一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器。

背景技术

光通信和光电子技术在现代通信系统、数据中心互连以及许多其他领域中发挥着至关重要的作用。光调制器是这些系统中的关键组件，用于将电信号转换为光信号，或调制光信号以传输信息。铌酸盐材料，如铌酸锂(LiNbO3)，一直以来都是用于制造光调制器的重要材料，因其具有良好的光学和电光特性而备受推崇。传统的铌酸光调制器通常采用平行板电极结构或条纹电极结构，其中电场分布不够均匀，需要较高的电压来实现有效的光调制。这些传统结构在高速通信系统中存在性能瓶颈，包括高功耗、带宽限制和复杂的驱动电路。

为了克服传统光调制器的局限性，近年来，行波电极结构引入了新的思路。现有技术中，有研究人员提出了轨道型的行波电极结构，如图7所示，其基本结构就是在常规的行波电极间增加“T”型结构，这样做可以有效的增加行波电极间的电容，起到延迟射频信号传播的作用，但是在改变其T型结构参数的过程中，电极的寄生参数会协同发生变化，难以达到设计的要求。

因此，针对上述问题，予以进一步改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器，克服上述技术的缺陷，使其具有更多的可调参数，更大的设计优化空间。

为达到以上目的，本发明提供一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器，包括衬底、氧化硅层和铌酸锂薄膜，其中：

所述氧化硅层位于所述衬底的一侧并且所述铌酸锂薄膜位于所述氧化硅层远离所述衬底的一侧，所述铌酸锂薄膜设有若干凸出的脊形波导结构；

所述脊形波导结构包括第一调制臂和第二调制臂，所述第一调制臂和所述第二调制臂远离所述氧化硅层的一侧设置有氧化硅上盖层；

所述氧化硅上盖层远离所述铌酸锂薄膜的一侧设置有GSG行波电极和若干中字形金属电极；所述GSG行波电极包括第一地传输电极、第二地传输电极和设置在所述第一地传输电极和所述第二地传输电极之间的信号传输电极，所述第一地传输电极、所述信号传输电极和所述第二地传输电极之间平行设置；所述中字形金属电极包含若干俯视结构为中字形状的第一金属电极和第二金属电极。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一金属电极排布于所述第一地传输电极和所述信号传输电极之间并且所述第二金属电极排布于所述第二地传输电极和所述信号传输电极之间，其中：

所述第一金属电极包括第一电极组件和第二电极组件，所述第一电极组件从所述第一地传输电极延伸出来并且朝向所述信号传输电极，所述第二电极组件从所述信号传输电极延伸出来并且朝向所述第一地传输电极；所述第一电极组件远离所述第一地传输电极的一端和所述第二电极组件远离所述信号传输电极的一端交错排列；

所述第二金属电极包括第三电极组件和第四电极组件，所述第三电极组件从所述第二地传输电极延伸出来并且朝向所述信号传输电极，所述第四电极组件从所述信号传输电极延伸出来并且朝向所述第二地传输电极；所述第三电极组件远离所述第二地传输电极的一端和所述第四电极组件远离所述信号传输电极的一端交错排列。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一电极组件、所述第二电极组件、所述第三电极组件和所述第四电极组件均设有依次连接的第一分段电极、第二分段电极、第三分段电极和第四分段电极。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，对于第一电极组件，第一电极组件的第一分段电极与所述第一地传输电极连接并且与所述第一地传输电极垂直设置(第一分段电极朝向信号传输电极)，第一电极组件的第二分段电极与所述第一地传输电极平行设置并且朝向第一方向，所述第一电极组件的第三分段电极与所述第一地传输电极垂直设置并且朝向所述信号传输电极，所述第一电极组件的第四分段电极与所述第一地传输电极平行设置并且朝向第二方向(与第一方向相反)；

对于第二电极组件，第二电极组件的第一分段电极与所述信号传输电极连接并且与所述信号传输电极垂直设置(第一分段电极朝向第一地传输电极)，第二电极组件的第二分段电极与所述信号传输电极平行设置并且朝向第二方向，所述第二电极组件的第三分段电极与所述信号传输电极垂直设置并且朝向所述第一地传输电极，所述第二电极组件的第四分段电极与所述信号传输电极平行设置并且朝向第一方向(与第二方向相反)；

