[go: up one dir, main page]

RU2841350C1 - Integrated electrooptic modulator - Google Patents

Integrated electrooptic modulator Download PDF

Info

Publication number
RU2841350C1
RU2841350C1 RU2024139868A RU2024139868A RU2841350C1 RU 2841350 C1 RU2841350 C1 RU 2841350C1 RU 2024139868 A RU2024139868 A RU 2024139868A RU 2024139868 A RU2024139868 A RU 2024139868A RU 2841350 C1 RU2841350 C1 RU 2841350C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
oxide layer
layer
transparent conductive
optical
Prior art date
Application number
RU2024139868A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Илья Анатольевич Родионов
Евгений Сергеевич Лотков
Александр Сергеевич Бабурин
Али Шихалиевич Амирасланов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Application granted granted Critical
Publication of RU2841350C1 publication Critical patent/RU2841350C1/en

Links

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention relates to photonic integrated circuits and can be used in microwave information processing and transmission devices, as well as in computer circuits and optical radiation direction systems. Integrated electro-optical modulator has substrate 1 on which the following components are arranged in series: optical cladding 2, elongated along Y axis waveguide 3, transparent conducting oxide layer 4, elongated along the X coordinate, perpendicular to the Y coordinate, and crossing mainly at angle of 90° waveguide 3, dielectric layer 5, which coincides in width with transparent conducting layer of oxide 4, leaves free its edges and is located above waveguide 3, metal electrode 6, which coincides in width with dielectric layer 5 and is located above waveguide 3, wherein transparent conducting oxide layer 4, dielectric layer 5 and metal electrode 6 form capacitor 8, wherein on free edge of transparent conducting oxide layer 4 there is metal contact 7, silicon nitride is used as material for waveguide 3.
EFFECT: reduced optical losses of the waveguide circuit of the modulator and possibility of operating in the visible wavelength range.
6 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к области фотонных интегральных схем и может быть использовано в устройствах сверхвысокочастотной обработки и передачи информации, а также в вычислительных схемах и системах направления оптического излучения.The invention relates to the field of photonic integrated circuits and can be used in devices for ultra-high-frequency processing and transmission of information, as well as in computing circuits and systems for directing optical radiation.

Известен полупроводниковый оптический модулятор, который представляет собой кремниевый гребневый волновод, сформированный на скрытом оксидном слое. Волновод сформирован путем травления кремния пластины кремний-на-изоляторе (КНИ). Размеры волновода могут находиться в диапазоне от примерно 150 нм до примерно 1000 нм в обоих поперечных измерениях. Таким образом, кремниевый слой на скрытом оксидном слое имеет выступающий из него кремниевый волновод. Диэлектрическая оболочка, например, SiO2 может окружать полупроводниковый волновод с одной или нескольких его сторон. Структура представляет собой ряд слоев, образующих конденсатор, который имеет вход, выход, изолятор и внутри резистивный материал, который вносит основную резистивную функцию элемента. Вся секция волновода может быть легирована, т. е. вся секция волновода внутри модулятора может быть легирована по всему его поперечному сечению. Тонкий диэлектрический слой, также известный как «слой диэлектрика затвора», сформирован на одной или нескольких сторонах волновода. В вариантах реализации изобретения диэлектрический материал затвора имеет высокую диэлектрическую проницаемость, т. е. в диапазоне около 4-10 или больше. Кроме того, в вариантах реализации изобретения диэлектрический материал затвора является прозрачным на рабочих длинах волн модулятора. Диэлектрический материал с высокой диэлектрической проницаемостью слоя диэлектрика расположен так, чтобы контактировать, например, с покрытием, непосредственно прилегающим к легированному полупроводниковому слою на одной или нескольких сторонах волновода. Прозрачный проводящий слой расположен так, чтобы находиться в контакте со слоем диэлектрика затвора, например, в виде покрытия, расположенного на одной или нескольких непосредственно смежных сторонах волновода. Прозрачный проводящий слой не обязательно должен покрывать весь слой диэлектрика затвора. В некоторых вариантах реализации изобретения прозрачный проводящий слой находится на «верхней» стороне волновода, а также на двух его боковых «сторонах», но не на его «нижней» стороне, которая является частью волновода, наиболее близкой к слою кремния, волновод которого образован на скрытом оксидном слое. Первый электрический контакт, т.е. так называемый «нижний» контакт, с низким сопротивлением к легированному полупроводниковому слою, который простирается в кремниевом слое, выходящим из волновода, может быть сформирован на легированном кремниевом слое вблизи волновода. Например, нижний контакт может быть сформирован как можно ближе к остальной части структуры модулятора без образования короткого замыкания между нижним контактом и остальной частью структуры модулятора, например, прозрачным проводником и/или вторым контактом [Патент US 10,908,438].A semiconductor optical modulator is known which is a silicon ridge waveguide formed on a buried oxide layer. The waveguide is formed by etching silicon from a silicon-on-insulator (SOI) wafer. The waveguide dimensions may range from about 150 nm to about 1000 nm in both transverse dimensions. Thus, the silicon layer on the buried oxide layer has a silicon waveguide protruding from it. A dielectric shell, for example, SiO 2, may surround the semiconductor waveguide on one or more of its sides. The structure is a series of layers forming a capacitor which has an input, an output, an insulator and a resistive material inside which contributes the main resistive function of the element. The entire waveguide section may be doped, i.e. the entire waveguide section inside the modulator may be doped over its entire cross-section. A thin dielectric layer, also known as a "gate dielectric layer", is formed on one or more sides of the waveguide. In embodiments of the invention, the gate dielectric material has a high permittivity, i.e. in the range of about 4-10 or more. In addition, in embodiments of the invention, the gate dielectric material is transparent at the operating wavelengths of the modulator. The dielectric material with a high permittivity of the dielectric layer is located so as to contact, for example, with a coating directly adjacent to a doped semiconductor layer on one or more sides of the waveguide. A transparent conductive layer is located so as to be in contact with the gate dielectric layer, for example, in the form of a coating located on one or more immediately adjacent sides of the waveguide. The transparent conductive layer does not necessarily have to cover the entire gate dielectric layer. In some embodiments of the invention, the transparent conductive layer is on the "upper" side of the waveguide, as well as on its two lateral "sides", but not on its "lower" side, which is the part of the waveguide closest to the silicon layer, the waveguide of which is formed on the buried oxide layer. The first electrical contact, i.e. the so-called "lower" contact, with low resistance to the doped semiconductor layer, which extends in the silicon layer emerging from the waveguide, can be formed on the doped silicon layer near the waveguide. For example, the lower contact can be formed as close as possible to the rest of the modulator structure without forming a short circuit between the lower contact and the rest of the modulator structure, for example, the transparent conductor and/or the second contact [US Patent 10,908,438].

