CN111487793A - 实现调制效率提高的z切lnoi电光调制器及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种实现调制效率提高的Z切LNOI电光调制器及其应用，该Z切LNOI电光调制器包括衬底，其底部设有槽；绝缘层，其设置在衬底上；波导芯层，设置在绝缘层上，切向为Z切；上包层，设置在波导芯层上，用于和波导芯层形成折射率差从而限制光场的传输，同时作为上层电极的支撑结构；信号电极，设置在包层对应光学波导位置上，用于施加电信号形成电场对波导芯层中的光进行电光调制；以及地电极，其设置在槽内，与信号电极之间的电场沿着Z切LN的光轴方向。本发明实现了电场对光场的接近100％的超高效电光调制，进而极大降低调制器的半波电压，减小调制器功耗。

Description

实现调制效率提高的Z切LNOI电光调制器及其应用
技术领域
本发明属于集成光学领域，更具体地涉及一种实现调制效率提高的Z切LNOI电光调制器及其应用。
背景技术
作为光通信和光互连系统中的核心器件之一，调制器实现电信号到光信号的转换，其性能直接决定了整个通信系统的性能，在长距离光通信链路、数据中心、超级计算机等短距离通信互连应用场景中，除了“高速与大容量”，“小型化，集成化和低损耗”也是其重要需求和发展目标，所以研发易集成、低功耗、低成本的光电子器件是促进高速光通信系统发展的迫切需求，包括调制器。铌酸锂晶体在常温下是一种铁电体，具备优良的电光效应、压电效应、热电效应、铁电效应以及非线性光学性质，而绝缘体上的铌酸锂(Lithiumniobate on insulator，LNOI)具备铌酸锂晶体的优异性质，单晶性高，折射率对比差大，限光能力强等，被广泛应用于集成光学中的各类光电器件研究中，尤其利用其大的电光系数制备电光调制器，对于LNOI电光调制器来说，电光作用效率决定了调制器的半波电压，进而影响调制器功耗，半波电压越小越好。传统的铌酸锂调制器电极多采用共面电极形式，电场有很大一部分没有作用到光场上，导致电光调制效率低，半波电压高，器件功耗大。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种实现调制效率提高的Z切LNOI电光调制器及其应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种实现调制效率提高的Z切LNOI电光调制器，包括：
衬底，其底部设有槽；
绝缘层，其设置在衬底上；
波导芯层，设置在绝缘层上，切向为Z切；
上包层，设置在波导芯层上，用于和波导芯层形成折射率差从而限制光场的传输，同时作为上层电极的支撑结构；
信号电极，设置在包层对应光学波导位置上，用于施加电信号形成电场对波导芯层中的光进行电光调制；以及
地电极，其设置在槽内，与信号电极之间的电场沿着Z切LN的光轴方向。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的Z切LNOI电光调制器在集成光学领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的实现调制效率提高的Z切LNOI电光调制器及其应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明的结构中LNOI上的LN薄膜层采用Z切形式，通过将电极制备成上下型结构，上层电极(信号电极)位于光学波导上方，下层电极(地电极)位于衬底开槽后的槽底，使电场和光轴方向一致，减小信号电极和地电极之间的间距，实现电场对光场的接近100％的超高效电光调制，进而极大降低调制器的半波电压，减小调制器功耗；
2、本发明的结构中衬底适当开槽有利于实现光波和微波的有效折射率匹配，进而提高调制器的调制带宽；
3、本发明的结构中LNOI芯片的开槽面积能包含上下电极之间电场对应的投影范围即可，属于局部开槽，不影响片上其他器件，工艺简单；
4、本发明的结构中光波导的芯层与包层折射率差比传统的钛扩散或者质子交换方式形成的光波导折射率差大几十倍，限光能力更强，光模场面积更小能量更集中，电光作用效率更高，同时波导间距，电极间距及电极尺寸都会减小，有利于实现LNOI片上的大规模光子集成。
附图说明
图1是本发明一实施例的高调制效率Z切LNOI电光调制器结构示意图。
上图中，附图标记含义如下：
1-衬底；2-绝缘层；3-波导芯层；4-上包层；5-信号电极；6-地电极；7-槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种用于提高调制效率的Z切LNOI电光调制器，包括：
衬底，其底部设有槽；
绝缘层，其设置在衬底上；
波导芯层，设置在绝缘层上，切向为Z切；
上包层，设置在波导芯层上，用于和波导芯层形成折射率差从而限制光场的传输，同时作为上层电极的支撑结构；
信号电极，设置在包层对应光学波导位置上，用于施加电信号形成电场对波导芯层中的光进行电光调制；以及
地电极，其设置在槽内，与信号电极之间的电场沿着Z切LN的光轴方向。
在本发明的一些实施例中，所述波导芯层的形状包括脊型或者条型。
在本发明的一些实施例中，所述波导芯层的形状通过刻蚀形成。
在本发明的一些实施例中，所述波导芯层和上包层之间的折射率差比钛扩散或质子交换形成的铌酸锂波导折射率差大70至80倍。
在本发明的一些实施例中，所述波导芯层采用的材料包括铌酸锂材料。
在本发明的一些实施例中，所述波导芯层的厚度小于1微米。
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括铌酸锂、石英或硅中的任一种。
在本发明的一些实施例中，所述绝缘层采用的材料包括二氧化硅，厚度为1至5微米。
在本发明的一些实施例中，所述上包层采用的材料包括二氧化硅。
在本发明的一些实施例中，所述信号电极和地电极采用的材料均包括金。
