波导两侧对称设置电极，当电极之间施加电场时，铌酸锂晶体的泡克耳斯(Pockels effect)使折射率产生变化，因此铌酸锂光波导天然的适用于马克-曾德尔调制器。
本实施例中，所述铌酸锂中心脊1-11的宽度为W，所述二氧化钛层1-2的厚度为H，且满足H2：W＝0.034～0.041，以保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7。图2a和2b(附件1图1)分别为此光波导结构有效折射率随温度的变化以及光场分布。图3a和3b分别为此光波导结构有效折射率随光波导宽度和二氧化钛厚度的变化。
若使用氧化锌作为负热光系数材料，使用氧化锌层的脊型光波导于20-50摄氏度的最优热光系数为3.3×10-9，作为对照，同样结构不含氧化锌(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.6×10-5。为保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7，H2：W＝0.024～0.034。
实施例二 线型光波导
请参见图4，本实施例中，铌酸锂光波导芯片为线型光波导，该结构的光波导芯片在20～50℃下的最优热光系数为1×10-8。作为对照，同样结构不含二氧化钛(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.5×10-5。
本实施例中，该铌酸锂光波导芯片包括单晶硅基板2-10、铌酸锂薄膜2-1、设置在所述铌酸锂薄膜2-1上的二氧化钛层2-2、包覆所述铌酸锂薄膜2-1和二氧化钛层2-2的二氧化硅包层2-3，以及设置在二氧化硅包层2-3上的金属电极2-4。所述铌酸锂薄膜2-1的厚度为400nm，其包括铌酸锂中心脊2-11。所述二氧化硅包层2-3包括设置在所述铌酸锂薄膜2-1下方的下包层2-31和设置在所述二氧化钛层2-2上方的上包层2-32，下包层2-31的厚度为4.7μm，上包层2-32的厚度为1.5μm。所述下包层2-31设置在单晶硅基板2-10上，所述铌酸锂中心脊2-11凸出设置在所述下包层2-31上，所述二氧化钛层2-2设置在所述铌酸锂中心脊2-11和下包层2-32上，金属电极2-4设置在上包层2-32上表面的相对两侧。
本实施例中，所述铌酸锂中心脊2-11的宽度为W，所述二氧化钛层2-2的厚度为H，且满足H2：W＝0.02～0.032，以保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7。图5a和5b(附件1图2)为此光波导结构有效折射率随温度的变化以及光场分布。图6a和6b分别为此光波导结构有效折射率随光波导宽度和二氧化钛厚度的变化。
若使用氧化锌作为负热光系数材料，使用氧化锌层的脊型光波导于20-50摄氏度的最优热光系数为3.8×10-9，作为对照，同样结构不含氧化锌(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.5×10-5。为保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7，H2：W＝0.008～0.012。
实施例三 质子交换光波导
请参见图7，本实施例中，铌酸锂光波导芯片为质子交换光波导，该结构的光波导芯片在20～50℃下的最优热光系数为1.9×10-8。作为对照，同样结构不含二氧化钛(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.4×10-5。
本实施例中，该铌酸锂光波导芯片包括单晶硅基板3-10、铌酸锂薄膜3-1、设置在所述铌酸锂薄膜3-1上的二氧化钛层3-2、包覆所述铌酸锂薄膜3-1和二氧化钛层3-2的二氧化硅包层3-3，以及设置在二氧化硅包层3-3上的金属电极3-4。所述铌酸锂薄膜3-1的厚度为500nm，其包括质子交换铌酸锂(PE:LN)3-11和自所述质子交换铌酸锂3-11向两侧延伸的铌酸锂侧翼3-12。所述二氧化硅包层3-3包括设置在所述铌酸锂薄膜3-1下方的下包层3-31和设置在所述二氧化钛层3-2上方的上包层3-32，下包层3-31的厚度为2μm，上包层3-32的厚度为1.5μm。所述下包层3-31设置在单晶硅基板3-10上，所述质子交换铌酸锂3-11凸出设置在所述下包层3-31上，所述铌酸锂侧翼3-12在所述下包层3-31上平行延伸设置，所述二氧化钛层3-2设置在所述质子交换铌酸锂3-11和铌酸锂侧翼3-12上，金属电极3-4设置在上包层3-32上表面的相对两侧。
本实施例中，所述质子交换铌酸锂3-11的宽度为W，所述二氧化钛层3-2的厚度为H，且满足H2：W＝0.037～0.042，以保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7。图8a和8b(附件1图3)为此光波导结构有效折射率随温度的变化以及光场分布。图9a和9b分别为此光波导结构有效折射率随光波导宽度和二氧化钛厚度的变化。
若使用氧化锌作为负热光系数材料，使用氧化锌层的脊型光波导于20-50摄氏度的最优热光系数为3.4×10-8，作为对照，同样结构不含氧化锌(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.4×10-5。为保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7，H2：W＝0.045～0.07。
实施例四 孔道型光波导
请参见图10，本实施例中，铌酸锂光波导芯片为孔道型光波导，该结构的光波导芯片在20～50℃下的最优热光系数为1.2×10-8。作为对照，同样结构不含二氧化钛(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.5×10-5。
