一种高速集成可调光延时线与制备方法
阅读说明：本技术 一种高速集成可调光延时线与制备方法 (High-speed integrated adjustable light delay line and preparation method thereof ) 是由 顾晓文 钱广 王琛全 周奉杰 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高速集成可调光延时线与制备方法,其衬底材料为硅材料,波导材料为氮化硅光波导和铌酸锂光波导,铌酸锂材料为薄膜材料,其结构包括2×2光开关、每阶的延时线和2×1的合波器；2×2光开关由氮化硅光波导、多模干涉耦合器、铌酸锂光波导和开关电极组成；每阶的延时线包含两条不同长度的延时路径,通过光开关切换选择不同的波导路径,从而进行延时状态的切换,实现不同的延时量。本发明通过将氮化硅光波导和铌酸锂光波导结合,延时波导部分采用氮化硅,充分利用氮化硅光波导的低损耗,开关波导部分采用铌酸锂,充分利用铌酸锂光波导光电效应开关的高速；采用基于BCB的键合工艺,工艺更加灵活,不需要使用化学机械抛光工艺。(The invention discloses a high-speed integrated adjustable optical delay line and a preparation method thereof, wherein a substrate material is a silicon material, waveguide materials are a silicon nitride optical waveguide and a lithium niobate optical waveguide, and the lithium niobate material is a thin film material, and the structure of the high-speed integrated adjustable optical delay line comprises a 2 x 2 optical switch, a delay line of each step and a 2 x 1 wave combiner; the 2 x 2 optical switch consists of a silicon nitride optical waveguide, a multimode interference coupler, a lithium niobate optical waveguide and a switch electrode; each stage of delay line comprises two delay paths with different lengths, and different waveguide paths are switched and selected through an optical switch, so that the delay state is switched, and different delay amounts are realized. According to the invention, the silicon nitride optical waveguide and the lithium niobate optical waveguide are combined, the silicon nitride is adopted in the delay waveguide part, the low loss of the silicon nitride optical waveguide is fully utilized, the lithium niobate is adopted in the switch waveguide part, and the high speed of the switch of the photoelectric effect of the lithium niobate optical waveguide is fully utilized; and a bonding process based on BCB is adopted, so that the process is more flexible, and a chemical mechanical polishing process is not required.)
技术领域
本发明属于集成光子器件及制备技术领域，具体涉及一种高速集成可调光延时线与制备方法。
背景技术
