CN114019703A - 一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，自下而上包括衬底层、掩埋氧化层、电光调制器件层和上包层；电光调制器件层由左至右依次包括输入光波导、输入分光耦合器、两个并列的马赫增德尔电光强度调制器、电极复合输出合路耦合器和输出光波导，其中两个并列的马赫增德尔调制器包括输入分光耦合器、深刻蚀区、矩形地电极、T形地电极、矩形信号电极、T形信号电极、T形地电极、共用的矩形地电极、夹在电极间的传输光波导和输出合路耦合器。通过引入双平行电光调制结构和T型电极结构，可以更灵活地调制光信号，提升微波光波匹配效果并降低器件的功耗。
Description
技术领域
本发明属于集成微波光子技术领域，尤其涉及一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片。
背景技术
电光调制器是光通信系统和微波光子系统中的核心器件，通过外加电场引起材料折射率的变化来调控自由空间或光波导中传播的光。双平行电光调制器是一种广泛应用于微波光子射频前端实现微波信号混频的电光调制器，将传统马赫增德尔调制器的两臂分别设计为信号源独立的马赫增德尔调制器，三个马赫增德尔调制器的偏置端口各自独立。相比于传统的马赫增德尔电光调制器，双平行电光调制器因可控参量多，因此能够调制产生更多样化的信号，满足更多的应用需求。
传统双平行电光调制器通常基于体铌酸锂材料，由于体铌酸锂波导与衬底材料折射率差小、光模式束缚能力弱，因此该类器件具有体积大、功耗高、成本高等缺点。发展集成度更高、体积更小的双平行电光调制器件，是当今通信芯片集成化提出的要求。
近几年，绝缘体上硅(SOI)技术的发展为光通信器件与系统的集成化提供了一种选择，在较大尺寸、较高品质的绝缘体上硅晶片上制备电光器件的工艺已经趋于成熟。有研究团队基于SOI平台制备集成化的双平行电光调制器，但是由于硅是中心对称晶格的材料，不存在电光效应，基于硅材料的电光调制器件利用等离子体色散效应实现对光信号的调制，具有器件响应时间长、带宽理论上限低等缺点，不适用于高频光通信链路。
发明内容
本发明目的在于提供一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片,以解决传统双平行电光调制器件存在的体积大、工作频率低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，该芯片自下而上包括衬底层、掩埋氧化层、电光调制器件层和第一上包层；
所述电光调制器件层由左至右依次包括输入光波导、输入分光耦合器、并列的第一马赫增德尔电光强度调制器和第二马赫增德尔电光强度调制器、电极复合输出合路耦合器和输出光波导；输入光波导和输出光波导在空间上对齐；
所述第一马赫增德尔电光强度调制器自左至右包括第一输入分光耦合器、第一深刻蚀区、第一波导及电极组、第二深刻蚀区和第一输出合路耦合器；
所述第一波导及电极组自外至内包括第一矩形地电极及向内一侧连接的多个第一T形地电极、第一传输光波导、多个第一T形信号电极、第一矩形信号电极、多个第二T形信号电极、第二传输光波导、第二T形地电极、与第二马赫增德尔电光强度调制器共用的第二矩形地电极；其中第一T形信号电极和第二T形信号电极对称连接在第一矩形信号电极两侧；同一组第一T形地电极、第一T形信号电极、第二T形信号电极和第二T形地电极在纵向上对齐；第一传输光波导和第二传输光波导与输入光波导平行；
所述第二马赫增德尔电光强度调制器自左至右包括第二输入分光耦合器、第三深刻蚀区、第二波导及电极组、第四深刻蚀区和第二输出合路耦合器；
第二波导及电极组自外至内包括第三矩形地电极及向内一侧连接的多个第三T形地电极、第三传输光波导、多个第三T形信号电极、第二矩形信号电极、多个第四T形信号电极、第四传输光波导、第四T形地电极；其中第三T形信号电极和第四T形信号电极对称连接在第二矩形信号电极两侧；同一组第三T形地电极、第三T形信号电极、第四T形信号电极和第四T形地电极在纵向上对齐；第三传输光波导和第四传输光波导与输入光波导平行；
所述电极复合输出合路耦合器包括输出合路耦合器、第一调节地电极、第二调节地电极、及夹在耦合器两臂波导之间的第一调节信号电极。
所述输入分光耦合器、第一输入分光耦合器、第一输出合路耦合器、第二输入分光耦合器、第二输出合路耦合器、输出合路耦合器为Y光波导结构或多模干涉耦合器结构。