所述第一电极组件的第四分段电极和所述第二电极组件的第四分段电极之间相互交错排列。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，对于第三电极组件，第三电极组件的第一分段电极与所述第二地传输电极连接并且与所述第二地传输电极垂直设置(第一分段电极朝向信号传输电极)，第三电极组件的第二分段电极与所述第二地传输电极平行设置并且朝向第二方向，所述第三电极组件的第三分段电极与所述第二地传输电极垂直设置并且朝向所述信号传输电极，所述第三电极组件的第四分段电极与所述第二地传输电极平行设置并且朝向第一方向(与第二方向相反)；

对于第四电极组件，第四电极组件的第一分段电极与所述信号传输电极连接并且与所述信号传输电极垂直设置(第一分段电极朝向第二地传输电极)，第四电极组件的第二分段电极与所述信号传输电极平行设置并且朝向第一方向，所述第四电极组件的第三分段电极与所述信号传输电极垂直设置并且朝向所述第二地传输电极，所述第四电极组件的第四分段电极与所述信号传输电极平行设置并且朝向第二方向(与第一方向相反)；

所述第三电极组件的第四分段电极和所述第四电极组件的第四分段电极之间相互交错排列。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，对于第一金属电极，第一电极组件的第一分段电极的起始位置和第二电极组件的第一分段电极的起始位置位于同一直线；

对于第二金属电极，第三电极组件的第一分段电极的起始位置和第四电极组件的第一分段电极的起始位置位于同一直线。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述第一金属电极和所述第二金属电极规则分布在所述GSG行波电极的传输方向上，所述第一金属电极在所述第一地传输电极和所述信号传输电极之间形成第一周期性电容，所述第二金属电极在所述第二地传输电极和所述信号传输电极之间形成第二周期性电容。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述脊形波导结构位于所述第一金属电极的中间下方或者所述第二金属电极的中间下方。

本发明的有益效果为：

1.周期性分布的中字形金属电极在射频传输方向周期性分布，可以增加微波折射率，更好地与光学速度相匹配。

2.匹配的第四分段电极之间相互交错排列，有效增大地传输电极与信号传输电极之间构成的面积，能够提高行波电极间的电容，相对于具有T型结构的行波电极，可以在很大程度上提高电极的参数设计自由度，使得其可调节范围在现有电极的基础上大幅度提高，行波电极的优化空间更大，更容易实现对电极阻抗和折射率的有效调节，达到预期要求。

3.本发明中地传输电极与信号传输电极之间构成了中字形金属电极，极大的减小了两者之间的间距，且波导置于金属电极的第四分段相互交错排列的正下方，电极与波导之间可以获得强电场与光场的高度重叠，大幅度提升调制器的电光调制效率，且可以避免电流拥挤效果，减小射频传输损耗。

4.本发明中的氧化硅上盖层可以减小金属对波导模式的吸收损耗。

总之，本发明能够有效改善硅基薄膜铌酸锂电光调制器的阻抗匹配、速度匹配、降低射频反射。

附图说明

图1是本发明的一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器的结构示意图。

图2是本发明的一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器的截面示意图。

图3是本发明的一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器的俯视图。

图4是本发明的一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器的射频传输损耗图。

图5是本发明的一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器的端口阻抗图。

图6是本发明的一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器的端口RF折射率图。

图7是现有技术的行波电极的结构示意图。

附图标记包括：100、衬底；200、氧化硅层；300、铌酸锂薄膜；310、脊形波导结构；400、氧化硅上盖层；500、GSG行波电极；510、第一地传输电极；520、第二地传输电极；530、信号传输电极；600、中字形金属电极；610、第一金属电极；611、第一电极组件；6111、第一分段电极；6112、第二分段电极；6113、第三分段电极；6114、第四分段电极；612、第二电极组件；620、第二金属电极；621、第三电极组件；622、第四电极组件。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的衬底等可被视为现有技术。

