一种基于压电薄膜的硅波导声光调制器件

技术领域

本发明属于集成光学技术领域，更具体地，涉及一种基于压电薄膜的硅波导声光调制器件。

背景技术

近些年来，硅基光子学在集成无源光器件上展现了极大的优势，并且有望成为集有源与无源光器件于一体的单片集成光芯片平台，吸引了国内外科研人员的广泛关注。随着硅基光子学的研究范围逐渐扩展，硅波导中光场与声场相互作用也同样掀起了一股研究热潮，波导材料的折射率在声场的作用下受到扰动，进而影响到波导光场模式的有效折射率，从而实现了将声场携带的信息加载在光场上，在微波光子学和全光信号处理等领域具有广阔的应用前景。

实现硅波导中光场与声场相互作用的传统方式是通过注入较强的泵浦光，使波导内部的强光场由于电致伸缩和光弹性效应而产生自激发声场，但是这种自激发的声场比较微弱且会从硅波导中泄露到下方的二氧化硅埋氧层，因此常常需要设计悬空硅波导结构或者光机械腔来将声场限制在波导中，而且还需要设计很长的声光相互作用区域才能观测到比较明显的声光相互作用现象。这种悬空波导结构以及较长的声光相互作用区域十分不利于波导的大规模集成，极大地限制了其应用前景。

压电薄膜能够在施加电场的作用下激励声场，激励的声场强度与电场的强度有关，并且其激励的声场强度比光场自激发的声场强度要强得多。由于硅材料不具备压电特性，要想实现利用施加电场在硅波导中激励声场则需要在硅波导上生长一层压电薄膜，通过压电薄膜在电场作用下产生声场后再传导至硅波导中，进而实现硅波导中的声光相互作用。然而，由于硅材料通常与压电材料的晶格失配较大，直接在硅波导上生长压电薄膜不仅会使生长的压电薄膜晶体质量劣化，还会引入更大的波导侧壁散射损耗导致硅波导中的光传输损耗增加。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于压电薄膜的硅波导声光调制器件，通过在硅波导和压电薄膜之间引入缓冲层，将光场模式限制在硅波导和缓冲层中，并且缓冲层的引入有助于提升压电薄膜的晶体生长质量，解决了硅波导声光调制器件中硅波导中光传输损耗较大和压电薄膜的晶体生长质量劣化的问题。此外，本发明还优选通过调控缓冲层的材料及厚度、压电薄膜的材料及厚度和叉指换能器的结构及倾角，进一步实现对光场和声场的独立调控，保障硅波导声光调制器件的性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于压电薄膜的硅波导声光调制器件，从下至上依次包括硅衬底、埋氧层、硅波导层、缓冲层、压电薄膜和叉指换能器；其中，硅波导层包含总线波导、第一分支波导和第二分支波导，均为脊波导，总线波导与第一分支波导、第二分支波导相互耦合，用于将不同的光场模式在总线波导中复用或从总线波导中解复用；叉指换能器用于在外加电信号的驱动下，使压电薄膜内部形成周期性的电场，通过压电效应而激励起声场，激励的声场经由缓冲层传导至硅波导层中，最终在硅波导层中的总线波导实现光场和声场的相互作用。

作为本发明的进一步优选，所述硅波导层的材料折射率大于埋氧层和缓冲层，其中总线波导为多模波导，横截面总厚度为200纳米至1000纳米，脊宽为800纳米至2000纳米。

作为本发明的进一步优选，所述硅波导层中的第一分支波导和第二分支波导的结构是一致的，分别设置在输入和输出端口；总线波导和第一分支波导、第二分支波导组成非对称定向耦合器，第一分支波导、第二分支波导的基模有效折射率等于总线波导中的某一高阶模式有效折射率，耦合区间隙为100纳米至1000纳米，耦合区长度为5微米至100微米。

作为本发明的进一步优选，所述缓冲层选用的材料为氮化硅或者二氧化硅，厚度为100纳米以上。

作为本发明的进一步优选，所述压电薄膜选用的材料为铝钪氮，厚度为100纳米以上。

作为本发明的进一步优选，所述叉指换能器选用的金属材料为金、铜或者铝，厚度为50纳米至1000纳米，输出孔径为100微米以上，周期长度等于总线波导的脊宽，周期数目为2个以上。