Недостаток этого устройства заключается в высоких оптических потерях кремниевого волновода на всей фотонной схеме и невозможности работы с видимым диапазоном.The disadvantage of this device is the high optical losses of the silicon waveguide throughout the photonic circuit and the inability to work with the visible range.

Известен также интегральный электрооптический модулятор, содержащий подложку, на которой последовательно расположены оптическая оболочка, удлиненный вдоль координаты Y волновод, прозрачный проводящий слой оксида, удлиненный вдоль координаты X, перпендикулярной координате Y, и пересекающий преимущественно под углом 90° волновод, слой диэлектрика, который совпадает по ширине с прозрачным проводящим слоем оксида, оставляет свободными его края, и расположен над волноводом, металлический электрод, который совпадает по ширине со слоем диэлектрика, и расположен над волноводом, причем прозрачный проводящий слой оксида, слой диэлектрика и металлический электрод образуют конденсатор, при этом на свободном крае прозрачного проводящего слоя оксида расположен металлический контакт [Патент US 10,908,440 B1]. Недостаток этого устройства заключается в высоких оптических потерях кремниевого волновода на всей фотонной схеме и невозможности работы с видимым диапазоном.Also known is an integrated electro-optical modulator, comprising a substrate on which an optical shell, a waveguide extended along the Y coordinate, a transparent conductive oxide layer extended along the X coordinate, perpendicular to the Y coordinate, and intersecting the waveguide predominantly at an angle of 90°, a dielectric layer that coincides in width with the transparent conductive oxide layer, leaves its edges free, and is located above the waveguide, a metal electrode that coincides in width with the dielectric layer, and is located above the waveguide, wherein the transparent conductive oxide layer, the dielectric layer and the metal electrode form a capacitor, wherein a metal contact is located on the free edge of the transparent conductive oxide layer. [Patent US 10,908,440 B1]. The disadvantage of this device is the high optical losses of the silicon waveguide throughout the photonic circuit and the inability to work with the visible range.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device was chosen as a prototype of the proposed solution.

Технический результат изобретения заключается в снижении оптических потерь волноводной схемы модулятора и возможности работать с видимым диапазоном длин волн.The technical result of the invention consists in reducing the optical losses of the modulator waveguide circuit and the ability to work with the visible range of wavelengths.

Сущность изобретения заключается в том, что в интегральном электрооптическом модуляторе, содержащем подложку, на которой последовательно расположены оптическая оболочка, удлиненный вдоль координаты Y волновод, прозрачный проводящий слой оксида, удлиненный вдоль координаты X, перпендикулярной координате Y, и пересекающий преимущественно под углом 90° волновод, слой диэлектрика, который совпадает по ширине с прозрачным проводящим слоем оксида, оставляет свободными его края, и расположен над волноводом, металлический электрод, который расположен над волноводом, причем прозрачный проводящий слой оксида, слой диэлектрика и металлический электрод образуют конденсатор, при этом на свободном крае прозрачного проводящего слоя оксида расположен металлический контакт, в качестве материала для волновода используют нитрид кремния.The essence of the invention lies in the fact that in an integrated electro-optical modulator, containing a substrate on which an optical shell, a waveguide extended along the Y coordinate, a transparent conductive oxide layer extended along the X coordinate, perpendicular to the Y coordinate, and intersecting the waveguide predominantly at an angle of 90°, a dielectric layer that coincides in width with the transparent conductive oxide layer, leaves its edges free, and is located above the waveguide, a metal electrode that is located above the waveguide, wherein the transparent conductive oxide layer, the dielectric layer and the metal electrode form a capacitor, wherein a metal contact is located on the free edge of the transparent conductive oxide layer, silicon nitride is used as the material for the waveguide.

