一种电光调制器及其制备方法

技术领域

本申请涉及调制器技术领域，具体涉及一种电光调制器及其制备方法。

背景技术

大脑是人体中最复杂的器官，被誉为生命科学领域的“终极疆域”。脑科学研究也成为了当前国际科学的热点领域，世界各国在“脑科学领域”的研究日趋激烈。美国和欧盟在早年开启了“大脑研究计划(HBP)”，目前已进入计划的第二阶段。虽然我国在脑组织成像、语音识别等方面处于国际前言，但在如大脑的检测技术等领域仍需要突破。因此开展脑检测技术方面的研究有助于我们对脑神经信号的精确认识。

目前，临床脑电图(EEG)测量技术主要基于电极引导、电路放大与信号记录的方式在受试者头皮上采集脑电信号。这种电学方法直接采集到的信号信噪比较低，无法观察到阈下电位的变化。经分析发现引起信噪比降低的原因有以下三点：①脑电信号的赋值微弱(1μV-200μV)、信号不平稳而且极易受干扰，使得EEG检测方式采集信号的信噪比下降；②复杂多变的测试环境使得脑电信号的信噪比降低；③联合检测技术中的电磁信号对脑电信号产生干扰。上述影响因素中的第三点在EEG检测方法中尤为突出，也是电学检测手段的固有问题，无法消除。为了解决电学EEG采集技术存在诸多问题，需要探索新的脑电信号采集方法。光学检测方法具有无源性和抗电磁干扰性特征，且大多数光学传感器测量灵敏度高、可调参数广，在生理信号检测领域展现出耐腐蚀、质量轻、柔性好、生物兼容性良好等优点。因此，光学检测方法在生理信号方面的研究成为近几年来的热点。把电信号转化为光信号最常用方法是采用电光调制器。目前，铌酸锂(LiNbO3)晶体具备较大的电光系数，良好的光学透过性(400-5000nm波长范围内高达98％)，光学均匀性，不易潮解性以及成熟的加工工艺，因此用该材料制作的LiNbO3调制器已经被广泛应用于高频光通信和光纤传感领域，在2017年和2020年，已经成功使用LiNbO3马赫增德尔(M-Z)调制芯片封装而成的电光调制器实现了对心电信号和α脑电信号的采集。

但是，脑电信号相较于传统电信号来说非常微弱，远小于铌酸锂电光调制器的半波电压，如果测量时的光强变化幅度较小，就需要使用大倍率的放大器，会引入噪声。为了尽量减少噪声的同时保证在较小的范围内仍有明显输出信号幅值，就要求其线性工作区处于0V偏压位置，从而在不加直流偏压的情况下使得捕获脑电信号的传感端不需要引入电力线，保障了铌酸锂电光调制器的调制深度和传感元件的无源工作，理论灵敏度可达到0.04mW/V。传统铌酸锂高速电光调制器常采用外加直流偏置电压动态调节零点电位，但由于脑电信号的赋值较小，使用外加偏置的方式，会引入外界干扰。

发明内容

本申请要解决的问题是通过引入控制层控制电光调制器的零点偏置，完全不引入外加电场，避免了对原始电信号的干扰。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：一种电光调制器，包括：

