一种异质集成型的薄膜铌酸锂电光调制器

技术领域

本发明属于光通信器件领域和光波导器件领域，特别涉及一种电光调制器。

背景技术

光通信技术为信息社会的构建提供了强大的技术支撑，而光波导器件则是实现光通信技术的必不可少的核心元器件，多年来，不同功能的光波导器件为光通信向更大容量、更加灵活、以及更加可靠的技术演进起着至关重要的作用。

电光调制器是一种将电信号加载到光载波上进行信号传输的关键器件，对光交换、波束整形、数据通信、测距及射频光子学等领域的发展至关重要。

基于硅光子平台的集成电光调制器因具备较好的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容性及较高的器件集成度，成为了调制器研究及应用的重要平台。

然而，由于硅材料缺乏线性电光效应，无法直接实现电光调制，往往采用掺杂的方式利用载流子色散效应实现电光调制，但是这种方式存在调制速率慢、损耗高、非线性调制等问题。相比之下，铌酸锂晶体因透明窗口宽(从400nm至5μm)、电光系数高、压电与弹光性能优异，以及物理化学性质稳定的特性，被认为是研制电光调制器的理想材料，也是目前商业化应用最广泛的调制器材料。但是，较大的铌酸锂调制器体积很难与其它器件进行集成，也阻碍了集成电光调制器的发展。

近来，单晶铌酸锂薄膜(TFLN)被成功制备并商用，其在继承铌酸锂优异特性的基础上，借助较高的材料折射率差可将光场限制于微米级薄膜铌酸锂光波导中，可实现高速、宽带、低功耗电光调制器的单片集成。目前基于薄膜铌酸锂晶圆的调制器主要采用平面型马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构，该平面型结构将包括干涉仪的两个臂在内的整个调制器都布置于同一个平面上。这样的好处是调制器的波导部分的制作只需单次的光刻与刻蚀，但这样的平面型结构一方面会导致调制器占地面积大，另一方面在实现折叠型MZI干涉仪时，两个波导臂往往需要交叉，导致波导损耗增大。

发明内容

为解决上述器件占地面积大于损耗增加的问题，本发明提出一种异质集成的薄膜铌酸锂电光调制器，通过选择不同的铌酸锂波导以及氮化硅波导尺寸来实现一个紧凑、高效的垂直定向耦合结构，并基于该结构实现一个垂直的MZI型电光调制器。

本发明采用的技术方案为：一种异质集成的薄膜铌酸锂电光调制器，包括两个垂直定向耦合器，两个解耦合区域，调制区域；

所述垂直定向耦合器由下层的铌酸锂波导以及上层的条形氮化硅波导构成，中间用二氧化硅层隔离，两个垂直定向耦合器完全相同，但根据光传播方向分别作为输入端3dB耦合器、输出端3dB耦合器，其中输入端3dB耦合器将来自铌酸锂波导的输入光信号均等地分配到铌酸锂波导与氮化硅波导，输出端3dB耦合器用于实现来自铌酸锂波导与氮化硅波导的光信号的干涉，从而实现光功率在铌酸锂波导与氮化硅波导中的再分配；

所述解耦合区域由S形铌酸锂弯曲波导与氮化硅直波导构成，两个解耦合区域的波导结构完全相同，但根据光传播方向分别位于输入端解耦合区域与输出端解耦合区域；输入端解耦合区域位于输入端3dB耦合器与调制区域之间，并且沿光传播方向S形铌酸锂弯曲波导与氮化硅直波导间距逐渐增大，其作用是终止铌酸锂波导与氮化硅波导间的光耦合，从而确保3dB耦合器的铌酸锂波导与氮化硅波导输出的光波功率比为1:1；输出端解耦合区域位于调制区域与输出端3dB耦合器之间，并且沿光传播方向S形铌酸锂弯曲波导与氮化硅直波导间距逐渐减小，其作用是引导光波传输进入输出端3dB耦合器，从而实现光波在输出端3dB耦合器中的再耦合；

通过控制施加到调制区域上的调制电信号，实现对输出光的强度调制。

所述调制区域由垂直堆叠的氮化硅波导与铌酸锂波导构成，其中铌酸锂波导两侧布置有高速行波调制电极，当调制电信号被施加到所述行波调制电极后，所述铌酸锂波导中的基模光波的相位将随调制电信号的强度的变化而变化，从而实现相位调制。

氮化硅波导与铌酸锂波导结构可以通过电感耦合等离子体或其它波导加工工艺分别刻蚀氮化硅薄膜与铌酸锂薄膜得到。

通过选择不同的铌酸锂以及氮化硅波导尺寸来实现一个高效的垂直定向耦合结构。

本发明的有益效果：本发明提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器。调制波导采用铌酸锂波导，并且通过沉积的方式在铌酸锂波导上沉积一层二氧化硅，然后在二氧化硅层上沉积一层氮化硅，随后将顶层的氮化硅刻蚀出所需的图案；同时调制电极采用G-S-G(Ground-Signal-Ground,G-S-G)的方式进行设计，调制电极与铌酸锂薄膜之间有二氧化硅层，这有利于高速行波调制时降低微波损耗。本发明的电光调制器具有以下优点：

1、利用了垂直定向耦合器实现了铌酸锂与氮化硅的异质集成；

2、以波导堆叠的方式在垂直方向上实现MZI型电光调制器，每层波导层仅有一根波导，通过垂直集成避免了传统的平面型铌酸锂电光调制器占地面积较大的缺点，同时有利于实现调制器的级联。