Существует вариант, в котором волновод имеет прямоугольное поперечное сечение и расположен на оптической оболочке.There is a variant in which the waveguide has a rectangular cross-section and is located on the optical cladding.

Существует также вариант, в котором волновод имеет прямоугольное поперечное сечение и углублен в оптическую оболочку.There is also a variant in which the waveguide has a rectangular cross-section and is recessed into the optical cladding.

Существует также вариант, в котором волновод имеет уширение по координате Х, расположенное под прозрачным проводящим слоем оксида.There is also a variant in which the waveguide has a broadening along the X coordinate, located under a transparent conducting oxide layer.

Существует также вариант, в котором прозрачный проводящий слой оксида, пересекает волновод под углом 45°.There is also a variant in which a transparent conducting oxide layer intersects the waveguide at an angle of 45°.

Существует также вариант, в котором металлический электрод выходит за пределы слоя прозрачного проводящего оксида, по меньшей мере, с одной стороны волновода.There is also a variant in which the metal electrode extends beyond the transparent conductive oxide layer on at least one side of the waveguide.

На фиг. 1 изображена схема интегрального электрооптического модулятора (вид сверху).Fig. 1 shows a diagram of an integrated electro-optical modulator (top view).

На фиг. 2 изображено сечение А-А по фиг. 1.Fig. 2 shows section A-A in Fig. 1.

На фиг. 3 изображена схема интегрального электрооптического модулятора с углубленным волноводом (сечение)Fig. 3 shows a diagram of an integrated electro-optical modulator with a recessed waveguide (section)

На фиг. 4 изображена схема интегрального электрооптического модулятора с трапециевидными элементами (вид сверху)Fig. 4 shows a diagram of an integrated electro-optical modulator with trapezoidal elements (top view)

На фиг. 5 изображена схема интегрального электрооптического модулятора с наклоном прозрачного проводящего оксида под углом 45° (вид сверху)Fig. 5 shows a diagram of an integrated electro-optical modulator with a transparent conductive oxide tilted at 45° (top view)

На фиг. 6 изображена схема интегрального электрооптического модулятора с выводом верхнего металлического электрода за пределы прозрачного проводящего оксида и диэлектрика (вид сверху)Fig. 6 shows a diagram of an integrated electro-optical modulator with the upper metal electrode being brought out beyond the transparent conducting oxide and dielectric (top view)

На фиг. 7 изображена схема интегрального электрооптического модулятора с расположением металлического электрода и металлического контакта по обе стороны от волновода (вид сверху)Fig. 7 shows a diagram of an integrated electro-optical modulator with a metal electrode and a metal contact located on both sides of the waveguide (top view)

На фиг. 8 изображена схема формирования выступающего волновода через резистивную маску (сечение)Fig. 8 shows a diagram of the formation of a protruding waveguide through a resistive mask (section)

На фиг. 9 изображена схема формирования углубленного волновода с помощью процесса химико-механической планаризации (сечение)Fig. 9 shows a diagram of the formation of a recessed waveguide using the process of chemical-mechanical planarization (section)

На фиг. 10 изображена схема формирования слоя прозрачного проводящего оксида методом электронно-лучевого испарения In2O3 или In2O3 + SnO из тигля и ассистированием ионами газов Ar и O2 через ионный источник (сечение)Fig. 10 shows a diagram of the formation of a layer of transparent conducting oxide by electron beam evaporation of In 2 O 3 or In 2 O 3 + SnO from a crucible and the assistance of Ar and O 2 gas ions through an ion source (section)

На фиг. 11 изображена схема формирования структур диэлектрика (сечение)Fig. 11 shows a diagram of the formation of dielectric structures (section)

На фиг. 12 изображена схема формирования металлического электрода и металлического контакта через резистивную маску (сечение)Fig. 12 shows a diagram of the formation of a metal electrode and a metal contact through a resistive mask (section)

