基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片

本发明属于电光调制，更具体地，涉及基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片。

背景技术：

1、随着光通信传输向超高速、大容量方向的发展，调制技术已经成为光通信技术中的重要一环，电光调制器已经在长距离通信网络、光量子存储、射频光子学以及数据交流中心等领域中得到了广泛的应用，而这些领域也对调制器的消光比、带宽以及损耗等性能提出了更高的要求。

2、传统的采用内调制的调制器虽然成本较低，但是无法同时满足低损耗、低半波电压、大带宽以及小型化集成化等特点。薄膜铌酸锂材料则是通过在硅衬底上进行离子切片以及键合工艺制备而成，这种材料继承了铌酸锂体材料光学透明窗口宽、电光响应速率高、电光调制效率高以及热稳定性好等特点，同时由于衬底上的氧硅埋氧层产生的大折射率差，使得薄膜铌酸锂材料相较于铌酸锂体材料有更强的光学限制能力，能够进一步缩小器件尺寸；而且薄膜铌酸锂材料可兼容传统的cmos工艺，使得其工艺制备成本进一步降低，易于大规模制作。

3、但薄膜铌酸电光锂调制器中由于硅衬底的高微波折射率，仍然存在调制器的微波折射率较高，使得微波与光波的相位匹配难以实现，进而大大限制了器件的工作带宽的问题。现有技术中，有通过对电极下方的硅衬底进行化学掏空处理配合其他手段，以实现低微波损耗和相位匹配的目的，但是对电极下方的硅衬底进行化学掏空处理，大大增加了调制器芯片的制备难度，同时也降低了芯片的结构强度。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，其目的在于不降低硅基薄膜铌酸锂电光调制器芯片结构强度的同时，实现低微波损耗和相位匹配。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，包括：在铌酸锂上刻蚀的波导结构及电极结构；

3、所述波导结构包括：输入波导、光分束器、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、光合束器及输出波导；

4、所述输入波导与光分束器输入端相连，所述光分束器的一个输出端、第一直波导、第一弯曲波导及光合束器的一个输入端依次相连；所述光分束器的另一个输出端、第二直波导、第二弯曲波导及光合束器的另一个输入端依次相连；所述光合束器输出端与输出波导相连；

5、所述电极结构包括：gsg型平面电极及设在gsg型平面电极两侧内的容性负载行波电极，且所述容性负载行波电极对称排布在所述第一直波导和所述第二直波导两侧。

6、进一步地，沿光束传播方向弯曲波导输入端和输出端的间距l1、弯曲波导的弯曲长度l2与所述弯曲波导内微波与光波间的相位差δθ之间满足：

7、δθ=（l2-l1）×n×2π/λ

8、其中，所述弯曲波导为所述第一弯曲波导或所述第二弯曲波导，n和λ分别表示输入信号光的折射率、波长。

9、进一步地，所述弯曲波导的弯曲长度l2与直波导长度之间的比值低于30%；所述直波导为所述第一直波导或所述第二直波导。

10、进一步地，所述弯曲波导的形状符合欧拉曲线，且所述弯曲波导的弯曲半径不超过120μm。

11、进一步地，所述gsg型平面电极包括：第一地电极、第二地电极以及设置在所述第一地电极和所述第二地电极之间的信号电极；

12、所述容性负载行波电极为两个t型结构构成的轨道式电极，且两个t型结构分别与对应的地电极和信号电极连接。

13、进一步地，还包括设置在所述波导结构与所述电极结构之间的介质隔离层；且所述gsg型平面电极下方的介质隔离层厚度大于所述容性负载行波电极下方的介质隔离层厚度。

14、进一步地，所述gsg型平面电极下方的介质隔离层厚度不小于1000nm；所述容性负载行波电极下方的介质隔离层厚度不小于100nm；且所述gsg型平面电极与所述容性负载行波电极之间的高度差大于1000nm。

15、进一步地，所述容性负载行波电极的材料为透明导电氧化物。

16、进一步地，所述波导结构及所述电极结构均为周期性结构。

17、进一步地，还包设置在所述电极结构之上的包层；所述包层的折射率在1~2.2之间。

18、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

19、（1）本发明通过在两个调制直波导之后设置对应的弯曲波导结构，以增加输入光信号的时延，实现微波和光波的相位匹配，避免对电极下方的硅衬底进行化学掏空处理；同时，通过在调制直波导两侧设置容性负载行波电极，间接增大了gsg型平面电极中地电极和信号电极之间的距离，从而减小传导电流，有效降低了电极对波导结构的吸收损耗以及提升了器件的调制带宽。本发明的方法，在不降低硅基薄膜铌酸锂电光调制器芯片结构强度的同时，实现了低微波损耗和相位匹配。