可调光延时线是信号处理与通信中的关键模块之一，主要用于相控阵雷达中微波频段的延时。在相控阵雷达系统中，传统电域相控阵天线的移相器配置和微波信号频率有关，这使其瞬时带宽很窄。为实现相控阵雷达的大瞬时带宽，应采用真延时技术来代替电域移相器，将微波信号调制到光上，用光波导做延时回路，即光学真延时技术，器件具有体积小、重量轻、带宽大、传输稳定、无相互辐射干扰的优势，是微波光子学的重要研究领域。
然而，现有的光延时线，以传统的采用光纤延时与光开关切换方式的光延时线为例，存在尺寸、重量较大，便携性差以及延时精度较低且不能满足使用需求等问题。采用集成化和小型化的片上可调光延时线，目前被认为是最有效的解决方案，片上集成可调光延时线一般分为两种，一种方案是基于谐振腔式的群延时线，另一种方案是基于光波导路径延时的真延时线。前者的优点是具有连续的延时，但是损耗较大，带宽较窄；后者带宽较宽，延时精度更高，但是延时量为固定延时，需要多阶级联与光开关配合。
发明内容
本发明提出的是一种高速集成可调光延时线与制备方法，其目的是针对集成化和小型化光延时线方案，解决提升光延时线切换速度、延时精度、集成度等方面的问题，提出采用氮化硅光波导路径与铌酸锂光开关结合的延时结构，发挥氮化硅光波导低损耗和铌酸锂光开关高速的优势，实现高速集成可调光延时线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种高速集成可调光延时线，其衬底材料为硅材料，波导材料为氮化硅光波导和铌酸锂光波导，铌酸锂材料为薄膜材料，其结构为二元拓扑结构，n阶的延时线包括n个2×2光开关、每阶的延时线和1个2×1的合波器；其中2×2光开关由氮化硅光波导、2个2×2多模干涉耦合器、铌酸锂光波导和开关电极组成，多模干涉耦合器的4个端口连接氮化硅光波导，2个多模干涉耦合器通过氮化硅光波导与铌酸锂光波导倏逝波耦合；每阶的延时线包含两条不同长度的延时路径，延时路径差分别为Δt、2Δt、…、2n-1Δt，两条路径分别与2×2光开关的两个端口连接，从而通过光开关切换选择不同的波导路径，进行延时状态的切换，实现不同的延时量。
进一步的，所述的氮化硅光波导的宽度为1-2微米，包括延时路径和开关中的氮化硅光波导。
进一步的，所述的铌酸锂光波导的宽度为1-2微米，铌酸锂光波导与氮化硅光波导耦合，耦合处氮化硅光波导采用锲形结构，最窄处氮化硅光波导宽度为0.25-0.5微米。
一种高速集成可调光延时线的制备方法，包括如下步骤：
1)先在硅衬底材料上依次生长氧化硅和氮化硅介质，采用平面光刻显影技术制备出氮化硅光波导图形的光刻胶掩膜，再刻蚀制备氮化硅光波导，涂覆BCB软固化备用；
2)在硅基薄膜铌酸锂材料上涂覆高温蜡，并与蓝宝石材料临时载片进行临时键合，最后将硅衬底和氧化硅层去除；
3)将临时键合后的铌酸锂薄膜与涂覆BCB的氮化硅光波导的晶圆键合，并去除临时载片和清洗；
4)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂光波导图形的光刻胶掩膜，再刻蚀制备铌酸锂光波导；
5)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关区域的光刻胶图形，再刻蚀去除非开关区域的铌酸锂；
6)生长氧化硅包层，采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关电极的光刻胶图形，刻蚀出电极介质孔，再采用电子束蒸发和剥离工艺或者电镀工艺制备出开关电极。
进一步的，所述的步骤1)生长氧化硅采用热氧化法，厚度为2-4微米；生长氮化硅采用低压化学气相沉积，厚度为100-800纳米；氮化硅光波导的刻蚀采用基于六氟化硫、三氟甲烷和氧气混合气体的感应耦合等离子体刻蚀；涂覆BCB的厚度为1.5-2微米。
进一步的，所述的步骤2)硅衬底和氧化硅层的去除采用机械减薄、湿法腐蚀和干法刻蚀相配合的工艺。
进一步的，所述的步骤4)铌酸锂光波导的刻蚀采用基于六氟化硫气体的感应耦合等离子体刻蚀，刻蚀深度为200-400纳米。
进一步的，所述的步骤6)氧化硅包层采用等离子体增强化学气相沉积生长，厚度为1-3微米；电极介质孔采用基于三氟甲烷气体的感应耦合等离子体刻蚀；电极采用电子束蒸发20纳米钛和800纳米金，或者电镀1.5-3微米金。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
1)通过将氮化硅光波导和铌酸锂光波导结合，延时波导部分采用氮化硅，充分利用氮化硅光波导的低损耗，开关波导部分采用铌酸锂，充分利用铌酸锂光波导光电效应开关的高速；
2)采用基于BCB的键合工艺，相对于基于氧化硅的直接键合工艺，工艺更加灵活，不需要使用化学机械抛光工艺。
附图说明
图1是氮化硅光波导制备示意图。
图2是薄膜铌酸锂临时键合示意图。
图3是氮化硅光波导与薄膜铌酸锂键合示意图。
图4是铌酸锂光波导制备示意图。
图5是开关区域定义示意图。