器件层；

光波导，位于所述器件层上，所述光波导至少包括第一波导干涉臂和第二波导干涉臂；

共面行波电极，位于所述器件层上；以及

控制层，覆盖所述第一波导干涉臂，用于改变光波导的有效折射率，所述控制层的长度使得所述M-Z电光调制器工作在线性偏置区。

优选地，所述控制层为氧化硅层。

优选地，所述共面行波电极包括：

中心电极，位于第一波导干涉臂和第二波导干涉臂之间；

地电极，位于第一波导干涉臂和第二波导干涉臂外侧。

优选地，包括：

在器件层上形成第一电光调制器，所述第一电光调制器包括光波导以及共面行波电极，所述光波导包括第一波导干涉臂和第二波导干涉臂；

对所述第一光电调制器进行标定；

在第一光电调制器的第一波导干涉臂上形成中间控制层，以形成第二电光调制器；

调整中间控制层的长度，同时对第二电光调制器的干涉强度曲线进行测量，形成具有控制层的电光调制器；

其中，控制层用于改变光波导的有效折射率，所述控制层的长度使得所述电光调制器工作在线性偏置区。

优选地，对第一光电调制器进行标定的方法包括：

所述第一光电调制器接收光信号，所述光信号分成两束振幅相同的相干光分别进入第一波导干涉臂和第二波导干涉臂；

向所述共面行波电极施加外加电场，第一波导干涉臂和第二波导干涉臂产生相位差，并且发生干涉；

对所述第一光电调制器的输出光幅值进行测量，获取其最大幅值和最小幅值，并且获取最大幅值和最小幅值之间的幅值差。

优选地，所述控制层为氧化硅层。

优选地，通过中间控制层进行腐蚀来调整中间控制层的长度。

优选地，共面行波电极包括：

中心电极，位于第一波导干涉臂和第二波导干涉臂之间；

地电极，位于第一波导干涉臂和第二波导干涉臂外侧。

本申请具有的优点和积极效果是：本申请中，引入控制层控制电光调制器的零点偏置，完全不引入外加电场，避免了对原始电信号的干扰。且区别于一般的通信环境，人体表面的温度恒定，属于静态工作环境，随温度变化导致的零点漂移可以忽略不计，因此设置固定零点偏置，来弥补由于工艺缺陷或材料不均匀造成的零点漂移。

附图说明

图1示出了本发明实施例的电光调制器的立体结构示意图；

图2示出了本发明实施例的第一电光调制器的结构示意图；

图3示出了光波导的输出光的干涉强度曲线；

图4示出了本发明实施例的第二电光调制器的结构示意图；

图5示出了对中间控制层103进行腐蚀的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本申请，下面结合具体实施例和附图对本申请进行进一步的描述。

图1示出了本发明实施例的电光调制器的立体结构示意图，如图1所示，电光调制器10包括：衬底105、位于衬底105上的器件层101，其中，器件层101上形成有光波导102，共面行波电极104以及控制层103。

本实施例中，衬底105和器件层101的材料例如均为铌酸锂材料，但并不以此为限，在其他实施例中，可以根据需要选择任意的半导体材料。

光波导102位于器件层101表面，包括第一分支结构1023、第一波导干涉臂1021、第二波导干涉臂1022以及第二分支结构1024，其中，所述第一分支结构1023为Y型分枝，包括一个输入端以及两个输出端，其中，第一分支结构1023的出入端作为光波导102的输入端，用于接收光信号；第一分支结构1023的两个输出端分别与第一波导干涉臂1021的输入端和第二波导干涉臂1022的输入端耦接。第二分支结构1024为Y型分枝，包括两个输入端和一个输出端，第二分支结构1024的两个输入端分别与第一波导干涉臂1021的输出端和第二波导干涉臂1022的输出端耦接，第二分支结构1024的输出端作为光波导102的输出端，输出光信号。

共面行波电极104包括中心电极1041和地电极1042，中心电极1041位于第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022之间，地电极1042分别位于第一波导干涉臂1021外侧以及第二波导干涉臂1022外侧。共面行波电极104用于向第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022施加外电场。

控制层103覆盖第一波导干涉臂1021。控制层103用于改变光波导102的有效折射率，控制层103的长度使得所述电光调制器10工作在线性偏置区。

本实施例中，共面行波电极104向第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022施加外电场，因光电效应，第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022内的光的折射率发生变化。具体地，第一分支结构1023的输入端接收光信号，并且经由第一分枝结构1021分成两束振幅相同的相干光，分别进入第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022，由于外加电场的作用，第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022内的光产生了相位差。进一步地，由于第一波导干涉臂1021上覆盖有控制层103，其折射率降低，相较于第二波导干涉臂1022，第一波导干涉臂1021的光程减小，产生相位延迟；第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022输出的光在第二分支结构1024处发生干涉，并且经由第二分支结构1024的第二输出端1024b输出。本实施例中，通过调整控制层103的长度，使得电光调制器工作在线性偏置区。

本发明第二实施例提供一种电光调制器的制备方法，电光调制器的制备方法包括：

S10：在器件层上形成第一电光调制器。

图2示出了本发明实施例第一电光调制器的结构示意图，如图2所示，第一电光调制器包括包括：衬底105、位于衬底105上的器件层101，其中，器件层101上形成有光波导102以及共面行波电极104。

