CN112835215A - 一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片以及调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，通过将Y分支波导、射频调制部分的波导光路、偏压控制部分的波导光路在空间上进行分隔，并使用90°弯曲波导将上述波导光路进行连接，可以显著地缩短铌酸锂薄膜电光调制器芯片的长度；另外，还提供了一种铌酸锂薄膜电光调制器，将作为光学输入端口和输出端口的光纤放置于铌酸锂薄膜电光调制器芯片的同一侧，并且将电光调制器件的光纤端口保护结构放置于器件的同一侧，可以有效地缩短铌酸锂薄膜电光调制器的总长度。

Description

一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片以及调制器

技术领域

本发明可应用于光纤通信、微波光纤链路技术领域，具体涉及一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片以及调制器。

背景技术

正交相移键控(QPSK)技术以其高光谱利用率、高信噪比和高色散容限等优势，成为近年来光传输技术特别是在密集波分复用(DWDM)系统中实现高比特速率传输所广泛采用的调制格式。

基于铌酸锂晶体线性电光效应的电光调制器凭借其低损耗、低啁啾、高带宽、高消光比等特点，在光纤通信网络的发展中起到了十分重要的作用。尽管采用直调激光器或采用电吸收调制器技术的光发射机在模块尺寸和成本体现出一定的优势，但其较低的消光比一直限制了这种光模块的性能及其在长距离光纤通信系统中的应用。但是，铌酸锂电光调制器更容易实现较高的幅度消光比，因此采用基于铌酸锂的QPSK调制器目前已广泛应用于高速/长距离光纤通信系统以及相干光纤通信系统。

现有基于铌酸锂光波导的高阶调制格式的电光调制器，如QPSK调制器、DQPSK调制器、PM-QPSK调制器等，普遍存在着器件长度过长的问题，这是因为：

第一，现有铌酸锂光波导较弱的束缚性使得光波导的弯曲半径难以缩小。由于QPSK等高阶调制格式的电光调制器需要多个Y分支波导结构，以实现多支MZ调制器的并联使用，而且为避免光波导的弯曲损耗，Y分支波导需保持较大的弯曲半径以避免弯曲损耗造成的光能量泄露；

第二，现有铌酸锂电光调制器较低的电光调制效率导致必须保证足够长的调制电极长度，以实现较低的半波电压，因此器件的总长度也需较长；

第三，现有的铌酸锂QPSK电光调制器等高阶调制器还需要增加偏置电极以实现每个MZ调制器工作点的稳定以及两个MZ调制器之间的相位延迟，各组偏置电极的引入也增加了器件的总长度；

第四，现有的铌酸锂电光调制器一般是射频电信号的输入和输出端口在器件的底端，光信号(即光纤)的输入和输出端口在器件的左侧和右侧，光纤耦合结构以及光纤端口的保护结构也不可避免地增加了器件的总长度。

发明内容

本发明要解决的问题在于降低QPSK调制器等铌酸锂高阶调制格式的电光调制器件的长度。针对此问题，本发明的目的在于，提供一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片以及调制器，利用铌酸锂薄膜光波导的强束缚特性，将Y分支波导、射频调制部分的波导光路、偏压控制部分的波导光路在空间上进行分隔并使用弯曲波导进行连接，同时将输入端光纤和输出端光纤放置于铌酸锂薄膜电光调制器的同一侧，可以显著地缩短电光调制器件的总长度。

为实现本发明的目的，本发明提供的一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，其波导光路结构包括：输入端光波导、90°弯曲波导以及Y分支波导、射频调制区光波导、第一偏置控制区的光波导、第二偏置控制区的光波导、输出端光波导，

所述输入端光波导通过两段90°弯曲波导与三个一分二式的Y分支波导相连接，通过其分束作用将一支波导光路分成四支波导光路，这四支波导光路及相连接的Y分支波导即组成了QPSK调制器中两个并联的MZ调制器；

