本公開(kāi)涉及光通信器件，尤其涉及一種薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器、功能器件、調(diào)控和制作方法。

背景技術(shù)：

1、由于5g技術(shù)、視頻流、云服務(wù)、數(shù)據(jù)中心、各類應(yīng)用的迭代更新和對(duì)人工智能(ai)工具的需求等不斷推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)電子器件的帶寬瓶頸日益凸顯，光子集成電路(pic)應(yīng)運(yùn)而生，光通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量持續(xù)高速增長(zhǎng)，對(duì)光通信網(wǎng)絡(luò)的器件性能和集成度也提出了更高的要求。電光調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高速調(diào)制(10gbps至數(shù)tbps)，成為高速光通信網(wǎng)絡(luò)的核心組件，還可以廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、光學(xué)相干斷層掃描、傳感和量子光子學(xué)等。目前電光調(diào)制器根據(jù)材料分為三類：鈮酸鋰基調(diào)制器、化合物半導(dǎo)體調(diào)制器和硅基調(diào)制器。由于鈮酸鋰材料具有光纖通信的窗口，并且性能穩(wěn)定，被視為光電調(diào)制器最有潛力的材料之一，對(duì)應(yīng)的鈮酸鋰基調(diào)制器具有調(diào)制速率高、功耗小、半波電壓低和材料穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)中心、骨干網(wǎng)通信傳輸、微波光子鏈路和衛(wèi)星間通信等領(lǐng)域。

2、然而，發(fā)明人在研發(fā)中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)鈮酸鋰基電光調(diào)制器的相關(guān)技術(shù)存在以下問(wèn)題亟需解決：鈮酸鋰波導(dǎo)中光模式的偏振控制是薄膜鈮酸鋰調(diào)制器和器件集成必須要攻克的關(guān)鍵難點(diǎn)之一；已有的調(diào)控技術(shù)中大部分是通過(guò)額外增加一個(gè)外部調(diào)控部件進(jìn)行光路調(diào)控，引入了新材料或者結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性，這容易導(dǎo)致噪聲源和失配，而且外部部件存在失效老化風(fēng)險(xiǎn)，增加了成本；有的方案是通過(guò)增強(qiáng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)垂直方向的不對(duì)稱性，或者采用淺刻蝕的脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振態(tài)的控制，這種方式對(duì)工藝的可控度要求非常高，器件合格率較低，增加了芯片制作的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題或者至少部分地解決上述技術(shù)問(wèn)題，本公開(kāi)的實(shí)施例提供了一種薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器、功能器件、調(diào)控和制作方法。

2、第一方面，本公開(kāi)的實(shí)施例提供了一種薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器。上述薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器包括：芯片主體。上述芯片主體包含：基底層，位于上述基底層之上的鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電光調(diào)控電極和磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)。上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包含：光信號(hào)輸入段、電光調(diào)制段和光信號(hào)輸出段；上述電光調(diào)控電極位于上述電光調(diào)制段的兩側(cè)。其中，上述磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)位于上述光信號(hào)輸入段的兩側(cè)，用于產(chǎn)生調(diào)制磁場(chǎng)；基于上述調(diào)制磁場(chǎng)對(duì)上述光信號(hào)輸入段中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的偏振態(tài)進(jìn)行可控調(diào)制后，使得進(jìn)入至上述電光調(diào)制段的光信號(hào)偏振態(tài)與對(duì)應(yīng)鈮酸鋰材料的極性相匹配。

3、在一些實(shí)施例中，上述磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)包括：目標(biāo)結(jié)構(gòu)層，與上述目標(biāo)結(jié)構(gòu)層連接的磁光調(diào)控電極。其中，上述目標(biāo)結(jié)構(gòu)層具有以下特性：在磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出各向異性且具有法拉第旋光效應(yīng)。上述磁光調(diào)控電極用于加載電控信號(hào)，在上述目標(biāo)結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生磁場(chǎng)，基于上述電控信號(hào)的調(diào)制來(lái)調(diào)控上述磁場(chǎng)，進(jìn)而調(diào)控經(jīng)過(guò)上述磁場(chǎng)的光信號(hào)的偏振態(tài)。

4、在一些實(shí)施例中，上述目標(biāo)結(jié)構(gòu)層為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。上述目標(biāo)結(jié)構(gòu)層采用的磁性材料或結(jié)構(gòu)包括以下的一種或多種：釔鐵石榴石yig，鉍取代釔鐵石榴石big，銪氧化物euo，釓鎵石榴石ggg，錳鋅鐵氧體，厚度低于10納米的超薄鐵磁金屬多層膜結(jié)構(gòu)，磁性拓?fù)浣^緣體，磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)，二維磁性材料，鈣鈦礦型氧化物。

