硅-有机复合集成电光调制器的优化与制备

邹艳慧，王艺蒙，张小雪，武震林，陈 卓，薄淑晖, 5，刘若男，李志华，王 迪，谭庆贵，谷一英，赵明山，韩秀友*

(1.大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024;2.中国科学院 理化技术研究所，北京 100190;3.中国科学院 微电子研究所，北京 100029;4.西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710100;5.中央民族大学 理学院，北京 100081)

1 引 言

电光调制器是高速光纤通信系统、超宽带微波光子系统的核心器件之一，其主要功能是将数字电信号或高载频模拟电信号调制到光载波上，从而进行光域传输或处理。在微波光子技术领域，高性能的微波光子调制器应具有低的半波电压-长度积(VπL)、大的调制带宽，这是实现高效调制、多频段信号处理、低功耗微波光子链路的保证。随着大规模阵列化微波光子信号传输与处理技术的发展，电光调制器在满足上述条件的同时，小型化、阵列化集成也是未来发展的重要方向[1-4]。

根据电光调制的物理机制，高速电光调制器的工作原理可分为基于电光晶体或电光材料的电光效应、基于硅基材料的等离子体色散效应等[5]。铌酸锂波导电光调制器利用铌酸锂晶体的电光效应实现电光调制功能，具有插入损耗低、对光功率承受能力强和工作波段宽等优势[6]，是目前商品化和工程应用最为广泛的电光调制器。然而，铌酸锂波导调制器通常采用Ti扩散、质子交换等工艺来制备，难以和其他光电子器件集成。目前也有研究单位将铌酸锂薄膜与SiO2波导、Si波导等集成，在铌酸锂薄膜调制器方面取得了良好的进展[7-10]。聚合物调制器利用高电光系数的有机聚合物作为波导材料，在波导两侧施加电场改变波导折射率实现电光调制，具有带宽大、功耗低等优势[11-12]。然而，纯聚合物电光调制器的加工工艺与CMOS工艺的兼容性较差，大规模集成会受到一定程度的阻碍。硅是中心反演对称结构，无线性电光效应，二阶非线性电光效应也非常微弱。因此，硅基调制器通常对硅波导进行载流子掺杂，在电极上施加电信号后改变载流子浓度，利用等离子体色散原理改变波导的折射率实现调制，具有响应时间短、尺寸小、与CMOS工艺兼容等优势[13-15]。

硅-有机复合光子集成技术充分发挥了硅光的大规模集成优势和有机聚合物的高电光系数优势，在实现调制器的大带宽、低半波电压，以及与其他光电子器件集成构成高性能微波光子系统方面极具潜力，相关研究受到国内外科研工作者的极大关注[16]。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Ray T. Chen课题组研究了基于光子晶体狭缝波导的复合集成电光调制器，通过光子晶体的慢光效应来获得微波光波相速匹配[17]。德国卡尔斯鲁厄理工学院Christian Koos课题组对硅-有机复合光子集成平台工艺、调制器以及在高速通信系统中的应用进行了研究[18-22]。瑞士苏黎世联邦理工学院Juerg Leuthold课题组对硅-有机复合集成光电子器件进行了深入的研究，包括波导狭缝填充液晶材料、高电光系数有机聚合物材料等, 取得了一系列重要的成果[24-25]。日本九州大学Shiyoshi Yokoyama课题组研究了基于超薄硅波导的有机复合集成电光调制器，并对器件的长期稳定性进行了研究，为器件的实际应用奠定了良好的基础[26-27]。

高性能、高集成度的硅-有机复合集成电光调制器应具有大的带宽和低的半波电压-长度积。文献[21]中实验测量得到调制器的带宽为65 GHz，但其半波电压-长度积为0.13 V·cm。文献[22]报道了半波电压-长度积为0.032 V·cm的调制器，但是其6 dB带宽仅为43 GHz。通过进一步改进器件的结构参数，带宽获得了提升，3 dB带宽为40 GHz，而半波电压-长度积为0.041 V·cm[23]。目前，已报道的研究工作尚没有在带宽和半波电压-长度积两个性能方面同时获得较为理想的结果。