其中，与所述输入端光波导连接的Y分支波导和相连接的两个Y分支波导之间是通过90°弯曲波导实现的连接，并且将与所述输入端光波导连接的Y分支波导和相连接的两个Y分支波导的光波传输方向进行了90°的改变；两个Y分支波导通过90°弯曲波导与射频调制区光波导相连接，并且光波的传输方向也由沿着铌酸锂薄膜基板的Z轴方向改变为沿着铌酸锂薄膜基板的Y轴方向；所述射频调制区光波导通过两段90°弯曲波导与第一偏置控制区的光波导部分连接，其中光波在第一偏置控制区部分的传输方向仍为沿着铌酸锂薄膜基板的Y轴；第一偏置控制区的光波导中的四路波导光路经过两个Y分支波导的合束作用形成为两路波导光路，所述两路波导光路通过两段90°弯曲波导与第二偏置控制区的光波导连接；第二偏置控制区的光波导再经过一个Y分支波导的合束作用形成为一路波导光路，即输出端光波导。

进一步地，包括依次设置的如下电极：

射频调制区电极，包括依次设置的接地电极、射频调制电极一、接地电极、射频调制电极二、接地电极，其用于对光波进行高速率的相位调制；

相位调制的偏压控制区电极，包括依次设置的接地电极、偏置控制电极一、接地电极、偏置控制电极二、接地电极，其用于对两支MZ调制器的工作点进行相位调制；

相移控制的偏压控制区电极，包括依次设置的接地电极、偏置控制电极三、接地电极，其用于对两支MZ调制器的输出光信号进行π/2的相移控制。

进一步地，所述射频调制电极一、射频调制电极二、偏置控制电极一、偏置控制电极二、偏置控制电极三的电极宽度在1μm～100μm。

进一步地，所述射频调制电极一、射频调制电极二、偏置控制电极一、偏置控制电极二、偏置控制电极三的电极与接地电极之间的电极间距不小于1μm。

进一步地，还包括基底晶片、粘接层薄膜、铌酸锂薄膜基板，所述铌酸锂薄膜基板放置于基底晶片的上方，所述粘接层薄膜置于基底晶片和铌酸锂薄膜基板之间，所述缓冲层薄膜的放置位置采用如下三种中的其中一种：

放置位置一：整体地放置于铌酸锂薄膜基板的上方；

放置位置二：放置于全部的电极结构的下方、铌酸锂薄膜基板的上方；

放置位置三：在电极结构与波导光路结构存在交叠的区域，放置于电极结构的下方、铌酸锂薄膜基板的上方。

进一步地，所述缓冲层薄膜采用如下非金属材料之一：氧化硅、氧化铝、氧化钽或氮化硅，其厚度不超过2μm。

相应地，本申请还提供了一种铌酸锂薄膜电光调制器，包括如上述权利要求中任一项所述的铌酸锂薄膜电光调制器芯片。

进一步地，作为光学输入端口和输出端口的光纤放置于铌酸锂薄膜电光调制器芯片的同一侧。

进一步地，还包括光纤晶体载块，所述光纤晶体载块上开有用于放置光纤的孔或槽，且所述光纤使用紫外固化胶水固定在光纤晶体载块的孔或槽中，所述光纤晶体载块使用紫外固化胶水分别与输入端光波导和输出端光波导进行耦合粘接，所述光纤从封装管壳引出，形成器件的光学输入端口和光学输出端口。

进一步地，还包括微带电路陶瓷板，所述微带电路陶瓷板放置于封装管壳上的射频连接器与射频调制电极之间，用于实现微波信号的输入；匹配电阻放置于射频调制电极的另一端，用于实现微波传输线的阻抗匹配。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)通过将Y分支波导、射频调制部分的波导光路、偏压控制部分的波导光路在空间上进行分隔，并使用90°弯曲波导将上述波导光路进行连接，可以显著地缩短铌酸锂薄膜电光调制器芯片的长度；

(2)作为光学输入端口和输出端口的光纤放置于铌酸锂薄膜电光调制器芯片的同一侧，并且将电光调制器件的光纤端口保护结构放置于器件的同一侧，可以有效地缩短铌酸锂薄膜电光调制器的总长度；

