CN115755444A - 基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件，从下到上依次为衬底层、二氧化硅掩埋层、薄膜铌酸锂波导、金属电极和电光聚合物涂覆层；所述薄膜铌酸锂波导通过干法刻蚀形成MZ光波导结构；金属电极包括三个，分别位于MZ光波导结构的两臂之外和两臂之间，其中，MZ光波导结构两臂之间的金属电极为信号电极，两臂之外的电极均为地电极，金属电极和地电极构成推挽结构；电光聚合物涂覆层覆盖在MZ光波导结构以及金属电极的上表面。本发明将电光聚合物涂覆于薄膜铌酸锂波导之上作为上包层，由于薄膜铌酸锂波导和上包层均具有电光效应，电光相互作用区域得以增大，可实现更高效的电光调谐或电光调制。

Description

基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件。

背景技术

铌酸锂晶体以其优异的电光、声光、非线性光学等性质一直受到广泛重视。基于铌酸锂的相位与强度调制器、Y分支调制器等电光器件已广泛应用于光纤通信，光纤陀螺，微波光子等领域。随着光通信技术稳步向着短距离的数据中心和片上光互连领域的推进，无线通信技术向着后5G(B5G)和6G的演进，以及微波光子学由分立器件向集成芯片的发展，对高速率、低功耗、微型化的电光器件的需求与日俱增。然而，传统的钛扩散或退火质子交换技术制作的铌酸锂光波导的折射率差较小，对光波的限制能力较弱，难以满足上述集成化的需求。铌酸锂薄膜作为近些年来兴起并成功商品化的一种新型材料，在保留了铌酸锂晶体优秀的电光与光学特性的同时，由于其制作于低折射率的二氧化硅上，其可实现比传统钛扩散或退火质子交换铌酸锂光波导更强的限光能力。因此，基于铌酸锂薄膜的集成电光器件相对于传统铌酸锂光波导器件具有波导截面尺寸小，电光相互作用效率高，工作电压低等优点，其中最具代表性的器件为铌酸锂薄膜电光调制器。目前，科研人员已在铌酸锂薄膜上实现了半波电压低至1.4V的电光调制器，但相应的器件长度达到了20mm，这将导致较大的微波传输损耗，进而造成调制带宽受限。如果能进一步提升器件的电光相互作用效率，则有望同时实现更小的器件尺寸、更低的半波电压和更大的调制带宽。

相对于传统的钛扩散或退火质子交换铌酸锂光波导器件，基于薄膜铌酸锂波导的电光器件的工作电压虽然有了明显下降，但在电极长度较短的情况下，仍无法被互补氧化物半导体(CMOS)芯片输出的高频电信号(1-2V)直接驱动，只能通过高成本和高功耗的放大电路才能实现器件的正常工作，这将限制薄膜铌酸锂电光器件的应用场景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件，其中电光聚合物涂覆于薄膜铌酸锂波导之上。由于薄膜铌酸锂波导芯层和电光聚合物上包层均具有电光效应，使得电光相互作用区域得以增大，可以实现更高效的电光调谐或电光调制。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件，从下到上依次为衬底层、二氧化硅掩埋层、薄膜铌酸锂波导、金属电极和电光聚合物涂覆层；

所述薄膜铌酸锂波导通过干法刻蚀形成MZ光波导结构；金属电极包括三个，分别位于MZ光波导结构的两臂之外和两臂之间，其中，MZ光波导结构两臂之间的金属电极为信号电极，两臂之外的电极均为地电极，金属电极和地电极构成推挽结构；

电光聚合物涂覆层覆盖在MZ光波导结构以及金属电极的上表面。

本发明的有益效果是：电光聚合物是一种具有较大的电光系数、超快的响应速度和易于旋涂成膜特性的有机材料，其在1550nm波长处的折射率典型值约为1.60，明显低于铌酸锂晶体的折射率，因此可以涂覆于薄膜铌酸锂波导之上作为上包层。在外加电场作用下，由于薄膜铌酸锂波导和电光聚合物上包层均具有电光效应，电光相互作用区域得以增大，进而可实现更高效的电光调谐或电光调制。因此本发明有望实现薄膜铌酸锂光波导器件驱动电压的大幅降低，使其在尺寸较小的情况下仍可直接被CMOS芯片驱动，这对于实现高密度光电混合集成具有重大意义。本发明同样适用于相位调制器，微环调制器等电光器件。

附图说明

图1为本发明的高效电光器件的俯视图；

图2为本发明的高效电光器件的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1和图2所示，本发明的一种基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件，从下到上依次为衬底层501、二氧化硅掩埋层401、薄膜铌酸锂波导、金属电极(301、302、303)和电光聚合物涂覆层201；衬底层501的材料可为硅、铌酸锂、石英或蓝宝石等；

所述薄膜铌酸锂波导通过干法刻蚀形成MZ光波导结构，其两臂分别标示为101和102；MZ光波导结构可为脊形或条形波导；

金属电极包括三个，分别位于MZ(马赫-曾德尔)光波导结构的两臂之外和两臂之间，其中，MZ光波导结构两臂之间的金属电极为信号电极301，两臂之外的电极均为地电极302、303，金属电极和地电极构成推挽结构；

电光聚合物涂覆层覆盖在MZ光波导结构以及金属电极的上表面；将地电极302和303接电压源，在两者间形成极化电场，即可对覆盖在MZ光波导上方的电光聚合物进行极化，使其具有较大的电光系数。电光聚合物涂覆于薄膜铌酸锂光波导作为其上包层，如此外加电场与光场的相互作用区域便从薄膜铌酸锂层扩大至了薄膜铌酸锂层和上包层，因此可实现电光调谐/调制效率的提升。电光聚合物的电光系数越大，电光调谐/调制效率的提升越明显。

本发明的高效电光器件的工作原理为：在电极上施加电压，上下两臂周围将产生等大反向的外加电场。外加电场会改变具有电光效应的材料的折射率，从而改变上下两臂中光波导模式的有效折射率，进而改变上下两臂光波在输出端的相位差。在输出端，上下两臂中的光波发生干涉，相位差转变为强度变化，最终实现强度调制。

根据上述原理，在相同的电压下，光波导模式的有效折射率改变量越大，则电光调制的效率越高。对于常规的薄膜铌酸锂MZ电光强度调制器，其上包层通常为二氧化硅，并不具有电光效应，外加电场仅能通过改变铌酸锂的材料折射率来影响光波导模式的有效折射率。而对于本发明的实施例，其上包层为电光聚合物，具有电光效应，并且现有电光聚合物的电光系数已高出铌酸锂一个数量级。因此，在本实施例中，外加电场不仅能改变铌酸锂的材料折射率，还能明显地改变包层的材料折射率，进而提高光波导模式有效折射率的改变量，最终实现更高效的电光调制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于电光聚合物和薄膜铌酸锂波导的高效电光器件，其特征在于，从下到上依次为衬底层(501)、二氧化硅掩埋层(401)、薄膜铌酸锂波导(101、102)、金属电极(301、302、303)和电光聚合物涂覆层(201)；

所述薄膜铌酸锂波导通过干法刻蚀形成MZ光波导结构；金属电极包括三个，分别位于MZ光波导结构的两臂之外和两臂之间，其中，MZ光波导结构两臂之间的金属电极为信号电极(301)，两臂之外的电极均为地电极(302、303)，金属电极和地电极构成推挽结构；

电光聚合物涂覆层覆盖在MZ光波导结构以及金属电极的上表面。

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