进一步的，所述衬底层材料为硅或石英；所述掩埋氧化层材料为二氧化硅，厚度为1-5μm；所述第一上包层材料为二氧化硅或聚合物，厚度为0.5-3μm。
进一步的，所述输入光波导、输入分光耦合器、第一输入分光耦合器、第一传输光波导、第二传输光波导、第一输出合路耦合器、第二输入分光耦合器、第三传输光波导、第四传输光波导、第二输出合路耦合器、输出合路耦合器和输出光波导的结构均为薄膜铌酸锂脊形光波导结构，薄膜铌酸锂脊形光波导结构在纵向上由薄膜铌酸锂平板光波导层和上部形状为梯形的薄膜铌酸锂条载构成，薄膜铌酸锂条载顶宽为0.5-2μm，厚度为100-500nm；所述薄膜铌酸锂平板光波导层的厚度为50-500nm。
进一步的，所述第一矩形地电极和第三矩形地电极的材料为金或铝，结构完全相同，宽度均为10-300μm；所述第一矩形信号电极和第二矩形信号电极的材料为金或铝，结构完全相同，宽度均为5-100μm；所述第二矩形地电极(337)的材料为金或铝，宽度为10-400μm；相邻矩形地电极与信号电极之间的间距相同，均为10-50μm。
进一步的，所述第一T形地电极、第二T形地电极、第三T形地电极、第四T形地电极和第一T形信号电极、第二T形信号电极、第三T形信号电极、第四T形信号电极的结构完全相同，材料为金或铝，两电极臂宽度相同，均为50nm-2μm；与输入光波导平行的与光波导平行的电极臂长为10-60μm，与光波导垂直的电极臂长为1-5μm；相邻T形地电极与T形地电极之间的间距为1-10μm，相邻T形地电极与T形信号电极之间的间距为2-10μm。
进一步的，所述第一调节地电极和第二调节地电极的材料为金或铝，结构完全相同，宽度均为10-300μm；所述第一调节信号电极的材料为金或铝，宽度为5-100μm；相邻调节地电极与调节信号电极之间的间距为3-10μm。
进一步的，所述所有矩形地电极、矩形信号电极、T形地电极、T形信号电极、调节地电极和调节信号电极的厚度均相同，为100nm-3μm，电极顶部均高于第一上包层顶部。
进一步的，所述第一马赫增德尔电光强度调制器、第二马赫增德尔电光强度调制器和电极复合输出合路耦合器区域的金属电极与薄膜铌酸锂平板光波导层间有缓冲层，材料为二氧化硅，厚度为10-300nm。
进一步的，所述第一刻蚀区、第二深刻蚀区、第三刻蚀区和第四深刻蚀区自下而上包括衬底层、掩埋氧化层和第二上包层，铌酸锂材料均被刻蚀去除。
进一步的，所述第一调节地电极和第二调节地电极、第一调节信号电极用于调节第一马赫增德尔电光强度调制器和第二马赫增德尔电光强度调制器中传输光之间的相位差。本发明的一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，具有以下优点：
1、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片采用新结构的电极可使大部分电流分布在矩形部分，仅有少量电流分布在T形电极结构中，降低了微波电极的欧姆损耗，同时T形电极的设计可减小波导与电极之间的间距，提升电光调制效率，降低驱动电压。
2、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片可通过调整T形电极的尺寸、相邻T形电极之间的间距和器件各层的厚度来调节器件的微波折射率，减少微波和光波折射率之间的失配。
3、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片在金属电极和薄膜铌酸锂平板波导之间设置缓冲层，能降低金属电极对光模式的吸收，从而缩小光的吸收损耗。
附图说明
图1为本发明的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片的结构示意图；
图2为本发明的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片在A虚线处的剖面图；
图3为本发明的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片在B虚线处的剖面图；
图4为本发明的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片在C虚线处的剖面图；
图5为本发明的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片在D虚线处的剖面图；