(3)铌酸锂薄膜电光调制器具有更小尺寸的波导模式分布、更高的电光调制效率以及更好的折射率匹配、阻抗匹配，可以使用更短的电极长度和更小的电极间距，对于降低波导光路长度、降低器件半波电压、降低驱动功耗、提升调制带宽，具有显著的效果。

附图说明

图1：现有技术中基于铌酸锂光波导的QPSK调制器的结构示意图；

图2：本发明所提出的铌酸锂薄膜电光调制器芯片中波导光路的结构示意图；

图3：本发明所提出的铌酸锂薄膜电光调制器芯片的结构示意图；

图4：图3中间的沿A-A’虚线截取的芯片横截面的结构示意图；

图5：本发明所提出的铌酸锂薄膜电光调制器的总体封装结构示意图；

图中，各个标记所对应的名称分别为：1-1、基底晶片；1-2、粘接层薄膜；1-3、铌酸锂薄膜基板；1-4-1、输入端光波导；1-4-2、90°弯曲波导；1-4-3、Y分支波导；1-4-4、射频调制区光波导；1-4-5A、第一偏置控制区的光波导；1-4-5B、第二偏置控制区的光波导；1-4-6、输出端光波导；1-5-1、射频调制电极一；1-5-2、射频调制电极二；1-6、接地电极；1-7-1、偏置控制电极一；1-7-2、偏置控制电极二；1-7-3、偏置控制电极三；1-8、缓冲层薄膜；2、光纤晶体载块；3、光纤；4、微带电路陶瓷板；5、匹配电阻；6、引线管脚；7、射频连接器；8、键合金丝；9、封装管壳。

具体实施方式

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。

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。

图1所示为现有技术中基于铌酸锂波导光路的QPSK调制器的组成结构示意图。具体地，QPSK调制器芯片由两个Y分支波导以其放置于其间的两个并联的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder，简称MZ)调制器组成；

在QPSK调制器芯片的左侧和右侧分别放置有光纤作为光学输入端口和输出端口；在器件外部，有保护套管对光纤进行保护。

图1中可以看出，放置于QPSK调制器芯片两侧的多个Y分支波导、起到相位调制和相移控制作用的偏置电极、放置于芯片左右两侧的光纤及保护套管等多个组成部分会导致QPSK调制器芯片长度的大幅增加。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

如图3、图4所示，铌酸锂薄膜电光调制器芯片包括：基底晶片1-1、粘接层薄膜1-2、铌酸锂薄膜基板1-3、输入端光波导1-4-1、90°弯曲波导1-4-2、Y分支波导1-4-3、射频调制区光波导1-4-4、第一偏置控制区的光波导1-4-5A、第二偏置控制区的光波导1-4-5B、输出端光波导1-4-6、射频调制电极一1-5-1、射频调制电极二1-5-2、接地电极1-6、偏置控制电极一1-7-1、偏置控制电极二1-7-2、偏置控制电极三1-7-3、缓冲层薄膜1-8。

基底晶片1-1为铌酸锂薄膜基板2提供机械支撑，其组成材料可以选择铌酸锂、钽酸锂、硅、石英、蓝宝石等任一种，优选采用硅作为基底晶片1-1的材料。基底晶片1-1的厚度可以选择在0.2mm至2mm，考虑到光纤晶体载块2常选择为直径1.8mm的玻璃圆管，基底晶片1-1的厚度优选为1mm。

铌酸锂薄膜基板1-3放置于基底晶片1-1的上方，其组成材料为X切的光学级铌酸锂单晶晶体，厚度在0.1μm～10μm。需要说明的是，其他的具有线性电光效应的晶体如钽酸锂、磷酸氧钛钾、砷化镓等、镁掺杂的铌酸锂或钽酸锂、近化学计量比的铌酸锂或钽酸锂等，均可作为薄膜基板1-3的组成材料。

