CN106019643A - 一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构 - Google Patents

一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，包括钛扩散铌酸锂条形波导、铌酸锂层、二氧化硅缓冲层、共面行波电极、硅基底和下电极层，钛扩散铌酸锂条形波导安装在铌酸锂层的下表面中央，硅基底的上表面覆盖共面行波电极，共面行波电极共三个且其上表面覆盖一层二氧化硅缓冲层，二氧化硅缓冲层共两层且其两层间安装有铌酸锂层。

Description

一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构。
背景技术
马赫曾德(Mach-Zehnder)调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电介质光调制器件，MZ由两端的两个Y分支器和中间两个单波导调制器组成。
调制器是产生光信号的关键器件。在TDM和WDM系统的发射机中，从连续波(CW)激光器发出的光载波信号进入调制器，高速数据流以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从而完成调制。
在网络容量呈指数增长和全球一体化的驱动下，光通信系统正朝着大容量高速率长距离传输的方向快速发展。而调制器的性能和效率首要的决定着光通信系统能否实现这个目标。近年来，由于铌酸锂(LiNbO3)波导的低损耗、高电光效率等特性，基于马赫曾德波导结构的LiNbO3调制器(简称LiNbO3马赫曾德调制器)更是以其啁啾可调，驱动电压低以及带宽大等优点成为光通信系统中使用最广泛的高速调制器。但是由于材料电光系数较小，Z轴方向上LiNbO3的电光系数为32pm/V，为保证较小半波电压，需要增加器件的长度，因此目前基于铌酸锂的马赫曾德调制器尺寸很大，无法满足未来小型化模块的需求，另外要降低驱动电压需要增加长度，由于长度已经太大，因此目前铌酸锂无法实现低驱动，不利于降低功耗。电光调制器是高速光通信的关键器件。在各种外调制器中，行波型钛扩散铌酸锂光波导电光调制器是优选之一。当调制器的相速失配较好解决后限制带宽的主要因素是微波损耗。人们提出和实施了多种减小电极微波损耗的方案,其中比较有效的方案是厚SiO2缓冲层和厚的Au电极、T型电极和脊波导结构。日本NTT公司制作的100GHz铌酸锂光波导调制器导体微波损耗系数-0.27dB/cm(GHz)仍处于国际领先水平.
目前的铌酸锂光调制器产品多使用同成分的铌酸锂晶体作为基底，然而在光调制过程中，对于不同波长、不同强度的光信号，对应的光损耗也不同，作为全光通信的核心器件，其稳定新尚有欠缺。
发明内容
针对以上现有存在的问题，本发明提供一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，电极采用对称共面波导(CPW)，横截面为T字形的双层行波电极，且其共分两层来完成：即上电极和下电极，上电极的厚度可以根据不同性能要求特殊设计,这样就大大减小了传输损耗，在实现低功耗驱动的同时降低了调制器的尺寸，提高了器件的稳定性，具有制作工艺简便，器件尺寸小，稳定性好等优点，能够推动基于LNOI平台的集成光路和器件向实用化方向迈进，为下一代光电混合集成芯片的研发提供支撑。
本发明的技术方案在于：
本发明提供一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，包括钛扩散铌酸锂条形波导、铌酸锂层、二氧化硅缓冲层、共面行波电极、硅基底和下电极层，所述钛扩散铌酸锂条形波导安装在所述铌酸锂层的下表面中央，所述硅基底的上表面覆盖所述共面行波电极，所述共面行波电极共三个且其上表面覆盖一层所述二氧化硅缓冲层，所述二氧化硅缓冲层共两层且其两层间安装有所述铌酸锂层。
进一步地，所述铌酸锂层采用局部掺镁的近化学计量比铌酸锂薄膜制成。
进一步地，所述共面行波电极采用金Au制成，且其相互间的间距为2～20μm，其半波电压在4～10V，通过对所述共面行波电极的电压控制来达到输出光的强度调制。
进一步地，所述共面行波电极可由行波电极层代替，在晶片最上层的所述二氧化硅缓冲层上表面中央设置一个上端金电极。
进一步地，所述上端金电极与所述行波电极层之间的竖直距离为4～20μm，其半波电压在4～10V
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具体的积极有益效果为：
1、本发明的电极采用对称共面波导(CPW)，横截面为T字形的双层行波电极。
2、本发明所采用的电极共分两层来完成：即上电极和下电极，上电极的厚度可以根据不同性能要求特殊设计,这样就大大减小了传输损耗，在实现低功耗驱动的同时降低了调制器的尺寸，提高了器件的稳定性，具有制作工艺简便，器件尺寸小，稳定性好等优点，。