Интегральный электрооптический модулятор содержит подложку 1 (фиг. 1, фиг. 2), на которой последовательно расположены оптическая оболочка 2, удлиненный вдоль координаты Y волновод 3, а также прозрачный проводящий слой оксида 4, удлиненный вдоль координаты X, перпендикулярной координате Y. В качестве подложки 1 можно использовать кремний. Оптическая оболочка 2 может быть изготовлена из оксида кремния. Длина волновода 3 может быть в диапазоне от 10 мкм до 1 м. Ширина волновода 3 по координате X может быть в диапазоне от 2300 до 3500 нм. Толщина волновода 3 по координате Z может быть в диапазоне от 300 до 600 нм. Материалом прозрачного проводящего слоя оксида 4 может быть оксид индия или оксид индия-олова. Длина прозрачного проводящего слоя оксида 4 может быть в диапазоне от 25 до 200 мкм. Ширина прозрачного проводящего слоя оксида 4 по координате Y может быть в диапазоне 1.55 до 15.5 мкм. Толщина прозрачного проводящего слоя оксида 4 по координате Z может быть в диапазоне от 10 до 30 нм. При этом прозрачный проводящий слой оксида 4 пересекает преимущественно под углом 90° волновод 3. На прозрачном проводящем слое оксида 4 расположен слой диэлектрика 5, который совпадает с ним по ширине, оставляет свободными его края, и расположен над волноводом 3. В качестве материала диэлектрика 5 можно использовать оксид алюминия или оксид гафния. Длина диэлектрика 5 по координате Х может быть в диапазоне от 4 до 100 мкм. Толщина диэлектрика 5 по координате Z может быть в диапазоне от 10 до 30 нм. На диэлектрике 5 расположен металлический электрод 6, который совпадает по ширине со слоем диэлектрика 5 и расположен над волноводом 3. В качестве материала металлического электрода 6 можно использовать золото, алюминий или серебро. Длина металлического электрода 6 по координате Х может быть в диапазоне от 4 до 10 мкм. Толщина металлического электрода 6 по координате Z может быть в диапазоне от 40 до 300 нм. Прозрачный проводящий слой оксида 4, слой диэлектрика 5 и металлический электрод 6 образуют конденсатор 8. На свободном крае прозрачного проводящего слоя оксида 4 расположен металлический контакт 7, изготовленный, например, из золота, алюминия или серебра. Размеры металлического контакта 7 по координатам Х, Y и Z могут быть соответственно в диапазонах от 10 до 80 мкм, от 1 до 15 мкм, от 40 до 300 нм. В качестве материала для волновода 3 используют нитрид кремния.The integrated electro-optical modulator comprises a substrate 1 (Fig. 1, Fig. 2) on which an optical cladding 2, a waveguide 3 extended along the Y coordinate, and a transparent conductive oxide layer 4 extended along the X coordinate perpendicular to the Y coordinate are sequentially arranged. Silicon can be used as the substrate 1. The optical cladding 2 can be made of silicon oxide. The length of the waveguide 3 can be in the range from 10 μm to 1 m. The width of the waveguide 3 along the X coordinate can be in the range from 2300 to 3500 nm. The thickness of the waveguide 3 along the Z coordinate can be in the range from 300 to 600 nm. The material of the transparent conductive oxide layer 4 can be indium oxide or indium tin oxide. The length of the transparent conductive oxide layer 4 can be in the range from 25 to 200 μm. The width of the transparent conductive oxide layer 4 along the Y coordinate may be in the range of 1.55 to 15.5 μm. The thickness of the transparent conductive oxide layer 4 along the Z coordinate may be in the range of 10 to 30 nm. In this case, the transparent conductive oxide layer 4 intersects the waveguide 3 predominantly at an angle of 90°. A dielectric layer 5 is located on the transparent conductive oxide layer 4, which coincides with it in width, leaves its edges free, and is located above the waveguide 3. Aluminum oxide or hafnium oxide can be used as the material of the dielectric 5. The length of the dielectric 5 along the X coordinate may be in the range of 4 to 100 μm. The thickness of the dielectric 5 along the Z coordinate may be in the range of 10 to 30 nm. On the dielectric 5, there is a metal electrode 6, which coincides in width with the dielectric layer 5 and is located above the waveguide 3. Gold, aluminum or silver can be used as the material of the metal electrode 6. The length of the metal electrode 6 along the X coordinate can be in the range from 4 to 10 μm. The thickness of the metal electrode 6 along the Z coordinate can be in the range from 40 to 300 nm. The transparent conductive oxide layer 4, the dielectric layer 5 and the metal electrode 6 form a capacitor 8. On the free edge of the transparent conducting oxide layer 4, there is a metal contact 7 made, for example, of gold, aluminum or silver. The dimensions of the metal contact 7 along the X, Y and Z coordinates can be in the ranges from 10 to 80 μm, from 1 to 15 μm, from 40 to 300 nm, respectively. Silicon nitride is used as the material for the waveguide 3.

Существует вариант, в котором волновод 3 (фиг. 2) имеет прямоугольное поперечное сечение и расположен на оптической оболочке 2.There is a variant in which the waveguide 3 (Fig. 2) has a rectangular cross-section and is located on the optical shell 2.

Существует также вариант, в котором волновод 3 (фиг. 3) имеет прямоугольное поперечное сечение и углублен в оптическую оболочку 2.There is also a variant in which the waveguide 3 (Fig. 3) has a rectangular cross-section and is recessed into the optical shell 2.

Существует также вариант, в котором волновод 3 (фиг. 4) имеет уширение 9 по координате Х, расположенное под прозрачным проводящим слоем оксида 4. Размеры уширения 9 по координатам Х и Y могут быть соответственно в диапазонах от 2900 до 4000 нм, от 10 до 30 мкм. Уширение 9 может начинаться, как указано на фиг. 4 и выходить на полную ширину под конденсатором 8.There is also a variant in which the waveguide 3 (Fig. 4) has a broadening 9 along the X coordinate, located under the transparent conducting oxide layer 4. The dimensions of the broadening 9 along the X and Y coordinates can be in the ranges from 2900 to 4000 nm, from 10 to 30 µm, respectively. The broadening 9 can begin as shown in Fig. 4 and extend to its full width under the capacitor 8.