粘接层薄膜1-2放置于基底晶片1-1和铌酸锂薄膜基板1-3之间，组成材料为折射率小于铌酸锂的非金属材料，如二氧化硅、氮化硅等，其厚度在0.1μm～5μm。粘接层薄膜1-2一方面起到了基底晶片1-1与铌酸锂薄膜基板1-3之间的键合过渡层的作用，另一方面也起到了沿竖直方向对传输于波导光路结构中的光波的空间束缚作用。

在本实施方案中，形成于铌酸锂薄膜基板1-3中的光波导可以采用干法刻蚀脊形波导、湿法腐蚀脊形波导、镀条形膜形成等效脊形波导以及离子热扩散、离子交换等方法。

本实施方案优选采用干法刻蚀脊形波导的方法用于实现光波导的制备。采用干法刻蚀方法在铌酸锂薄膜基板1-3中的形成的脊形波导的宽度不超过铌酸锂薄膜基板1-3厚度的3倍。

参考图2，所示为本实施方案所提供的铌酸锂薄膜电光调制器芯片的波导光路结构示意图。

对比图1所示的现有铌酸锂QPSK调制器的波导光路结构以及图2所示的波导光路结构示意图，可以看出，本方案利用铌酸锂薄膜光波导的强束缚特性，将QPSK调制器的光波导在空间上分成若干个“并联式”的组成部分，其中通过弯曲半径小、弯曲损耗低的90°弯曲波导将不同部分之间实现连接。90°弯曲波导1-4-2的弯曲半径不小于10μm。

输入端光波导1-4-1放置于铌酸锂薄膜基板1-3的底侧。图2中右下角的箭头表示光波的入射方向，光波由输入端光波导1-4-1进入铌酸锂薄膜电光调制器芯片。

输入端光波导1-4-1通过两段90°弯曲波导1-4-2与三个一分二式的Y分支波导1-4-3相连接，通过其分束作用将一支波导光路分成四支波导光路，这四支波导光路及相连接的Y分支波导1-4-3即组成了QPSK调制器中两个并联的MZ调制器。

其中第一个Y分支波导1-4-3和相连接的两个Y分支波导1-4-3之间是通过90°弯曲波导1-4-2实现的连接，并且将第一个Y分支波导1-4-3和相连接的两个Y分支波导1-4-3的光波传输方向进行了90°的改变，例如：光波在第一个Y分支波导1-4-3中是沿着铌酸锂薄膜基板1-3的Y轴方向传输，则光波在其后的两个Y分支波导1-4-3则是沿着铌酸锂薄膜基板1-3的Z轴方向传输。

在电光调制作用区域，光波需要沿着铌酸锂薄膜基板1-3的Y轴方向传输以利用铌酸锂晶体最大的电光系数γ₃₃，实现器件的低半波电压。其他部分的波导光路沿着铌酸锂薄膜基板1-3的Z轴方向传输则可利用铌酸锂晶体X-Y轴平面零双折射的特性，以保证光波相同的传输速度。

两个Y分支波导1-4-3通过90°弯曲波导1-4-2与射频调制区光波导1-4-4相连接，并且光波的传输方向也由沿着铌酸锂薄膜基板1-3的Z轴方向改变为沿着铌酸锂薄膜基板1-3的Y轴方向。同样的，射频调制区光波导1-4-4通过两段90°弯曲波导1-4-2与第一偏置控制区的光波导1-4-5A部分连接，其中光波在偏压控制区光波导1-4-5A部分的传输方向仍为沿着铌酸锂薄膜基板1-3的Y轴。

第一偏置控制区的光波导1-4-5A中的四路波导光路经过两个Y分支波导1-4-3的合束作用形成为两路波导光路，即第二偏置控制区的光波导1-4-5B；再经过一个Y分支波导1-4-3的合束作用形成为一路波导光路，即输出端光波导1-4-6。图2中右上角的箭头表示光波的出射方向。