5、在一些實(shí)施例中，上述目標(biāo)結(jié)構(gòu)層包含磁光材料，線偏振光通過(guò)上述目標(biāo)結(jié)構(gòu)層后發(fā)生旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角受到以下因素的影響：磁光材料的旋磁特性、光信號(hào)通過(guò)磁光材料對(duì)應(yīng)的材料層的距離、磁場(chǎng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

6、在一些實(shí)施例中，上述基底層包括以下結(jié)構(gòu)的一種：

7、絕緣體上硅soi基底，包含：硅襯底，位于上述硅襯底上的下包層；或者，

8、第一類型的絕緣體上鈮酸鋰lnoi基底，包含：硅襯底，位于上述硅襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層；或者，

9、第二類型的絕緣體上鈮酸鋰lnoi基底，包含：鈮酸鋰襯底，位于上述鈮酸鋰襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層。

10、在一些實(shí)施例中，上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為以下波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一種：條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或異質(zhì)集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。其中，上述條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相較于上述基底層頂部的二氧化硅層表面或鈮酸鋰層表面呈凸起結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)側(cè)壁為垂直結(jié)構(gòu)。上述脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相較于上述基底層頂部的二氧化硅層表面或鈮酸鋰層表面呈凸起結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)側(cè)壁具有傾斜坡度。上述異質(zhì)集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包含：位于soi基底之上的鈮酸鋰薄膜層，位于上述鈮酸鋰薄膜層之上且呈凸起結(jié)構(gòu)的異質(zhì)層，上述異質(zhì)層與鈮酸鋰薄膜層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，上述異質(zhì)層的材料對(duì)應(yīng)的折射率等于或高于上述鈮酸鋰薄膜層的折射率。

11、在一些實(shí)施例中，在上述基底層和上述磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)之間還具有目標(biāo)包覆層，上述目標(biāo)包覆層包覆于上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和頂部，上述目標(biāo)包覆層用于在制作上述磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)的過(guò)程中作為上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，并在上述薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器中作為位于上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之外的包層波導(dǎo)先進(jìn)行光信號(hào)的耦合并耦合傳遞到上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。其中上述目標(biāo)包覆層為單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)，上述目標(biāo)包覆層的材料為以下的一種或多種：二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、su-8聚合物、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋁、氧化鈦。

12、第二方面，本公開(kāi)的實(shí)施例提供一種針對(duì)上述薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的調(diào)控方法。上述調(diào)控方法包括：基于對(duì)磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)的控制，產(chǎn)生調(diào)制磁場(chǎng)；基于上述調(diào)制磁場(chǎng)，對(duì)上述光信號(hào)輸入段中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的偏振態(tài)進(jìn)行可控調(diào)制后，使得進(jìn)入至上述電光調(diào)制段的光信號(hào)偏振態(tài)與對(duì)應(yīng)鈮酸鋰材料的極性相匹配；在上述電光調(diào)制段，基于對(duì)電光調(diào)控電極的輸入控制，對(duì)上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率進(jìn)行可控調(diào)控并影響所通過(guò)的光信號(hào)的相位、強(qiáng)度或偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。

13、第三方面，本公開(kāi)的實(shí)施例提供一種薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的制作方法。上述制作方法包括：準(zhǔn)備基底；基于薄膜制備和圖案化工藝，在上述基底上制作鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電光調(diào)控電極和磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)。其中，上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包含：光信號(hào)輸入段、電光調(diào)制段和光信號(hào)輸出段；上述電光調(diào)控電極位于上述電光調(diào)制段的兩側(cè)；上述磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)位于上述光信號(hào)輸入段的兩側(cè)，用于產(chǎn)生調(diào)制磁場(chǎng)；基于上述調(diào)制磁場(chǎng)對(duì)上述光信號(hào)輸入段中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的偏振態(tài)進(jìn)行可控調(diào)制后，使得進(jìn)入至上述電光調(diào)制段的光信號(hào)偏振態(tài)與對(duì)應(yīng)鈮酸鋰材料的極性相匹配。

14、在一些實(shí)施例中，上述基底包括以下結(jié)構(gòu)的一種：絕緣體上硅soi基底、包含硅襯底的第一類型的lnoi基底、包含鈮酸鋰襯底的第二類型的lnoi基底；第一類型的lnoi基底，包含：硅襯底，位于上述硅襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層；第二類型的lnoi基底，包含：鈮酸鋰襯底，位于上述鈮酸鋰襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層；

15、基于薄膜制備和圖案化工藝，在上述基底上制作鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電光調(diào)控電極和磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)，包括：

