一种基于SOI的兰姆波声光调制器

技术领域

本发明属于MEMS声光器件技术领域，更具体地，涉及一种基于SOI的兰姆波声光调制器。

背景技术

声光调制器是一种非常常见的声光器件，也是被应用的最为广泛的声光器件。其基本原理是当某种特定载波频率的驱动源施加到换能器上时，换能器会产生同一频率的超声波，入射到光介质中，光介质的折射率会发生周期性的改变，光束通过光介质的时候因为折射率的变化会发生衍射。声光调制器主要被应用于彩色印刷、光纤通讯开关、激光成像和显示等领域。

近几十年来经过不断地发展，声光调制器已经发展了很多种类与结构，其中最广泛地是表面波声光调制器。声表面波型声光器件具有寿命长、能耗低、工艺灵活、稳定性好、便于集成等优点，被广泛应用在光信号处理、光通信、光计算等领域。但是受制于光刻工艺的限制，声表面波型声光器件激发的声表面波频率和波长有所上限。此外，基于声表面波的声光器件的一个重要缺点是，由于二氧化硅绝缘层的声速低于顶部氮化铝层和底硅基底，导致氮化铝层中的激发声波倾向于泄漏到二氧化硅绝缘层并被引导，而光学模式由于其高折射率而被高度限制在顶部氮化铝层，因此，光模和声模之间的模态重叠较低，导致声光耦合效率相对较弱。

发明内容

本发明通过提供一种基于SOI的兰姆波声光调制器，解决现有技术中基于声表面波的声光器件的调制范围较小、调制效率较低的问题。

本发明提供一种基于SOI的兰姆波声光调制器，包括：SOI平台、波导组件和压电组件；所述波导组件集成在所述SOI平台上，所述SOI平台经刻蚀后形成有空腔，所述压电组件位于所述空腔的上方，所述压电组件激发产生的兰姆波经所述SOI平台传递至所述波导组件。

优选的，所述SOI平台的绝缘层经刻蚀后形成有凹槽和所述空腔，所述波导组件沉积在所述凹槽内；所述绝缘层作为传递结构，所述压电组件激发产生的兰姆波经所述传递结构传递至所述波导组件。

优选的，所述SOI平台中的绝缘层经刻蚀后形成有所述空腔，所述SOI平台中的顶层经刻蚀后形成所述波导组件、所述压电组件、传递结构和支撑结构，所述波导组件、所述压电组件和所述传递结构均位于所述空腔的上方，所述支撑结构位于未刻蚀的绝缘层的上方；所述传递结构的厚度小于所述压电组件的厚度以及所述波导组件的厚度。

优选的，所述波导组件为MZ双臂波导，所述MZ双臂波导包括输入光波导、第一波导臂、第二波导臂和输出光波导；所述输入光波导用于与光输入端口连接，所述输出光波导用于与光输出端口连接，所述第一波导臂和所述第二波导臂均位于所述输入光波导与所述输出光波导之间；

所述压电组件位于所述第一波导臂与所述第二波导臂之间，且所述压电组件与所述第一波导臂、所述第二波导臂的距离相等；或者，所述压电组件位于所述第一波导臂、所述第二波导臂中任一波导臂的一侧，且所述第一波导臂与所述第二波导臂之间的距离为声波的奇数倍半波长。

优选的，所述波导组件为微环谐振腔，所述压电组件位于所述微环谐振腔的一侧。

优选的，所述压电组件包括压电薄膜和叉指电极，所述叉指电极设置在所述压电薄膜的上方，所述叉指电极的电信号正负交替接入，相邻电极的正负号相反。

优选的，所述压电组件包括压电薄膜和叉指电极，所述叉指电极包括第一叉指电极单元和第二叉指电极单元，所述第一叉指电极单元和所述第二叉指电极单元分别设置在所述压电薄膜的上下两侧，所述第一叉指电极单元与所述第二叉指电极单元的电信号的正负相反，所述第一叉指电极单元中的所有电极的正负号相同，所述第二叉指电极单元中的所有电极的正负号相同。