Существует также вариант, в котором прозрачный проводящий слой оксида 4 (фиг. 5), пересекает волновод 3 под углом 45°. Этот вариант является оптимальным, но могут быть и иные углы расположения прозрачного проводящего слоя оксида 4 относительно волновода 3.There is also a variant in which the transparent conducting oxide layer 4 (Fig. 5) intersects the waveguide 3 at an angle of 45°. This variant is optimal, but there may be other angles of the location of the transparent conducting oxide layer 4 relative to the waveguide 3.

Существует также вариант, в котором металлический электрод 6 выходит за пределы слоя прозрачного проводящего оксида 4 (фиг. 6), по меньшей мере, с одной стороны волновода 3. При этом выходящая часть металлического электрода 6 может иметь С-образную форму с двумя выходами (как указано на фиг.6), но также могут быть и другие формы, например, Г-образная с одним выходом.There is also a variant in which the metal electrode 6 extends beyond the layer of transparent conductive oxide 4 (Fig. 6), at least on one side of the waveguide 3. In this case, the outgoing part of the metal electrode 6 can have a C-shape with two outputs (as indicated in Fig. 6), but there can also be other shapes, for example, an L-shape with one output.

Существует также вариант, в котором металлический электрод 6 выходит за пределы слоя прозрачного проводящего оксида 4 (фиг. 7) с двух сторон волновода 3. При этом выходящие части металлического электрода 6 могут иметь С-образные формы с двумя выходами (как указано), но также могут быть и другие формы, например, Г-образная с одним выходом.There is also a variant in which the metal electrode 6 extends beyond the layer of transparent conductive oxide 4 (Fig. 7) on both sides of the waveguide 3. In this case, the outgoing parts of the metal electrode 6 can have C-shaped forms with two outputs (as indicated), but there can also be other forms, for example, L-shaped with one output.

Способ изготовления интегрального электрооптического модулятора может состоять из следующих операций. Методом термического окисления в парах воды на кремниевую подложку 1 наносится оптическая оболочка из оксида кремния 2, толщиной единицы микрометров. Затем методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении наносится слой нитрида кремния. Далее формирование волновода 3 из нитрида кремния происходит с помощью электронно-лучевой литографии и плазменно-химического травления (ПХТ) через первую резистивную маску 10 (Фиг. 8) [подробнее см. в Liu, J., Huang, G., Wang, R.N. et al. Nat Commun 12, 2236 (2021)]. На этой стадии также могут быть сформированы уширения 9. В случае конструкции с углубленным волноводом 3 в оптическую оболочку 2 последовательность операций может быть следующая. После нанесения оптической оболочки 2 в ней методами литографии и ПХТ формируются прямоугольные канавки для будущих волноводов; затем выполняется нанесение пленки из нитрида кремния методом осаждения из газовой фазы при низком давлении; далее поверхность из нитрида кремния планаризуется вплоть до стенок оптической оболочки методом химико-механической планаризации шлифовальной подушкой 11 так, чтобы остался только волновод 3 в канавках (Фиг. 9) [подробнее см. в Churaev M. et al. Nat Commun. 14, 1 (2023)]. Затем проводятся операции формирования конденсатора 8. Через заранее сформированную вторую резистивную маску 12 происходит осаждение слоя прозрачного проводящего оксида 4 из оксида индия-олова или оксида индия, например, методом электронно-лучевого испарения из тигля 13 при ассистировании ионами кислорода и аргона из источника ионов 14 (Фиг. 10) [подробнее см. в Lotkov, E.S., Baburin, A.S., Ryzhikov, I.A. et al. Sci Rep 12, 6321 (2022)]. Далее методом атомно-слоевого осаждения наносится оксид алюминия или оксид гафния с последующим жидкостным травлением слоя диэлектрика 5 через третью резистивную маску 15 (Фиг. 11). Затем вакуумным осаждением наносят структуры металлического электрода 6 и металлического контакта 7 через четвертую резистивную маску 16, подготовленную электронно-лучевой литографией (Фиг. 12) [подробнее см. в Amin, R., Maiti, R., Gui, Y. et al. Sci Rep 11, 1287 (2021)]. Для всех описанных конструкций операции формирования слоев конденсатора 8 будут аналогичными. Ввод сигнала может осуществляться в торцевые или вертикально-решетчатые элементы, изготовленные на стадии формирования волновода 3 и, при необходимости, посредством полировки поверхности торца волновода 3 [подробнее см. в Mu, X., Wu, S., Cheng, L., & Fu, H. Y. Applied Sciences, 10(4), 1538, (2020)].The method for manufacturing an integrated electro-optical modulator may consist of the following operations. An optical shell of silicon oxide 2, several micrometers thick, is applied to a silicon substrate 1 by thermal oxidation in water vapor. Then, a layer of silicon nitride is applied by low-pressure chemical vapor deposition. Next, a waveguide 3 made of silicon nitride is formed using electron-beam lithography and plasma-chemical etching (PECE) through the first resistive mask 10 (Fig. 8) [for more details, see Liu, J., Huang, G., Wang, R.N. et al. Nat Commun 12, 2236 (2021)]. Broadenings 9 can also be formed at this stage. In the case of a design with a recessed waveguide 3 in the optical shell 2, the sequence of operations can be as follows. After applying the optical shell 2, rectangular grooves for future waveguides are formed in it using lithography and PCT methods; then a silicon nitride film is applied using the low-pressure vapor deposition method; then the silicon nitride surface is planarized right up to the walls of the optical shell using the chemical-mechanical planarization method with a grinding pad 11 so that only the waveguide 3 remains in the grooves (Fig. 9) [for more details, see Churaev M.et al.Nat Commun. 14, 1 (2023)]. Then, operations for forming capacitor 8 are carried out. Through the previously formed second resistive mask 12, a layer of transparent conducting oxide 4 made of indium tin oxide or indium oxide is deposited, for example, by the method of electron beam evaporation from crucible 13 with the assistance of oxygen and argon ions from ion source 14 (Fig. 10) [for more details, see Lotkov, E.S., Baburin, A.S., Ryzhikov, I.A. et al. Sci Rep 12, 6321 (2022)]. Next, aluminum oxide or hafnium oxide is applied by the method of atomic layer deposition, followed by wet etching of the dielectric layer 5 through the third resistive mask 15 (Fig. 11). Then, the structures of the metal electrode 6 and the metal contact 7 are applied by vacuum deposition through the fourth resistive mask 16 prepared by electron beam lithography (Fig. 12) [for more details, see Amin, R., Maiti, R., Gui, Y. et al. Sci Rep 11, 1287 (2021)]. For all the described designs, the operations for forming the layers of the capacitor 8 will be similar. The signal can be input into the end or vertical-lattice elements manufactured at the stage of forming the waveguide 3 and, if necessary, by polishing the surface of the end of the waveguide 3 [For details, see Mu, X., Wu, S., Cheng, L., & Fu, H. Y. Applied Sciences, 10(4), 1538, (2020)].

