一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器

本发明涉及电光调制器，特别涉及一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器。

背景技术：

1、未来信息技术的发展需求推动了从大规模单元光子器件到集成光子芯片的发展。尽管硅基光电子器件已经为实现高速光通信、通信中心互联以及传感技术提供了一种高效、低功耗的片上光学解决方案，但是未来的信息产业对芯片材料提出了更高的要求，高速硅基电光调制的调制机理一般是基于等离子体色散效应，在外电场作用下，通过自由载流子浓度变化实现电光调制，这也导致它的线性度较差，无法实现大带宽。而铌酸锂薄膜电光调制器则由于材料优秀的电光效应可以满足调制器低半波电压，大带宽的需求。然而，减小半波电压与增大调制带宽之间存在相互制约的关系，同时现有的优化手段如增加分段电极成本过高。

2、哈佛大学团队（wang c, zhang m, chen x, et al. integrated lithiumniobate electro-optic modulators operating at cmos-compatible voltages[j].nature, 2018, 562(7725): 101-104.）对在cmos兼容电压下工作的集成铌酸锂电光调制器进行了研究，其设计研究的单片集成铌酸锂电光调制器具有cmos兼容的驱动电压，支持高达210千兆/秒的数据速率，片上光损耗小于0.5db；通过将器件长度减少到10毫米和5毫米，可以进一步将3-db电光带宽分别扩大到80ghz和100ghz，这些两种长度的调制器测量得到的vπ值分别为2.3v和4.4v。该集成铌酸锂电光调制器对比传统体式铌酸锂调制器的大带宽和支持cmos直接驱动的优势，但调制器应用传统共面行波电极结构，导致半波电压与调制器带宽之间存在较强的相互限制的关系。

3、华中科技大学团队（liu y, li h, liu j, et al. low vπ thin-film lithiumniobate modulator fabricated with photolithography[j]. optics express, 2021,29(5): 6320-6329.）提出了一种用光刻法制备的低vπ薄膜铌酸锂调制器，该调制器的半波电压为3.5v，对应于电压-长度的乘积为1.75v·cm，测量到的3db电光响应带宽超过40ghz，测量到波导传输损耗为0.7db/cm；该调制器同样应用传统共面行波电极结构，导致半波电压与调制器带宽之间存在较强的相互限制关系。

4、中山大学团队（ying p, tan h, zhang j, et al. low-loss edge-couplingthin-film lithium niobate modulator with an efficient phase shifter[j].optics letters, 2021, 46(6): 1478-1481.）在铌酸锂薄膜上设计并制作了一种低耦合损耗的边缘耦合器。通过在铌酸锂（ln）调制器中加入边缘耦合器和高效的热移相器，可以有效地降低整体损耗，这是目前基于铌酸锂薄膜的调制器中最低的插入损耗，但是该调制器设计主要减小了插入损耗，并未在调制器带宽及半波电压参数上做出突破。

5、已公开专利cn202010409764.1提出了一种共面波导线电极结构及调制器，包括金属电极和光波导。金属电极包括地电极和信号电极，信号电极的两侧设有连接臂，地电极的内侧设有连接臂，信号电极的连接臂末端设有信号线延伸电极，地电极的连接臂末端设有接地线延伸电极，信号线延伸电极与所述接地线延伸电极之间设有间距d1，光波导穿过所述间距。通过将金属电极进行延伸，实际缩短了电极与电极之间的距离，从而在较少的影响特征阻抗的情况，减小了电极间隔，增大了电极间的电场强度。但这种电极结构对减小调制器半波电压的参数提供的作用较为有限。

6、已公开专利cn202010021720.1提出了一种电光调制器及其制作方法，该电光调制器包括在低介电常数衬底上至下而上依次排列的低介电常数键合层、铌酸锂波导结构、在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极。采用该发明能够降低针对电极间距引起的微波损耗。该结构与上个专利结构相近，皆无法较明显减小调制器半波电压参数。

