具有单向电极结构的声光调制器

本发明涉及集成光电子学领域，特别是一种具有单向电极结构的声光调制器。

背景技术：

1、集成光子学是一门将许多高性能多功能无源和有源器件集成在统一的衬底材料(如soi晶圆)上以实现特定功能的科学，采用片上集成的方法降低器件系统的功耗和成本，提供了比传统分立光学系统更优良的技术优势。近年来，随着微纳加工技术的发展，已成功制备出具有优良声光、压电、电光、光折变性能和非线性光学的绝缘体上铌酸锂(lnoi)薄膜。目前，铌酸锂薄膜技术已经成为集成光子学领域的一项突破性技术，将推动研发具有更高性能、和更大规模的有源和无源新型光子集成电路的进程，也将集成光子学发展带入新时代的浪潮。

2、由于ln薄膜与二氧化硅掩埋层之间具有较大的折射率差异，输入的光场将被最大程度的限制在铌酸锂薄膜中传输，从而可以从根本上解决ln光子器件小型化尺寸的问题，因为小的尺寸可以提高广场与ln薄膜的交互强度，最终提高器件性能。现在，能结合铌酸锂薄膜优点的声光器件是声光调制器，它目前可以工作在多个不同的物理场，可以在铌酸锂薄膜上实现微波、声波和光波三个物理场的有效耦合和转换。并且随着lnoi的制备成功，片上集成声光调制器成为研究的热点，声光调制器将为片上光电集成电路、量子计算等提供性能更加理想的调控器件。

3、声光调制器作为一种控制激光束强度或者相位变化的声光器件，主要由叉指电极和声光介质组成。基本原理是当信号源的特定功率信号驱动电极时，当即产生相同频率的声表面波(saw)耦合入声光互作用介质，使光介质的折射率产生周期性的应变，此时光束通过折射率变化的光介质时会产生相互作用而发生衍射现象。目前，声光调制器被广泛应用于光信号处理、光纤通讯开关等领域。

4、saw驱动的声光器件中往往使用的双向均匀叉指电极结构，如图1所示，这种结构因为其结构简单，对光刻工艺精度要求较低，容易制作等特点广泛应用于声光移频器、延迟线和声表面波滤波器等器件中，由于其对称的几何结构，在射频信号激励下产生大小相等、方向相反的声表面波在压电介质中进行双向的传播，这种传播方式将会造成其中一个方向上saw能量的浪费。此外，由于saw的二次效应和三渡回波影响，其通带纹波将会非常强，这将会干扰声光器件的正常工作从而使插入损耗增大，进而降低整个器件的调制效率。

5、目前，大量已报道的声光调制器仍然用传统双向叉指电极，此类电极制作而成的声光调制器普遍存在驱动功率(＞2w)过高，调制效率(＜66％)低等问题。2013年，juntaowang利用128°y切ln作为压电材料，结合双向均匀叉指电极制作出了mz波导声光调制器，其调制效率低至4.3％。2020年，nan li使用双向均匀叉指电极制作的声光调制器，其中心频率为189mhz，衍射效率却仅有3.0％。

技术实现思路

1、针对背景技术中提到的以上技术问题，本申请的实施例提出了一种具有单向电极结构的声光调制器来解决以上的问题。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

3、一种具有单向电极结构的声光调制器，包括依次层叠的ln衬底层、第一缓冲层和ln薄膜层，所述第一缓冲层上方设有嵌入于所述ln薄膜层中的光波导，所述ln薄膜层上方设有第二缓冲层，所述第二缓冲层上设有与所述光波导相邻的压电换能器，所述压电换能器包括具有单向电极结构的分离式叉指电极，所述分离式叉指电极的叉指方向与所述光波导的长度方向平行，所述单向电极结构包括激励电极、短路电极和开路电极，所述激励电极包括若干个叉指延伸的第一电极条，所述短路电极包括两个单向延伸的第二电极条，相邻两个所述第一电极条之间设有一个第二电极条以及一个开路电极，并且所述开路电极位于相邻的第一电极条和第二电极条之间，所述第二电极条位于相邻的开路电极和第一电极条之间。

