CN110275328A - 极间厚缓冲层调制器芯片结构 - Google Patents

极间厚缓冲层调制器芯片结构 Download PDF

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杨登才
陈雨康
向美华
王云新
刘萍萍
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Abstract

本发明涉及极间厚缓冲层调制器芯片结构，属于铌酸锂电光调制技术领域。为了实现更低的调制器件功耗，需要得到较低调制半波电压，本发明在调制器芯片行波电极间的缓冲层处进行了加厚处理，能有效增大电光重叠积分，降低器件半波电压。为铌酸锂强度调制器的功耗降低提供了有效方法。

Description

极间厚缓冲层调制器芯片结构
技术领域
本发明涉及极间厚缓冲层调制器芯片结构，属于铌酸锂电光调制技术领域。
背景技术
铌酸锂强度调制器一般采用的是共面传输线电极结构和马赫增德尔波导光路结构。射频电极的电场分量对波导内光波作用实现电光调制。衡量电光调制器件功耗的主要指标为半波电压，在给定波长、铌酸锂切向和电极长度的情况下，半波电压主要取决于电光重叠积分的大小。电光重叠积分因子反映了给定电场分量与对应光场在空间上的重叠情况,是影响铌酸锂波导中光波相位随调制电场变化幅度的重要因素。为了获得更好的电光调制效率,如何提高电光重叠积分因子是国内外研究的重要课题。目前对于铌酸锂集成光波导电光重叠积分因子的研究主要集中在电极和波导参数对电光重叠积分因子的影响。有报道指出将波导靠近电极边缘、把电极埋入铌酸锂衬底表面和脊型波导均能提高重叠积分，然而受限于波导耦合间距和铌酸锂刻蚀工艺，实用性并不高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供极间厚缓冲层调制器芯片结构，通过增加行波电极间区域的缓冲层厚度来有效增大电光重叠积分，降低半波电压。
本发明所采用的技术方案是：极间厚缓冲层调制器芯片结构，在铌酸锂衬底上制作光波导及调制光波导中光相位的共面波导结构的行波电极，行波电极包括信号电极和地电极，信号电极和地电极为平行的条状，所述的光波导位于铌酸锂衬底上表面内部；在铌酸锂衬底上表面设置缓冲层，所述的行波电极位于缓冲层上表面，并且将位于行波电极的信号电极和地电极之间的缓冲层加厚。
所述的铌酸锂衬底为x切铌酸锂。
所述缓冲层为二氧化硅材料。
所述的光波导为马赫曾德尔干涉光路，所述的行波电极的信号电极位于中间，其地电极位于信号电极的两侧，所述马赫曾德尔光路的两臂位于行波电极的信号电极和地电极之间。
所述的行波电极的信号电极和地电极采用金属条。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在调制器芯片行波电极间的缓冲层进行了加厚处理，能够有效增大电光重叠积分，降低半波电压，相比波导靠近电极边缘、电极埋入铌酸锂衬底和脊型波导等手段更具有可行性。
附图说明
图1为本发明极间厚缓冲层调制器芯片结构的一个实施例的示意图；
图2是图1所示实施例的截面的示意图；
图3是本发明的调制器结构的电光重叠积分和半波电压随电极间缓冲层厚度增加的变化图(实线为半波电压，虚线为电光重叠积分)。
图中，1、铌酸锂衬底，2、行波电极，3、缓冲层，4、光波导。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，该方案结构包括铌酸锂衬底1、行波电极2、缓冲层3和光波导4；
所述的光波导4为马赫增德尔干涉光路，位于铌酸锂衬底1上表面的内部；
所述的缓冲层3为二氧化硅材料，位于铌酸锂衬底1上表面，并且将位于行波电极2的中心电极和地电极之间的部位加厚；
所述的行波电极2位于缓冲层3上表面，为共面波导结构，由三个金属条构成，中心的金属条为信号电极，两侧的金属条为地电极；
所述的波导4马赫增德尔干涉光路的两臂位于行波电极2的所述三个金属条之间；
共面波导行波电极2的厚度为18微米，信号电极宽度为8微米，电极间距为15微米，电极倾角为87°，加厚缓冲层3最小厚度为0.9微米，电极长度为2厘米，光波长为1.55微米。
射频电极施加的电信号与波导中的光波发生电光调制作用，中心电极与地电极间衬底内的x方向电场分布的最大值靠近中心电极边缘，因此靠近电极的波导能够得到更大的电光重叠积分，除了改变波导的位置，还可以通过加厚电极间缓冲层的方式对x方向电场分布进行校正，使最大值靠近中心电极与地电极正中间分布。
电光重叠积分因子的计算公式为：Eop是平行于x方向的导模的电场强度，Ex是调制电场在x方向上的分量，g为电极间距，V为施加的电压，S为波导横截面。
半波电压的计算公式为：λ为光波长，g为电极间距，ne为光波在波导中的折射率，γ33为铌酸锂z方向的电光系数，Γ为电光重叠积分，L为电极长度。
图3是本发明的铌酸锂调制器结构的电光重叠积分和半波电压随着电极间缓冲层厚度增加的变化图，计算的结构参数如上所述，电极底部缓冲层厚度均为0.9μm，电极间缓冲层厚度从0.9μm开始增加。如图3所示，实线代表半波电压的变化，虚线代表重叠积分的变化。当电极间缓冲层从0.9μm增加到4μm时，半波电压从7.18V降到了6.5V。考虑到工艺上缓冲层厚度目前最多只能做到2μm，半波电压能够降低0.46V。
上述实施案例中，电极间缓冲层可以在工艺允许范围内任意改变，视实际需要而定。
本发明在调制器行波电极间设计加厚缓冲层结构，经过计算发现能够有效增大电光重叠积分，降低半波电压，相比波导靠近电极边缘、电极埋入铌酸锂衬底和脊型波导等手段更具有可行性。
以上所述的实施案例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.极间厚缓冲层调制器芯片结构，在铌酸锂衬底(1)上制作光波导(4)及调制光波导(4)中光相位的共面波导结构的行波电极(2)，行波电极(2)包括信号电极和地电极，信号电极和地电极为平行的条状，其特征在于：所述的光波导(4)位于铌酸锂衬底(1)上表面内部；在铌酸锂衬底(1)上表面设置缓冲层(3)，所述的行波电极(2)位于缓冲层(3)上表面，并且将位于行波电极(2)的信号电极和地电极之间的缓冲层(3)加厚。
2.根据权利要求1所述的极间厚缓冲层调制器芯片结构，其特征在于：所述的铌酸锂衬底(1)为x切铌酸锂。
3.根据权利要求1或2所述的极间厚缓冲层调制器芯片结构，其特征在于：所述缓冲层(3)为二氧化硅材料。
4.根据权利要求3所述的极间厚缓冲层调制器芯片结构，其特征在于：所述的光波导(4)为马赫曾德尔干涉光路，所述的行波电极(2)的信号电极位于中间，其地电极位于信号电极的两侧，所述马赫曾德尔光路的两臂位于行波电极(2)的信号电极和地电极之间。
5.根据权利要求4所述的极间厚缓冲层调制器芯片结构，其特征在于：所述的行波电极(2)的信号电极和地电极采用金属条。
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