本实施例中，衬底105和器件层101的材料例如均为铌酸锂材料，但并不以此为限，在其他实施例中，可以根据需要选择任意的半导体材料。

光波导102位于器件层101表面，包括第一分支结构1023、第一波导干涉臂1021、第二波导干涉臂1022以及第二分支结构1024，其中，所述第一分支结构1023为Y型分枝，包括一个输入端以及两个输出端，其中，第一分支结构1023的出入端作为光波导102的输入端，用于接收光信号；第一分支结构1023的两个输出端分别与第一波导干涉臂1021的输入端和第二波导干涉臂1022的输入端耦接。第二分支结构1024为Y型分枝，包括两个输入端和一个输出端，第二分支结构1024的两个输入端分别与第一波导干涉臂1021的输出端和第二波导干涉臂1022的输出端耦接，第二分支结构1024的输出端作为光波导102的输出端，输出光信号。

共面行波电极104包括中心电极1041和地电极1042，中心电极1041位于第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022之间，地电极1042分别位于第一波导干涉臂1021外侧以及第二波导干涉臂1022外侧。共面行波电极104用于向第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022施加外电场。

S20：对所述第一光电调制器进行标定。

该步骤中，共面行波电极104向第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022施加外电场，光波导102接收光信号，所述光信号经由第一分支结构1023分成两束振幅相同的相干光分别进入第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022；由于外加电场的作用，第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022的折射率发生变化，进而产生相位差；第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022的输出光进入第二分支结构1024，并且在第二分支结构1024处发生干涉，并且经由第二分支结构1024输出。对所述光波导的输出光幅值进行测量，获取其最大幅值E

在一个具体的实施例中，光波导1-2的输入端接收的光波电场为：

E

进入第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022的光波电场为：

光波导102的输出端输出的光波电场为：

式中，

式中，

图3示出了光波导102的输出光的干涉强度曲线，从图3中可以看出，输出光功率在0.5I

S30：在第一光电调制器的第一波导干涉臂1021上形成中间控制层103a，以形成第二电光调制器如图4所示。其中，中间控制层103a用于改变光波导的折射率，中间控制层103a例如为二氧化硅层，但并不以此为限，可以根据需要对中间控制层103a的材料做出具体的选择。

S40：调整中间控制层的长度，同时对第二电光调制器的干涉强度曲线进行测量，形成具有控制层的电光调制器。

该步骤中，共面行波电极104向第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022施加外电场，光波导102的接收光信号，所述光信号经由第一分支结构1023分成两束振幅相同的相干光分别进入第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022；由于外加电场的作用，第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022的折射率发生变化，进而产生相位差。由于第一波导干涉臂1021上覆盖有中间控制层103a，其折射率降低，相较于第二波导干涉臂1022，第一波导干涉臂1021的光程减小，产生相位延迟；第一波导干涉臂1021和第二波导干涉臂1022的输出光进入第二分支结构1024，并且在第二分支结构1024处发生干涉，并且经由第二分支结构1024输出。

进一步地，图5示出了对中间控制层103a进行腐蚀的结构示意图，如图5所示，对中间控制层103a进行腐蚀，以调整其长度。

具体地，将第二电光调制器缓慢地进入腐蚀液中，其中，将中间控制层103a的一部分置于腐蚀液中，另一部分部分置于腐蚀液外；置于腐蚀液中的中间控制层103a被去除。在对中间控制层103a进行腐蚀的过程中，同时测量干涉强度。随着中间控制层103a浸入腐蚀液中的长度不断增加，中间控制层103a的长度不断减小，中间控制层103a下的第一波导干涉臂1021中传输的信号光的光程不断变化，使得光波导输出端的相位不断发生变化，从而改变输出光的干涉强度。光波导102输出光的干涉强度到达线性区，即0.5I

本发明中，完全不引入外加电场，避免了对原始电信号的干扰；通过前期的仿真工作可知，以铌酸锂折射率n

在本发明具体实施时，根据情况不同，电光调制器的结构可进行适当调整本实施例对此不做限制。

本申请中，引入控制层控制电光调制器的零点偏置，完全不引入外加电场，避免了对原始电信号的干扰。且区别于一般的通信环境，人体表面的温度恒定，属于静态工作环境，随温度变化导致的零点漂移可以忽略不计，因此设置固定零点偏置，来弥补由于工艺缺陷或材料不均匀造成的零点漂移。

以上对本申请的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本申请的较佳实施例，不能被认为用于限定本申请的实施范围。凡依本申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。