技术领域
[0001] 本
发明属于光通信技术和集成光学中调制技术领域，涉及一种折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器及其制备方法。
背景技术
[0002] 集成光
电子器件在光纤通信、光存储、光显示等领域中得到广泛应用和发展，特别是在光通信领域中，尤其是长距离的光纤通信中。在数据通信业务爆炸性增长的背景下，人们对带宽的需求越来越高，使得光传输朝着超高速、大容量、长中继的目标发展。而其中的调制技术成为高速光通信技术中重要的技术之一。调制技术可分为内调制和外调制两种形式，而内调制由于
激光器的啁啾现象的存在，一方面使得单个纵模线宽展宽，另一方面在光纤色散的作用下使传输的
信号发生非线性失真，限制其在长距离中的应用。外调制技术可以避免激光器内调制产生的啁啾现象且具有高速率、高消光比等特点，在高速光通信中得到快速发展。
[0003] 在外调制技术中，常用的调制器是电光调制器，利用晶体的电光效应将外
电场的
电信号转换为
光信号，常见的可用于电光调制器的材料有III-V族材料、具有电光效应的
聚合物、
磷酸氧钛钾(KTP)、钽酸锂(LiTaO3)以及铌酸锂 (LiNbO3)等。电光调制器其原理是通过引入外部电场，利用电光效应来实现材料折射率的改变，从而改变
波导中光的
相位。利用
马赫曾德干涉仪、微环等结构可以将对相位的调制转化为强度调制。而铌酸锂材料具有电光效应显著、波导损耗小、容易制作等优势而成为电光调制器的主要制作材料之一。特别是近几年，铌酸锂
薄膜材料的制备技术的成熟，使得基于铌酸锂薄膜的电光调制器得到进一步的发展，且为铌酸锂波导与其它集成光学平台如硅基
光子平台提供了可能性和便利。
[0004] 目前，硅基
光子学平台是最主要的集成光学平台之一，其具有与传统 CMOS工艺相兼容、折射率差大、器件尺寸小等特点，使其具有易于大规模制作、易于实现高
密度大规模集成等优势。基于硅基材料的调制器虽然得到学者们大量的研究与改进，但由于硅材料本身是中心对称的
晶体结构，没有线性电光效应，其调制器是基于
等离子体色散效应实现的，即通过外加电场来改变
PN结中载流子浓度来改变硅的折射率，进而实现对光信号的调制。但基于等离子体色散效应的硅基调制器，在改变硅的折射率的同时也会改变硅波导的损耗，使得调制器的损耗显著增加。此外，等离子体色散效应是一个非线性过程，使得硅基调制器的线性度远比不上铌酸锂调制器。
[0005] 综上所述，铌酸锂调制器具有优越的线性电光调制性能，而硅基平台具有优异的无源器件的技术优势，将两者结合可以发挥两种材料的各自优势，实现性能优异的集成器件。图1显示的是一种基于马赫曾德干涉仪结构的硅和铌酸锂混合集成电光调制器的实现方式的示意图，其中所采用的铌酸锂波导为X切 Y传。在该结构中，利用马赫曾德干涉仪将相位调制转换为强度调制，其输入端有输入硅波导10、硅基光分路器20构成，输出端有硅基光合路器21、输出硅波导11构成，而实现对光的调制是由铌酸锂的第一条波导臂30、第二条波导臂31构成，并通过硅-铌酸锂波导耦合结构50实现光在铌酸锂波导和硅波导之间的转移，调制
电极有第一地电极40、第二地电极42和
信号电极41构成。在该结构中调制电极采用推挽设置，即在马赫曾德干涉仪的两波导臂均放置调制电极。其原理是：在调制信号的作用下，波导两臂所施加的电场方向与铌酸锂光轴方向是不同的，两波导臂的折射率改变的方向是不同的，与使用单个电极相比推挽工作方式可以获得更低的驱动
电压。在该混合集成的点调制器中，充分利用了硅基波导折射率差大弯曲半径小等优异的无源器件的优势以及铌酸锂波导具有较大的电光系数的优势，充分发挥了两种材料的各自的优势。
[0006] 基于马赫曾德干涉仪的电光调制器的结构特点是细长型，其长度方向在毫米量级甚至厘米量级而宽度方向在百微米量级。为减小其长度，简单有效的方法是通过弯曲实现折叠式的调制器，如图2所示。在该结构中，马赫曾德干涉仪的第一条波导臂30、第二条波导臂31通过弯曲结构实现调制器长度方向的尺寸的减小，其中第一条波导臂30有第一铌酸锂波导301、第二铌酸锂波导 303，弯曲硅波导302以及硅-铌酸锂波导耦合结构50构成；第二条波导臂 31有第三铌酸锂波导311、第四铌酸锂波导313，第二弯曲硅波导312以及硅- 铌酸锂波导耦合结构50构成。某一时刻，信号电极41上电压为正，此时电场方向如图2中虚线箭头所示。对于第一条波导臂30而言，在第一铌酸锂波导 301处，电场方向沿铌酸锂光轴+Z方向，而在第二铌酸锂波导303处电场方向沿铌酸锂光轴的-Z方向，对于整个第一条波导臂30而言，其相位的改变因为两处电场方向与铌酸锂光轴方向不一致而使得调制效果减弱，甚至完全抵消即第一条波导臂30的相位改变为0。同样，对于第二条波导臂31而言，也会有同样的结果。总之，若采用图2所示的结构，虽然可以减小器件的尺寸，但调制效果大大减弱甚至没有调制效果。
