CN107957631A - 一种高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器 - Google Patents

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李萍
史云玲
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Abstract

本发明公开了一种高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，通过将铌酸锂电光调制器的电极制备成上下型结构，上层电极(信号极)分别位于光学波导上方，下层电极为地电极，因而上下型电极结构对光学波导可以起到100％的调制效率，远高于传统铌酸锂电光调制器的40％至50％的电光调制效率；此外，本申请采用具有单晶结构的、厚度为0.1μm至10μm的铌酸锂薄膜材料，可实现与传统铌酸锂电光调制器相比更短的电极间距。上述两方面因素可大幅降低铌酸锂电光调制器的半波电压。

Description

一种高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器
技术领域
本发明涉及光纤通信与光纤传感技术领域，特别是涉及一种高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器。
背景技术
不断增长的光纤带宽需求推动相干光通信系统向前发展和应用。尽管第一代100G相干光通信系统已经布设在网络中好几年了，对带宽、端口密度以及系统能耗量的要求依然在不断提高，也推动技术向200G、400G甚至更高速的系统前进。
在早期的光通信技术发展过程中，铌酸锂晶体起到了重要的作用。基于铌酸锂晶体的马赫-曾德尔调制器，具有低损耗、高调制带宽、高消光比以及低啁啾等显著优势，作为外调制器广泛应用在超长距离超高速光网络中。
然而，随着光通信技术的不断发展，由于铌酸锂电光调制器本身存在的体积和半波电压较大的问题，使其在光通信系统特别是相干光通信系统中的应用受到了较大的制约。铌酸锂电光调制器体积和半波电压较大的问题来自于铌酸锂电光调制器所采用的行波电极，这种电极结构具有较低的电光调制效率。铌酸锂电光调制器的半波电压和行波电极长度的设计考虑因素由下式决定：
其中，Vπ为调制器的半波电压，L为行波电极长度，Γ为电光调制效率，d为行波电极中信号电极与地电极之间的间距，λ为器件工作波长，n为光波折射率，γ为铌酸锂晶体的电光系数。由上式可见，当铌酸锂电光调制器的结构参数(Γ、d、λ、n等)为固定值时，器件的半波电压和行波电极长度是成反比例关系，即通过延长行波电极长度的方式可实现器件半波电压的降低，但这会导致器件体积的增大。因此，为降低铌酸锂电光调制器的半波电压，采用缩短电极间距d和提高电光调制效率Γ则是更好的技术方案。然而，缩短电极间距d会导致器件调制带宽的降低，因此，提高电光调制效率Γ则更为有效。
提高电光调制效率可采用如下两种技术方案：(1)制作基于脊型铌酸锂波导的行波电极结构，(2)降低二氧化硅缓冲层厚度或去除二氧化硅缓冲层。上述两种提高电光调制效率的技术方案中，方案(1)在制作脊型铌酸锂波导时需采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式，所制作的脊型铌酸锂波导传输损耗过大，导致器件插入损耗过大；方案(2)降低了二氧化硅缓冲层的厚度，导致了光波与微波折射率匹配程度的下降，会降低器件的工作带宽。
发明内容
本发明的目的是提供一种高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，以解决上述两种提高电光调制效率的技术方案导致的问题。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，基底材料1、下层电极2、下缓冲层3、铌酸锂薄膜4、光学波导5、上缓冲层6、上层电极7，所述上层电极7为信号级，包括正电极和负电极，正电极和负电极分别位于左右两侧光学波导5上方，所述下层电极为地电极，所述铌酸锂薄膜4为具有单晶结构的、厚度为0.1μm至10μm的铌酸锂薄膜材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，本申请通过将铌酸锂电光调制器的电极制备成上下型结构，上层电极(信号极)分别位于光学波导上方，下层电极为地电极，因而上下型电极结构对光学波导可以起到100％的调制效率，远高于传统铌酸锂电光调制器的40％至50％的电光调制效率；此外，本申请采用具有单晶结构的、厚度为0.1μm至10μm的铌酸锂薄膜材料，可实现与传统铌酸锂电光调制器相比更短的电极间距。上述两方面因素可大幅降低铌酸锂电光调制器的半波电压。
附图说明
图1所示为本发明实施例1的截面结构示意图示意图；
图2所示为本发明实施例2的截面结构示意图示意图；
图3所示为本发明实施例3的截面结构示意图示意图；