本文基于项目组自主研发的CLD为发色团的高电光系数有机聚合物材料，设计了一种Slot结构的硅-有机复合集成电光调制器。通过对Slot结构的槽宽度、波导宽度及平板层高度等结构参数进行优化设计，获得了高的光场限制因子，使得光场与调制电场高度重叠，提高了电光调制效率。对锥型波导模式转换结构进行优化设计，得到Strip-to-Slot模式转换器的耦合效率为99.55%。在考虑电极下方实际波导结构的条件下，对波导电极频率响应随电极长度和宽带变化的特性进行了分析和优化，得到调制器的3 dB带宽达到77 GHz，半波电压-长度积为0.045 V·cm，与已报道的研究结果相比[21-23]，获得了较大的改进。基于仿真结果设计了用于调制器流片的MASK。制备了Slot硅波导并进行了聚合物在波导狭缝的填充，获得了良好的填充效果。

2 电光调制器的基本结构

基于Slot波导的硅-有机复合集成电光调制器的基本结构为马赫-曾德尔干涉结构，如图1(a)所示。光通过光栅耦合进入波导，经过MMI分束器、Strip-to-Slot模式转换器进入两臂的相位调制区。调制区的横截面结构如图1(b)所示(彩图见期刊电子版)，绿色部分为Slot波导狭缝内填充的高电光系数的有机聚合物材料。在一定温度下，通过调制器地电极施加极化电压Upol，在Slot狭缝内形成极化电场，电光材料中的发色团偶极子沿极化场排列，如图1(b)中蓝色箭头所示。调制器工作时，将调制射频信号加载到信号电极上，电极通过金属通孔Via和下方分段掺杂的硅波导与Slot波导相连接，使得外加的驱动电压在狭缝内形成强的电场，电场方向如图1(b)中的红色箭头所示。从图1(b)可以看出，左侧调制臂Udrive产生的调制电场与发色团的极化方向反平行，右侧调制臂的调制电场与发色团极化方向平行，从而实现了推挽调制功能。

图1 硅-有机复合集成电光调制器Fig.1 Silicon-organic hybrid integrated electro-optic modulator

采用自主研发的有机电光聚合物填充Slot波导的狭缝区域，有机电光聚合物的发色团CLD分子式结构如图2所示。图3(a)所示是填充有机聚合物的Slot波导结构示意图，有机电光聚合物的介电常数为2.343，硅材料的介电常数为11.5，二者差值极大，根据介质不连续特性，光波场被有效地限制在Slot狭缝内，如图3(b)所示。通过掺杂的硅波导和通孔与电极连接，射频电场也集中在Slot狭缝内，如图3(c)所示。光波场和调制微波电场有效地重叠在狭缝区域，极大提高了电光调制效率。

图2 CLD发色团分子式Fig.2 Molecular formula of CLD chromosphere

图3 Slot波导Fig.3 Slot waveguide

3 Slot波导结构参数优化

为了将光场大部分能量集中在狭缝区，需要对Slot波导结构进行设计优化。采用SOI晶圆的硅层高度为220 nm，下包层二氧化硅层厚度为2 μm，在光波中心波长为1.55 μm的条件下，采用光束传播法仿真分析波导结构参数对光波场分布的影响。

为了量化狭缝处的光功率，定义光波场的限制因子为狭缝区光场强度与输入光场强度的比值:

(1)

为了提高Slot波导的光场限制因子，对波导的狭缝宽度WSlot，平板层高度Hslab以及硅波导宽度WSi进行仿真分析(硅波导厚度为220 nm不变)，仿真结果如图4所示。

由图4(a)仿真结果可以看出，限制因子随着狭缝宽度WSlot的增加而减小，为了提升光场的限制因子，需要减小狭缝宽度。但是狭缝宽度不能过小，否则在电光聚合物极化过程中，分子极化方向会偏离极化电场方向，导致极化后的电光聚合物的电光系数下降，难以获得高的电光系数；另外狭缝宽度如果过小，会增大调制器的等效电容，造成调制器RC时间常数的增加，会降低调制带宽。因此，综合考虑上述因素以及Slot波导的电子束刻蚀工艺，Slot波导的狭缝宽度WSlot选取为100 nm。从图4(a)中可以看出，在狭缝宽度为100 nm，硅波导宽度为240 nm的条件下，光波场的限制因子达到最大值，为0.32。