图6为本发明的Y光波导结构示意图；
图7为本发明的多模干涉耦合器结构的示意图；
图中标记说明：1、输入光波导；2、输入分光耦合器；3、第一马赫增德尔电光强度调制器；31、第一输入分光耦合器；32、第一深刻蚀区；331、第一矩形地电极；332、第一T形地电极；333、第一矩形信号电极；334、第一T形信号电极；335、第二T形信号电极；336、第二T形地电极；337、第二矩形地电极；34、第一传输光波导；35、第二传输光波导；36、第二深刻蚀区；37、第一输出合路耦合器；4、第二马赫增德尔电光强度调制器；41、第二输入分光耦合器；42、第三深刻蚀区；431、第三矩形地电极；432、第三T形地电极；433、第二矩形信号电极；434、第三T形信号电极；435、第四T形信号电极；436、第四T形地电极；44、第三传输光波导；45、第四传输光波导；46、第四深刻蚀区；47、第二输出合路耦合器；5、电极复合输出合路耦合器；51、输出光合路耦合器；521、第一调节地电极；522、第一调节信号电极；523、第二调节地电极；6、输出光波导；7、衬底层；8、掩埋氧化层；9、薄膜铌酸锂平板光波导层；10、薄膜铌酸锂条载；11、第一上包层；12、第五深刻蚀区；13、缓冲层；141、第四矩形地电极；142、第五T形地电极；143、第五T形信号电极；144、第三矩形信号电极；151、第三调节地电极；152、第二调节信号电极；16、Y光波导；17、多模干涉耦合器。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片做进一步详细的描述。
如图1-5所示，本发明是一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，自下而上包括衬底层7、掩埋氧化层8、电光调制器件层和第一上包层11；电光调制器件层由左至右依次包括输入光波导1、输入分光耦合器2、并列的第一马赫增德尔电光强度调制器3和第二马赫增德尔电光强度调制器4、电极复合输出合路耦合器5和输出光波导6；输入光波导1和输出光波导6在空间上对齐；其中：
所述第一马赫增德尔电光强度调制器3自左至右包括第一输入分光耦合器31、第一深刻蚀区32、第一波导及电极组、第二深刻蚀区36和第一输出合路耦合器37；波导及电极组自外至内包括第一矩形地电极331及向内一侧连接的多个第一T形地电极332、第一传输光波导34、多个第一T形信号电极334、第一矩形信号电极333、多个第二T形信号电极335、第二传输光波导35、第二T形地电极336、与第二马赫增德尔电光强度调制器4共用的第二矩形地电极337；其中第一T形信号电极334和第二T形信号电极335对称连接在第一矩形信号电极333两侧；同一组第一T形地电极332、第一T形信号电极334、第二T形信号电极335和第二T形地电极336在纵向上对齐；第一传输光波导34和第二传输光波导35与输入光波导1平行；
所述第二马赫增德尔电光强度调制器4自左至右包括第二输入分光耦合器41、第三深刻蚀区42、第二波导及电极组、第四深刻蚀区46和第二输出合路耦合器47；波导及电极组自外至内包括第三矩形地电极431及向内一侧连接的多个第三T形地电极432、第三传输光波导44、多个第三T形信号电极434、第二矩形信号电极433、多个第四T形信号电极435、第四传输光波导45、第四T形地电极436；其中第三T形信号电极434和第四T形信号电极435对称连接在第二矩形信号电极433两侧；同一组第三T形地电极432、第三T形信号电极434、第四T形信号电极435和第四T形地电极436在纵向上对齐；第三传输光波导44和第四传输光波导45与输入光波导1平行；
所述电极复合输出合路耦合器5包括输出合路耦合器51、第一调节地电极521、第二调节地电极523、及夹在耦合器两臂波导之间的第一调节信号电极522。
输入分光耦合器2、第一输入分光耦合器31、第一输出合路耦合器37、第二输入分光耦合器41、第二输出合路耦合器47、输出合路耦合器51可为Y光波导16结构或多模干涉耦合器17结构。
实施例1：
