基于铌酸锂单晶薄膜的宽带行波电光调制器的制作方法

本发明设计一种宽带电光调制器，特别是涉及基于铌酸锂单晶薄膜的宽带行波电光调制器。

背景技术：

目前，铌酸锂宽带电光调制器已在光纤通信、光载微波或毫米波通信等工程领域得到广泛应用，目前常采用共面行波电极结构以实现高工作带宽。然而铌酸锂体材料较高的介电常数，使得微波信号的折射率远大于光波的折射率(即折射率失配)以及行波电极的特征阻抗远小于终端负载的特征阻抗(即阻抗失配)，导致了铌酸锂电光调制器工作带宽的下降。因此，为了提高铌酸锂电光调制器的调制带宽，当前较为常见的技术方案多采用增加缓冲层厚度、增加金属电极厚度、制作铌酸锂脊波导等，以提高微波与光波的折射率匹配以及行波电极与终端负载的阻抗匹配。

然而，上述提高铌酸锂电光调制器调制器带宽的主要技术方案存在以下问题：

首先，增加缓冲层厚度虽然可以降低微波折射率、提高行波电极阻抗，可较好地实现折射率匹配与阻抗匹配，但缓冲层的增厚也增加了电光调制器的半波电压，且带来了调制器工作点漂移的问题；

其次，增加金属电极厚度，虽然可以降低微波折射率和导体损耗，有利于提升电光调制器的调制带宽，但金属电极厚度的增加却降低了行波电极的特征阻抗，对电光调制器的调制带宽的提升造成了不利的影响；

再次，采用铌酸锂脊波导结构虽然具有可同时提高折射率匹配与阻抗匹配，以及降低器件半波电压等优势，但采用湿法腐蚀或是干法刻蚀的方法制作的铌酸锂脊波导损耗较高，且生产成本较高。

综上所述，采用增加缓冲层厚度或增加金属电极厚度以提高铌酸锂电光调制器调制带宽的技术方案存在着折射率匹配、阻抗匹配与低半波电压难以同时实现的问题，而采用铌酸锂脊波导结构随可解决该问题，但却增大的器件损耗，且生产成本高。

技术实现要素：

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于铌酸锂薄膜的宽带行波电光调制 器，其创新在于：所述电光调制器的铌酸锂体材料由铌酸锂薄膜代替，所述铌酸锂薄膜具有单晶结构且厚度在4至10微米，所述铌酸锂薄膜采用具有低介电常数的石英作为基底晶片。

本发明的原理是：铌酸锂电光调制器常采用共面行波电极结构以实现高调制带宽，而共面行波电极结构需满足微波与光波的折射率匹配以及行波电极与终端负载的阻抗匹配方可实现高调制带宽。因此，本发明从铌酸锂材料及其结构这一角度出发，提出一种可同时实现折射率匹配、阻抗匹配与低半波电压的方法，且无需制备复杂的铌酸锂脊波导结构。

由于铌酸锂的介电常数较高，因此在铌酸锂体材料中传输的微波信号折射率较高、特征阻抗较低。发明人发现，随着铌酸锂材料厚度的减小，微波折射率逐渐减小，行波电极的特征阻抗逐渐增大。此外，发明人也发现，基底材料介电常数的降低也有利于实现微波折射率的减小以及行波电极特征阻抗的增大。基于上述方案，本发明提出了一种可实现上述技术方案的器件，即基于铌酸锂薄膜的宽带行波电光调制器，基于铌酸锂单晶薄膜的宽带行波电光调制器，包括：基底1、铌酸锂薄膜2、光学波导3、缓冲层4、以及金属电极5，其特征在于，所述基底1采用石英晶片；所述铌酸锂薄膜2具有单晶结构且厚度为4至10微米；所述光学波导3采用钛扩散波导或退火质子交换波导；所述缓冲层4采用氧化硅或氧化铝薄膜；所述金属电极5采用行波电极结构。