在确定狭缝宽度WSlot及硅波导宽度WSi后，分析平板层高度Hslab对光场限制因子的影响，仿真结果如图4(b)所示。可以看出，当平板层高度Hslab在10～70 nm处附近变化时，其限制因子变化范围不大，当Hslab大于70 nm时，其限制因子下降趋势明显，当平板层高度达到硅波导高度的一半时(110 nm)，光场的限制因子下降到0.1。减小Hslab会增大调制器的等效电阻，进而会在一定程度上限制调制器的带宽。因此，结合硅光加工工艺，平板层高度Hslab选取为70 nm。

图4 (a)不同波导宽度下限制因子随狭缝宽度的变化曲线；(b)限制因子随平板层高度的变化曲线Fig.4 (a)Confinement factor versus slot width under different waveguide widths;(b)Confinement factor versus slab layer height

综上，经过仿真优化的Slot波导结构参数为：Wslot=100 nm，WSi=240 nm，Hslab=70 nm，限制因子为0.32。

4 Strip-to-Slot模式转化器优化

硅-有机复合集成电光调制器的调制区采用Slot结构，可以使得光波场和调制微波场高度重合，获得高电光调制效率，其光波模场是非高斯模式[28]，模场分布如图5(a)所示，Slot结构一般用在电光调制功能区。硅光集成芯片中通常采用Strip波导结构进行光波传输，具有易加工、光学损耗低的优势[29]，光波模场是高斯模式，模场分布如图5(b)所示。Slot波导与Strip波导存在模式不匹配，直接连接损耗较大，因此需要对Strip-to-Slot模式转化结构进行优化设计，以减少模式转换损耗。

图5 光模场分布

采用锥型波导模式转换结构实现Strip波导与Slot波导的连接，如图6所示。根据调制器波导结构和加工工艺，Strip-to-Slot模式转换器的上包层和下包层均为SiO2。光波在Strip波导中传输，由于Strip波导宽度逐渐变窄，光波导逐渐耦合进入到另一侧的锥型波导，经过一定长度的渐变区，转换成在Slot波导中稳定传输的光波模式。

图6 Strip-to-Slot模式转换器Fig.6 Strip-to-Slot mode converter

硅基波导加工采用光刻-刻蚀工艺，尖端结构会出现钝化的现象，因此在设计锥型波导Strip-to-Slot模式转换器的时候，需要考虑实际工艺带来的影响。结合实际加工工艺，硅基直波导的宽度Wstrip设置为450 nm，Slot两侧宽度WSi为240 nm，Wslot暂设置为150 nm。利用Lumerical软件中的Mode Solution，仿真分析尖端宽度Wtip、渐变波导长度Ltaper对Strip-to-Slot模式转换器耦合效率的影响。

图7(a)给出了耦合效率随尖端宽度Wtip的变化曲线，可以看出耦合效率基本保持在98%～99%附近，表明Wtip对锥型波导Strip-to-Slot模式转换器的影响不大。因此在模式转换器结构设计时，采用Wtip=130 nm的梯型渐变波导来避免尖端波导的钝化现象。

图7(b)分析了Ltaper在5～20 μm的Strip-to-Slot模式转换器的耦合效率，从图中可以看出，耦合效率基本随着Ltaper的增大而增大，当Ltaper=15 μm时，耦合效率达到99.31%，继续增大Ltaper，耦合效率变化不明显。为了减小器件尺寸，降低额外的传输损耗，优化后的渐变波导长度Ltaper选取为15 μm。

图7 耦合效率的变化曲线Fig.7 Variation of coupling efficiency

对于Slot波导结构，狭缝宽度Wslot越小，对光的限制能力越强，限制因子越大，仿真狭缝宽度Wslot对锥型波导Strip-to-Slot模式转换器耦合效率的影响，结果如图8所示。从图8可以看出，随着狭缝宽度的增加，耦合效率先增大后下降，变化幅度在±0.3%之内，综合考虑光场限制因子，选择Wslot为100 nm，此时耦合效率为99.55%。经过仿真分析，锥型波导Strip-to-Slot模式转换器的优化结构参数为：Ltaper=L=15 μm，Wtip=130 nm，Wslot=100 nm，优化后Strip-to-Slot模式转换器的传输光场如图9所示，耦合效率为99.55%。

图8 耦合效率随Slot波导宽度的变化曲线Fig.8 Coupling efficiency versus width of slot waveguide

图9 优化后Strip-to-Slot模式转换器的传输光场Fig.9 Transmission light field of the Strip-to-Slot mode converter after optimization

