一种基于布拉格相移光栅的电光调制器的制作方法

本发明涉及集成光学技术领域，特别是涉及一种基于布拉格相移光栅的电光调制器。

背景技术：

现今的社会已经逐渐步入大数据时代，电互连技术的局限性已经体现地越来越明显，光互连技术取代电互连技术是通信产业发展的一个必然趋势。电光调制器以其良好的特性，在光互连领域中起到至关重要的作用。

电光调制器是指当一定的电压加载于器件上时，会引起器件中电光晶体特性变化而制成的光学器件。在电光调制器的结构方面，现在最为普遍研究和应用的电光调制器主要为两类：M-Z调制器和微环调制器。M-Z调制器是利用Y型光波导将入射光分为分裂成两束准直光束后，在其中一段光波导两端加载电压，从而导致通过该路径的光波发生相位、振幅、强度以及偏振状态的变化，再经Y型光波导对两束准直光束进行汇聚，实现对光信号的调制。尽管M-Z调制器具有非常简单的制造工艺并且拥有较大的光学带宽，但是插损大、功耗高、结构小型化困难等缺点使其难以成为优秀的电光调制器。相对于M-Z调制器来说，微环调制器具有尺寸小、功耗低、可以兼容CMOS器件等优点，逐渐成为人们关注的焦点。然而若要研制出一种高效、稳定的微环调制器，对工艺和温度的要求极为苛刻，从而导致制造成本的增加，难以大规模地生产利用。

随着通信技术的发展，布拉格相移光栅作为同样可以传输光信号的调制器，具有非常优秀的传输特性和极高的频谱利用率。而光电有机聚合物相对于无机材料具有非线性系数高、介电常数低、易加工处理、兼容于现有集成工艺等优点。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于布拉格相移光栅的电光调制器。这种电光调制器结构尺寸小、传输损耗低、调制效率高，另外还具有工艺简单，易集成于CMOS集成电路的特点。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于布拉格相移光栅的电光调制器，包括基底层、下波导层和上波导层，所述下波导层和上波导层顺序叠接在基底层的上表面上，所述上波导层的顶部设有等周期的布拉格光栅，布拉格光栅的中间位置设有相移结构，相移结构将布拉格光栅分成大小相同的2个光栅结构，所述基底层的宽度尺寸要大于下波导层的宽度尺寸、上波导层的宽度尺寸，基底层的上表面还设有电极。

所述基底层为金属银。

所述下波导层为低折射率的光电聚合物。

所述上波导层为高折射率的硅。

所述布拉格光栅的周期单元为凹凸状的对称矩形结构，并且周期单元中凹槽部分与凸起部分宽度相同，利用电子束曝光的光刻技术形成布拉格光栅根据布拉格条件，具体公式如下：

其中，Λ表示的是周期单元长度，λ_c表示的是中心波长，n_eff1和n_eff2分别表示的是光栅凹槽部分和凸起部分所在位置的光栅折射率。

所述电极为两个金属电极，两个金属电极分别设置于基底层上表面上的下波导层和上波导层的组合体的两侧，两个金属电极的工作电压根据实际需求的不同而变化，通常为±4.5V-±7.5V。

所述下波导层和上波导层的宽度均为200nm，以保证单TM模式的光波可以通过整个结构，光波由两个波导层的一端输入器件，经过能量的震荡耦合，透射光信号由两个波导层的另一端输出，反射光信号从光的输入端同端输出。

所述相移结构根据如下公式得出具体长度：

Λ_p＝λ_c/(n_eff2)

其中，Λ_p表示的是相移结构长度，λ_c表示的是中心波长，n_eff2表示的是光栅凸起部分所在位置的光栅折射率，相移结构的设计是为了在传输光谱中所需的特定波长具有更窄的带宽，保证极高的频谱利用率和稳定、高效地光信号传输。

所述基底层的金属银可以将入射光限制在基底层和下波导层的界面处，产生表面等离激元，利用光电聚合物、硅两种材料之间形成的高折射率对比度，可以使能量基本被压缩在下波导层内，突破衍射极限，形成一个仅有几十纳米的光场限制区域，这样，利用表面等离激元技术的布拉格相移光栅电光调制器不仅提供了更高的传输效率，而且大大缩小了整个器件的尺寸。

根据衍射区域面积公式，具体公式如下：

A_eff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，A_eff表示的是衍射区域面积,W(r)表示的是电磁能量密度，ε(r)表示的相对介电常数，μ₀表示的是真空磁导率，E(r)和H(r)表示的是波导光栅的电场和磁场强度。

当所述电极未通电时，光波进入器件后并且传输至所述相移结构时，会产生连续不断地震荡耦合，最终特定波长下的光信号可以穿过整个器件，并对输出的光信号读为“1”；当所述电极加载一定电压时，下波导层中的光电聚合物的折射率会发生改变，从而使整个光栅的有效折射率发生变化，原本在特定波长下可以通过整个器件的光信号将不再被允许传输，对未输出的光信号读为“0”。通过对电压的改变，该调制器形成了一种开关相移键控(OOK)的调制方式，能够应用于高通信容量的通信系统中。