优选的，通过调节所述压电组件中叉指电极的间距和压电薄膜的厚度，对所述基于SOI的兰姆波声光调制器的谐振频率进行调节。

优选的，所述叉指电极的间距为0.3μm-2μm，所述压电薄膜的厚度为200nm-500nm。

优选的，所述SOI平台中的顶层的材料为铌酸锂、氮化铝、硅中的一种，所述波导组件的材料为铌酸锂、氮化铝、硅中的一种，所述压电组件中压电薄膜的材料为铌酸锂、氮化铝、掺钪氮化铝中的一种，所述压电组件中叉指电极的材料为铝、金、钼中的一种。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本发明中，提供的基于SOI的兰姆波声光调制器包括SOI平台、波导组件和压电组件；波导组件集成在SOI平台上，SOI平台经刻蚀后形成有空腔，压电组件位于空腔的上方，压电组件激发产生的兰姆波经SOI平台传递至波导组件。本发明将用于激发产生兰姆波的压电组件与波导组件结合，采用更高频率范围的兰姆波代替表面波进行调制，能够实现更大的频率调制范围；当压电组件中压电薄膜的厚度小于或与声波波长相当时，所产生的声波将以非常高的声速以兰姆波模式传播，本发明通过压电薄膜的悬浮、压电薄膜厚度方向的缩小能增大声波的能量密度，设置的空腔迫使光学模式和声波在波导组件的厚度内最大限度地重叠，能够提高调制效率；本发明基于SOI平台，有着更好的集成潜力；本发明能实现高灵敏度与多频段调制。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器的侧视图；

图2为本发明实施例1提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器的俯视图；

图3为本发明实施例2提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器的侧视图；

图4为本发明实施例2提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器中压电组件的两种结构示意图，其中，图5(a)为叉指电极设置在压电薄膜上方的结构示意图，图5(b)为叉指电极设置在压电薄膜上下两侧的结构示意图；

图6为本发明实施例3提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器的侧视图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)的兰姆波声光调制器，使用压电MEMS器件(即压电组件)与波导组件的集成，通过电信号作用于压电组件能激励兰姆波的产生，来改变波导组件的折射率，从而调制传输光的振幅与相位。相比于传统的声表面波调制，使用兰姆波能调制更大的频率范围以及有更高的灵敏度。本发明提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器包括SOI平台、波导组件和压电组件；所述波导组件集成在所述SOI平台上，所述SOI平台经刻蚀后形成有空腔，所述压电组件位于所述空腔的上方，所述压电组件激发产生的兰姆波经所述SOI平台传递至所述波导组件。

本发明对SOI平台进行刻蚀后形成有空腔，压电组件位于空腔的上方，当压电组件中的压电薄膜的厚度小于或与声波波长相当时，所产生的声波将以非常高的声速以兰姆波模式传播。本发明通过压电薄膜的悬浮以及厚度方向的缩小能增大声波的能量密度。背刻蚀或者释放工艺形成的空腔迫使光学模式和声波在波导组件的厚度内最大限度地重叠。通过这种方法，本发明提高了调制效率。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供一种基于SOI的兰姆波声光调制器，包括：SOI平台、波导组件和压电组件；所述SOI平台包括衬底、绝缘层和顶层，对所述顶层进行刻蚀后形成有外周层，对所述绝缘层继续进行刻蚀后形成有凹槽和空腔，所述波导组件沉积在所述凹槽内，所述压电组件位于所述空腔的上方；所述绝缘层作为传递结构，所述压电组件激发产生的兰姆波经所述传递结构传递至所述波导组件。

所述波导组件包括但不限于MZ双臂波导、微环谐振腔，下面以所述波导组件具体为MZ双臂波导为例，对实施例1进行说明。

所述波导组件为MZ双臂波导，所述MZ双臂波导包括输入光波导、第一波导臂、第二波导臂和输出光波导；所述输入光波导用于与光输入端口连接，所述输出光波导用于与光输出端口连接，所述第一波导臂和所述第二波导臂均位于所述输入光波导与所述输出光波导之间。

所述压电组件位于所述第一波导臂与所述第二波导臂之间，且所述压电组件与所述第一波导臂、所述第二波导臂的距离相等。

所述压电组件包括压电薄膜和叉指电极，通过调节所述叉指电极的间距和所述压电薄膜的厚度，对所述基于SOI的兰姆波声光调制器的谐振频率进行调节。

所述叉指电极的间距为0.3μm-2μm，所述压电薄膜的厚度为200nm-500nm。

所述MZ双臂波导的材料为铌酸锂、氮化铝、硅中的一种，所述压电薄膜的材料为铌酸锂、氮化铝、掺钪氮化铝中的一种，所述叉指电极的材料为铝、金、钼中的一种。

所述衬底的横截面为多边形、弧形等，所述MZ双臂波导的横截面为圆形、矩形等，所述压电薄膜的形状为四边形、三角形、圆形等，所述叉指电极的形状为矩形、弧形等。

所述顶层和所述绝缘层具体可采用干法刻蚀或湿法刻蚀，形成所述外周层和所述空腔。所述压电薄膜的厚度不能超过所述绝缘层被刻蚀的深度，所述MZ双臂波导的厚度不能超过所述绝缘层被刻蚀的深度。将所述压电组件和所述MZ双臂波导沉积在所述绝缘层的内部，有助于减小声波的传递损耗。