5 调制器电极结构优化

调制器电极的作用是将微波信号加载到Slot波导中传输的光波上，对调制器的调制性能有着重要的影响，因此除了对光波导结构进行设计外，还需要对调制电极的结构参数进行优化，降低微波传输损耗，增强微波与光波传输的相速匹配，满足阻抗匹配，减少回波损耗。与普通传输线结构不同，调制区中的微波传输是一个立体结构，掺杂的硅波导及金属通孔都会影响调制微波的传输特性。因此，在利用HFSS软件建立模型进行电极结构优化时，需要加入行波电极下方金属通孔及掺杂硅层的结构，从而尽量接近实际的相位调制区结构。图10(a)是电极波导三维结构简图，图10(b)是考虑金属通孔及掺杂硅层的实际电极波导结构截面图，其中Via为金属通孔，浅蓝色和深蓝色分别表示轻掺杂区和重掺杂区(彩图见期刊电子版)。

图10 电极结构示意图Fig.10 Schematic diagram of electrode structure

首先设置电极长度L=1 mm，地电极宽度Wg=50 μm，信号电极Ws=10 μm，电极间距Gel=5 μm，电极厚度H=1.2 μm，对比有无考虑电极下方金属通孔和掺杂波导两种情况下的特征阻抗，仿真结果如图11所示。从图11可以看出，考虑电极下方实际波导结构的特征阻抗比简化电极结构的特征阻抗下降了近25 Ω，表明电极下方金属通孔和掺杂硅波导的存在会对电极性能产生较大的影响，因此，考虑电极下方实际结构对仿真结果的真实性十分必要。

图11 硅波导结构对电极特征阻抗的影响Fig.11 Effect of silicon waveguide structure on characteristic impedance of electrodes

按照图10(b)所示的调制区实际结构，设置电极下方硅波导的尺寸和掺杂浓度等参数，用HFSS软件建立仿真模型。电极下方SiO2厚度设置为1 μm。电极间距Gel设置为5 μm，这里主要考虑当电极间距过小时，会对Slot波导中的光产生较大的吸收损耗，而且间距过小在工艺上不易实现。电极厚度H设置为1.2 μm，主要考虑电极调制带宽受RC常数限制[24]，厚度过小，电阻增大，带宽会下降，而当电极厚度增大时，不利于实现阻抗匹配。HFSS建立的电极模型如图12所示，主要对信号电极的宽度、长度进行仿真分析，以获得大的带宽。

图12 调制区电极的HFSS仿真模型Fig.12 HFSS simulation model of electrode in modulation area

首先对电极长度进行优化，设置电极宽度Ws=10 μm，电极间距Gel=5 μm，电极厚度H=1.2 μm，地电极宽度Wg=50 μm，仿真得到的特征阻抗、有效折射率和S参数等结果如图13所示。从图13(a)中可以看出，电极的特征阻抗总体趋势是随着电极长度的增加而增大。由于特征阻抗是电极整体结构的体现，不是单纯的线性关系，存在个别曲线存在跳变的现象。对硅波导进行了掺杂，通孔数目较多，因此整体的特征阻抗分布在35～38 Ω。

HFSS模型只考虑了调制区的电极结构，由于实际电极结构还会存在过渡区，封装时与PCB板相连接，还会产生额外的电阻，因此调制区电阻的取值小于50 Ω。由图13(b)可知，有效折射率基本分布在3.4～4，电极长度对有效折射率的影响不大。从图13(c)中可知，S11参数基本小于-10 dB，表明回波损耗较小。从图13(d)可以看出，3 dB带宽基本随着电极长度的增大而减小，电极长度为0.4 mm时，调制带宽达到70 GHz。

图13 不同电极长度下的调制器特征参数Fig.13 Modulator characteristic parameters at different electrode lengths

然后分析电极宽度对电极性能的影响。设置电极长度L=0.4 mm，电极间距Gel=5 μm，电极厚度H=1.2 μm，地电极宽度Wg=50 μm，电极宽度Ws在5～15 μm变化，仿真得到的特征阻抗、有效折射率和S参数等结果如图14所示。从图14(a)中可以看出，随着电极宽度的增大，特征阻抗逐渐减小。图14(b)反映出电极宽度对有效折射率的影响规律不是很明显。从图14(c)中可以看出，S11参数基本小于-10 dB，表明反射损耗较小。图14(d)表明了不同电极宽度下的S21参数，均大于40 GHz，当电极宽度为12 μm时，3 dB带宽达到77 GHz。