发明内容
[0007] 1、本发明的目的
[0008] 本发明针对基于铌酸锂调制器不能通过直接的弯曲结构来实现调制器长度方向尺寸的减小来实现调制器小型化的问题，提出了一种折叠式硅-铌酸锂混合集成的电光调制器，该调制器充分利用硅和铌酸锂两种材料的优点，实现调制器的弯曲进而有效减小调制器的尺寸。
[0009] 2、本发明所采用的技术方案
[0010] 本发明公开了一种折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器，包括硅基输入波导，硅基光分路器，硅-铌酸锂波导耦合结构，第一条波导臂，第二条波导臂，硅基光合路器，硅基输出波导，还包括两个地电极、一个信号电极，信号电极位于两个地电极之间，信号电极和地电极之间设置波导臂；其中第一条波导臂、第二条波导臂均包括硅-铌酸锂波导耦合结构及两条以上铌酸锂波导，第一条波导臂、第二条波导臂还包括硅基
弯曲波导，硅基交叉结构；在光路转弯前铌酸锂光波导中的光通过硅-铌酸锂波导耦合结构从铌酸锂波导中耦合到硅基光波导中，在硅基弯曲波导中实现光路的转弯，并通过与硅基弯曲波导相连接的硅基交叉结构实现光路在波导中的转换；再次利用硅-铌酸锂波导耦合结构实现光从硅波导到铌酸锂波导的耦合；最后经过合路器实现两路光的合路；在铌酸锂波导两侧通过调制电极实现对铌酸锂波导中光的调制，使得第一波导臂和第二波导臂的铌酸锂波导电极方向相反，同一波导臂内的铌酸锂波导电极方向相同。
[0011] 更进一步，每一条波导臂在经过硅基弯曲波导和硅基交叉结构前后，铌酸锂波导光轴方向与电场方向的相对关系(同向或者反向)保持不变；两条波导臂中，铌酸锂波导的光轴方向与电场方向其中一条波导臂同向，另外一条波导臂反向；
[0012] 更进一步，所述的铌酸锂波导选择范围包括掩埋型矩形波导、脊型波导、加载条形波导以及与硅波导组合成的混合波导结构。
[0013] 更进一步，所述光分路器、所述光合路器可以采用不同的型号。所述光分路器选择包括Y型分路器、MMI型分路器、定向
耦合器型分路器。所述光合路器选择范围包括Y型分路器、MMI型分路器、定向耦合器型分路器。
[0014] 更进一步，所述的调制电极选择范围包括行波电极、集总电极以及混合电极。
[0015] 本发明公开了一种折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器的制备方法：
[0016] S1.在绝缘体硅薄膜基片上利用
光刻刻蚀技术制作所需的硅基波导结构，包括硅基输入输出波导、硅基分路器合路器、硅基交叉结构；
[0017] S2.在所述步骤S1中所得到的基片上
旋涂键合介质——苯并环丁烯(BCB)；
[0018] S3.将铌酸锂薄膜通过键合技术贴在S2所述的基片上，得到硅-铌酸锂组合基片；
[0019] S4.根据需要采用工艺包括刻蚀、湿法
腐蚀、机械化学
抛光去除铌酸锂薄膜的衬底；
[0020] S5.采用光刻刻蚀在S4步骤所获得基片上制作铌酸锂波导；
[0021] S6.在S5步骤所获得的基片上沉积
二氧化硅缓冲层；
[0022] S7.刻蚀二氧化硅，为电极开窗口；
[0023] S8.利用金属剥离工艺制备电极，得到硅-铌酸锂混合集成电光调制器。
[0024] 更进一步，所述步骤S5光刻采用方法包括步进式
光刻机、
接触式光刻机、电子束直写、激光直写。
[0025] 更进一步，所述的步骤S7刻蚀包括
干法刻蚀、湿法刻蚀。
[0026] 更进一步，所述电极的制备采用方法包括
磁控溅射、电子束蒸
镀、
电镀。
[0027] 3、本发明所采用的有益效果
[0028] (1)本发明在光路转弯前铌酸锂光波导中的光通过波导耦合器从铌酸锂波导中耦合到硅基光波导中；在硅基波导中通过交叉结构实现光路在波导中的转换；铌酸锂波导和硅基波导利用键合介质通过键合技术实现铌酸锂波导和硅基波导的混合集成；通过折叠后耦合交叉结构实现光路波导转换，可以在不影响器件性能的情况下，实现器件尺寸大幅减小，有利于实现调制器的小型化。