3、该器件的波导尺寸均大于1μm，并且波导结构也较为简单易于制作，对制作工艺的要求相对较低，所需设备简单。

附图说明

图1为本发明中一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器的三维结构示意图。

图2为本发明中一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器的基本结构侧视图。

图3为本发明中一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器的定向耦合区截面图。

图4为本发明中一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器的调制区域截面图。

图5为本发明中1.55μm波长下定向耦合器中的能量传输特性。

图6为本发明中在1.55μm波长下定向耦合区域的长度满足构成一个3dB耦合器时的长度时的能量传输特性。

附图标记说明：1为衬底，2为掩埋层，3为铌酸锂波导，4为二氧化硅包层，5高速行波调制电极，6为氮化硅波导，7为3dB定向耦合器，8为S形铌酸锂弯曲波导，9为调制区域。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-6对本发明内容进一步阐释：

图1所示为本发明所提出的一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器的三维结构示意图，图2为图1中三维结构的侧视图。本发明的电光调制器的工作原理为：在输入端，光纤对准铌酸锂波导3的端面，激发出的基模光信号传输到如图3所示的输入端3dB定向耦合器7时，由于满足耦合条件，光波能量被逐渐耦合到氮化硅波导6中，经过一定传输距离后，铌酸锂波导3与氮化硅波导6当中的光波能量之比为1：1；随后，光波传输进入解耦合区域，在此区域铌酸锂波导3中的光波传输到达输入端S形弯曲波导8，而氮化硅波导6中的光波继续沿直波导传输，由于S形铌酸锂弯曲波导8与氮化硅波导6的间距逐步增大，模式耦合停止；之后，铌酸锂波导3与氮化硅波导6中的光波能量之比将保持为1：1并继续传播到达铌酸锂波导3以及氮化硅波导6共同构成的调制区域9当中，在如图4所示的调制区域，铌酸锂波导3中的光波将会被施加到高速行波调制电极5上的电信号调制相位；经过一定长度的调制后，铌酸锂波导3与氮化硅波导6中的光波经输出端解耦合区域传输到达由铌酸锂波导3与氮化硅波导6构成的输出端3dB定向耦合器7，在该耦合器中来自铌酸锂波导3与氮化硅波导6的光波发生干涉，干涉后铌酸锂波导3与氮化硅波导6输出的光波的强度将由施加到行波调制电极5上的电信号的强度决定，从而实现了强度调制。上述分析表明通过控制施加到高速行波调制电极5上的调制电信号，本发明就可以对输出光进行强度调制。

本发明以1.55μm波长的光为例，根据所设计的器件结构及选取的铌酸锂折射率2.1381，氮化硅折射率1.9963，二氧化硅折射率1.4442，计算出合适的参数，包括铌酸锂波导3的厚度为0.3微米、波导宽度为1.3微米、刻蚀深度为0.15微米，氮化硅波导6宽度为2.9微米、高度为0.45微米，定向耦合区域长度为463微米，二氧化硅层4的厚度为1.5微米；最后通过BPM软件计算了光信号在定向耦合区域以及3dB定向耦合器7中的传输特性，其结果如图5与6所示。其中图5显示了一个耦合长度内，铌酸锂波导3的TE基模和氮化硅波导6的TE基模在工作波长为1.55μm式时传输特性，在这里本发明将两波导设计为略微欠耦合的状态，这样本发明可以实现一个制作容差更大的3dB定向耦合器7。图6显示了所设计的3dB定向耦合器的能量传输特性，在铌酸锂波导3当中的光能量被设计为略高于氮化硅波导6当中的能量，这是考虑到铌酸锂波导3的损耗略高于氮化硅波导6。

图5、6中的Pathway Monitor表示通路监测器，Power表示能量，Monitor Value表示监视值。

所提出的电光调制器是在铌酸锂上先制作出所需要的波导结构，随后将高速行波调制电极制作于铌酸锂波导的两侧，当电极制作完成后沉积一层二氧化硅，再沉积一层氮化硅薄膜并在氮化硅上制作出所需要的波导结构。通过这种方式将铌酸锂波导和氮化硅波导隔离并构成一个垂直的定向耦合器结构。与此同时，本发明在铌酸锂波导上设计了S形弯曲波导8来实现铌酸锂波导3以及氮化硅波导6之间的耦合/解耦合。光从铌酸锂波导3输入，经过一个垂直方向上的3dB定向耦合器7光波能量分布在铌酸锂波导3以及氮化硅波导6当中，最后再通过一个3dB定向耦合器7进行输出，这样就在垂直方向上构建了一个非对称的MZI结构。此外，本发明将定向耦合区域设计为略微的欠耦合状态，这样可以获得更大的制作容差。所发明的电光调制器的关键结构尺寸均大于1微米，可采用普通的光刻机制作，从而大大降低器件的制作难度，具有对设备要求低，工艺简单，工艺容差大，参数易于控制的优点。

综上，本发明提出了一种异质集成的高速薄膜铌酸锂电光调制器，该发明采用垂直堆叠的铌酸锂波导与氮化硅波导构成MZI的两个臂，可以在确保调制器性能的前提下，减小器件占地面积，并且由于每一波导层只有一根波导，因此有利于调制器与其它波导器件的集成，也降低了对调制器制作设备的要求，从而降低了器件的制作成本，具有很好的实际应用价值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。