图1为实施例1提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器100的侧视图或截面示意图，可以看到包括：SOI平台(包括衬底110、绝缘层120和顶层)、MZ双臂波导140、压电组件150(包括叉指电极151和压电薄膜152)。其中，所述顶层经刻蚀后形成外周层130，所述外周层130能够起到一定的反射声波的作用；所述绝缘层120经刻蚀后形成空腔160。

图2为实施例1提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器200的俯视图，可以看到包括：外周层210、未开槽的绝缘层区域270、压电薄膜区域250、叉指电极260。所述MZ双臂波导240包括输入光波导、第一波导臂241、第二波导臂242和输出光波导；所述输入光波导用于与光输入端口220连接，所述输出光波导用于与光输出端口230连接，所述第一波导臂241和所述第二波导臂242均位于所述输入光波导220与所述输出光波导230之间。所述压电组件位于所述第一波导臂241与所述第二波导臂242之间，且所述压电组件的两端距离两臂的间距相等。

电信号作用于所述叉指电极260能激励兰姆波的产生。信号通过一个1*2的MZ双臂分束，传输一段距离后再通过一个2*1的MZ双臂合束。所述叉指电极260居于两臂之间，在其两侧激励的兰姆波传输到MZ的两臂后分别对其进行折射率调制。

具体的，在实施例1提供的结构下，利用了在所述叉指电极两侧所激励的兰姆波相位相反的特性，只要MZ两臂距离所述叉指电极的间距一致，就可以保证两臂分别处于波峰和波谷，此时调制效率达到最大；由于兰姆波模态的特点，到达两个波导的声波强度是一致的，所以两个波导有效折射率变化幅度是相同的，充分利用声波的能量，因为所述叉指电极产生的声波是双向传播的，光波导设计在两侧，可以充分利用两侧声表面波的能量，符合节能环保的要求。

实施例1提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器采用MZ双臂的结构，形成两条光通路；同时，利用叉指电极接收电信号，通过压电效应激发压电薄膜产生兰姆波，兰姆波入射到光介质中，光介质的折射率会发生周期性的改变，光束通过光介质的时候因为折射率的变化会发生衍射，从而调制传输光的振幅与相位。相较于传统的声表面波调制，本发明提供的兰姆波谐振器的谐振频率同时由厚度和电极间距决定，其工作频率可以达到2.5GHz以上，而声表面波谐振器由于谐振频率主要取决于电极间距，谐振频率较低，从而导致低的调制范围，同时对光刻精度要求较高，并且当点击宽度过小时容易产生静电放电，降低谐振器机械品质因数。本发明基于SOI的硅光子器件制作工艺与CMOS工艺完全兼容，因此有利于集成光电子芯片的大规模低成本制造以及光路与电路的单片集成。本发明整体结构集成度较高，灵敏度优良，既能沿用现有MZ双臂光波导和SOI工艺成熟的制程，又能有效地简化结构，成本低且效果好。

实施例2：

实施例2提供一种基于SOI的兰姆波声光调制器，与实施例1不同的是，实施例2中的所述压电组件位于所述第一波导臂、所述第二波导臂中任一波导臂的一侧，且所述第一波导臂与所述第二波导臂之间的距离为声波的奇数倍半波长。

图3为实施例2提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器300的侧视图或截面示意图，可以看到包括：SOI平台(包括衬底310、绝缘层320和顶层)、MZ双臂波导340、压电组件350(包括叉指电极351和压电薄膜352)。其中，所述顶层经刻蚀后形成外周层330，所述绝缘层320经刻蚀后形成空腔360。

图4为实施例2提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器400的俯视图，可以看到包括：外周层410、未开槽的绝缘层区域470、压电薄膜区域450、叉指电极460。所述MZ双臂波导440包括输入光波导、第一波导臂441、第二波导臂442和输出光波导；所述输入光波导用于与光输入端口420连接，所述输出光波导用于与光输出端口430连接，所述第一波导臂441和所述第二波导臂442均位于所述输入光波导420与所述输出光波导430之间。所述压电组件位于所述第一波导臂441的一侧，且所述第一波导臂441与所述第二波导臂442之间的距离为声波的奇数倍半波长。

