1.本发明涉及调制器领域，特别是一种结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器。
背景技术：
2.随着光通信技术的发展，声光技术应用非常广泛，例如信号处理、光计算领域、军事领域等。声光器件以其性能优越、品种繁多，逐步形成是具有突出特点的新型光电子器件。其中，声光调制器、q开关、锁模器、移频器、偏转器、可调滤光器、超声流量计等在不同领域得到快速发展和广泛应用。
3.声光器件的作用是控制介质中声波和光波的相互作用。声光相互作用在上世纪60年代被应用于激光领域，很大程度改善了激光对于激光束的强度、频率的控制，从而使激光被应用到更多的领域，也加快了声光器件的发展。但声光调制器中产生声波的换能器只能产生频率固定的超声波，以至于器件的工作频率固定且单一，仅由换能器的厚度所决定，无法被改变。而在实际应用场景，例如频谱分析中，需要同时加载不同频率的电信号，而普通声光调制器中心频率固定，频谱分析所需要的各个频率的衍射效率会因为器件的中心频率固定而无法达到最佳效果出现无法避免的因器件而造成的分析误差。
4.基于上述问题，2004年在期刊《压电与声光》上发表的《体波光纤声电光调制器》一文中就提出了将电光效应引入声光调制器从而改变调制器的中心频率达到灵活可控的目的，但该文利用体波光纤进行调制，引入电光效应的方式为在前后晶面上镀直流电极，与铌酸锂波导相比，损耗，调制效率，等一系列的器件性能都相差甚远。1997年在期刊《数据采集与处理》上发表的《反常声电光调制器》一文中提出在一个器件上同时使用声光效应和电光效应，可以实现激光强度调制的同时使用声光效应来控制光的偏转方向，或在实现激光强度调制同时用电光效应来控制器件的中心频率，使器件更加灵活。该文引入电光效应的方式为在y轴方向上直接加直流电场。基于这些分析，如何将电光效应更好的引入声光器件中，成了目前需要解决的声电光调制器的一大重要问题。
5.行波电极结构可分为共面波导型和微带线型，通常被用作调制信号的传输线，光波和调制信号在器件中沿同一方向传播，调制是通过分布式耦合进行的。带宽由光波和调制信号的传输速度决定。如果两波的速度匹配，则不存在带宽限制。行波电极在光波导内产生的电场较强，相较于直接加入直流电场，行波电极所需要的半波电压更小，并且更容易实现双臂调试，且制作工艺简单，更利于器件的集成。在普通电光调制器中，行波电极电光调制器要比集总电极电光调制器更有优势。综上，带有行波电极的薄膜铌酸锂声电光调制器可实现灵活控制器件工作频率，且插入损耗，衍射效率均能达到更高标准。
技术实现要素：
6.针对以上提到的技术问题，本技术的实施例提出了一种结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器来解决以上的问题。
7.为了实现以上目的，本发明的技术方案为：一种结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器，包括依次层叠的ln衬底层、第一缓冲层、ln薄膜层，所述ln薄膜层上设有声吸收带、叉指换能器、mz波导、第二缓冲层和行波电极，所述叉指换能器和mz波导分别设于两条所述声吸收带之间的两个不同的位置，所述mz波导包括作用区，所述作用区设有两个平行的波导臂，所述叉指换能器包括与所述波导臂平行设置的叉指电极，所述第二缓冲层和行波电极依次层叠设于所述ln薄膜层上，所述行波电极包括位于所述波导臂两侧的金属电极，所述波导臂位于两侧的金属电极的中间，所述金属电极与所述波导臂平行。
8.作为优选，所述声吸收带、叉指换能器和mz波导构成声光调制器，当在所述行波电极两端加直流电压时，在ln薄膜层上产生直流电场，通过控制直流电压的大小对所述声光调制器的工作频率进行调节。
9.作为优选，所述金属电极包括两个地电极和一个中心电极，所述中心电极设于两个所述波导臂中间，两个所述地电极设于两个所述波导臂的外侧。
10.作为优选，所述叉指换能器与所述mz波导之间的间距为一个声表面波的波长。
11.作为优选，所述mz波导的两条波导臂之间的间距为半个声表面波的波长的奇数倍。
12.作为优选，所述叉指电极的长度与所述波导臂的长度相同。
13.作为优选，所述金属电极与所述第二缓冲层在所述ln薄膜层上的投影相同。
14.作为优选，所述mz波导嵌入在所述 ln薄膜层中，其表面与所述ln薄膜层的表面平齐。
15.作为优选，若干所述叉指电极相向间隔交叉排列。
16.作为优选，所述第一缓冲层和第二缓冲层为sio2。
17.相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：（1）本发明提出的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器当在行波电极两端加直流电压时，会在ln薄膜层上产生直流电场，根据直流电压的大小可以对声光调制器的工作频率进行控制，使用不同频率的电信号可对工作频率进行改变，使用不同频率的电信号就可以产生不同的电场，从而得到不同工作频率，使调制器在使用上更具有灵活性。
