CN116449588A - 一种基于l型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，属于薄膜铌酸锂电光调制器技术领域。该调制器包括衬底，所述衬底为石英或者熔融石英衬底，衬底之上为热氧化硅夹层；热氧化硅夹层上方为铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜上形成有脊波导结构，铌酸锂薄膜上方为氧化硅薄盖层；氧化硅薄盖层上方为L型容性调谐电极结构和地‑信号‑地行波电极。本发明的L型容性电极结构的薄膜铌酸锂调制器可以实现折射率匹配的同时，并实现更优的阻抗匹配，更低的射频损耗。本发明具有带宽高、调制器效率高以及容差大等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于薄膜铌酸锂电光调制器技术领域，特别是指一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器。
背景技术
随着通讯行业的飞速发展，大数据、云计算、人工智能、物联网等对通信容量的需求成指数增长趋势，光通信网络面临巨大压力。目前光通信急需解决的两大主要问题分别是：一是日益增长的数据流量需求带来的通信容量及通信速率的问题；二是通信技术与日俱增的能耗问题。薄膜铌酸锂调制器作为一种利用非线性光学效应实现光信号调制的器件，常应用于光通信、光纤传感、微波光子及信息处理等领域。
在光通信系统中，电光调制器是最为重要及管件的器件之一，主宰着将电信号转换为光信号的关键作用。为应对高速及大容量通信需求及与日俱增的能耗问题，调制器面临如何实现低半波电压、高带宽、低插损、高线性度的问题，成为一直以来都是光通信领域急需功克的难题。由于硅基电光调制器需要应用自由载流子色散效应，载流子吸收特性严重影响了器件的插损，同时大幅度限制调制器的电光调制带宽，目前难以实现超过70GHz以上的调制带宽。而传统铌酸锂调制器光学限制较弱，模式面积较大，整体体积庞大，限制了调制器在集成光电子领域的进一步发展。
薄膜铌酸锂调制器应用而生，有望解决现有通讯容量提升和功耗降低的问题。然而硅基衬底难以兼顾调制带宽和半波电压性能。石英衬底薄膜铌酸锂调制器可以实现大的调制带宽的情况下，同时实现较低的半波电压，从而实现高的调制效率，减小系统功耗。但是石英衬底相比硅衬底的相对介电常数低很多，导致射频折射率远小于光学折射率。
因此,目前急需提出一种新的射频折射率和光学折射率匹配的方法，从器件整体性能方面提升调制器的调制效率、损耗及阻抗匹配等性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，克服现有薄膜铌酸锂调制器难以实现射频折射率和光学折射率匹配的同时可以保持低损耗的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，包括衬底，所述衬底为石英或者熔融石英衬底，衬底之上为热氧化硅夹层；热氧化硅夹层上方为铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜上形成有脊波导结构，铌酸锂薄膜上方为氧化硅薄盖层；氧化硅薄盖层上方为L型容性调谐电极结构和地-信号-地行波电极，地-信号-地行波电极由第一地传输电极、信号传输电极、第二地传输电极组成。
进一步地，所述L型容性调谐电极结构包含周期性的俯视结构为L形状的金属电极，这些金属电极从信号传输电极的两侧和两个地传输电极的内侧伸出。
进一步地，所述金属电极规则分布在行波电极传输方向上，在信号传输电极和地传输电极之间形成周期性电容。
进一步地，相对的两个L形状金属电极之间的间隙为3-5μm。
进一步地，地-信号-地行波电极上方覆盖有氧化硅盖层。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用了L型容性调谐电极结构，相比目前硅基衬底薄膜铌酸锂调制器结构，所述薄膜铌酸锂调制器的石英衬底的相对介电常数低很多，这样没有容性加载电极结构的石英衬底调制器微波折射率远小于光学折射率。
2、本发明中，周期性分布的成对L型容性调谐电极可以在射频传输方向形成慢波效果，可以增加微波折射率，从而可以调整微波折射率来匹配光学折射率。
3、本发明相对的两个L形状金属电极之间的间隙非常小，因此L电极与波导之间可以获得强电场与光场的高度重叠，大幅度提升调制器的电光调制效率，且可以避免电流拥挤效果，减小射频传输损耗。
4、本发明中的氧化硅薄盖层可以减小金属对波导模式的吸收损耗。
总之，本发明采用的L型容性调谐电极结构可实现薄膜铌酸锂调制器电光折射率的匹配，同时实现更优的阻抗匹配，从而在实现电光折射率匹配的同时实现更优的匹配阻抗，并实现更低的射频损耗，进而实现更大的调制带宽，同时实现更低的半波电压。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器的结构示意图。
图2是L型容性调谐电极结构的薄膜铌酸锂调制器的传输截面示意图。
图3是L型容性调谐电极结构的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图。