Интегральный электрооптический модулятор функционирует следующим образом:The integrated electro-optical modulator operates as follows:

При приложении электрического потенциала между металлическим электродом 6 и металлическим контактом 7, на границе слоя диэлектрика 5 и прозрачного проводящего оксида 4 в конденсаторе 8 образуется слой накопления заряда толщиной в единицы нанометров, где концентрация электронов значительно увеличивается по сравнению с исходной. В области накопления заряда прозрачный проводящий слой оксида 4 изменяет действительную и мнимую часть диэлектрической проницаемости из-за эффекта дисперсии свободных носителей заряда и, следовательно, действительную и мнимую часть показателя преломления. Зависимость диэлектрической проницаемости от концентрации электронов в прозрачных проводящих оксидах определяется моделью Друде-Лоренца. Оптическая мода, которая из волновода 3 попадает в конденсатор 8, локализуется в слоях прозрачного проводящего слоя оксида 4 и слоя диэлектрика 5, так что ее объем пересекает объем слоя накопления заряда. Поэтому она поглощается или меняет фазу в зависимости от исходных характеристик слоя прозрачного проводящего слоя оксида 4, а также может изменять положение локализации. Таким образом, возможно управлять как интенсивностью, так и фазой излучения, проходящего через модулятор.When an electric potential is applied between the metal electrode 6 and the metal contact 7, a charge accumulation layer of a few nanometers thick is formed at the boundary of the dielectric layer 5 and the transparent conducting oxide 4 in the capacitor 8, where the electron concentration increases significantly compared to the initial one. In the charge accumulation region, the transparent conducting oxide layer 4 changes the real and imaginary part of the permittivity due to the dispersion effect of free charge carriers and, consequently, the real and imaginary part of the refractive index. The dependence of the permittivity on the electron concentration in transparent conducting oxides is determined by the Drude-Lorentz model. The optical mode, which enters the capacitor 8 from the waveguide 3, is localized in the layers of the transparent conducting oxide layer 4 and the dielectric layer 5, so that its volume intersects the volume of the charge accumulation layer. Therefore, it is absorbed or changes phase depending on the initial characteristics of the layer of transparent conductive oxide layer 4, and can also change the localization position. Thus, it is possible to control both the intensity and the phase of the radiation passing through the modulator.

