本發(fā)明涉及硅基集成光電子，具體為一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器及其制造方法。

背景技術：

1、在硅基集成光電子領域，電光調(diào)制器是一種關鍵器件，它能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為光信號，或者反之。隨著光纖通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，對電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬和能效要求越來越高。傳統(tǒng)的電光調(diào)制器通?；隈R赫-曾德爾(mach-zehnder)干涉儀結(jié)構(gòu)或電吸收調(diào)制器，但這些技術面臨諸如尺寸較大、功耗較高以及與現(xiàn)有cmos工藝不兼容等局限性。尤其是在追求高速率(如100gb/s以上)傳輸?shù)膱鼍爸?，傳統(tǒng)調(diào)制器的帶寬瓶頸成為限制系統(tǒng)性能的主要因素。

2、為了克服這些挑戰(zhàn)，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了基于行波電極的電光調(diào)制技術，該技術通過使光波與微波在波導中相速度匹配來提高調(diào)制效率和帶寬。然而，現(xiàn)有的行波電極設計往往未能充分考慮到電極與波導之間的相互關系，導致器件性能受限。此外，在制造過程中，精確控制納米級別的幾何尺寸和折射率變化對于實現(xiàn)高性能電光調(diào)制器至關重要，這要求采用高精度的微納加工技術。盡管如此，目前在材料的選擇、結(jié)構(gòu)設計以及制造工藝方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)，限制了硅基電光調(diào)制器性能的提升和成本的降低。中國發(fā)明專利cn202110495084.0，公開了一種一階電光效應硅調(diào)制器及其制備工藝，該專利提出了在硅波導區(qū)蝕刻形成非晶硅生長窗口，并通過特定波長的光輻照來轉(zhuǎn)變非晶硅為單晶硅。盡管這種方法可能提高了調(diào)制效率，但專利中并未詳細說明如何精確控制光輻照過程以及如何確保非晶硅到單晶硅的轉(zhuǎn)變效率，這可能會導致生產(chǎn)過程中的不一致性和較低的成品率。中國發(fā)明專利cn202311848000.2，公開了一種硅基電光調(diào)制器，該專利公開了一種硅基電光調(diào)制器，但未提供具體的實施細節(jié)或與傳統(tǒng)技術相比的優(yōu)勢。缺乏詳細的技術實現(xiàn)和對比分析可能會使得該專利在實際應用中的有效性受到限制。中國發(fā)明專利cn202310746818.7，公開了基于行波電極結(jié)構(gòu)的硅基薄膜鈮酸鋰寬帶電光調(diào)制器芯片，該專利提出了一種基于行波電極結(jié)構(gòu)的硅基薄膜鈮酸鋰寬帶電光調(diào)制器芯片，雖然可能在帶寬上有所提升，但專利中可能沒有充分探討與現(xiàn)有技術相比在集成度、成本效益或制造復雜性方面的潛在缺陷。此外，鈮酸鋰材料的集成可能面臨與硅基cmos工藝兼容性的挑戰(zhàn)。

3、因此，針對高速、低功耗的光互連和光通信系統(tǒng)的需求，開發(fā)一種具有優(yōu)化設計的行波電極結(jié)構(gòu)和脊型波導結(jié)構(gòu)的新型硅基電光調(diào)制器，以及相應的高精度制造方法，成為當前集成光電子技術研究和發(fā)展的重點之一。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器及其制造方法，以解決上述背景技術提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器，包括行波電極結(jié)構(gòu)和脊型波導結(jié)構(gòu)，其特征在于：

3、所述的行波電極結(jié)構(gòu)包括具有周期性負載特性的共面波導行波電極，所述的行波電極結(jié)構(gòu)通過特定的電極寬度w和電極間距d降低有效折射率，實現(xiàn)光波與微波的相速度匹配，以提高調(diào)制效率及帶寬；其中，500nm≤w≤1500nm，200nm≤d≤1000nm；

4、所述的脊型波導結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整脊高h和寬度b優(yōu)化光模與微波模的重疊度，減少載流子吸收損耗；其中，100nm≤h≤500nm，400nm≤b≤1200nm；

5、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，所述行波電極結(jié)構(gòu)還包括接地電極，所述接地電極設置在共面波導行波電極的旁邊；所述的接地電極的寬度g滿足300nm≤g≤800nm。

6、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，所述脊型波導結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為硅，且脊型波導的折射率n滿足2.5≤n≤3.5。

7、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，所述行波電極結(jié)構(gòu)和脊型波導結(jié)構(gòu)是一體形成的。

8、一種硅基電光調(diào)制器的制造方法，具體包括以下步驟：

9、s1：采用電子束光刻技術，在硅晶片上形成行波電極和脊型波導的圖案；其中，電子束劑量被控制在50μc/cm2≤e≤200μc/cm2之間，以確保圖案的高分辨率和精確度；

10、s2：利用等離子體干法刻蝕技術，將上述圖案轉(zhuǎn)移至硅晶片上，形成具有預定尺寸的行波電極和脊型波導結(jié)構(gòu)；等離子體功率p控制在100w≤p≤300w之間，以實現(xiàn)高精度的納米級刻蝕；

11、s3：在行波電極上沉積金屬層，以形成導電性電極；金屬層厚度t控制在50nm≤t≤200nm，以保證電極的導電性和信號傳輸效率；

12、s4：采用化學機械拋光工藝，對硅晶片表面進行平滑處理，以確保后續(xù)沉積或生長層的質(zhì)量和均勻性；

13、s5：通過等離子體增強化學氣相沉積(pecvd)技術，在脊型波導結(jié)構(gòu)上生長一層低折射率材料(如氧化硅)，以減少光波導中的損耗；該低折射率材料層的厚度s控制在100nm≤s≤500nm。