本发明还公开了如上所述的Z切LNOI电光调制器在集成光学领域的应用。
在一个示例性实施例中，本发明公开了一种高调制效率Z切LNOI电光调制器结构，包括：
衬底，用于支撑整个薄膜体系；
绝缘层，衬底和最上层LN薄膜之间的部分；
波导芯层，其材料属性为LNOI体系最上层的LN，切向为Z切，可以制备为脊型或条型结构；
上包层，用于和波导芯层形成折射率差从而限制光场的传输，同时作为上层电极的支撑结构；
信号电极和地电极，具备一定宽度和长度的金属电极，用于施加电信号形成电场对波导中的光进行电光调制；
槽结构，上层电极对应的位置挖掉一部分衬底形成槽。
绝缘层粘附于衬底上，LN薄膜层粘附于绝缘层上，上层电极位于上包层上，下层电极位于衬底开槽的槽底；
其中，所述衬底通常为铌酸锂、石英或者硅材料；
其中，绝缘层通常为二氧化硅材料，厚度通常在1-5微米之间；
其中，LNOI最上层制备超薄薄膜器件的LN层厚度＜1微米，用于制备成波导芯层结构；
其中，所述上包层可以为SiO2材料；
其中，所述信号电极和地电极可以为金(Au)材料。
其中，所述衬底上开的槽位置由调制器在LNOI芯片上的位置决定，开槽面积能包含上下电极之间的电场所对应的投影范围即可，开槽深度取决于设计调制器时光波有效折射率和微波有效折射率相匹配所需要的衬底厚度，适当开槽有利于实现光波和微波的有效折射率匹配，进而提高调制器的调制带宽；
其中，所述下层地电极制备在槽底，减小了信号电极和地电极之间的间距，同时对于Z切LN来说，电场完全作用于电光系数最大的方向(LN晶体光轴方向)，可以实现电场对光场的接近100％的最大效率的电光调制，进而极大降低调制器的半波电压，减小调制器功耗。
其中，所述开槽属于局部开槽，不影响LNOI片上其他光电器件，工艺简单。
其中，所述光波导芯层形状通过刻蚀形成，相比于传统的钛扩散或质子交换方式形成的铌酸锂波导，此方式形成的光波导的芯层与包层折射率差比传统的钛扩散或者质子交换方式形成的光波导折射率差大几十倍，限光能力更强，光模场面积更小能量更集中，电光作用效率更高，同时波导间距，电极间距及电极尺寸都会减小，有利于实现LNOI片上的大规模光子集成。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种高调制效率Z切LNOI电光调制器，包括衬底1，绝缘层2，波导芯层3，上包层4，信号电极5，地电极6，槽7。
衬底1上面是绝缘层2，绝缘层2上面是LN薄膜层，通常超薄薄膜层的厚度小于1微米，在最上层LN薄膜上制备得到波导芯层3，根据需要波导芯层3的形状可以制备为脊型或者条型，然后在3上面沉积一定厚度的上包层4，波导芯层3和上包层4之间的折射率差相比于传统钛扩散或质子交换形成的铌酸锂波导折射率差大70～80倍左右，所以限光能力更强，光模场面积更小能量更集中，在上包层4上对应光学波导位置制备信号电极5，衬底1对应电极部分挖掉一部分形成槽7，在槽7的底部制备下电极6，即地电极，其中，信号电极5和地电极6之间的电场沿着Z切LN的光轴方向，可以利用其最大的电光系数，小面积光模场也有利于增加电光作用，且槽的引入缩短了上下电极之间的间距，进一步增强了电场和光场的相互作用，实现电场对光场的近乎100％的调制作用，进而极大降低调制器的半波电压，减小调制器功耗，其中电信号(也叫微波信号)沿着行波电极5和6传输；同时，适当地开槽还有利于实现光波和微波的有效折射率匹配，进而提高调制器的调制带宽；上述开槽属于局部开槽，不影响LNOI片上其他光电器件，工艺简单；除此之外，由于光模场的面积小能量集中，光波导间距，电极间距及电极尺寸都会相应减小，有利于实现LNOI片上的大规模光子集成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现调制效率提高的Z切LNOI电光调制器，包括：
衬底，其底部设有槽；
绝缘层，其设置在衬底上；
波导芯层，设置在绝缘层上，切向为Z切；
上包层，设置在波导芯层上，用于和波导芯层形成折射率差从而限制光场的传输，同时作为上层电极的支撑结构；
信号电极，设置在包层对应光学波导位置上，用于施加电信号形成电场对波导芯层中的光进行电光调制；以及
地电极，其设置在槽内，与信号电极之间的电场沿着Z切LN的光轴方向。
2.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述波导芯层的形状包括脊型或者条型。
3.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述波导芯层的形状通过刻蚀形成。
4.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述波导芯层和上包层之间的折射率差比钛扩散或质子交换形成的铌酸锂波导折射率差大70至80倍。
5.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述波导芯层采用的材料包括铌酸锂材料；
所述波导芯层的厚度小于1微米。
6.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括铌酸锂、石英或硅中的任一种。
7.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述绝缘层采用的材料包括二氧化硅，厚度为1至5微米。
8.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述上包层采用的材料包括二氧化硅。
9.根据权利要求1所述的Z切LNOI电光调制器，其特征在于，
所述信号电极和地电极采用的材料均包括金。
10.如权利要求1至9任一项所述的Z切LNOI电光调制器在集成光学领域的应用。
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