18.（2）本发明提出的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器将声光调制器与行波电极结合，实现器件集中两种独立器件的各自的特点，使声光调制器与电光调制器相结合，让一个器件有不同的工作频率，且不同频率的工作状态下均能达到最佳的衍射效率，从而解决了传统声光调制器工作频率单一的问题。
19.（3）本发明提出的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器具有损耗低、调制效率高，可灵活更改器件工作频率等优点。
附图说明
20.包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。
21.图1为本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的声光调制器的示意图；图2为本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的声光调制器的截面示意图；图3为本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的叉指换能器、mz波导和行波电极的示意图；图4为本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的叉指换能器、mz波导的截面示意图；图5为本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的的截面示意图；图6为本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的的截面示意图；附图标记：1、ln衬底层；2、第一缓冲层；3、ln薄膜层；4、声吸收带；5、叉指换能器；51、叉指电极；6、mz波导；61、波导臂；7、第二缓冲层；8、行波电极；81、金属电极。
具体实施方式
22.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
23.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
24.参考图1-6，本发明的实施例中提出了一种结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器，包括依次层叠的ln衬底层1、第一缓冲层2、ln薄膜层3，ln薄膜层3上设有声吸收带4、叉指换能器5、mz波导6、第二缓冲层7和行波电极8，第一缓冲层2和第二缓冲层7为sio2。叉指换能器5和mz波导6分别设于两条声吸收带4之间的两个不同的位置，mz波导6包括作用区，作用区设有两个平行的波导臂61，叉指换能器5包括与波导臂61平行设置的叉指电极51，第二缓冲层7和行波电极8依次层叠设于ln薄膜层3上，行波电极8包括位于波导臂61两侧的金属电极81，波导臂61位于两侧的金属电极81的中间，金属电极81与波导臂61平行。声吸收带4、叉指换能器5和mz波导6构成声光调制器，当在行波电极8两端加直流电压时，会在ln薄膜层3上产生直流电场，通过控制直流电压的大小对声光调制器的工作频率进行调节。使用不同频率的电信号就会对工作频率进行改变，使用不同频率的电信号就可以产生不同的电场，从而得到不同工作频率，使调制器在使用上更具有灵活性。本技术的实施例提出的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器通过将声光调制器和行波电极8进行结合，实现器件集中两种独立器件的各自的特点，使声光调制器与电光调制器相结合，让一个器件有不同的工作频率，且不同频率的工作状态下均能达到最佳的衍射效率，从而解决了传统声光调制器工作频率单一的问题。
25.在具体的实施例中，金属电极81包括两个地电极和一个中心电极，中心电极设于两个波导臂61中间，两个地电极设于两个波导臂61的外侧。叉指换能器5与mz波导6之间的间距为一个声表面波的波长。mz波导6的两条波导臂61之间的间距为半个声表面波的波长
的奇数倍。叉指电极51的长度与波导臂61的长度相同。
26.在具体的实施例中，金属电极81与第二缓冲层7在ln薄膜层3上的投影相同。mz波导6嵌入在 ln薄膜层3中，其表面与ln薄膜层3的表面平齐。叉指换能器5的若干叉指电极51相向间隔交叉排列，呈梳形。