16、針對(duì)soi基底，基于離子切割技術(shù)在上述絕緣體上硅soi基底上制作鈮酸鋰薄膜，具體包括：在鈮酸鋰ln晶圓上采用高能離子轟擊，在預(yù)設(shè)深度形成離子注入層；將離子注入后的鈮酸鋰ln晶圓與soi基底鍵合并退火處理，退火處理過(guò)程中注入的離子膨脹使得鍵合的結(jié)構(gòu)從預(yù)設(shè)深度的位置脫離開(kāi)，剝離得到帶有鈮酸鋰薄膜的soi基底；

17、針對(duì)lnoi基底或帶有鈮酸鋰薄膜的soi基底，基于金剛石切割、化學(xué)機(jī)械拋光、干法刻蝕或光刻工藝，制作圖案化的鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

18、基于薄膜制備工藝，在包含圖案化的鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基底上形成目標(biāo)包覆層結(jié)構(gòu)；上述目標(biāo)包覆層結(jié)構(gòu)包覆于上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和頂部；上述目標(biāo)包覆層結(jié)構(gòu)在制作磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)的過(guò)程中作為上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的保護(hù)層；制作完成后，在上述薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器中作為包層波導(dǎo)先進(jìn)行光信號(hào)的耦合并耦合傳遞到上述鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中；

19、基于薄膜制備和光刻工藝，在上述包覆層結(jié)構(gòu)之上制作圖案化的電光調(diào)控電極；

20、基于薄膜制備和光刻工藝，在包含圖案化的鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和電光調(diào)控電極的基底上制作圖案化的磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)；其中，制作圖案化的磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，光刻膠作為已制作完成的圖案化的鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和電光調(diào)控電極的最外層保護(hù)層，采用的是區(qū)域曝光。

21、第四方面，本公開(kāi)的實(shí)施例提供一種包含上述薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的功能器件。上述功能器件為以下器件的一種或多種：用于長(zhǎng)距離光纖通信的相干光模塊；硅基異質(zhì)集成光芯片；用于5g/6g基站前傳的光載無(wú)線通信設(shè)備；硅光異質(zhì)集成器件；用于量子通信或量子計(jì)算的調(diào)制芯片；激光雷達(dá)中的線性調(diào)頻調(diào)制器；激光雷達(dá)中的強(qiáng)度調(diào)制器；可調(diào)諧激光器；用于雷達(dá)探測(cè)、電子對(duì)抗中的光子射頻前端設(shè)備；用于醫(yī)學(xué)光學(xué)相干斷層掃描的高速掃頻光源；用于管線、橋梁、建筑監(jiān)測(cè)的相位敏感調(diào)制模塊。

22、本公開(kāi)實(shí)施例提供的上述技術(shù)方案至少具有如下優(yōu)點(diǎn)的部分或全部：

23、上述薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器中，實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制的核心機(jī)理基于線性電光效應(yīng)(pockels效應(yīng))，通過(guò)外加電場(chǎng)引起晶體折射率變化，進(jìn)而改變光波的相位、強(qiáng)度或偏振態(tài)；由于鈮酸鋰材料是帶有極性的各向異性晶體，在各個(gè)方向上的電光系數(shù)不同，導(dǎo)致對(duì)光的調(diào)制效率不同；本公開(kāi)實(shí)施例提供的器件結(jié)構(gòu)中，通過(guò)在芯片主體中集成鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、電光調(diào)控電極和磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)，將用于產(chǎn)生調(diào)制磁場(chǎng)的磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)引入至鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光信號(hào)輸入段的兩側(cè)，利用法拉第旋光效應(yīng)，光在通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)平行于磁場(chǎng)矢量方向的偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，如此能夠?qū)庑盘?hào)輸入段的光信號(hào)的偏振狀態(tài)進(jìn)行可控調(diào)制，基于上述調(diào)制磁場(chǎng)對(duì)上述光信號(hào)輸入段中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的偏振態(tài)進(jìn)行可控調(diào)制后，使得進(jìn)入至上述電光調(diào)制段的光信號(hào)偏振態(tài)與對(duì)應(yīng)鈮酸鋰材料的極性相匹配，如此能夠提升該薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的電光調(diào)制效率；而且采用的磁控偏振技術(shù)的原理屬于電磁場(chǎng)的本征現(xiàn)象，外部機(jī)械環(huán)境對(duì)光路的影響較小，能夠應(yīng)用于各類應(yīng)用場(chǎng)景(諸如光通信、量子通信和量子計(jì)算、雷達(dá)系統(tǒng)、光學(xué)相干斷層掃描等)，性能穩(wěn)定且可靠性高。在同一個(gè)片上可以對(duì)磁性調(diào)控結(jié)構(gòu)、鈮酸鋰波導(dǎo)結(jié)構(gòu)電光調(diào)控電極同步進(jìn)行封裝測(cè)試，提升了薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器的集成度，且降低外部引入器件導(dǎo)致的光路校準(zhǔn)難度或調(diào)控難度。在未來(lái)光電一體化集成技術(shù)體系中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。