图6是氧化硅包层和电极制备示意图。
图7是光延时线组成结构示意图。
图8是氮化硅光波导与铌酸锂光波导耦合仿真光场图。
图7中S1、S2、S3…Sn是2×2光开关，具体由1.1氮化硅光波导、1.2多模干涉耦合器、1.3铌酸锂光波导和1.4开关电极组成，T1、T2…Tn是每阶的延时线，每阶的延时线包含两条不同长度的延时路径，延时路径差分别为Δt、2Δt…2n-1Δt，C是2×1的合波器。
具体实施方式
如图7所示，高速集成可调光延时线，其衬底材料为硅材料，波导材料为氮化硅光波导和铌酸锂光波导，铌酸锂材料为薄膜材料，厚底为600纳米，其结构为二元拓扑结构，包括2×2光开关S1、S2、S3…Sn、每阶的延时线T1、T2…Tn和2×1的合波器C；其中2×2光开关由氮化硅光波导1.1、多模干涉耦合器1.2、铌酸锂光波导1.3和开关电极1.4组成。每阶的延时线包含两条不同长度的延时路径，延时路径差分别为Δt、2Δt…2n-1Δt，通过光开关切换选择不同的波导路径，从而进行延时状态的切换，实现不同的延时量。
所述的氮化硅光波导的宽度为1-3微米，包括延时路径和开关中的氮化硅光波导。
所述的铌酸锂光波导的宽度为1-2微米，铌酸锂光波导与氮化硅光波导耦合，耦合处氮化硅光波导采用锲形结构，最窄处氮化硅光波导宽度为0.25-0.5微米，如图8所示为氮化硅光波导与铌酸锂光波导耦合的光场图，清晰地展示了光波从氮化硅光波导耦合到铌酸锂光波导的过程。
其制备方法，具体包括如下步骤：
1)先在硅衬底材料上通过热氧化生长厚度为2-4微米的氧化硅，再通过低压化学气相沉积生长厚度为100-800纳米的氮化硅介质，采用平面光刻显影技术制备出氮化硅光波导图形的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫、三氟甲烷和氧气混合气体的感应耦合等离子体刻蚀制备氮化硅条形波导，刻蚀后依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇进行浸泡并超声，去除剩余的光刻胶，并用去离子水冲洗完成波导的制备，清洗后涂覆厚度为1.5-2微米的BCB并软固化备用，如图1所示；
2)在硅基薄膜铌酸锂材料上涂覆高温蜡，并与蓝宝石材料临时载片进行临时键合，最后采用机械减薄、湿法腐蚀和干法刻蚀相配合的工艺将硅衬底和氧化硅层去除，如图2所示；
3)将临时键合后的铌酸锂薄膜与涂覆BCB的氮化硅光波导晶圆键合，并加热去除临时载片，最后使用甲苯、丙酮和乙醇清洗，如图3所示；
4)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂光波导图形的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫气体的感应耦合等离子体刻蚀制备铌酸锂光波导，刻蚀深度为200-400纳米，如图4所示；
5)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关区域的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫气体的感应耦合等离子体刻蚀去除非开关区域的铌酸锂，如图5所示；
6)采用等离子体增强化学气相沉积生长厚度为1-3微米的氧化硅包层，再采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关电极的光刻胶图形，并采用基于三氟甲烷气体的感应耦合等离子体刻蚀出电极介质孔，最后采用电子束蒸发20纳米钛和800纳米金，并剥离工艺制备出开关电极。开关电极也可采用电镀工艺实现，通过电镀1.5-3微米金作为电极，如图6所示。
实施例1
如图7所示，高速集成可调光延时线，其衬底材料为硅材料，波导材料为氮化硅光波导和铌酸锂光波导，铌酸锂材料为薄膜材料，厚底为600纳米，其结构为二元拓扑结构，包括2×2光开关S1、S2、S3…Sn，每阶的延时线T1、T2…Tn和2×1的合波器C；其中2×2光开关由氮化硅光波导1.1、多模干涉耦合器1.2、铌酸锂光波导1.3和开关电极1.4组成。每阶的延时线包含两条不同长度的延时路径，延时路径差分别为Δt、2Δt…2n-1Δt，通过光开关切换选择不同的波导路径，从而进行延时状态的切换，实现不同的延时量。
所述的氮化硅光波导的宽度为1微米，包括延时路径和开关中的氮化硅光波导。
所述的铌酸锂光波导的宽度为1.2微米，铌酸锂光波导与氮化硅光波导耦合，耦合处氮化硅光波导采用锲形结构，最窄处氮化硅光波导宽度为0.3微米，如图8所示为氮化硅光波导与铌酸锂光波导耦合的光场图，清晰地展示了光波从氮化硅光波导耦合到铌酸锂光波导的过程。
其制备方法，具体包括如下步骤：