27.参考图1和图2，在声光调制器结构的设计过程中，考虑到调制器在工作过程中需要大的衍射效率以及快的开关时间，在声光调制器的结构设计上采用了非共线的声光结构，也就是声表面波与光波的传输方向不在一条直线上而是互相垂直，叉指换能器5的长度是与声光相互作用的长度是一致的，即叉指电极51的长度与波导臂61的长度相同，因此保证了最大的调制效率。声表面波（saw）的传播方向为叉指换能器5激发向波导方向传播并作用于mz波导6。
28.具体的，ln衬底层1、第一缓冲层2和ln薄膜层3依次层叠设置，其中，ln薄膜层3的厚度为500nm；第一缓冲层2的厚度为1.5μm；ln衬底层1的厚度为500μm。第一缓冲层2为sio2，其作用是阻挡光泄露到ln衬底层1。ln薄膜层3上方设有两条声吸收带4，两条声吸收带4的中间分别是叉指换能器5和mz波导6，叉指换能器5和mz波导6分别设置在两个不同的位置，叉指电极51与波导臂61平行且长度相同。叉指换能器5与mz波导6之间的间距为d
i-w
=27μm；两个波导臂61的间距为d
w-w
=13.5μm。
29.叉指电极51的主要参数如下：（1）叉指换能器5孔径即重叠长度w：决定了激发的声表面波的波束宽度，根据波导臂61的长度将w值设置为1.8cm。
30.（2）两个的波导臂61之间的间距（mz波导6中中间两条直波导部分之间的距离）d
w-w
为13.5μm，当两个波导臂61的间距为电极半个波长λ/2（λ=27μm）的一倍时，此时为最大化调制效率。
31.（3）叉指换能器5与波导臂之间的间距为d
i-w
，靠近波导臂61的叉指电极51置于应变的最大振幅处时调制效率最大化，即d
i-w
为一个波长27μm。如图3所示。
32.（4）中心间距p：指波长的一半或电极的宽度与相邻两个电极之间的距离之和。p的值等于频率为f0时的半波长：p=v/(2f0)，v为声表面波的传播速度。
33.（5）叉指电极51的宽度与中心间距之间的百分比带宽（占空比）：η=a/p，通常占空比为50%，由上式可得：λ=p+2a=4a，可以得出a=6.75，p=2a=13.5，a为电极的宽度。
34.（6）汇流电极的宽度b设为100μm，高度为209.25μm。
35.（7）叉指电极51的对数n：定义qa、qe分别为声q值和电q值，3db声带宽为，3db电带宽为。n为叉指换能器5的指条数，为同步角频率，为角频率接近量，n为机电耦合系数，k为传播波数。为了得到较大的换能器带宽，应使qa=qe，即可得n=k2为机电耦合系数。即叉指电极51的电极对数为8对。
36.参考图5，mz波导6的输入端和输出端的结构都与y波导的结构相同，当光波在波导内传输时通过第一个y波导光波会被分成两束振幅和相位完全相同的光，在mz波导6的两个波导臂进行传播，传输一段距离后，两束光波会再次进行汇合，输出与输入光波相同的光波，这使得mz波导6具有更低的损耗以及更高的耦合效率，使用mz波导6制作的调制器具有
驱动电压低、带宽大、调制器效率高等优点。
37.波导的损耗大部分来自于光在波导中传输的损耗，并且光在波导的分支点很容易产生第二个横模，所以光分支前端制成锥形结构的光波导，并且使锥形区域的张角设计合理，使波导平缓地分成对称的两臂，减小波导损耗的同时，提高调制器件的性能。
38.mz波导6在设计过程中最重要的还是声光相互作用区中波导两臂的中心间距d
w-w
为半波长（声表面波波长）的奇数倍，使声表面波位于mz波导6两臂部分的相位恰好相反，以达到增强信号的目的，实现推挽操作，达到最佳调制效率。
39.参考图6，行波电极8的设计主要是金属电极81的宽度以及金属电极81与波导臂61之间的距离。需要注意的是，波导臂61在两金属电极81间的位置必须是居中的，本技术的实施例设计行波电极8的金属电极81的宽度为7μm，波导臂61与金属电极81之间的间距为3.25μm。其中，行波电极8作用区长度为1.8cm，即金属电极81的长度为1.8cm，金属电极81的厚度为2μm，金属电极81通过汇流电极引出。金属电极81包括中间的中心电极和两边的地电极，中心电极与地电极之间的间距为11.5μm，金属电极81下方设有第二缓冲层7，第二缓冲层7的厚度且为1.2μm。
40.本技术的实施例还提出一种结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的制作方法，包括以下步骤：（1）mz波导6的制作1、利用离子注入和晶圆键合技术，制备出ln薄膜层3，使ln薄膜层3与沉积在ln衬底层1上的缓冲层（sio2）层相结合，形成基底。
41.2、根据设计的mz波导6的结构通过l-edit软件进行掩膜板的绘制。
42.3、镀膜：先用丙酮清洗样品，再用去离子水冲洗，冲洗干净后用烘干机在100℃下烘烤5-10分钟。样品冷却后，放入清洁后的镀膜机。当镀膜机真空度达到6
×
10-4
pa时，可以开始镀二氧化硅，镀膜厚度达到100nm后停止镀膜。最后，在镀膜机冷却后取样。
