一种铌酸锂薄膜QPSK光调制器的制作方法

本发明涉及超高速/超长距离光通信、相干光通信等光纤通信技术领域等技术领域，特别是涉及一种铌酸锂薄膜QPSK光调制器。

背景技术：

正交相移键控(QPSK)技术以其高光谱利用率、高信噪比和高色散容限等优势，成为近年来光传输技术特别是在密集波分复用(DWDM)系统中实现高比特速率传输所广泛采用的调制格式。

基于铌酸锂晶体泡克尔斯电光效应的铌酸锂MZ调制器的发展在光纤通信网络早期的发展中起到了十分重要的作用。尽管采用直调激光器或采用电吸收调制器技术的光发射机在模块尺寸和成本体现出一定的优势，但其较低的消光比一直限制了这种光模块的性能及其在长距离光纤通信系统中的应用。相反，MZ调制器更容易实现较高的幅度消光比，因此采用基于铌酸锂MZ调制器结构的QPSK光调制器目前已广泛应用于高速/长距离光纤通信系统以及相干光纤通信系统。

尽管铌酸锂QPSK光调制器目前在高速/长距离光纤通信系统以及相干光纤通信系统中得到了广泛的采用，但较大的器件尺寸限制了铌酸锂QPSK光调制器在下一代相干光通信网络中的应用。

现有铌酸锂QPSK光调制器较长的尺寸主要来自于以下几个方面：

1)较大的弯曲波导尺寸：铌酸锂QPSK光调制器中的光学波导多使用钛扩散技术制备，钛扩散光波导的折射率差较小，过小的弯曲曲率半径会造成过大的弯曲损耗，因此为了降低器件弯曲损耗，现有铌酸锂QPSK光调制器的Y分支部分常采用较长的弯曲长度；

2)较长的行波电极：铌酸锂QPSK光调制器的电极设计一方面需要满足高调制带宽，另一方面需满足低半波电压，为了实现高调制带宽，现有铌酸锂QPSK光调制器常采用较大的行波电极间距，但铌酸锂光调制器的半波电压是正比于行波电极间距、反比于行波电极长度，因此为了实现铌酸锂QPSK光调制器的低半波电压，行波电极常选择较长的电光作用距离(即电极长度)；

3)直流偏压电极的使用：现有铌酸锂QPSK光调制器为实现高调制带宽，必须使用二氧化硅缓冲层以达到微波折射率与光波折射率的良好匹配，然而二氧化硅缓冲层的引入也带来了直流偏压漂移的严重问题，导致铌酸锂QPSK光调制器必须使用集成光探测器以及直流偏压电极以实时补偿直流偏压漂移，保证光调制器一直处于最佳工作点。直流偏压电极的使用无疑也增加了现有铌酸锂QPSK光调制器的长度。

此外，现有铌酸锂QPSK光调制器较长的器件尺寸，也存在着在芯片制造过程中铌酸锂晶圆利用率较低的问题，造成了铌酸锂晶圆的大量浪费，增加了现有铌酸锂QPSK光调制器的制造成本。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种铌酸锂薄膜QPSK光调制器，以解决上述现有技术中存在的问题。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种铌酸锂薄膜QPSK光调制器，包括：石英基底晶片、铌酸锂薄膜、光学波导、金属薄膜电极。所述石英基底晶片为光学级、双面抛光的石英晶片，其厚度为0.1mm至2mm；所述铌酸锂薄膜为光学级、具有单晶结构、切向为X切Y传、厚度为0.1μm至20μm；所述光学波导为钛扩散波导，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；所述金属薄膜电极具有行波结构、厚度在0.1μm至30μm。

进一步地，本发明提供了一种用于进行铌酸锂薄膜QPSK光调制器封装的金属封装管壳，包括：金属封装管壳壳体、射频同轴连接器、相位调制器引脚、光纤模块、光纤。所述金属封装管壳壳体中装载铌酸锂薄膜晶片；所述射频同轴连接器装载在金属封装管壳壳体的外壁上，通过键合引线将射频同轴连接器的管脚与铌酸锂薄膜晶片上的金属薄膜电极连接；所述相位调制器引脚通过键合引线与铌酸锂薄膜晶片上的金属薄膜电极连接；所述光纤模块分别与铌酸锂薄膜的光学波导的输入端与输出端进行耦合粘接；所述光纤从金属封装管壳壳体两侧穿出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为，