То, что в интегральном электрооптическом модуляторе, содержащем подложку 1, на которой последовательно расположены оптическая оболочка 2, удлиненный вдоль координаты Y волновод 3, прозрачный проводящий слой оксида 4, удлиненный вдоль координаты X, перпендикулярной координате Y, и пересекающий преимущественно под углом 90° волновод 3, слой диэлектрика 5, который совпадает по ширине с прозрачным проводящим слоем оксида 4, оставляет свободными его края и расположен над волноводом 3, металлический электрод 6, который совпадает по ширине со слоем диэлектрика 5, и расположен над волноводом 3, причем прозрачный проводящий слой оксида 4, слой диэлектрика 5 и металлический электрод 6 образуют конденсатор 8, при этом на свободном крае прозрачного проводящего слоя оксида 4 расположен металлический контакт 7, в качестве материала для волновода 3 используют нитрид кремния, дает снижение оптических потерь волноводной схемы модулятора с не более 0,1 дБ/см до не более 0,01 дБ/см из-за отсутствия свободных носителей заряда и примесей в нитриде кремния и, следовательно, уменьшенного коэффициента поглощения материала и возможность работать с диапазоном длин волн от 400 до 8000 нм.The fact that in an integrated electro-optical modulator containing a substrate 1 on which an optical cladding 2, a waveguide 3 extended along the Y coordinate, a transparent conductive oxide layer 4 extended along the X coordinate perpendicular to the Y coordinate and intersecting the waveguide 3 predominantly at an angle of 90°, a dielectric layer 5 which coincides in width with the transparent conductive oxide layer 4, leaves its edges free and is located above the waveguide 3, a metal electrode 6 which coincides in width with the dielectric layer 5 and is located above the waveguide 3, wherein the transparent conductive oxide layer 4, the dielectric layer 5 and the metal electrode 6 form a capacitor 8, wherein a metal contact 7 is located on the free edge of the transparent conductive oxide layer 4, silicon nitride is used as the material for the waveguide 3, provides a reduction in the optical losses of the modulator waveguide circuit from no more than 0.1 dB/cm up to no more than 0.01 dB/cm due to the absence of free charge carriers and impurities in silicon nitride and, consequently, a reduced absorption coefficient of the material and the ability to work with a wavelength range from 400 to 8000 nm.

То что волновод 3 имеет прямоугольное поперечное сечение и расположен на оптической оболочке 2, дает возможность максимально локализовать излучение внутри волновода 3, улучшить сопряжение мод между волноводом 3 и конденсатором 8 и, следовательно, уменьшить оптические потери, вносимые сопряжением.The fact that waveguide 3 has a rectangular cross-section and is located on optical cladding 2 makes it possible to localize radiation as much as possible inside waveguide 3, improve mode coupling between waveguide 3 and capacitor 8 and, consequently, reduce optical losses introduced by coupling.

То что волновод 3 имеет прямоугольное поперечное сечение и углублен в оптическую оболочку 2, устраняет возможность появления оптических мод других поляризаций внутри конденсатора 8 из-за отсутствия условий для распространения на боковых стенках волновода 3, что приводит к снижению оптических потерь, вносимых нарушением поляризации, и повышению эффективности устройства из-за увеличения степени локализации полезной оптической моды.The fact that waveguide 3 has a rectangular cross-section and is deepened into optical shell 2 eliminates the possibility of the appearance of optical modes of other polarizations inside capacitor 8 due to the absence of conditions for propagation on the side walls of waveguide 3, which leads to a reduction in optical losses introduced by polarization violation and an increase in the efficiency of the device due to an increase in the degree of localization of the useful optical mode.

То что волновод 3 имеет уширение 9 по координате Х, расположенное под прозрачным проводящим слоем оксида 4, позволяет увеличить эффективный показатель преломления оптической моды внутри волновода 3 и улучшить сопряжение мод между волноводом 3 и конденсатором 8 и, следовательно, уменьшить оптические потери, вносимые сопряжением.The fact that waveguide 3 has a broadening 9 along the X coordinate, located under the transparent conducting oxide layer 4, makes it possible to increase the effective refractive index of the optical mode inside waveguide 3 and improve the mode coupling between waveguide 3 and capacitor 8 and, consequently, reduce the optical losses introduced by coupling.

То что прозрачный проводящий слой оксида 4, пересекает волновод 3 под углом 45°, дает возможность уменьшить емкость конденсатора 8 из-за уменьшения площади перекрытия металлического электрода 6 и прозрачного проводящего слоя оксида 4 и, тем самым, увеличить быстродействие устройства из-за уменьшения времени зарядки.The fact that the transparent conductive oxide layer 4 intersects the waveguide 3 at an angle of 45° makes it possible to reduce the capacitance of the capacitor 8 due to a decrease in the overlap area of the metal electrode 6 and the transparent conductive oxide layer 4 and, thereby, to increase the speed of the device due to a decrease in the charging time.

То что металлический электрод 6 выходит за пределы слоя прозрачного проводящего оксида 4, по меньшей мере, с одной стороны волновода 3, дает возможность получить необходимое значение импеданса металлического электрода 6 и металлического контакта 7, уменьшить паразитные отражения высокочастотного сигнала от металлического электрода 6 и металлического контакта 7, и, следовательно, увеличить эффективность модуляции на высоких частотах из-за увеличенной доли полезного сигнала. The fact that the metal electrode 6 extends beyond the layer of transparent conductive oxide 4, at least on one side of the waveguide 3, makes it possible to obtain the required value of the impedance of the metal electrode 6 and the metal contact 7, to reduce parasitic reflections of the high-frequency signal from the metal electrode 6 and the metal contact 7, and, consequently, to increase the modulation efficiency at high frequencies due to the increased proportion of the useful signal.