图1为本发明中薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片的整体示意图，图中所有电极的材料都为金，第一矩形地电极331和第三矩形地电极431的结构完全相同，电极总长度为7mm，宽度均为100μm；第一矩形信号电极333和第二矩形信号电极433的结构完全相同，电极总长度均为7mm，宽度均为80μm；第二矩形地电极337的宽度为300μm；相邻矩形地电极与信号电极之间的间距相同，均为30μm；第一T形地电极332、第二T形地电极336、第三T形地电极432、第四T形地电极436和第一T形信号电极334、第二T形信号电极335、第三T形信号电极434、第四T形信号电极435的结构完全相同，两臂宽度均为1μm；与光波导平行的电极臂长为30μm，与光波导垂直的电极臂长为5μm；相邻T形地电极与T形地电极之间的间距为8μm，相邻T形地电极与T形信号电极之间的间距为8μm；第一调节地电极521和第二调节地电极523的结构完全相同，长度均为3mm，宽度均为100μm；调节信号电极宽度为14μm；相邻调节地电极与调节信号电极之间的间距为5μm；所有矩形地电极、矩形信号电极、T形地电极、T形信号电极、调节地电极和调节信号电极的厚度均相同，为1μm，电极顶部均高于第一上包层11顶部。
如图2-5所示，用硅材料作为衬底层7材料、二氧化硅作为掩埋氧化层8和第一上包层11材料，其中掩埋氧化层8厚度为3μm，第一上包层11厚度为2μm；薄膜铌酸锂平板光波导层9和薄膜铌酸锂条载10共同构成薄膜铌酸锂脊形光波导，用于光信号的传输，其中薄膜铌酸锂条载10顶宽为1μm，厚度为300nm，薄膜铌酸锂平板光波导层9的厚度为300nm。
图2为图1中A虚线处的剖面图，图3为图1中B虚线处的剖面图，也即深刻蚀区的剖面图，虚线框12区域代表被刻蚀去除的铌酸锂平板层。图4是图1中C虚线处的剖面图，图中有第四矩形地电极141、第五T形地电极142、第五T形信号电极143、第三矩形信号电极144、缓冲层13，缓冲层13材料为二氧化硅，厚度为200nm；图5是图1中D虚线处的剖面图，图中有调节地电极151和调节信号电极152。图6是Y光波导结构示意图，图7是多模干涉耦合器结构的示意图。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，该芯片自下而上包括衬底层(7)、掩埋氧化层(8)、电光调制器件层和第一上包层(11)；
所述电光调制器件层由左至右依次包括输入光波导(1)、输入分光耦合器(2)、并列的第一马赫增德尔电光强度调制器(3)和第二马赫增德尔电光强度调制器(4)、电极复合输出合路耦合器(5)和输出光波导(6)；输入光波导(1)和输出光波导(6)在空间上对齐；
所述第一马赫增德尔电光强度调制器(3)自左至右包括第一输入分光耦合器(31)、第一深刻蚀区(32)、第一波导及电极组、第二深刻蚀区(36)和第一输出合路耦合器(37)；
所述第一波导及电极组自外至内包括第一矩形地电极(331)及向内一侧连接的多个第一T形地电极(332)、第一传输光波导(34)、多个第一T形信号电极(334)、第一矩形信号电极(333)、多个第二T形信号电极(335)、第二传输光波导(35)、第二T形地电极(336)、与第二马赫增德尔电光强度调制器(4)共用的第二矩形地电极(337)；其中第一T形信号电极(334)和第二T形信号电极(335)对称连接在第一矩形信号电极(333)两侧；同一组第一T形地电极(332)、第一T形信号电极(334)、第二T形信号电极(335)和第二T形地电极(336)在纵向上对齐；第一传输光波导(34)和第二传输光波导(35)与输入光波导(1)平行；
所述第二马赫增德尔电光强度调制器(4)自左至右包括第二输入分光耦合器(41)、第三深刻蚀区(42)、第二波导及电极组、第四深刻蚀区(46)和第二输出合路耦合器(47)；
第二波导及电极组自外至内包括第三矩形地电极(431)及向内一侧连接的多个第三T形地电极(432)、第三传输光波导(44)、多个第三T形信号电极(434)、第二矩形信号电极(433)、多个第四T形信号电极(435)、第四传输光波导(45)、第四T形地电极(436)；其中第三T形信号电极(434)和第四T形信号电极(435)对称连接在第二矩形信号电极(433)两侧；同一组第三T形地电极(432)、第三T形信号电极(434)、第四T形信号电极(435)和第四T形地电极(436)在纵向上对齐；第三传输光波导(44)和第四传输光波导(45)与输入光波导(1)平行；
所述电极复合输出合路耦合器(5)包括输出合路耦合器(51)、第一调节地电极(521)、第二调节地电极(523)、及夹在耦合器两臂波导之间的第一调节信号电极(522)；