[0029] (2)本发明的结构如折叠次数为奇数次时，输入输出波导可实现在同一端，为后期与光纤的耦合封装提供便利。
[0030] (3)本发明所采用的工艺步骤具有成本低、工艺简单等优点。
附图说明
[0031] 图1传统硅和铌酸锂混合集成电光调制器示意图。
[0032] 图2一种实现调制器弯曲的结构示意图。
[0033] 图3本发明
实施例1所实现的折叠式调制器的结构示意图。
[0034] 图4本发明实施例2所实现的基于非刻蚀铌酸锂波导的折叠式调制器的结构示意图。
[0035] 图5是实施例2中A-A’,B-B’,C-C’三处波导截面及模场示意图。
[0036] 图6是一种折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器工艺流程示意图。
[0037] 附图标记说明：
[0038] 硅基输入波导10、硅基输出波导11、硅基光分路器20、硅基光合路器 21、第一条波导臂30、第二条波导臂31、第一地电极40、信号电极41、第二地电极42硅-铌酸锂波导耦合结构50、硅基交叉结构60；第一铌酸锂波导 301、第一硅基弯曲波导302、第二铌酸锂波导303、第三硅基弯曲波导304、第五铌酸锂波导305；第三铌酸锂波导311、第二硅基弯曲波导312、第四铌酸锂波导313、第四硅基弯曲波导314、第六铌酸锂波导315。
具体实施方式
[0039] 下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0040] 下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
[0041] 实施例1
[0042] 本发明提出的一种折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器，包括绝缘体上硅基光波导、光分路器、硅波导和铌酸锂波导耦合器、键合介质层、铌酸锂波导、交叉波导、光合路器、调制电极，其中硅基光波导和光分路器构成光输入端，并实现将光分成两路；两路光分别通过波导耦合器将光从硅基光波导到耦合到铌酸锂光波导中；在光路转弯前铌酸锂光波导中的光又通过波导耦合器从铌酸锂波导中耦合到硅基光波导中；利用硅基光波导弯曲损耗小等优势实现光路的转弯，并通过交叉结构实现光路在波导中的转换；再次利用波导耦合结构实现光从硅波导到铌酸锂波导的耦合；经过一段铌酸锂波导后，又利用波导耦合结构再次实现光从铌酸锂波导到硅波导的耦合；最后经过合路器实现两路光的合路；在铌酸锂波导两侧通过调制电极实现对铌酸锂波导中光的调制，使得第一波导臂和第二波导臂的铌酸锂波导电极方向相反，同一波导臂内的铌酸锂波导电极方向相同；铌酸锂波导和硅基波导利用键合介质通过键合技术实现铌酸锂波导和硅基波导的混合集成。
[0043] 图3显示的是本发明所提供的一种折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器结构示意图，该调制器包括：硅基输入波导10，硅基光分路器20，硅-铌酸锂波导耦合结构50，第一条波导臂30，第二条波导臂31，硅基光合路器21，硅基输出波导11，第一地电极40、第二地电极42和信号电极41；其中第一条波导臂30又由第一铌酸锂波导301、第二铌酸锂波导303、硅-铌酸锂波导耦合结构 50，第一硅基弯曲波导302、硅基交叉结构60构成；第二条波导臂31又由第三铌酸锂波导311、第四铌酸锂波导313、硅-铌酸锂波导耦合结构50、第二硅基弯曲波导312、硅基交叉结构60构成。图3也给出了虚线A-A’、B-B’、C-C’所示三处的截面示意图。某一时刻，信号电极41上电压为正，第一地电极40、第二地电极42上电压为0，此时电场方向如图中虚线箭头所示。为叙述方便，忽略工艺误差的影响，假设第一铌酸锂波导301、第二铌酸锂波导303、第三铌酸锂波导311及第四铌酸锂波导313的结构尺寸完全一致，且其长度均为L。针对第一条波导臂30，在第一铌酸锂波导301处，电场方向沿铌酸锂光轴+Z轴，其折射率改变为Δn，相应该段波导相位改变量为Δφ11＝ΔnL×2π/λ；在第二铌酸锂波导303处，电场方向也沿铌酸锂光轴+Z轴，其折射率改变为Δn，相应该段波导相位改变量为Δφ12＝ΔnL×2π/λ，第一条波导臂30中的相位变化量为Δφ1＝Δφ11+Δφ12＝2ΔnL×2π/λ。同样，对第二条波导臂31而言，在第三铌酸锂波导311处，电场方向沿铌酸锂光轴-Z轴，该段波导相位改变量为Δφ21＝-ΔnL×2π/λ；在第四铌酸锂波导313处，电场方向沿铌酸锂光轴-Z轴，该段波导相位改变量为Δφ22＝-ΔnL×2π/λ，第二条波导臂31中的相位变化量为Δφ2＝Δφ21+Δφ22＝-2ΔnL×2π/λ。两波导臂的