Claims (6)

1. Интегральный электрооптический модулятор, содержащий подложку, на которой последовательно расположены оптическая оболочка, удлиненный вдоль координаты Y волновод, прозрачный проводящий слой оксида, удлиненный вдоль координаты X, перпендикулярной координате Y, и пересекающий преимущественно под углом 90° волновод, слой диэлектрика, который совпадает по ширине с прозрачным проводящим слоем оксида, оставляет свободными его края и расположен над волноводом, металлический электрод, который расположен над волноводом, причем прозрачный проводящий слой оксида, слой диэлектрика и металлический электрод образуют конденсатор, при этом на свободном крае прозрачного проводящего слоя оксида расположен металлический контакт, отличающийся тем, что в качестве материала для волновода используют нитрид кремния.1. An integrated electro-optical modulator comprising a substrate on which an optical cladding, a waveguide extended along the Y coordinate, a transparent conductive oxide layer extended along the X coordinate perpendicular to the Y coordinate and intersecting the waveguide predominantly at an angle of 90°, a dielectric layer which coincides in width with the transparent conductive oxide layer, leaves its edges free and is located above the waveguide, a metal electrode which is located above the waveguide, wherein the transparent conductive oxide layer, the dielectric layer and the metal electrode form a capacitor, wherein a metal contact is located on the free edge of the transparent conductive oxide layer, characterized in that silicon nitride is used as the material for the waveguide. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод имеет прямоугольное поперечное сечение и расположен на оптической оболочке.2. The device according to item 1, characterized in that the waveguide has a rectangular cross-section and is located on the optical shell. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод имеет прямоугольное поперечное сечение и углублен в оптическую оболочку.3. The device according to item 1, characterized in that the waveguide has a rectangular cross-section and is recessed into the optical shell. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод имеет уширение по координате Х, расположенное под прозрачным проводящим слоем оксида. 4. The device according to item 1, characterized in that the waveguide has a broadening along the X coordinate, located under the transparent conductive oxide layer. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прозрачный проводящий слой оксида пересекает волновод под углом 45°.5. The device according to item 1, characterized in that the transparent conductive oxide layer intersects the waveguide at an angle of 45°. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлический электрод выходит за пределы слоя прозрачного проводящего оксида по меньшей мере с одной стороны волновода.6. The device according to claim 1, characterized in that the metal electrode extends beyond the layer of transparent conductive oxide on at least one side of the waveguide.
RU2024139868A 2024-12-26 Integrated electrooptic modulator RU2841350C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2841350C1 true RU2841350C1 (en) 2025-06-06

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6845198B2 (en) * 2003-03-25 2005-01-18 Sioptical, Inc. High-speed silicon-based electro-optic modulator
RU187990U1 (en) * 2018-11-14 2019-03-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук OPTICAL MODULATOR
US10908438B1 (en) * 2015-10-12 2021-02-02 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Electroabsorption optical modulator
US10908440B1 (en) * 2015-10-12 2021-02-02 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Methods of epsilon-near-zero optical modulation
CN112835214A (en) * 2020-01-13 2021-05-25 天津领芯科技发展有限公司 Lithium niobate thin film electro-optical modulator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6845198B2 (en) * 2003-03-25 2005-01-18 Sioptical, Inc. High-speed silicon-based electro-optic modulator
US10908438B1 (en) * 2015-10-12 2021-02-02 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Electroabsorption optical modulator
US10908440B1 (en) * 2015-10-12 2021-02-02 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Methods of epsilon-near-zero optical modulation
RU187990U1 (en) * 2018-11-14 2019-03-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук OPTICAL MODULATOR
CN112835214A (en) * 2020-01-13 2021-05-25 天津领芯科技发展有限公司 Lithium niobate thin film electro-optical modulator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8983251B2 (en) Electro-optical waveguide apparatuses and methods thereof
US7499620B2 (en) Low loss SOI/CMOS compatible silicon waveguide
US9013778B2 (en) Laser cuts to reduce electrical leakage
WO2010055826A1 (en) Optical modulator and method for manufacturing same
US10908438B1 (en) Electroabsorption optical modulator
US8135243B2 (en) Transparent conducting components and related electro-optic modulator devices
CN113325612A (en) Thin film lithium niobate electro-optic modulator and preparation method thereof
US20210208429A1 (en) Waveguide component
CN112764246B (en) A kind of thin-film lithium niobate electro-optic modulator and preparation method thereof
WO2021178328A1 (en) Phase shifter employing transparent electrodes
CN111665645A (en) Electro-optical modulator
JPH08166565A (en) Optical control device
CN113900284A (en) Lithium niobate thin film electro-optical modulator and preparation method thereof
CN115280228A (en) Photodetectors, modulators, semiconductor devices and semiconductor devices
WO2022001566A1 (en) Silicon-based traveling wave electrode modulator and manufacturing method therefor
RU2841350C1 (en) Integrated electrooptic modulator
US7418173B2 (en) Waveguide type optical control element and process for its fabrication
AU2023231588A1 (en) Bto phase shifter and method of fabrication thereof
Alam et al. Low half-wave-voltage lithium niobate modulator using high-K dielectric material cladding
JP2006317550A (en) Optical modulator
CN114371561B (en) Preparation method of self-aligned high-precision modulator
US11385408B2 (en) Stacked-waveguide polarizers with conductive oxide strips
KR20230112429A (en) Optical phase shifter using KTN(KTaNbO3) and manufacturing method thereof
CN116194827A (en) Electro-optical devices, semiconductor devices and semiconductor devices, electro-optic arrangements and uses thereof
Kim et al. Solid-electrolyte-gated graphene-covered metal-insulator-silicon-insulator-metal waveguide with a remarkably large modulation depth