20、（2）作为优选，当弯曲波导的长度、弯曲波导输入端和输出端间的轴向间距与微波与光波之间的相位差满足设定的关系时，可以完全实现微波波速和光波波速的相位匹配。

21、（3）作为优选，弯曲波导的弯曲长度与直波导长度之间的比值低于30%，能够在保证引入相应相位延迟的基础上，降低作为主体电极的gsg型平面电极对波导结构的吸收损耗。

22、（4）作为优选，弯曲波导的形状符合欧拉曲线，且满足设定的弯曲半径，便于控制波导中的光学模场以减缓弯曲波导的带来传输损耗，同时减少弯曲波导被gsg型平面电极覆盖的部分，避免额外的吸收损耗。

23、（5）作为优选，容性负载行波电极为两个t型结构构成的轨道式电极，可以降低电极间距引起的微波损耗。

24、（6）作为优选，电容负载行波电极下方的介质隔离层厚度小于gsg型平面电极下方的介质隔离层厚度，以抬gsg型平面电极达到进一步降低电极微波损耗、降低微波折射率的效果。

25、（7）作为优选，gsg型平面电极及性负载行波电极下方的介质隔离层厚度设计，可以将作为主电极的gsg型平面电极垫高，进一步减小金属电极对铌酸锂波导的影响，减小损耗；同时，使得容性负载行波电极尽量靠近波导结构，增加容性负载行波电极对波导结构的调制效率。

26、（8）作为优选，容性负载行波电极的材料为透明导电氧化物，透明导电氧化物的电效率高、透光性能够进一步降低电极给波导结构带来的吸收损耗，从而能够更一进步缩短容性负载行波电极两个t型电极间距，以提高调制效率。

27、总而言之，本发明能够有效改善硅基薄膜铌酸锂电光调制器的阻抗匹配、降低射频反射、提升电光调制器的带宽，并显著降低制备工艺的难度。

技术特征：

1.一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，其特征在于，包括：在铌酸锂上刻蚀的波导结构（30）及电极结构（80）；

2.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，沿光束传播方向弯曲波导输入端和输出端的间距l1、弯曲波导的弯曲长度l2与所述弯曲波导内微波与光波间的相位差δθ之间满足：

3.根据权利要求2所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述弯曲波导的弯曲长度l2与直波导长度之间的比值低于30%；所述直波导为所述第一直波导（120）或所述第二直波导（121）。

4.根据权利要求2或3所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述弯曲波导的形状符合欧拉曲线，且所述弯曲波导的弯曲半径不超过120μm。

5.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述gsg型平面电极（60）包括：第一地电极（200）、第二地电极（202）以及设置在所述第一地电极（200）和所述第二地电极（202）之间的信号电极（201）；

6.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，还包括设置在所述波导结构（30）与所述电极结构（80）之间的介质隔离层（40）；且所述gsg型平面电极（60）下方的介质隔离层（40）厚度大于所述容性负载行波电极（50）下方的介质隔离层（40）厚度。

7.根据权利要求6所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述gsg型平面电极（60）下方的介质隔离层（40）厚度不小于1000nm；所述容性负载行波电极（50）下方的介质隔离层（40）厚度不小于100nm；且所述gsg型平面电极（60）与所述容性负载行波电极（50）之间的高度差大于1000nm。

8.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述容性负载行波电极（50）的材料为透明导电氧化物。

9.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，所述波导结构（30）及所述电极结构（80）均为周期性结构。

10.根据权利要求1所述的电光调制器芯片，其特征在于，还包设置在所述电极结构（80）之上的包层（70）；所述包层（70）的折射率在1~2.2之间。

技术总结
本发明公开了一种基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片，属于电光调制技术领域，包括：在铌酸锂上刻蚀的波导结构及电极结构；所述波导结构包括：输入波导、光分束器、第一直波导、第一弯曲波导、第二直波导、第二弯曲波导、光合束器及输出波导；所述电极结构包括：GSG型平面电极及设在GSG型平面电极两侧内的容性负载行波电极，且所述容性负载行波电极对称排布在所述第一直波导和所述第二直波导两侧。本发明通过在两个调制直波导之后设置对应的弯曲波导结构以及容性负载行波电极，能够有效改善硅基薄膜铌酸锂电光调制器的阻抗匹配、降低射频反射、提升电光调制器的带宽，并显著降低制备工艺的难度。

技术研发人员：曾成,李廷安,夏金松
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14