4、作为优选，所述压电换能器与所述光波导之间的间距为所述压电换能器的半波长。

5、作为优选，所述光波导的厚度与所述ln薄膜层的厚度相同。

6、作为优选，所述光波导为mz波导。

7、作为优选，所述分离式叉指电极的厚度为500nm，叉指对数为8对。

8、作为优选，所述激励电极还包括位于所述第一电极条端部的第一连接条，若干个所述第一电极条分别交叉间隔连接于两第一连接条上。

9、作为优选，所述短路电极还包括位于所述第二电极条一端的第二连接条，所述第二连接条分别与相邻两个所述第二电极条连接。

10、作为优选，第一电极条、开路电极和第二电极条之间的间距相等。

11、作为优选，所述ln衬底层、第一缓冲层和ln薄膜层采用128°y切lnoi薄膜加工而成。

12、作为优选，所述第一缓冲层和第二缓冲层为sio2。

13、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

14、(1)本发明在128°y切lnoi的基础上制作集成压电换能器和光波导的声光调制器，压电换能器采用分离式叉指电极替代传统的双向均匀叉指电极，利用128°y切lnoi材料优良的机电耦合系数和分离式叉指电极的单向性能可以有效地激发单向saw，可使得声光调制器的调制效率高达89％。

15、(2)本发明采用具有单向电极结构的分离式叉指电极以激发声表面波，降低了声光调制器的驱动功率和插入损耗。

16、(3)本发明采用缓冲质子交换技术制作mz波导，可延缓交换时间，减小压电晶体受到的损伤，并且制作得到的mz波导损耗低至0.7db/cm，通过退火处理完好地保留了材料的非线性光学特性。

技术特征：

1.一种具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，包括依次层叠的ln衬底层、第一缓冲层和ln薄膜层，所述第一缓冲层上方设有嵌入于所述ln薄膜层中的光波导，所述ln薄膜层上方设有第二缓冲层，所述第二缓冲层上设有与所述光波导相邻的压电换能器，所述压电换能器包括具有单向电极结构的分离式叉指电极，所述分离式叉指电极的叉指方向与所述光波导的长度方向平行，所述单向电极结构包括激励电极、短路电极和开路电极，所述激励电极包括若干个叉指延伸的第一电极条，所述短路电极包括两个单向延伸的第二电极条，相邻两个所述第一电极条之间设有一个第二电极条以及一个开路电极，并且所述开路电极位于相邻的第一电极条和第二电极条之间，所述第二电极条位于相邻的开路电极和第一电极条之间。

2.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述压电换能器与所述光波导之间的间距为所述压电换能器的半波长。

3.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述光波导的厚度与所述ln薄膜层的厚度相同。

4.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述光波导为mz波导。

5.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述分离式叉指电极的厚度为500nm，叉指对数为8对。

6.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述激励电极还包括位于所述第一电极条端部的第一连接条，若干个所述第一电极条分别交叉间隔连接于两第一连接条上。

7.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述短路电极还包括位于所述第二电极条一端的第二连接条，所述第二连接条分别与相邻两个所述第二电极条连接。

8.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，第一电极条、开路电极和第二电极条之间的间距相等。

9.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述ln衬底层、第一缓冲层和ln薄膜层采用128°y切lnoi薄膜加工而成。

10.根据权利要求1所述的具有单向电极结构的声光调制器，其特征在于，所述第一缓冲层和第二缓冲层为sio2。

技术总结
本发明公开了一种具有单向电极结构的声光调制器，包括依次层叠的LN衬底层、第一缓冲层和LN薄膜层，第一缓冲层上方设有嵌入于LN薄膜层中的光波导，LN薄膜层上方设有第二缓冲层，第二缓冲层上设有压电换能器，压电换能器包括具有单向电极结构的分离式叉指电极，单向电极结构包括激励电极、短路电极和开路电极，激励电极包括叉指延伸的第一电极条，短路电极包括单向延伸的第二电极条，相邻两个第一电极条之间设有一个第二电极条以及一个开路电极，并且开路电极位于相邻的第一电极条和第二电极条之间，第二电极条位于相邻的开路电极和第一电极条之间，该声光调制器能够实现声表面波的单向传播，并具有较低的损耗和较高的调制效率。

技术研发人员：张维佳,饶前程,谷珍杰,罗雪婷,刘婷,刘泽,刘体辉
受保护的技术使用者：天津科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12