本实施例中，该铌酸锂光波导芯片包括单晶硅基板4-10、铌酸锂薄膜4-1、设置在所述铌酸锂薄膜4-1上的二氧化钛层4-2、包覆所述铌酸锂薄膜4-1和二氧化钛层4-2的二氧化硅包层4-3，以及设置在二氧化硅包层4-3上的金属电极4-4。所述铌酸锂薄膜4-1的厚度为400nm，其包括铌酸锂中心脊4-11。所述二氧化硅包层4-3包括设置在所述铌酸锂薄膜4-1下方的下包层4-31和设置在所述二氧化钛层4-2上方的上包层4-32，下包层4-31的厚度为2μm，上包层4-32的厚度为1.5μm。所述下包层4-31设置在单晶硅基板4-10上，所述铌酸锂中心脊4-11内凹设置在所述下包层4-31内，所述二氧化钛层4-2设置在所述铌酸锂中心脊4-11和下包层4-31上，金属电极4-4设置在上包层4-32上表面的相对两侧。
本实施例中，所述铌酸锂中心脊4-11的宽度为W，所述二氧化钛层4-2的厚度为H，且满足H2：W＝0.017～0.02，以保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7。图11a和11b(附件1图4)为此光波导结构有效折射率随温度的变化以及光场分布。图12a和12b分别为此光波导结构有效折射率随光波导宽度和二氧化钛厚度的变化。
若使用氧化锌作为负热光系数材料，使用氧化锌层的脊型光波导于20-50摄氏度的最优热光系数为1.7×10-8，作为对照，同样结构不含氧化锌(以二氧化硅代替)于20-50摄氏度的热光系数为3.5×10-5。为保证本实施例的光波导芯片的有效热光系数在10-8～10-7，H2：W＝0.008～0.012。
综上所述：由于铌酸锂和氧化硅的折射率随温度的升高而增大，本发明利用负热光系数材料折射率随温度升高而降低的特性，通过在铌酸锂薄膜上设置合适厚度的负热光系数材料层，可以消除铌酸锂光波导芯片有效折射率对温度的敏感性，实现了几种无热化设计的结构，可以有效降低铌酸锂光波导芯片的热光系数，使铌酸锂光波导芯片的性能对温度变化不敏感。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种铌酸锂光波导芯片，其特征在于，包括单晶硅基板、薄膜铌酸锂、设置在所述薄膜铌酸锂上的负热光系数材料、设置在所述单晶硅基板上并包覆所述铌酸锂薄膜和负热光系数材料的二氧化硅包层，以及设置在所述二氧化硅包层上的金属电极；所述薄膜铌酸锂包括铌酸锂中心脊，或者，包括质子交换层和铌酸锂侧翼。
2.如权利要求1所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述铌酸锂光波导芯片的热光系数为10-8～10-7。
3.如权利要求1所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述铌酸锂中心脊的宽度为0.7～1.5μm，所述质子交换层的宽度为0.7～1.5μm。
4.如权利要求1至3中任一项所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述二氧化硅包层包括设置在所述薄膜铌酸锂和单晶硅基板之间的下包层和设置在所述负热光系数材料层上方的上包层，所述金属电极设置在所述上包层的相对两侧。
5.如权利要求4所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述的铌酸锂光波导芯片为脊型光波导，所述铌酸锂包括铌酸锂中心脊和自所述铌酸锂中心脊向两侧延伸的铌酸锂侧翼，所述铌酸锂中心脊凸出设置在所述下包层上，所述铌酸锂侧翼在所述下包层上平行延伸设置，所述负热光系数材料设置在所述铌酸锂中心脊和铌酸锂侧翼上；所述铌酸锂中心脊的宽度为W，所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.034～0.041。
6.如权利要求4所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述的铌酸锂光波导芯片为线型光波导，所述铌酸锂包括铌酸锂中心脊，所述铌酸锂中心脊凸出设置在所述下包层上，所述负热光系数材料设置在所述铌酸锂中心脊上；所述铌酸锂中心脊的宽度为W，所述所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.02～0.032。
7.如权利要求4所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述的铌酸锂光波导芯片为质子交换光波导，所述铌酸锂薄膜包括质子交换层和自所述质子交换层向两侧延伸的铌酸锂侧翼，所述质子交换层和铌酸锂侧翼平行于所述下包层设置，所述负热光系数材料设置在所述质子交换层和铌酸锂侧翼上；所述质子交换层的宽度为W，所述所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.037～0.042。
8.如权利要求4所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述的铌酸锂光波导芯片为孔道型光波导，所述铌酸锂薄膜包括铌酸锂中心脊，所述铌酸锂中心脊内凹设置在所述下包层内，所述负热光系数材料设置在所述铌酸锂中心脊上并平行于所述下包层设置；所述铌酸锂中心脊的宽度为W，所述负热光系数材料(以二氧化钛为例)的厚度为H，且满足H2：W＝0.017～0.02。
9.如权利要求1所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述质子交换层为质子交换铌酸锂。
10.如权利要求1所述的铌酸锂光波导芯片，其特征在于，所述负热光系数材料层选自包括二氧化钛、氧化锌、镁掺杂氧化锌、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、甲胺氯铅酸盐中的任一种或多种。
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