1)缩短了弯曲波导长度和行波电极长度，去掉了直流偏移补偿电极，实现了铌酸锂QPSK光调制器的小型化；

2)采用低介电常数的石英材料作为铌酸锂单晶薄膜的基底晶片，实现了微波折射率与光波折射率的良好匹配，提高了铌酸锂QPSK光调制器的调制带宽；

3)去掉了直流偏移补偿电极，降低了铌酸锂QPSK光调制器的信号处理复杂性；

4)铌酸锂薄膜晶圆的利用率更高，降低了铌酸锂薄膜QPSK光调制器的制造成本。

附图说明

图1所示为现有铌酸锂QPSK光调制器的芯片结构示意图；

图2所示为现有铌酸锂QPSK光调制器中行波电极部分的芯片横截面结构示意图；

图3所示为本发明提出的铌酸锂薄膜QPSK光调制器的芯片结构示意图；

图4所示为本发明提出的铌酸锂薄膜QPSK光调制器中行波电极部分的芯片横截面结构示意图；

图5所示为本发明提出的铌酸锂薄膜QPSK光调制器的封装结构示意图；

图中，1.铌酸锂体材料基底晶片；2.光学波导；3.金属薄膜电极；4.二氧化硅缓冲层；5.石英基铌酸锂薄膜晶片；5-1.石英基底晶片；5-2.铌酸锂薄膜；6-1.金属封装管壳；6-2.射频同轴连接器；6-3.相位调制器引脚；6-4.光纤模块；6-5.光纤。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1所示为现有铌酸锂QPSK光调制器的芯片结构示意图；图2所示为现有铌酸锂QPSK光调制器中行波电极部分的芯片横截面结构示意图；

本发明提出一种铌酸锂薄膜QPSK光调制器，通过采用具有低折射率、低介电常数的石英材料作为铌酸锂单晶薄膜的基底晶片，可增加光波导折射率差、提高电光调制效率且无需采用二氧化硅缓冲层，因此可以有效地降低铌酸锂QPSK光调制器Y分支部分的弯曲波导尺寸、缩短行波电极长度、避免二氧化硅缓冲层导致的直流偏压漂移等，通过缩短弯曲波导长度和行波电极长度以及去掉直流偏移补偿电极，实现铌酸锂QPSK光调制器的小型化。此外，铌酸锂薄膜QPSK光调制器芯片尺寸的缩小，也可以提升铌酸锂薄膜晶圆的利用率，降低铌酸锂薄膜QPSK光调制器的制造成本。

如图3-图5所示，本发明实施例铌酸锂薄膜QPSK光调制器包括：光学波导2、金属薄膜电极3、石英基底晶片5-1、铌酸锂薄膜5-2、金属封装管壳壳体6-1、射频同轴连接器6-2、相位调制器引脚6-3、光纤模块6-4、光纤6-5，

石英基底晶片5-1为光学级、双面抛光的石英晶片，其厚度为0.1mm至2mm。

铌酸锂薄膜5-2为光学级、具有单晶结构的铌酸锂薄膜，其切向为X切Y传，厚度为0.1μm至20μm。

光学波导2为钛扩散波导，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm。

金属薄膜电极3为具有行波结构、厚度在0.1μm至30μm的金或铝等金属薄膜制成的电极结构。

本实施例还包括用于进行铌酸锂薄膜QPSK光调制器封装的金属封装管壳包括：金属封装管壳壳体6-1、射频同轴连接器6-2、相位调制器引脚6-3、光纤模块6-4、光纤6-5，其中金属封装管壳壳体6-1采用不锈钢基体材料，射频同轴连接器6-2采用SMA、K、V、GPO、GPPO、G3PO等同轴连接器。

铌酸锂薄膜晶片5-2装载在金属封装管壳壳体6-1中。

射频同轴连接器6-2装载在金属封装管壳壳体6-1的外壁上，通过键合引线将射频同轴连接器6-2的管脚与铌酸锂薄膜晶片上的金属薄膜电极3连接。

相位调制器引脚6-3通过键合引线与铌酸锂薄膜晶片上的金属薄膜电极3连接。

铌酸锂薄膜晶片5-2的光学波导2的输入端与输出端分别与光纤模块6-4进行耦合粘接，将光纤6-5从金属封装管壳壳体6-1两侧穿出。

上述的铌酸锂薄膜QPSK光调制器的制造方法如下：

1)在光学级铌酸锂晶片上采用制作QPSK调制器光学波导图形所需的钛条图形，钛条宽度在0.1μm至10μm，钛条厚度在10nm至200nm；

2)制作铌酸锂QPSK调制器的光学波导，波导扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；

3)采用将铌酸锂晶片与石英基底晶片进行键合；

4)将石英基底上的铌酸锂晶片减薄，厚度在0.1μm至20μm；

5)在铌酸锂薄膜上表面制作QPSK光调制器的金属薄膜电极，金属薄膜厚度在0.1μm至30μm；

6)在铌酸锂薄膜QPSK光调制器芯片的光学波导的输入端和输出端通过光纤模块进行耦合粘接，放置于金属封装管壳壳体中；

7)装载射频同轴连接器，并将铌酸锂薄膜晶片上的金属薄膜电极与射频同轴连接器的管脚、相位调制器引脚进行键合引线；

8)完成铌酸锂薄膜QPSK光调制器的气密性封装。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。