作为本发明的进一步优选，所述叉指换能器与硅波导层中的总线波导形成预设夹角，夹角的大小是由输入至总线波导中的探测光与声光调制后的边带光的纵向传播常数之差决定，用于补偿声光调制过程中不同光场模式导致的波矢失配量。

作为本发明的进一步优选，在所述叉指换能器和压电薄膜激励的声场模式中选择声表面波，将声波的能量集中在数个声波波长的厚度范围内，用于在硅波导层中最大化地利用声波能量。

作为本发明的进一步优选，所述叉指换能器中还包含一个断路金属栅作为声表面波反射器，用于将后向传输的声表面波反射到前向。

本发明在非压电的硅材料上方生长一层压电薄膜，在硅波导和压电薄膜之间引入缓冲层，经过高温退火和化学机械抛光工艺，既可以减小硅波导的光传输损耗，又可以为压电薄膜提供更好的晶体生长平台。本发明提供的硅波导声光调制器件通过电驱动激励强声场，能够实现对声场和光场的独立调控，能够在低光功率情况下实现较强的声光相互作用，获得较好的声光调制效果。

附图说明

图1为本发明提供的硅波导声光调制器件结构的三维模型图。

图2为本发明提供的硅波导声光调制器件结构的硅波导层局部图。

图3为本发明实施例的模间声光调制示意图。

图4为本发明实施例的模间声光调制波矢匹配图。

图中各附图标记的含义如下：1-硅衬底、2-埋氧层、3-硅波导层、4-缓冲层、5-压电薄膜、6-叉指换能器、7-总线波导、8-第一分支波导、9-第二分支波导。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

实施例

本发明提供的硅波导声光调制器件，其三维结构图如图1所示，包括硅衬底1、埋氧层2、硅波导层3、缓冲层4、压电薄膜5和叉指换能器6；其中，硅波导层3的局部图如图2所示，包含总线波导7、第一分支波导8和第二分支波导9。硅波导层的材料折射率大于埋氧层和缓冲层，将光场模式限制在硅波导中，缓冲层不仅能够保护硅波导的侧壁而减小光传输损耗，而且经过高温退火和化学机械抛光之后的光滑平面为压电薄膜提供了更有利的生长环境。

在外加电信号的驱动下，叉指换能器的周期性结构能够在压电薄膜中形成周期性的电场，进而通过压电效应激励起声场，激励的声场随后经缓冲层传导至硅波导层中，最终在硅波导层的总线波导中实现声光调制，并通过非对称定向耦合器对不同光场模式的探测光和边带光进行复用或解复用。在声场模式的激励选择中，声表面波的能量集中在厚度为几个波长之内的芯片表面，能够有效地利用声场能量在硅波导层中进行声光调制，减少声场能量往底部衬底的泄露。

本实施例中，参与声光调制的探测光与边带光处于不同的光场模式，即探测光为基模(TE

本实施例中，在预设光波长为1550纳米处，硅波导层的材料折射率为3.48，而二氧化硅埋氧层的材料折射率为1.45，以及氮化硅缓冲层的材料折射率为1.96，因此光场模式可以牢牢地限制在硅波导中。总线波导、第一分支波导和第二分支波导的截面总厚度均为220纳米，刻蚀深度均为70纳米，脊宽分别为1500纳米、580纳米和580纳米。总线波导中一阶模和第一分支波导、第二分支波导中基模的有效折射率均为2.752，耦合区间隙为300纳米，耦合区长度为18微米。此外，总线波导中基模的有效折射率为2.845，因此基模与一阶模的纵向传播常数之差为389557m

本实施例中，叉指换能器和断路金属栅的材料均为金，厚度均为100纳米，周期长度均为1500纳米，周期数目分别为100和50，输出孔径为300微米，与总线波导的预设夹角为5.30度。当叉指换能器的射频信号驱动频率为3.05GHz或3.38GHz附近时，能够激励起较强的声表面波，在硅波导中产生较强的应变，获得较好的声光调制效果。

本发明中压电薄膜的材料不限于铝钪氮，还可以是氮化铝或者锆钛酸铅等材料，只要对硅波导中的光场没有不利影响的材料均可使用。本发明中缓冲层的材料也不限于氮化硅，还可以是其它能够与硅波导贴合生长的材料，若能够为压电薄膜提供更好的生长环境则为最佳。通过调整缓冲层和压电薄膜的厚度可以获得最佳的机电耦合系数，使射频能量尽可能地转换成声波能量，并且让声波能量尽可能地集中在硅波导中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。