图14 不同电极宽度下的调制器特征参数Fig.14 Modulator characteristic parameters at different electrode widths

在电极长度为0.4 mm，电极宽度为12 μm，电极厚度为1.2 μm，电极间距5 μm的条件下，分析调制器的半波-电压长度积。根据波导优化的结果，在Slot狭缝宽度100 nm的条件下，输入光场为TE模式时，电场和光场的重叠因子为31.68%，推挽结构Slot波导调制器的半波电压-长度积表示为:

(2)

其中：Λ为重叠因子，λ为光波波长，n为聚合物材料的折射率，γ33为聚合物材料的电光系数。本文采用的有机聚合物的电光系数是150 pm/V。经过计算得到调制器的半波电压-长度积(VπL)为0.045 V·m，半波电压(Vπ)为1.14 V。

6 MASK设计

根据优化结果，选择带宽比较大的电极结构参数，设计用于制备电光调制器的MASK。根据调制器芯片实际测试情况和探针尺寸，合理安排光栅的位置及电极PAD之间的间距。行波电极需要满足阻抗匹配条件，即电极的特征阻抗与负载抗相等，以减少回波损耗，提高调制带宽。匹配阻抗考虑两种形式，一种是片上匹配，一种外接匹配。调制器单元结构的MASK如图15所示(彩图见期刊电子版)，图中红色框中紫色方块之间连接的部分是片上匹配电阻，蓝色框中的PAD部分可以在测试时外接50 Ω电阻进行片外阻抗匹配。目前，调制器芯片已完成制版，调制器流片加工正在进行中。

图15 MASK中的调制器结构Fig.15 Modulator structure in MASK

7 实 验

Slot波导作为硅-有机复合集成电光调制器的核心功能部分，含有有机发色团分子的聚合物材料必须充分填充在Slot波导的狭缝中，才能使限制在狭缝内的光波场、调制微波电场与有机电光材料进行充分的交叠，从而发挥Slot波导结构的强光场限制和高调制效率的优势。Slot波导的狭缝宽度通常在100～200 nm，因此，有机聚合物电光材料在狭缝中的充分填充是发挥Slot波导优势的前提。项目组对有机聚合物电光材料在Slot波导狭缝中填充工艺进行了实验研究。

为了使得电光有机聚合物材料在Slot波导狭缝中充分填充，将聚合物与发色团分子以一定的浓度制成溶液，以旋涂的方式将溶液填充至狭缝。溶液的浓度控制非常重要，如果浓度过大，溶液的黏度太大，会对液体进入狭缝造成困难，若浓度太低，溶液填充进狭缝，溶剂挥发后会造成空洞结构。旋涂时旋涂机的转速也很重要，若转速过低，成膜不平滑，同时离心力过小，对填充狭缝有不利影响；若转速过高，容易造成填充不充分。将CLD类发色团以30%的质量浓度掺杂到PMMA，将两者溶解到苯甲醚溶剂中。过滤后利用稳定性、均匀高的旋涂机进行涂膜，得到均一、平整的薄膜，照片如图16所示，薄膜膜厚(从中心测)约为1 μm。

图16 填充聚合物的Slot波导硅片Fig.16 Slot silicon waveguide wafer filled with polymer

将涂好膜的硅片沿与波导垂直方向解理，利用扫描电子显微镜观测断面，同时与未填充聚合物的波导断面的SEM图像进行对比，如图17所示。从图17(b)的断面图可以看出，Slot波导狭缝已被聚合物完全填充，为下一步聚合物的片上极化奠定了良好基础。

图17 Slot波导横截面的SEM照片

8 结 论

本文对硅-有机复合集成电光调制器的Slot波导结构、Strip-to-Slot模式转换器和电极结构等进行了优化设计。通过对Slot波导的WSi，Hslab和WSlot等参数进行优化设计，光波场限制因子达到0.32。对锥型波导模式转换器的Ltaper,Wtip和Wslot等参数进行仿真，得到耦合效率为99.55%。对调制区电极的长度和宽度进行了优化设计，得到3 dB带宽达到77 GHz，半波电压-长度积为0.045 V·cm，满足大带宽低功耗调制的要求。根据仿真结果进行了调制器流片的MASK设计，现在已完成制版。实验制备了硅Slot波导，成功实现了聚合物在Slot波导狭缝内的完全填充，为硅-有机复合集成电光调制器的制备奠定了良好基础。