在实施例2提供的结构下，MZ的两臂放于所述叉指电极的一侧，控制两臂之间的距离为声波的奇数倍半波长，使一条波导处于波峰的时候，另一条波导处于波谷，调制效率达到最大值。

本发明的压电组件中叉指电极的排布也有多种形式，例如，参见图5，实施例1和实施例2中的压电组件500的结构均可以采用以下两种方式：

(1)如图5(a)所示，所述叉指电极520设置在所述压电薄膜510的上方，所述叉指电极520的电信号正负交替接入，相邻电极的正负号相反，单侧叉指电极排布对应反对称模态(A模)。

(2)如图5(b)所示，所述叉指电极包括第一叉指电极单元530和第二叉指电极单元550，所述第一叉指电极单元530和所述第二叉指电极单元550分别设置在所述压电薄膜540的上下两侧，所述第一叉指电极单元530与所述第二叉指电极单元550的电信号的正负相反，所述第一叉指电极单元530中的所有电极的正负号相同(例如，电极都为正)，所述第二叉指电极单元550中的所有电极的正负号相同(例如，电极都为负)，双侧叉指电极排布对应对称模态(S模)。

兰姆波是一种弹性波，其声波能量在所述压电薄膜上下两端有对称与反对称两种分布。在应用中的声波主要是通过所述叉指电极激发，当所述叉指电极加上电信号时，电信号通过所述压电薄膜的逆压电效应转化为机械能，以声波的形式在所述压电薄膜内传输，波通过介质的时候，由于声光效应的存在，会使光波导的折射率发生微小的周期性变化，折射率会发生微小改变Δn

实施例3：

实施例3提供一种基于SOI的兰姆波声光调制器，其中的SOI平台包括衬底、绝缘层和顶层，所述顶层的材料通常选用铌酸锂、氮化铝或硅，所述绝缘层的材料通常为二氧化硅，与实施例1、实施例2的不同在于，实施例3将顶层的部分区域刻蚀后作为传递结构，由于顶层的材料相对于绝缘层的材料能够更好地传递兰姆波，因此实施例3能够进一步提高调制效率。

实施例3提供一种基于SOI的兰姆波声光调制器，包括：SOI平台、波导组件和压电组件；所述SOI平台包括衬底、绝缘层和顶层，所述绝缘层经刻蚀后形成有空腔，所述顶层经刻蚀后形成所述波导组件、所述压电组件、传递结构和支撑结构，所述波导组件、所述压电组件和所述传递结构均位于所述空腔的上方，所述支撑结构位于未刻蚀的绝缘层的上方，所述传递结构的厚度小于所述压电组件的厚度以及所述波导组件的厚度，所述压电组件激发产生的兰姆波经所述传递结构传递至所述波导组件。

所述波导组件包括但不限于MZ双臂波导、微环谐振腔，下面以所述波导组件具体为微环谐振腔为例，对实施例3进行说明。

图6为实施例3提供的一种基于SOI的兰姆波声光调制器600的侧视图或截面示意图，可以看到包括：SOI平台(包括衬底610、绝缘层620和顶层)、微环谐振腔640(包括环波导的截面641和线波导的截面642)、压电组件(包括叉指电极660和压电薄膜670)。所述绝缘层620经刻蚀后形成有空腔680，所述顶层经刻蚀后形成所述波导组件640、所述压电组件、传递结构650和支撑结构630，所述波导组件640、所述压电组件和所述传递结构650均位于所述空腔680的上方，所述支撑结构630位于未刻蚀的绝缘层的上方，所述传递结构650的厚度小于所述压电组件的厚度以及所述波导组件640的厚度，所述压电组件激发产生的兰姆波经所述传递结构650传递至所述波导组件640。

以所述顶层的材料为氮化铝为例，未悬浮的氮化铝即为所述支撑结构630，所述波导组件640、所述传递结构650、所述压电薄膜670的材料均为氮化铝，即在一个悬浮氮化铝膜上实现了集成的声光器件。所述支撑结构630、所述压电薄膜670的厚度均可以为300nm，所述传递结构650相对于所述压电薄膜670的刻蚀深度约为200nm。所述传递结构650作为传递兰姆波的薄层压电材料，将兰姆波限制在较薄的区域，使得所述叉指电极660激励所述压电薄膜670产生的兰姆波与所述波导组件640中光相互作用体积较小，增大了声光调制效率。

综上，本发明能够实现更大的频率调制范围和更高的调制效率，有着更好的集成潜力，能实现高灵敏度与多频段调制。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。