14、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，步驟s1中的電子束光刻技術包括使用帶有高亮度電子源的電子束曝光系統(tǒng)，以及敏感性和分辨率高的電子束抗蝕劑材料。

15、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，步驟s2中的等離子體干法刻蝕技術包括使用反應性離子刻蝕(rie)系統(tǒng)，以及選擇性高、刻蝕速率快的刻蝕氣體混合物。

16、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，步驟s5中的等離子體增強化學氣相沉積技術包括使用能夠產(chǎn)生高密度等離子體的cvd裝置，以及優(yōu)化的前驅(qū)物氣體流量比例和沉積參數(shù)，以實現(xiàn)均勻、致密且低折射率的氧化硅層沉積。

17、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，步驟s1-s3的操作在潔凈室環(huán)境下順序進行，防止污染和保證納米加工精度。

18、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：該電光調(diào)制器采用周期性負載的共面波導行波電極，有效降低了折射率，實現(xiàn)了光波與微波的相速度匹配，顯著提高了調(diào)制效率和帶寬。同時，通過引入脊型波導結(jié)構(gòu)并精確調(diào)整其尺寸參數(shù)，優(yōu)化了光模與微波模的重疊度，減少了載流子吸收損耗，進一步提升了器件性能。此外，本發(fā)明還涉及先進的納米加工技術，保證了器件制作的高精度和低損傷。與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明的硅基電光調(diào)制器表現(xiàn)出更高的調(diào)制帶寬和更低的驅(qū)動電壓，為高速光互連和光纖通信系統(tǒng)提供了一種有效的解決方案，本發(fā)明在硅基集成光電子技術領域具有重要的應用潛力，有助于推動下一代高速光通信網(wǎng)絡的發(fā)展。

19、本發(fā)明成功實現(xiàn)了一種高速、低功耗且與現(xiàn)有cmos工藝兼容的硅基電光調(diào)制器，其創(chuàng)新的行波電極結(jié)構(gòu)和脊型波導設計顯著提高了調(diào)制帶寬，同時通過精確的制造工藝優(yōu)化了器件尺寸和減少了光波導中的損耗，這些技術進步不僅增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣?，還為高密度集成光電子器件的制造和性能提升提供了可靠的解決方案，進一步推動了光互連和光通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心、光計算及其它高速光通信領域的應用發(fā)展。

技術特征：

1.一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器，包括行波電極結(jié)構(gòu)和脊型波導結(jié)構(gòu)，其特征在于：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器，其特征在于：所述行波電極結(jié)構(gòu)還包括接地電極，所述接地電極設置在共面波導行波電極的旁邊；所述的接地電極的寬度g滿足300nm≤g≤800nm。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器，其特征在于：所述脊型波導結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為硅，且脊型波導的折射率n滿足2.5≤n≤3.5。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器，其特征在于：所述行波電極結(jié)構(gòu)和脊型波導結(jié)構(gòu)是一體成型的。

5.一種如權利要求1-4任一項所述的硅基電光調(diào)制器的制造方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

6.根據(jù)權利要求1所述的硅基電光調(diào)制器的制造方法，其特征在于：步驟s1中的電子束光刻技術包括使用帶有高亮度電子源的電子束曝光系統(tǒng)，以及敏感性和分辨率高的電子束抗蝕劑材料。

7.根據(jù)權利要求6所述的硅基電光調(diào)制器的制造方法，其特征在于：步驟s2中的等離子體干法刻蝕技術包括使用反應性離子刻蝕系統(tǒng)，以及選擇性高、刻蝕速率快的刻蝕氣體混合物。

8.根據(jù)權利要求7所述的硅基電光調(diào)制器的制造方法，其特征在于：步驟s5中的等離子體增強化學氣相沉積技術包括使用能夠產(chǎn)生高密度等離子體的cvd裝置，以及優(yōu)化的前驅(qū)物氣體流量比例和沉積參數(shù)，以實現(xiàn)均勻、致密且低折射率的氧化硅層沉積。

9.根據(jù)權利要求5所述的硅基電光調(diào)制器的制造方法，其特征在于：步驟s1-s3的操作在潔凈室環(huán)境下進行，防止污染和保證納米加工精度。

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及硅基集成光電子技術領域，具體公開了一種具有增強調(diào)制帶寬的硅基電光調(diào)制器及其制造方法，行波電極結(jié)構(gòu)包括具有周期性負載特性的共面波導行波電極，所述的行波電極結(jié)構(gòu)通過特定的電極寬度W和電極間距D降低有效折射率，實現(xiàn)光波與微波的相速度匹配，以提高調(diào)制效率及帶寬；脊型波導結(jié)構(gòu)通過調(diào)整脊高H和寬度B優(yōu)化光模與微波模的重疊度，減少載流子吸收損耗；該電光調(diào)制器采用周期性負載的共面波導行波電極，有效降低了折射率，實現(xiàn)了光波與微波的相速度匹配，顯著提高了調(diào)制效率和帶寬。同時，通過引入脊型波導結(jié)構(gòu)并精確調(diào)整其尺寸參數(shù)，優(yōu)化了光模與微波模的重疊度，減少了載流子吸收損耗，進一步提升了器件性能。

技術研發(fā)人員：王婷婷,陶文杰,韋欣辰,莫佳欣,陸子凱,楊耀,韋奕城,劉巖,孫碩,崔彤,時安冉
受保護的技術使用者：江蘇海洋大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6