所述输入分光耦合器(2)、第一输入分光耦合器(31)、第一输出合路耦合器(37)、第二输入分光耦合器(41)、第二输出合路耦合器(47)、输出合路耦合器(51)为Y光波导(16)结构或多模干涉耦合器(17)结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述衬底层(7)材料为硅或石英；所述掩埋氧化层(8)材料为二氧化硅，厚度为1-5μm；所述第一上包层(11)材料为二氧化硅或聚合物，厚度为0.5-3μm。
3.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述输入光波导(1)、输入分光耦合器(2)、第一输入分光耦合器(31)、第一传输光波导(34)、第二传输光波导(35)、第一输出合路耦合器(37)、第二输入分光耦合器(41)、第三传输光波导(44)、第四传输光波导(45)、第二输出合路耦合器(47)、输出合路耦合器(51)和输出光波导(6)的结构均为薄膜铌酸锂脊形光波导结构，薄膜铌酸锂脊形光波导结构在纵向上由薄膜铌酸锂平板光波导层(9)和上部形状为梯形的薄膜铌酸锂条载(10)构成，薄膜铌酸锂条载(10)顶宽为0.5-2μm，厚度为100-500nm；所述薄膜铌酸锂平板光波导层(9)的厚度为50-500nm。
4.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述第一矩形地电极(331)和第三矩形地电极(431)的材料为金或铝，结构完全相同，宽度均为10-300μm；所述第一矩形信号电极(333)和第二矩形信号电极(433)的材料为金或铝，结构完全相同，宽度均为5-100μm；所述第二矩形地电极(337)的材料为金或铝，宽度为10-400μm；相邻矩形地电极与信号电极之间的间距相同，均为10-50μm。
5.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述第一T形地电极(332)、第二T形地电极(336)、第三T形地电极(432)、第四T形地电极(436)和第一T形信号电极(334)、第二T形信号电极(335)、第三T形信号电极(434)、第四T形信号电极(435)的结构完全相同，材料为金或铝，两电极臂宽度相同，均为50nm-2μm；与输入光波导(1)平行的与光波导平行的电极臂长为10-60μm，与光波导垂直的电极臂长为1-5μm；相邻T形地电极与T形地电极之间的间距为1-10μm，相邻T形地电极与T形信号电极之间的间距为2-10μm。
6.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述第一调节地电极(521)和第二调节地电极(523)的材料为金或铝，结构完全相同，宽度均为10-300μm；所述第一调节信号电极(522)的材料为金或铝，宽度为5-100μm；相邻调节地电极与调节信号电极之间的间距为3-10μm。
7.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述所有矩形地电极、矩形信号电极、T形地电极、T形信号电极、调节地电极和调节信号电极的厚度均相同，为100nm-3μm，电极顶部均高于第一上包层(11)顶部。
8.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述第一马赫增德尔电光强度调制器(3)、第二马赫增德尔电光强度调制器(4)和电极复合输出合路耦合器(5)区域的金属电极与薄膜铌酸锂平板光波导层间(9)有缓冲层，材料为二氧化硅，厚度为10-300nm。
9.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述第一刻蚀区(32)、第二深刻蚀区(36)、第三刻蚀区(42)和第四深刻蚀区(46)自下而上包括衬底层(7)、掩埋氧化层(8)和第二上包层，铌酸锂材料均被刻蚀去除。
10.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂双平行电光调制器集成芯片，其特征在于，所述第一调节地电极(521)和第二调节地电极(523)、第一调节信号电极(522)用于调节第一马赫增德尔电光强度调制器(3)和第二马赫增德尔电光强度调制器(4)中传输光之间的相位差。
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