1)先在硅衬底材料上通过热氧化生长厚度为4微米的氧化硅，再通过低压化学气相沉积生长厚度为600纳米的氮化硅介质，采用平面光刻显影技术制备出氮化硅光波导图形的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫、三氟甲烷和氧气混合气体的感应耦合等离子体刻蚀制备氮化硅条形波导，刻蚀后依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇进行浸泡并超声，去除剩余的光刻胶，并用去离子水冲洗完成波导的制备，清洗后涂覆厚度为1.5微米的BCB并软固化备用，如图1所示；
2)在硅基薄膜铌酸锂材料上涂覆高温蜡，并与蓝宝石材料临时载片进行临时键合，最后采用机械减薄、湿法腐蚀和干法刻蚀相配合的工艺将硅衬底和氧化硅层去除，如图2所示；
3)将临时键合后的铌酸锂薄膜与涂覆BCB的氮化硅光波导晶圆键合，并加热去除临时载片，最后使用甲苯、丙酮和乙醇清洗，如图3所示；
4)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂光波导图形的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫气体的感应耦合等离子体刻蚀制备铌酸锂光波导，刻蚀深度为300纳米，如图4所示；
5)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关区域的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫气体的感应耦合等离子体刻蚀去除非开关区域的铌酸锂，如图5所示；
6)采用等离子体增强化学气相沉积生长厚度为1-3微米的氧化硅包层，再采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关电极的光刻胶图形，并采用基于三氟甲烷气体的感应耦合等离子体刻蚀出电极介质孔，最后采用电子束蒸发20纳米钛和800纳米金，并剥离工艺制备出开关电极，如图6所示。
实施例2
如图7所示，高速集成可调光延时线，其衬底材料为硅材料，波导材料为氮化硅光波导和铌酸锂光波导，铌酸锂材料为薄膜材料，厚底为600纳米，其结构为二元拓扑结构，包括2×2光开关S1、S2、S3…Sn，每阶的延时线T1、T2…Tn和2×1的合波器C；其中2×2光开关由氮化硅光波导1.1、多模干涉耦合器1.2、铌酸锂光波导1.3和开关电极1.4组成。每阶延时线含两条不同长度的延时路径，延时路径差分别为Δt、2Δt…2n-1Δt，通过光开关切换选择不同的波导路径，从而进行延时状态的切换，实现不同的延时量。
所述的氮化硅光波导的宽度为1微米，包括延时路径和开关中的氮化硅光波导。
所述的铌酸锂光波导的宽度为1.2微米，铌酸锂光波导与氮化硅光波导耦合，耦合处氮化硅光波导采用锲形结构，最窄处氮化硅光波导宽度为0.3微米，如图8所示为氮化硅光波导与铌酸锂光波导耦合的光场图，清晰地展示了光波从氮化硅光波导耦合到铌酸锂光波导的过程。
其制备方法，具体包括如下步骤：
1)先在硅衬底材料上通过热氧化生长厚度为4微米的氧化硅，再通过低压化学气相沉积生长厚度为600纳米的氮化硅介质，采用平面光刻显影技术制备出氮化硅光波导图形的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫、三氟甲烷和氧气混合气体的感应耦合等离子体刻蚀制备氮化硅条形波导，刻蚀后依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇进行浸泡并超声，去除剩余的光刻胶，并用去离子水冲洗完成波导的制备，清洗后涂覆厚度为1.5微米的BCB并软固化备用，如图1所示；
2)在硅基薄膜铌酸锂材料上涂覆高温蜡，并与蓝宝石材料临时载片进行临时键合，最后采用机械减薄、湿法腐蚀和干法刻蚀相配合的工艺将硅衬底和氧化硅层去除，如图2所示；
3)将临时键合后的铌酸锂薄膜与涂覆BCB的氮化硅光波导晶圆键合，并加热去除临时载片，最后使用甲苯、丙酮和乙醇清洗，如图3所示；
4)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂光波导图形的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫气体的感应耦合等离子体刻蚀制备铌酸锂光波导，刻蚀深度为300纳米，如图4所示；
5)采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关区域的光刻胶掩膜，再采用基于六氟化硫气体的感应耦合等离子体刻蚀去除非开关区域的铌酸锂，如图5所示；
6)采用等离子体增强化学气相沉积生长厚度为1-3微米的氧化硅包层，再采用平面光刻显影技术制备出铌酸锂开关电极的光刻胶图形，并采用基于三氟甲烷气体的感应耦合等离子体刻蚀出电极介质孔，最后通过电镀2微米金作为电极，如图6所示。