进一步地，采用具有低介电常数的石英材料作为所述基底1晶片。

进一步地，采用键合工艺将基底1与铌酸锂单晶体材料晶片键合，并采用研磨、抛光的工艺制备得到具有单晶结构且厚度为4至10微米的铌酸锂薄膜2。

进一步地，所述铌酸锂薄膜的厚度在4至10微米，可以有效地提高铌酸锂电光调制器的折射率匹配与特征阻抗匹配，从而提高铌酸锂电光调制器的工作宽带。

进一步地，所述光学波导为钛扩散波导或退火质子交换波导。

进一步地，所述金属电极采用行波电极结构，金属电极的火线与地线对称地位于光学波导两侧。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明所述的铌酸锂薄膜电光调制器可同时实现折射率匹配与阻抗匹配，可显著地提升器件的调制带宽。本发明所述的铌酸锂薄膜电光调制器在实现高调制带宽的同 时，未造成半波电压的增加，且无需制备复杂的铌酸锂脊波导结构，可显著地降低铌酸锂宽带电光调制器的生产成本。

附图说明：

图1、基于x切y传铌酸锂退火质子交换薄膜波导的宽带行波电光调制器的横截面示意图；

图2、基于x切y传铌酸锂钛扩散薄膜波导的宽带行波电光调制器的横截面示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：1.石英基底；2.铌酸锂薄膜；3.光学波导；4.缓冲层；5金属电极。

具体实施方式

结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施方式一：

一种基于x切y传铌酸锂单晶薄膜的宽带行波电光调制器，包括：基底1、铌酸锂薄膜2、光学波导3、缓冲层4、金属电极5。

基底1采用具有较小介电常数的石英材料。

铌酸锂薄膜2采用x切y传的晶体切向。本发明设计的铌酸锂薄膜2具有单晶结构且厚度为4至10微米，其制备工艺的主要过程如下：

第一步，选取x切y传的铌酸锂单晶体材料晶片，并将铌酸锂体材料晶片与石英基底晶片的表面进行抛光；

第二步，将铌酸锂体材料晶片与石英基底晶片进行键合；

第三步，对铌酸锂体材料晶片进行研磨、抛光，将铌酸锂晶体的厚度减薄到4至10微米。

光学波导3采用退火质子交换波导，其制备工艺的主要过程如下：

第一步，在铌酸锂薄膜晶片表面，通过光刻剥离工艺或湿法腐蚀工艺，结合二氧化硅镀膜工艺，在铌酸锂薄膜晶片表面形成具有波导图形的二氧化硅薄膜；

第二步，将铌酸锂薄膜晶片放入苯甲酸溶液中，进行质子交换；

第三步，将铌酸锂薄膜晶片放入高温炉中进行退火处理。

缓冲层4可选取氧化硅或氧化铝等材料，采用氧化物薄膜沉积技术制备。金属电极5采用行波电极结构，金属电极的火线与地线对称地位于光学波导两侧。

实施方式二：

一种基于x切y传铌酸锂单晶薄膜的宽带行波电光调制器，包括：基底1、铌酸锂薄膜2、光学波导3、缓冲层4、金属电极5。

基底1采用具有较小介电常数的石英材料。

铌酸锂薄膜2采用x切y传的晶体切向。本发明设计的铌酸锂薄膜2具有单晶结构且厚度为4至10微米，其制备工艺的主要过程如下：

第一步，选取x切y传的铌酸锂单晶体材料晶片，并将铌酸锂体材料晶片与石英基底晶片的表面进行抛光；

第二步，将铌酸锂体材料晶片与石英基底晶片进行键合；

第三步，对铌酸锂体材料晶片进行研磨、抛光，将铌酸锂晶体的厚度减薄到4至10微米。

光学波导3采用钛扩散波导，与实施方法一不同，在铌酸锂体材料晶片与石英晶片键合前先进行钛扩散波导的制备，其制备工艺的主要过程如下：

第一步，在铌酸锂体材料晶片表面，通过光刻剥离工艺或湿法腐蚀工艺，结合钛膜镀膜工艺，在铌酸锂体材料晶片表面形成具有波导图形的金属钛薄膜；

第二步，将铌酸锂体材料晶片放入高温扩散炉中，进行钛扩散。

缓冲层4可选取氧化硅或氧化铝等材料，采用氧化物薄膜沉积技术制备。金属电极5采用行波电极结构，金属电极的火线与地线对称地位于光学波导两侧。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本专业技术人员的公知技术。以上所述，仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。