优选实施例。

本发明公开了一种基于中字形行波电极结构的薄膜铌酸锂光调制器，包括衬底100、氧化硅层200和铌酸锂薄膜300，其中：

所述氧化硅层200位于所述衬底100的一侧并且所述铌酸锂薄膜300位于所述氧化硅层200远离所述衬底100的一侧，所述铌酸锂薄膜300设有若干凸出的脊形波导结构310；

所述脊形波导结构310包括第一调制臂和第二调制臂，所述第一调制臂和所述第二调制臂远离所述氧化硅层200的一侧设置有氧化硅上盖层400；

所述氧化硅上盖层400远离所述铌酸锂薄膜300的一侧设置有GSG行波电极500和若干中字形金属电极600；所述GSG行波电极500包括第一地传输电极510、第二地传输电极520和设置在所述第一地传输电极510和所述第二地传输电极520之间的信号传输电极530，所述第一地传输电极510、所述信号传输电极530和所述第二地传输电极520之间平行设置；所述中字形金属电极600包含若干俯视结构为中字形状的第一金属电极610和第二金属电极620。

具体的是，所述第一金属电极610排布于所述第一地传输电极510和所述信号传输电极530之间并且所述第二金属电极620排布于所述第二地传输电极520和所述信号传输电极530之间，其中：

所述第一金属电极610包括第一电极组件611和第二电极组件612，所述第一电极组件611从所述第一地传输电极510延伸出来并且朝向所述信号传输电极530，所述第二电极组件512从所述信号传输电极530延伸出来并且朝向所述第一地传输电极510；所述第一电极组件611远离所述第一地传输电极510的一端和所述第二电极组件612远离所述信号传输电极530的一端交错排列；

所述第二金属电极620包括第三电极组件621和第四电极组件622，所述第三电极组件621从所述第二地传输电极520延伸出来并且朝向所述信号传输电极530，所述第四电极组件522从所述信号传输电极530延伸出来并且朝向所述第二地传输电极520；所述第三电极组件621远离所述第二地传输电极520的一端和所述第四电极组件622远离所述信号传输电极530的一端交错排列。

更具体的是，所述第一电极组件611、所述第二电极组件612、所述第三电极组件621和所述第四电极组件622均设有依次连接的第一分段电极6111、第二分段电极6112、第三分段电极6113和第四分段电极6114。

进一步的是，对于第一电极组件611，第一电极组件611的第一分段电极与所述第一地传输电极510连接并且与所述第一地传输电极510垂直设置(第一分段电极朝向信号传输电极530)，第一电极组件611的第二分段电极与所述第一地传输电极510平行设置并且朝向第一方向，所述第一电极组件611的第三分段电极与所述第一地传输电极510垂直设置并且朝向所述信号传输电极530，所述第一电极组件611的第四分段电极与所述第一地传输电极510平行设置并且朝向第二方向(与第一方向相反)；

对于第二电极组件612，第二电极组件612的第一分段电极与所述信号传输电极530连接并且与所述信号传输电极530垂直设置(第一分段电极朝向第一地传输电极510)，第二电极组件612的第二分段电极与所述信号传输电极530平行设置并且朝向第二方向，所述第二电极组件612的第三分段电极与所述信号传输电极530垂直设置并且朝向所述第一地传输电极510，所述第二电极组件612的第四分段电极与所述信号传输电极530平行设置并且朝向第一方向(与第二方向相反)；

所述第一电极组件611的第四分段电极和所述第二电极组件612的第四分段电极之间相互交错排列。

更进一步的是，对于第三电极组件621，第三电极组件621的第一分段电极与所述第二地传输电极520连接并且与所述第二地传输电极520垂直设置(第一分段电极朝向信号传输电极530)，第三电极组件621的第二分段电极与所述第二地传输电极520平行设置并且朝向第二方向，所述第三电极组件621的第三分段电极与所述第二地传输电极520垂直设置并且朝向所述信号传输电极530，所述第三电极组件621的第四分段电极与所述第二地传输电极520平行设置并且朝向第一方向(与第二方向相反)；