参考图3和图4，其中图3是本实施方案提供的铌酸锂薄膜电光调制器芯片的完整结构示意图，图4是沿图3中间的A-A’虚线截取的芯片横截面的结构示意图。

图3中从下向上(或图4中从右向左)的各个电极组成部分依次为：

射频调制区电极，包括有接地电极1-6、射频调制电极一1-5-1、接地电极1-6、射频调制电极二1-5-2、接地电极1-6，主要用于对光波进行高速率的相位调制。

相位调制的偏压控制区电极，包括有接地电极1-6、偏置控制电极一1-7-1、接地电极1-6、偏置控制电极二1-7-2、接地电极1-6，主要用于对两支MZ调制器的工作点进行相位调制。

相移控制的偏压控制区电极，包括有接地电极1-6、偏置控制电极三1-7-3、接地电极1-6，主要用于对两支MZ调制器的输出光信号进行π/2的相移控制。

在各个电极组成部分中，各个用于加载电信号的电极，即射频调制电极一1-5-1、射频调制电极二1-5-2、偏置控制电极一1-7-1、偏置控制电极二1-7-2、偏置控制电极三1-7-3的电极宽度W在1μm～100μm；上述各电极结构与接地电极1-6之间的电极间距S不小于1μm。

缓冲层薄膜1-8放置于铌酸锂薄膜基板1-3和上述各部分电极结构之间，用于隔离放置于光波导正上方的电极，以避免电极中的金属薄膜对光波导中的光能量的吸收造成的器件光学损耗的增大。

缓冲层薄膜1-8的放置位置可以是如下三种中的其中一种：

放置位置一：整体地放置于铌酸锂薄膜基板1-3的上方；

放置位置二：放置于全部的电极结构的下方、铌酸锂薄膜基板1-3的上方；

放置位置三：在电极结构与波导光路结构存在交叠的区域，放置于电极结构的下方、铌酸锂薄膜基板1-3的上方，其余部分则无缓冲层薄膜1-8。

缓冲层薄膜1-8可以是氧化硅、氧化铝、氧化钽、氮化硅等非金属材料，其厚度不超过2μm。

实施例2

本实施例是在实施例1基础上进行的改进，如图5所示，本实施例一种铌酸锂薄膜电光调制器，包括：铌酸锂薄膜电光调制器芯片、光纤晶体载块2、光纤3、微带电路陶瓷板4、匹配电阻5、引线管脚6、射频连接器7、键合金丝8、封装管壳9。

其中的铌酸锂薄膜电光调制器芯片为实施例1中的其中的铌酸锂薄膜电光调制器芯片结构。

光纤晶体载块2可选择铌酸锂、钽酸锂、玻璃、石英、硅等材料中的一种，其上开有圆孔或方形槽、半圆槽、V形槽等形状的沟槽，用于放置光纤。光纤3为单模非保偏光纤或单模保偏光纤，使用紫外固化胶水固定在光纤晶体载块2的圆孔或沟槽中。穿有光纤3的光纤晶体载块2经过抛光后，使用紫外固化胶水分别与输入端光波导1-4-1和输出端光波导1-4-6进行耦合粘接，光纤3从封装管壳9引出，形成器件的光学输入端口和光学输出端口。

微带电路陶瓷板4放置于封装管壳9上的射频连接器7与射频调制电极1-5-1、1-5-2之间，用于实现微波信号的输入。匹配电阻5放置于射频调制电极1-5-1、1-5-2的另一端，用于实现微波传输线的阻抗匹配。引线管脚6放置于封装管壳9上。

微带电路陶瓷板4与射频连接器7之间的连接、微带电路陶瓷板4与射频调制电极1-5-1和1-5-2之间的连接、引线管脚6与偏压控制区电极1-7-1、1-7-2和1-7-3之间的连接均通过键合金丝8实现。键合金丝8的直径不小于25μm。上述结构之间的连接也可以采用宽度不小于25μm的键合金带来实现。

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 (10)

1.一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，其特征在于，其波导光路结构包括：输入端光波导、90°弯曲波导以及Y分支波导、射频调制区光波导、第一偏置控制区的光波导、第二偏置控制区的光波导、输出端光波导，