7、已公开专利wo2022cn100239提出了一种波导线电极结构和电光调制器，其中，波导线电极结构额外设置位于光波导上方的覆盖层，并使得连接至信号电极或地电极的电极延长部延伸到覆盖层的上表面。该发明实施例的波导线电极结构在保证了信号电极和地电极的电极延长部之间距离足够接近的情况下，同时保证了电极延长部和相应的光波导存在一定的间距，因此，该发明公开的波导线电极结构在增大了电光转换效率的同时，避免了对第一支路或第二支路中光的正常传输的影响，大幅度提高了波导线电极结构的调制效果。但该结构在波导内的主要电场方向并不完全平行于薄膜表面，会导致波导内电场分布不够均匀，影响光线传输。

8、此外，一项2019年的研究结果表明（samania, el-fikye, morsy-osmanm, etal.siliconphotonic mach–zehnder modulator architectures foronchip pam-4signalgeneration [j]. journal of lightwave technology, 2019, 37(13) : 2989-2999.），两段mzm实验显示出比单段mzm更好的带宽/半波电压(bw/vπ)性能；随着行波电极长度的增加，高频元件的电压波动会显著减弱，而采用多段短电极的se-mzm意味着每个驱动器的射频损耗更低，驱动电压更低；然而，更多的细分意味着更多的电力驱动，这必然会导致额外的功耗和驱动之间的射频延迟控制的复杂性。

9、因此，基于现有技术存在的问题，有必要设计一种能够突破半波电压与调制带宽之间的相互制约，保持较低半波电压同时增大带宽的新型结构调制器，并对调制器的结构参数进行优化，以期进一步减小参数间的限制关系。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种解决铌酸锂薄膜电光调制器中半波电压与调制带宽相互制约的问题的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器。

2、为此，本发明技术方案如下：

3、一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，包括依次连接的分光结构、调制结构和合束结构；调制结构由二氧化硅缓冲层、铌酸锂波导层、二氧化硅上包层、周期性双电容结构、二氧化硅填充层、电极层和二氧化硅覆盖层构成；其中，二氧化硅缓冲层为矩形薄层；铌酸锂波导层由两条铌酸锂脊层和一个铌酸锂薄层一体成型构成；铌酸锂薄层完全覆盖在二氧化硅缓冲层的上表面，两条铌酸锂脊层呈平行间隔设置、并居中固定铌酸锂薄层上；二氧化硅上包层为两个，二者分别包覆在两条铌酸锂脊层的外侧；周期性双电容结构由分别设置在两条铌酸锂脊层处的两个电容结构构成，各电容结构由分布在铌酸锂脊层两侧的两排t形电极组构成，每排t形电极组由若干个等间距且呈一字排布的t形电极形成；t形电极由头部电极和垂直固定在头部电极中部的尾部电极构成；头部电极以平行于铌酸锂脊层的方式设置、并局部包覆在二氧化硅上包层的外侧；二氧化硅填充层由多个t形二氧化硅填充体构成，其分别设置在每相邻两个t形电极之间形成的t形凹槽中，并与邻侧t形电极无缝相接；电极层由三个电极层构成，其分别完全覆盖在位于第一电容结构与第二电容结构之间的铌酸锂薄层上、第一电容结构另一侧的铌酸锂薄层上、以及第二电容结构另一侧的铌酸锂薄层上，且每个电极层均与邻侧各t形电极的尾部电极连接；二氧化硅覆盖层由三个二氧化硅覆盖层构成，其分别完全覆盖在三个电极层上。