图中，基底材料1、下层电极2、下缓冲层3、铌酸锂薄膜4、光学波导5、上缓冲层6、上层电极7。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在......之上”、“在......上方”、“在......上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个部件或者模块或特征与其他部件或者模块或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了部件或者模块在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的部件或者模块被倒置，则描述为“在其他部件或者模块或构造上方”或“在其他部件或者模块或构造之上”的部件或者模块之后将被定位为“在其他部件或者模块或构造下方”或“在其他部件或者模块或构造之下”。因而，示例性术语“在......上方”可以包括“在......上方”和“在......下方”两种方位。该部件或者模块也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例包括基底材料1、下层电极2、下缓冲层3、铌酸锂薄膜4、光学波导5、上缓冲层6、上层电极7，所述上层电极7为信号级，包括正电极和负电极，正电极和负电极分别位于左右两侧光学波导5上方，所述下层电极为地电极，所述铌酸锂薄膜4为具有单晶结构的、厚度为0.1μm至10μm的铌酸锂薄膜材料。所述基底材料1采用厚度为0.1mm至2mm的z切铌酸锂体晶材料；所述下层电极2采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜；所述下缓冲层3和上缓冲层2采用厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜；所述铌酸锂薄膜4为具有单晶结构的、厚度为0.1μm至10μm的铌酸锂薄膜材料，通过键合工艺与减薄工艺相结合的工艺手段制备；所述光学波导5为钛扩散光学波导或退火质子交换光学波导，波导扩散宽度为1至20μm，扩散深度为1至20μm；所述上层电极7采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜，正电极和负电极分别位于左右两侧光学波导5上方。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述低阻硅基底材料代替了上述方案中的铌酸锂体晶基底材料1、下层电极2以及下缓冲层3，通过其低阻值特性起到了下层电极2的作用，并通过导电胶将硅基底与金属管壳粘接使低阻硅基底成为地电极；所述上缓冲层6采用厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜；所述上层电极7采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜。
实施例3
本实施例是在实施例1或实施例2基础上，提供了一种新的铌酸锂薄膜(4)结构,其余的方案与实施例1或实施例2一致。所述铌酸锂薄膜(4)由左半侧薄膜部分和右半侧薄膜部分组成，其中左半侧薄膜部分具有+c极化方向或-c极化方向，相对应地，右半侧薄膜部分具有-c极化方向或+c极化方向，也就是说，当左半侧薄膜部分具有+c极化方向，右半侧薄膜部分具有-c极化方向，当左半侧薄膜部分具有-c极化方向，右半侧薄膜部分具有+c极化方向。如图3所示，为在实施例1基础上进行的改进的图示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，基底材料(1)、下层电极(2)、下缓冲层(3)、铌酸锂薄膜(4)、光学波导(5)、上缓冲层(6)、上层电极(7)，所述上层电极(7)为信号级，包括正电极和负电极，正电极和负电极分别位于左右两侧光学波导(5)上方，所述下层电极为地电极，所述铌酸锂薄膜(4)为具有单晶结构的、厚度为0.1μm至10μm的铌酸锂薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜(4)由左半侧薄膜部分和右半侧薄膜部分组成，其中左半侧薄膜部分具有+c极化方向或-c极化方向，相对应地，右半侧薄膜部分具有-c极化方向或+c极化方向。
3.根据权利要求1或2所述的高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述基底材料(1)采用厚度为0.1mm至2mm的z切铌酸锂体晶材料；所述下层电极(2)采用厚度为0.1um至30um的金或铝金属薄膜；所述下缓冲层(3)和上缓冲层(6)采用厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝薄膜；所述光学波导(5)为钛扩散光学波导或退火质子交换光学波导，波导扩散宽度为1至20μm，扩散深度为1至20μm；所述上层电极(7)采用厚度为0.1um至30um的金或铝金属薄膜。
4.根据权利要求1或2所述的高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述基底材料(1)、下层电极(2)以及下缓冲层(3)采用0.1mm至2mm低阻硅晶体材料，所述光学波导(5)为钛扩散光学波导或退火质子交换光学波导，波导扩散宽度为1至20μm，扩散深度为1至20μm；所述上缓冲层(6)采用厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝薄膜；所述上层电极(7)采用厚度为0.1um至30um的金或铝金属薄膜。
5.根据权利要求4所述的高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述低阻硅基底材料通过其低阻值特性起到了下层电极的作用，并通过导电胶将硅基底与金属管壳粘接使低阻硅基底成为地电极。
6.根据权利要求1或2所述的高调制效率的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，通过键合工艺与减薄工艺相结合的工艺手段制备。
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