所述输入端光波导通过两段90°弯曲波导与三个一分二式的Y分支波导相连接，通过其分束作用将一支波导光路分成四支波导光路，这四支波导光路及相连接的Y分支波导即组成了QPSK调制器中两个并联的MZ调制器；

其中，与所述输入端光波导连接的Y分支波导和相连接的两个Y分支波导之间是通过90°弯曲波导实现的连接，并且将与所述输入端光波导连接的Y分支波导和相连接的两个Y分支波导的光波传输方向进行了90°的改变；两个Y分支波导通过90°弯曲波导与射频调制区光波导相连接，并且光波的传输方向也由沿着铌酸锂薄膜基板的Z轴方向改变为沿着铌酸锂薄膜基板的Y轴方向；所述射频调制区光波导通过两段90°弯曲波导与第一偏置控制区的光波导部分连接，其中光波在第一偏置控制区部分的传输方向仍为沿着铌酸锂薄膜基板的Y轴；第一偏置控制区的光波导中的四路波导光路经过两个Y分支波导的合束作用形成为两路波导光路，所述两路波导光路通过两段90°弯曲波导与第二偏置控制区的光波导连接；第二偏置控制区的光波导再经过一个Y分支波导的合束作用形成为一路波导光路，即输出端光波导。

2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，其特征在于，包括依次设置的如下电极：

射频调制区电极，包括依次设置的接地电极、射频调制电极一、接地电极、射频调制电极二、接地电极，其用于对光波进行高速率的相位调制；

相位调制的偏压控制区电极，包括依次设置的接地电极、偏置控制电极一、接地电极、偏置控制电极二、接地电极，其用于对两支MZ调制器的工作点进行相位调制；

相移控制的偏压控制区电极，包括依次设置的接地电极、偏置控制电极三、接地电极，其用于对两支MZ调制器的输出光信号进行π/2的相移控制。

3.根据权利要求2所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，其特征在于，所述射频调制电极一、射频调制电极二、偏置控制电极一、偏置控制电极二、偏置控制电极三的电极宽度在1μm～100μm。

4.根据权利要求3所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，其特征在于，所述射频调制电极一、射频调制电极二、偏置控制电极一、偏置控制电极二、偏置控制电极三的电极与接地电极之间的电极间距不小于1μm。

5.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，其特征在于，还包括基底晶片、粘接层薄膜、铌酸锂薄膜基板，所述铌酸锂薄膜基板放置于基底晶片的上方，所述粘接层薄膜置于基底晶片和铌酸锂薄膜基板之间，所述缓冲层薄膜的放置位置采用如下三种中的其中一种：

放置位置一：整体地放置于铌酸锂薄膜基板的上方；

放置位置二：放置于全部的电极结构的下方、铌酸锂薄膜基板的上方；

放置位置三：在电极结构与波导光路结构存在交叠的区域，放置于电极结构的下方、铌酸锂薄膜基板的上方。

6.根据权利要求5所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器芯片，其特征在于，所述缓冲层薄膜采用如下非金属材料之一：氧化硅、氧化铝、氧化钽或氮化硅，其厚度不超过2μm。

7.一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的铌酸锂薄膜电光调制器芯片。

8.根据权利要求7所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，作为光学输入端口和输出端口的光纤放置于铌酸锂薄膜电光调制器芯片的同一侧。

9.根据权利要求7或8所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，还包括光纤晶体载块，所述光纤晶体载块上开有用于放置光纤的孔或槽，且所述光纤使用紫外固化胶水固定在光纤晶体载块的孔或槽中，所述光纤晶体载块使用紫外固化胶水分别与输入端光波导和输出端光波导进行耦合粘接，所述光纤从封装管壳引出，形成器件的光学输入端口和光学输出端口。

10.根据权利要求7或8所述的一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，还包括微带电路陶瓷板，所述微带电路陶瓷板放置于封装管壳上的射频连接器与射频调制电极之间，用于实现微波信号的输入；匹配电阻放置于射频调制电极的另一端，用于实现微波传输线的阻抗匹配。

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