4、该周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器属于行波调制器，其通过对调制结构中的两个电极结构以及设置在电机结构之间的不同的二氧化硅层进行适应性设计，解决了铌酸锂薄膜电光调制器中半波电压与调制带宽相互制约的问题；具体地，两个电极结构分别为设置在二氧化硅上包层处的周期性双电容结构和覆盖在铌酸锂脊层上表面的电极层；其中，对于周期性双电容结构，其由呈周期性排布在二氧化硅上包层两侧的双排t形电极形成，为一种具有周期性微结构行波电极结构，这一结构与覆盖在铌酸锂脊层中部和两侧的三个电极层相互配合，使得中心导体间隙和宽度较常规的行波电极大得多，以实现较少的电场侵入光模式，进而显著降低电极的导体损耗；这与理论上的利用增加电极的厚度、信号电极的宽度、信号电极与地电极之间的间隙等方法实现导体损耗的方法相比，本技术利用电极结构设计减小导体损耗的方法不仅不会影响行波电极的射频指数和阻抗值，同时还能有有助于确保较高的调制效率；而二氧化硅层包括设置在铌酸锂脊层下方的二氧化硅缓冲层、设置在铌酸锂脊层与周期性双电容结构之间的二氧化硅上包层、设置在周期性双电容结构内t形电极间隙间的二氧化硅填充层，以及覆盖在电极层上方的二氧化硅覆盖层；

5、而多个具有不同结构形态的二氧化硅层的设计机理在于：对于行波调制器来说，光信号在光波导内传播，而微波信号同时在微波波导即行波电极内传播；为了光信号在调制区域内沿着电极传播的微波调制，避免调制的光信号带来相位误差（尤其在调制频率较高的情况下），光信号的群速度与微波信号的群速度必须相互匹配，即保证光的群折射率非常接近微波的折射率；本技术通过大量实验设计，最终得到本技术的二氧化硅层的结构形态，其与电极结构相互匹配，使该调制结构在微波状态下实现群速度匹配，使得微波和光信号的群折射率相互接近。其中，在各二氧化硅层中，二氧化硅上包层与二氧化硅覆盖层的尺寸调整也意味着电极结构的调整，因此二者的尺寸调整对调整效率的影响相对明显。

6、优选，分光结构、调制结构和合束结构居中固定在基底层上；基底层为石英层或硅层。

7、优选，分光结构和合束结构均采用铌酸锂制多模干涉耦合器；多模干涉耦合器的一端设有单端接头、另一侧设有双端接头；两条铌酸锂脊层的两端均向外侧延伸有用于与分光结构和合束结构连接的接头端。

8、优选，二氧化硅缓冲层的厚度为2μm。

9、优选，铌酸锂薄层的厚度为0.2μm~0.5μm；铌酸锂脊层的厚度为0.2μm~0.4μm，顶面宽度为0.8μm~2.5μm。

10、优选，二氧化硅上包层的厚度为1.0μm~1.5μm、宽度为4μm~8μm。

11、优选，在t形电极中，头部电极为一长度为45μm、厚度为1.2μm~1.8μm、宽度为2μm~3.75μm的长方体；位于同排的两个相邻t形电极中，头部电极之间的间距为5μm；对称位于二氧化硅上包层两侧的两个头部电极之间的间距保持为1.5μm~5μm。

12、优选，尾部电极为一长方体，其在头部电极长度方向的尺寸为5μm，其在头部电极宽度方向的尺寸为5μm，其厚度与电极层的厚度相同。

13、优选，t形二氧化硅填充体的厚度大于或等于电极层的厚度，其厚度为0.7μm~1.5μm。

14、优选，电极层的厚度为0.7μm~1μm、横向宽度为50μm~150μm；二氧化硅覆盖层的厚度为0.5μm~1.5μm。

15、与现有技术相比，该周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器提出了一种用于在调制区域设置的周期性双电容结构的电极结构，其结构简单、制作方便，通过与铌酸锂脊层相互配合，有效的增大了调制效率，对比传统薄膜调制器共面电极结构减小了导体损耗，保持了调制器的大带宽；同时，通过在周期性双电容结构与电极层之间设计具有不同形态规格的二氧化硅层对调制结构进行进一步优化，突破半波电压与调制带宽之间的相互制约，实现了在保持较低半波电压同时增大带宽的目的。