43.4、光刻：在涂胶前将晶体在烘箱（100℃）中烘烤半小时，然后进行涂胶过程，保证在基底与光刻胶之间有良好接触和粘附。之后将样品放入烘箱中，在100
°
c下烘烤15分钟，然后取出并冷却至室温。而后采用光刻机进行曝光，曝光时间为6s。用氢氧化钠和去离子水以1g：200ml的比例制备本实验的显影液，将暴露样品浸入显影液中。最后用二氧化硅腐蚀液进行腐蚀60s，然后在丙酮中去掉光刻胶，用去离子水冲洗干净，完成光刻操作，并使基底表面的部分ln薄膜层3裸露出。
44.5、缓冲质子交换：将清洗完干燥的样品放入清洁干燥的石墨坩埚中，加入称量过的苯甲酸和苯甲酸锂粉末，密封后放入质子交换炉加热至熔融；在一定温度下交换一定的时间后取出。将缓冲质子交换处理后的样品用无水乙醇清洗并用烤箱烘烤。采用的质子交换温度为 245℃，交换液浓度3%，经过2小时升温到245℃，交换5小时后降至室温。
45.6、退火：样品放入退火炉中，在370℃的退火炉中持续3h 30min，退火冷却至室温后取出样品。
46.7、抛光：用20μm的抛光粉沿“8”字形轨迹在20μm抛光盘上手动研磨10-15分钟，确认各样品端面基本平行后把样品冲洗干净并用氮气枪吹干，再使用7μm的抛光粉沿“8”字形轨迹在 7μm抛光盘上进行手动研磨10-15 分钟，确认各样品端面基本平行后把样品冲洗干净并用氮气枪吹干，制作得到mz波导6。
47.（2）叉指换能器5与行波电极8的制作1、光刻：在制作好mz波导6的ln薄膜层3的表面采用光刻工艺制作出叉指换能器5和行波电极8，光刻与制作波导的光刻工艺类似。
48.2、镀膜：用电子真空蒸镀机在其表面镀一层100nm厚的al膜。
49.3、剥离：将镀完膜的样品浸泡在丙酮中，采用剥离的方法去除多余的al，制作出叉指换能器5和行波电极8。
50.完成上述两个步骤，即可得到结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器。
51.本技术的实施例提出的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的制作方法使用x切铌酸锂薄膜作为初始材料制作出声光调制器，实现了器件的集成化和功能化。制作mz波导6的核心技术采用缓冲质子交换技术，不仅保留了铌酸锂薄膜固有的光学与电学性能，还可以制作出高质量的波导。
52.将本技术的实施例提出的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器进行仿真分析，根据仿真情况得出结论为：行波电极8的金属电极81的宽度为7μm，两波导臂61之间的距离为13.5μm，波导臂61与金属电极81之间的间距为3.25μm。其中，行波电极8作用区的长度为1.8cm时，行波电极8的有效折射率最接近于波导的有效折射率2.138，相位匹配达到最佳，调制器的调制效率与调制带宽为最高。
53.对声电光调制器插入损耗与近场模式以及衍射效率的测试，本技术的实施例提出的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的最终测试结果为插入损耗为3.5db，通过与不同声光调制器的插入损耗进行比较，发现本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器的插入损耗低于目前一系列的研究的声光调制器的插入损耗。其中，2008年作者刘璟所制作的衬底材料为y切铌酸锂插入损耗为10db，2013年作者王俊涛所制作的衬底材料为y切铌酸锂插入损耗为6db，2016年作者秦晨所制作的衬底材料为soi插入损耗为7.06db，2019年作者陈华志所制作的衬底材料为teo2插入损耗为4.04db，且以上均无加入行波电极8结构，说明本技术的实施例以铌酸锂薄膜为材料制作的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器达到了作为声光调制器的损耗标准。
54.在近场模式的测试中，分析可得本技术的实施例的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器在光波传输的过程中，两个波导臂61的光强分布很均匀，当声表面波通过时，调制器的两波导臂61都会具有最佳的调制效果。在衍射效率的测试中，测试了六组不同频率在声电光调制器下的衍射效率，通过更改行波电极8上加载的电信号来更改器件的工作频率，让每组信号的衍射效率均达到最优状态。进一步验证了方案的可行性。通过对调制器插入损耗以及近场模式，衍射效率的分析，验证了在铌酸锂薄膜上制作的结合叉指换能器与行波电极的声电光调制器具有损耗低、调制效率高，可灵活更改器件工作频率等优点。
55.以上描述了本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。