相位差为Δφ＝Δφ1-Δφ2+Δφ0＝4ΔnL×2π/λ+Δφ0，其中Δφ0为马赫曾德干涉仪初始的两臂的相位差，通常该值为0。当Δφ为π的偶数倍时两束光发生相消干涉，为π的奇数倍时两束光发生相长干涉，进而实现对光的强度调制。
[0044] 实施例2
[0045] 图4显示的是本发明的另一种实施例，在该实施例中，调制器包括：硅基输入波导10，硅基光分路器20，硅波导和铌酸锂波导的耦合结构50，第一条波导臂30，第二条波导臂
31，硅基光合路器21，硅基输出波导11，第一地电极40、第二地电极42和信号电极41；其中第一条波导臂30又由第一铌酸锂波导301、第二铌酸锂波导303、第五铌酸锂波导305、硅-铌酸锂波导耦合结构 50、第一硅基弯曲波导302、第三硅基弯曲波导304、硅基交叉结构60组成；
第二条波导臂31又由第三铌酸锂波导311、第四铌酸锂波导313、第六铌酸锂波导315、硅-铌酸锂波导耦合结构50、第二硅基弯曲波导312、第四硅基弯曲波导314、硅基交叉结构60组成。图5显示的是图4中A-A’、B-B’、C-C’三处波导截面及模场示意图。为叙述方便，忽略工艺误差的影响，假设第一铌酸锂波导301、第二铌酸锂波导303、第五铌酸锂波导305以及第三铌酸锂波导 311、第四铌酸锂波导313、第六铌酸锂波导315的结构尺寸完全一致，且其长度均为L。针对第一条波导臂30，在第一铌酸锂波导301、第二铌酸锂波导 303、第五铌酸锂波导305处，电场方向均沿铌酸锂光轴+Z轴，其折射率改变为Δn，相应每段波导相位改变量分别为Δφ11、Δφ12、Δφ13，且有Δφ11＝Δφ12＝Δφ13＝ΔnL×2π/λ；则第一条波导臂30中的相位变化量为Δφ1＝Δφ11+Δφ12+Δφ13＝3ΔnL×2π/λ。同样，在第二条波导臂31中，在第三铌酸锂波导311、第四铌酸锂波导313、第六铌酸锂波导315处，电场方向均沿铌酸锂光轴的-Z轴，其折射率改变为-Δn，相应每段波导相位改变量分别为Δφ21、Δφ22、Δφ23，且有Δφ21＝Δφ22＝Δφ23＝-ΔnL×2π/λ，第二条波导臂31中相位的变化量为Δφ2＝Δφ21+Δφ22+Δφ23＝-3ΔnL×2π/λ。两波导臂的相位差为Δφ＝Δφ1-Δφ2+Δφ0＝
6ΔnL×2π/λ+Δφ0，其中Δφ0为两波导臂的初始相位差，通常该值为0。当Δφ为π的偶数倍时两束光发生相消干涉，为π的奇数倍时两束光发生相长干涉，进而实现对光的强度调制。
[0046] 实施例3
[0047] 图6显示的是一种折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器的制备方法，其步骤为：
[0048] S1.在绝缘体硅薄膜基片上利用光刻刻蚀技术制作所需的硅基波导结构；
[0049] S2.在所述步骤S1中所得到的基片上旋涂键合介质；
[0050] S3.将铌酸锂薄膜通过键合技术贴在S2所述的基片上，得到硅-铌酸锂组合基片；
[0051] S4.根据需要采用合适工艺如刻蚀、湿法腐蚀、机械化学抛光等去除铌酸锂薄膜的衬底；
[0052] S5.根据需要采用光刻刻蚀等技术制作铌酸锂波导；
[0053] S6.沉积二氧化硅缓冲层；
[0054] S7.刻蚀二氧化硅，为电极开窗口；
[0055] S8.制备电极，得到硅-铌酸锂混合集成电光调制器。
[0056] 在上述步骤中，光刻可通过步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写、激光直写等方法来完成；刻蚀可通过干法刻蚀(如ICP、RIE等)、湿法刻蚀等方法实现；电极可通过磁控溅射、电子束蒸镀、电镀等方法实现。
[0057] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。