图4是L型容性调谐电极结构的薄膜铌酸锂调制器与T型电极调制器的射频传输损耗对比图。
图5是L型容性调谐电极结构的薄膜铌酸锂调制器与T型电极调制器的端口阻抗对比图。
具体实施方式
一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，如图1、2、3所示，其包括衬底1，衬底1之上为热氧化硅夹层2；热氧化硅夹层2上方为铌酸锂薄膜3，铌酸锂薄膜3上形成有脊波导结构4，铌酸锂薄膜3上方为氧化硅薄盖层5；氧化硅薄盖层5上方为L型容性调谐电极结构和地-信号-地行波电极，地-信号-地行波电极由第一地传输电极7、信号传输电极6、第二地传输电极9组成；L型容性调谐电极结构包含周期性的俯视结构为L形状的金属电极8，这些金属电极8从信号传输电极6的两侧和两个地传输电极7、9的内侧伸出。其中，行波电极位于马赫曾德尔调制结构之间形成单驱推挽结构。薄膜铌酸锂调制器的光波导包含输入输出波导，多模干涉分束合束器以及马赫曾德尔结构。
该薄膜铌酸锂调制器中，衬底1为石英或者熔融石英衬底，热氧化硅夹层2厚度为2μm，铌酸锂薄膜3厚度为0.3μm，脊波导4厚度为0.3μm，氧化硅薄盖层5厚度为100nm，信号传输电极6厚度为800nm，地传输电极7、9厚度为800nm，L形状的金属电极8厚度为800nm，L型容性调谐电极结构的周期距离为50μm(即行波电极传输方向上相邻两个L形状的金属电极的中心距离)，两段长度10和11分别为5μm和40μm；两段宽度12、13分别为2μm和3μm；行波电极上方还可覆盖氧化硅盖层，其厚度为1μm，脊波导两侧的相对的两个L形状金属电极之间的间隙为3-5μm。
该薄膜铌酸锂调制器中，周期性的俯视结构为L形状的金属电极规则分布在行波电极传输方向，在信号电极和地电极之间形成周期性电容，这些成对的小电容周期性排布在地-信号-地行波电极间隙中，减慢了微波速度，形成慢波效果。相比目前硅基衬底薄膜铌酸锂调制器结构，该薄膜铌酸锂调制器的石英衬底的相对介电常数低很多，这样没有容性加载电极结构的石英衬底调制器微波折射率远小于光学折射率。
此外，周期性分布的成对L型容性调谐电极可以在射频传输方向形成慢波效果，可以增加微波折射率，从而可以调整微波折射率来匹配光学折射率。相对的两个L形状金属电极之间的间隙非常小，因此L电极与波导之间可以获得强电场与光场的高度重叠，大幅度提升调制器的电光调制效率，且可以避免电流拥挤效果，减小射频传输损耗。氧化硅薄盖层还可以减小金属对波导模式的吸收损耗。
使用HFSS软件对该薄膜铌酸锂调制器进行建模仿真，计算L型容性调谐电极辅助的薄膜铌酸锂调制器的射频传输损耗、射频折射率和端口阻抗等参数。通过仿真计算，加载了L型容性调谐电极的石英衬底薄膜铌酸锂调制器可以实现微波和光折射率匹配的同时，可以实现相比T型电极具有更低的射频传输损耗和更接近50Ω的端口阻抗，如图4和图5所示。
综上所述，本发明提出了一种基于L型容性调谐电极结构的薄膜铌酸锂调制器，该调制器电极结构主要包含常规行波电极部分和L型容性电极调谐部分，可以在实现折射率匹配的同时，实现更优的阻抗匹配，更低的射频损耗。该薄膜铌酸锂调制器具有带宽高、调制器效率高以及容差大等诸多优点。
基于上述本发明的设计和运行原理，本领域技术人员完全能够理解，上述具体实施方式仅仅只是举例说明，并未对调制器结构、周期个数、L型长度等参数结构做具体限定。
本发明中所谓的“周期”指的是L形状的金属电极在行波电极传输方向上重复性设置，每重复一次即增加一个周期。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，包括衬底，其特征在于，所述衬底为石英或者熔融石英衬底，衬底之上为热氧化硅夹层；热氧化硅夹层上方为铌酸锂薄膜，铌酸锂薄膜上形成有脊波导结构，铌酸锂薄膜上方为氧化硅薄盖层；氧化硅薄盖层上方为L型容性调谐电极结构和地-信号-地行波电极，地-信号-地行波电极由第一地传输电极、信号传输电极、第二地传输电极组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于，所述L型容性调谐电极结构包含周期性的俯视结构为L形状的金属电极，这些金属电极从信号传输电极的两侧和两个地传输电极的内侧伸出。
3.根据权利要求2所述的一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于，所述金属电极规则分布在行波电极传输方向上，在信号传输电极和地传输电极之间形成周期性电容。
4.根据权利要求1所述的一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于，相对的两个L形状金属电极之间的间隙为3-5μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于L型容性调谐电极的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于，地-信号-地行波电极上方覆盖有氧化硅盖层。
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