3、本发明能够推动基于LNOI平台的集成光路和器件向实用化方向迈进，为下一代光电混合集成芯片的研发提供支撑。
4、本发明结构简单，安全可靠，具有良好的市场前景。
5、本发明产品性能好，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1所示实施例的调制原理示意图；
图3为本发明的另一实施例的结构示意图；
图4为图3所示实施例的调制原理示意图；
图5为本发明的封装结构示意图。
图中：1-钛扩散铌酸锂条形波导，2-铌酸锂层，3-二氧化硅缓冲层，4-共面行波电极，5-硅基底，6-行波电极层，7-上端电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
如图1所示，本发明提供一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，包括钛扩散铌酸锂条形波导1、铌酸锂层2、二氧化硅缓冲层3、共面行波电极4、硅基底5和下电极层6，钛扩散铌酸锂条形波导1安装在铌酸锂层2的下表面中央，硅基底5的上表面覆盖共面行波电极4，共面行波电极4共三个且其上表面覆盖一层二氧化硅缓冲层3，二氧化硅缓冲层3共两层且其两层间安装有铌酸锂层2。
本发明进一步设置为：铌酸锂层2采用局部掺镁的近化学计量比铌酸锂薄膜制成。
本发明进一步设置为：共面行波电极4采用金Au制成，且其相互间的间距为2～20μm，其半波电压在4～10V，通过对共面行波电极4的电压控制来达到输出光的强度调制。
如图3所示，本发明进一步设置为：共面行波电极4可由行波电极层5代替，在晶片最上层的二氧化硅缓冲层3上表面中央设置一个上端金电极7。
本发明进一步设置为：上端金电极7与行波电极层6之间的竖直距离为4～20μm，其半波电压在4～10V。
如图2和图4所示，所述局域掺镁近化学计量比铌酸锂薄膜中，Z轴方向如图所示，其调制电压与所需调制长度的关系如下：
Vpt＝λ·d/(2Γ·n03·γ33·L)
L＝λ·d/(2Γ·n03·γ33·Vpt)
其中，Vpt为半波电压，λ为波长，Γ为电场交叠因子，n03为折射率，γ33为电光系数，L为行波电极长度，d为电场路径长度，所述L决定所述调制器的长度。通常情况下，本发明的电场路径在20μm左右，相对于传统路径，至少缩小了3～4倍。相比于传统调制器而言，本发明所采用的电极结构能够很大程度地降低半波电压，行波长度在3～6mm，相比于传统调制器缩短了10～20倍。
通过采用上述技术方案，对于传统调制器而言，本发明的尺寸至少可以缩小8～10倍，可以用于小型化光模块，微电子或光电子器件，此外，本发明所述的铌酸锂波导层为局域掺镁的近化学计量比钛扩散条形条波导，能够在常温下实现抗光折变，有效地提高光调制器功能的稳定性。
如图5所示，封装结构包括输入光纤、Y型波导分支、行波电极、地电极、外壳和输出光纤，其中输入光纤用于将光耦合到光调制器，行波电极用于根据电信号对输入光进行调制，输出光纤用于将调制光输出，外壳用于对晶片结构进行封装。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，其特征在于：包括钛扩散铌酸锂条形波导、铌酸锂层、二氧化硅缓冲层、共面行波电极、硅基底和下电极层，所述钛扩散铌酸锂条形波导安装在所述铌酸锂层的下表面中央，所述硅基底的上表面覆盖所述共面行波电极，所述共面行波电极共三个且其上表面覆盖一层所述二氧化硅缓冲层，所述二氧化硅缓冲层共两层且其两层间安装有所述铌酸锂层。
2.根据权利要求1所述的一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，其特征在于：所述铌酸锂层采用局部掺镁的近化学计量比铌酸锂薄膜制成。
3.根据权利要求2所述的一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，其特征在于：所述共面行波电极采用金Au制成，且其相互间的间距为2～20μm，其半波电压在4～10V，通过对所述共面行波电极的电压控制来达到输出光的强度调制。
4.根据权利要求2所述的一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，其特征在于：所述共面行波电极可由行波电极层代替，在晶片最上层的所述二氧化硅缓冲层上表面中央设置一个上端金电极。
5.根据权利要求4所述的一种用于马赫曾德光调制器的晶片结构，其特征在于：所述上端金电极与所述行波电极层之间的竖直距离为4～20μm，其半波电压在4～10V。
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