【摘 要】
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针对主流热光开关,静电光开关等功耗大、响应速率较慢等问题,有学者结合应力-光学效应提出了应力相移器驱动的应力光开关。应力光开关可以在不影响光插入损耗的情况下,以最小的功率消耗和最大的调制速度来进行光调制。本文以氮化硅基光子芯片为衬底设计并制备出了一种应力相移器,从而完成MZI应力光开关的加工。选用有限元仿真软件COMSOl对应力相移器及信号臂进行了建模仿真,通过改变应力相移器的尺寸以及外加电场强度
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针对主流热光开关,静电光开关等功耗大、响应速率较慢等问题,有学者结合应力-光学效应提出了应力相移器驱动的应力光开关。应力光开关可以在不影响光插入损耗的情况下,以最小的功率消耗和最大的调制速度来进行光调制。本文以氮化硅基光子芯片为衬底设计并制备出了一种应力相移器,从而完成MZI应力光开关的加工。选用有限元仿真软件COMSOl对应力相移器及信号臂进行了建模仿真,通过改变应力相移器的尺寸以及外加电场强度来分析应力相移器及信号臂中的应力和有效折射率的变化。结合仿真结果、氮化硅基光子芯片中波导长度以及波导芯的宽度,完成对应力相移器的尺寸设计。确定应力相移器整体长度为8000μm,PZT 18层,薄膜厚度约为1μm,上电极的加工宽度为10μm。在制备应力相移器的过程中,采用了溶胶凝胶法,在氮化硅光子芯片上制备锆钛酸铅（PZT）薄膜,完成以PZT薄膜为核心的具备“三明治”结构的应力相移器加工。为了避免PZT薄膜在高温结晶过程中,所产生的应力导致MZI应力光开关出入光口龟裂,利用剥离-腐蚀工艺构建钛金属保护层,成功保证了MZI应力光开关出入光口的完整性。应力相移器是应力光开关完成光学调制的核心结构,而PZT薄膜作为应力相移器中的驱动结构,PZT薄膜的性能直接决定了应力光开关的光学调制性能。故对PZT薄膜的横向压电系数、晶体取向、漏电流、介电性能以及铁电性能进行测试和性能表征。本文选用逆压电悬臂梁法对PZT薄膜的横向压电系数进行测量。首先选用有限元仿真软件COMSOl对逆压电悬臂梁进行建模仿真,确定逆压电悬臂梁的尺寸与逆压电悬臂梁自由端位移的关系。根据仿真结果结合加工工艺设计逆压电悬臂梁的尺寸,设计尺寸为:基底长度为3mm/3.5mm/4mm,宽度为0.6mm,厚度为0.5mm,基座高度为0.4mm,基座长度为2mm。并以厚度为220μm的2英寸硅片为衬底,完成对逆压电悬臂梁的加工。而后选择固定有逆压电悬臂梁的PCB板,多普勒激光测振仪,SDG1022X函数信号发生器以及LYC-300B功率放大器构建了横向压电系数测量系统,测得PZT薄膜的横向压电系数e31,f值为7.82pC/N。用YE1730 d33METER测量了PZT薄膜的压电常数d33为10.8pC/N。并用X射线衍射仪（日本理学公司,Smart Lab 9kw）测定了PZT薄膜具有稳定110晶向的钙钛矿结构。采用型号MM6150 KEITHLEY的手动探针平台连接所测试的PZT薄膜,用半导体参数测试仪(Semiconductor Parameter Tester（UB3-07）对PZT薄膜进行漏电流性能测试,证明PZT薄膜在30V电压下仍保持一定绝缘性,漏电流最大值为7×10-9A。采用美国radiant technology公司的Multiferroic 100V型铁电测试仪来测试薄膜的铁电性,PZT薄膜电滞回线图形较为饱和,饱和极化强度Ps为23μC/cm~2,剩余极化强度Pr为11.7μC/cm~2,矫顽电场Ec为5.3V。采用LCR测试仪（中国上海仪器研究所ZL-5）测量了PZT薄膜介电常数最小值超过800。测试结果表明,氮化硅光子芯片的PZT薄膜具有优良的压电和铁电性能,即应力相移器可以在0-30V的电压范围,100Hz-100000Hz的范围内正常工作,可以满足氮化硅光子芯片的需要。
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