对于第四电极组件622，第四电极组件622的第一分段电极与所述信号传输电极530连接并且与所述信号传输电极530垂直设置(第一分段电极朝向第二地传输电极520)，第四电极组件622的第二分段电极与所述信号传输电极530平行设置并且朝向第一方向，所述第四电极组件622的第三分段电极与所述信号传输电极530垂直设置并且朝向所述第二地传输电极520，所述第四电极组件622的第四分段电极与所述信号传输电极530平行设置并且朝向第二方向(与第一方向相反)；

所述第三电极组件621的第四分段电极和所述第四电极组件622的第四分段电极之间相互交错排列。

优选地，对于第一金属电极610，第一电极组件611的第一分段电极的起始位置和第二电极组件612的第一分段电极的起始位置位于同一直线；

对于第二金属电极620，第三电极组件621的第一分段电极的起始位置和第四电极组件622的第一分段电极的起始位置位于同一直线。

优选地，所述第一金属电极和所述第二金属电极规则分布在所述GSG行波电极的传输方向上，所述第一金属电极在所述第一地传输电极510和所述信号传输电极530之间形成第一周期性电容，所述第二金属电极在所述第二地传输电极520和所述信号传输电极530之间形成第二周期性电容(相对于地传输电极与信号传输电极组合的常规行波电极结构，电容结构的面积更大，可调节的结构参数更多。此处可调节的结构参数可理解为信号传输电极与地传输电极的四段分段电极的长度和宽度尺寸、电极之间的间距等参数)。

优选地，所述脊形波导结构310位于所述第一金属电极610的中间下方或者所述第二金属电极620的中间下方。

优选地，相互交错的第四分段电极之间的间隙为5μm。

图7所示为现有的行波电极结构，在行波电极之间增加T型结构，这样可增加行波电极间的电容，但是在改变T型结构参数的过程中，电极的寄生参数会协同发生变化，难以达到设计的要求。如图2所示的本发明的行波电极结构，相对于具有T型结构的行波电极，信号传输电极与地传输电极之间的第一分段电极至第四分段电极相互交错排列，可具有更大的电容构成面积，同时可调节的结构参数更多，增加设计的自由度，行波电极优化空间更大，使行波电极的性能更容易达到预期要求。

该薄膜铌酸锂调制器中，周期性的俯视结构中字形的金属电极规则分布在行波电极传输方向，在信号传输电极和地传输电极之间形成周期性电容，这些成对的小电容周期性排布在GSG行波电极间隙中，减慢了微波速度，形成慢波效果，可以增加微波折射率，从而可以调整微波折射率来匹配光学折射率。

此外，中字形金属电极之间的间隙非常小，因此中字形金属电极与波导之间可以获得强电场与光场的高度重叠，大幅度提升调制器的电光调制效率，且可以避免电流拥挤效果，减小射频传输损耗。氧化硅薄盖层还可以减小金属对波导模式的吸收损耗。

该薄膜铌酸锂调制器中，衬底为硅，氧化硅夹层厚度为2μm，铌酸锂薄膜厚度为0.3μm，脊形波导结构厚度为0.3μm，氧化硅上盖层厚度为400nm，信号传输电极厚度为800nm，地传输电极厚度为800nm，中字形状的金属电极厚度为800nm，周期距离为50μm(即行波电极传输方向上相邻两个中字形状的金属电极的中心距离)。

使用HFSS软件对该薄膜铌酸锂调制器进行建模仿真，计算中字形金属电极辅助的薄膜铌酸锂调制器的射频传输损耗、射频折射率和端口阻抗等参数。通过仿真计算，加载了中字形金属电极的薄膜铌酸锂调制器可以实现微波和光折射率匹配的同时，还具有接近50Ω的端口阻抗，如图4-6所示。

综上所述，本发明提出了一种基于中字形金属电极结构的薄膜铌酸锂调制器，该调制器电极结构主要包含常规行波电极部分和中字形金属电极部分，可以在实现折射率匹配的同时，实现更优的阻抗匹配，更低的射频损耗。

基于上述本发明的设计和运行原理，本领域技术人员完全能够理解，上述具体实施方式仅仅只是举例说明，并未对调制器结构、周期个数、中字形的长度、宽度等参数结构做具体限定。

本发明中所谓的“周期”指的是中字形的金属电极在行波电极传输方向上重复性设置，每重复一次即增加一个周期。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的衬底等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。