这种电光调制器通过将光电有机聚合物与布拉格相移光栅相结合，可以实现对光信号快速、稳定、高效地调制，对推动电光调制器的发展具有重大意义。

这种电光调制器结构尺寸小、传输损耗低、调制效率高，另外还具有工艺简单，易集成于CMOS集成电路的特点。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例结构的侧视图；

图3为中心波长为1550nm的传输光谱图。

图中，1.基底层 2.下波导层 3.上波导层 4.布拉格光栅 5.相移结构 6.电极 I.光波输入端 O₁.透射光波输出端 O₂.反射光波输出端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步的详细说明，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1、图2，一种基于布拉格相移光栅的电光调制器，包括基底层1、下波导层2和上波导层3，所述下波导层2和上波导层3顺序叠接在基底层1的上表面上，所述上波导层3的顶部设有等周期的布拉格光栅4，布拉格光栅4的中间位置设有相移结构5，相移结构5将布拉格光栅4分成大小相同的2个光栅结构，所述基底层1的宽度尺寸要大于下波导层2的宽度尺寸、上波导层3的宽度尺寸，基底层1的上表面还设有电极6。

所述基底层1为金属银，本例中为折射率0.1453+11.3587i的金属银，宽度为2000nm。

所述下波导层2为低折射率的光电聚合物，本例中下波导层2为厚度为30nm的电光晶体材料构成，在无加载电压下，其折射率为1.65，在5V加载电压下，其折射率为1.62。

所述上波导层3为高折射率的硅，本例为厚度为250nm的电介质硅构成，折射率为3.455。

所述布拉格光栅4的周期单元为凹凸状的对称矩形结构，并且周期单元中凹槽部分与凸起部分宽度相同，利用电子束曝光的光刻技术形成布拉格光栅4根据布拉格条件，具体公式如下：

其中，Λ表示的是周期单元长度，λ_c表示的是中心波长，n_eff1和n_eff2分别表示的是光栅凹槽部分和凸起部分所在位置的光栅折射率。

所述电极6为两个金属电极，两个金属电极分别设置于基底层1上表面上的下波导层2和上波导层3的组合体的两侧，两个金属电极的工作电压根据实际需求的不同而变化，通常为±4.5V-±7.5V。

所述下波导层2和上波导层3的宽度均为200nm，以保证单TM模式的光波可以通过整个结构，本例中，光波从光波输入端I射入器件，经过能量的震荡耦合，透射光波由透射光波输出端O₁输出，反射光波由反射光波输出端O₂输出。

所述相移结构5根据如下公式得出具体长度：

Λ_p＝λ_c/(n_eff2)

其中，Λ_p表示的是相移结构长度，λ_c表示的是中心波长，n_eff2表示的是光栅凸起部分所在位置的光栅折射率，相移结构的设计是为了在传输光谱中所需的特定波长具有更窄的带宽，保证极高的频谱利用率和稳定、高效地光信号传输。

本例中根据布拉格光栅的相位匹配条件和相移结构长度公式，可以得到光栅的周期单元长度为402.4nm，相移结构的长度为194.4nm，以40个周期单元作为该实施例的周期单元个数，布拉格光栅的总长度为16.5μm，凹槽部分的深度设置为40nm。

所述基底层1的金属银可以将入射光限制在基底层1和下波导层2的界面处，产生表面等离激元，利用光电聚合物和硅两种材料之间形成的高折射率对比度，可以使能量基本被压缩在下波导层2内，突破衍射极限，形成一个仅有几十纳米的光场限制区域，这样，利用表面等离激元技术的布拉格相移光栅电光调制器不仅提供了更高的传输效率，而且大大缩小了整个器件的尺寸。

根据衍射区域面积公式，具体公式如下：

A_eff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，A_eff表示的是衍射区域面积,W(r)表示的是电磁能量密度，ε(r)表示的相对介电常数，μ₀表示的是真空磁导率，E(r)和H(r)表示的是波导光栅的电场和磁场强度。

如图3所示，当工作电压未加载于电极6两端时，光信号在1550nm波长下的传输率可以达到60％，说明此时光信号可以通过整个器件，并由O₁端输出，读为“1”；当一个5V的工作电压加载于电极6两端时，光信号在1550nm波长下的传输率仅有18％，说明此时光信号不被允许通过整个器件，读为“0”；通过周期性地控制工作电压，就形成了一种开关相移键控(OOK)的调制方式；此外，从图3中可以发现，在1550nm的波段内，该传输光谱具有8nm的半波全高宽(FWHM)。

上述优选的具体实施例，说明这种基于布拉格相移光栅的电光调制器对光信号可以实现快速、稳定、高效地调制，而且尺寸小、损耗低、工艺简单、易于集成，适合大规模生产并应用于高密度的CMOS集成工艺中。