CN117055243A - 铌酸锂薄膜电光调制器 - Google Patents

铌酸锂薄膜电光调制器 Download PDF

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CN117055243A CN202310950265.7A CN202310950265A CN117055243A CN 117055243 A CN117055243 A CN 117055243A CN 202310950265 A CN202310950265 A CN 202310950265A CN 117055243 A CN117055243 A CN 117055243A
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陈浩
杨少华
赖灿雄
柳月波
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Abstract

本申请涉及一种铌酸锂薄膜电光调制器，包括基体，基体包括第一基体部和第二基体部，第一基体部与第二基体部连接，且第一基体部所处的第一平面与第二基体部所处的第二平面相交；以及光波导，光波导包括依序连接的第一波导结构、弯曲波导和第二波导结构，第一波导结构设置于第一基体部上，第二波导结构设置于第二基体部上，弯曲波导位于第一基体部和第二基体部的转弯连接处。光波导的整体长度可由保留原有尺寸而避免因尺寸变化影响半波电压性能，且在这种三维立体结构的改进下使得基体的长度，也即铌酸锂薄膜电光调制器的整体总长度得到有效缩减，减小了其占用安装空间，从而更有利于大规模集成使用。

Description

铌酸锂薄膜电光调制器
技术领域
本申请涉及光电器件技术领域，特别是涉及一种铌酸锂薄膜电光调制器。
背景技术
铌酸锂薄膜电光调制器是一种新型的光电器件，其功能是通过电光效应改变经过的光的性质(如相位、幅度或偏振)，因而被广泛应用于地面系统和太空光通信系统，并且近年来随着骨干网技术的下沉，数据中心、超级计算机等短距离互联场景也开始大量应用铌酸锂薄膜调制器。该器件的结构是将定向耦合器和调制区波导相连形成光传输通路，在调制波导两侧沉积电极以施加电场调制。现有的铌酸锂电光调制器为了实现较低的半波电压，因此需要保证足够长的调制电极长度，进而会造成铌酸锂电光调制器的总长度无法进一步缩减，从而难以大规模集成。同时，现有的铌酸锂薄膜电光调制器还需要增加偏置电极，而偏置电极的引入也导致了铌酸锂电光调制器长度的进一步增加。
为了解决有效缩减铌酸锂薄膜电光调制器的长度，目前普遍采用的解决方案是对调制波导设计90°弯曲，但这种方案又会存在如下两个弊端：一个弊端是为了保证经过调制区的光最终能沿着铌酸锂的y轴方向传播，版图的布置需存在两处或者两处以上的90°弯曲，但90°弯曲的数量增加容易导致出现更多的光传播损耗；另一个弊端是90°弯曲的实质是为了将偏置控制区转移到与调制区在同一横向间隔排布，类似串联转变成并联的方式，因此90°弯曲的过渡区长度也导致了铌酸锂薄膜电光调制器宽度的增加。
发明内容
基于此，有必要针对长度无法有效缩减，制约大规模集成能力的问题，提供一种铌酸锂薄膜电光调制器。
本申请提供一种铌酸锂薄膜电光调制器，其包括：
基体，所述基体包括第一基体部和第二基体部，所述第一基体部与所述第二基体部连接，且所述第一基体部所处的第一平面与所述第二基体部所处的第二平面相交；以及，
光波导，所述光波导包括依序连接的第一波导结构、弯曲波导和第二波导结构，所述第一波导结构设置于所述第一基体部上，所述第二波导结构设置于所述第二基体部上，所述弯曲波导位于所述第一基体部和所述第二基体部的转弯连接处。
本申请方案的铌酸锂薄膜电光调制器中，通过将基体设计成由第一基体部与第二基体部构成，且第一基体部所处的第一平面与第二基体部所处的第二平面呈相交设置，从而将传统的二维平面结构的基体首次优化为了三维立体结构，在此基础上，光波导的第一波导结构设置在第一基体部上，第二波导结构设置在第二基体部上，弯曲波导则将第一波导结构和第二波导结构相连并适配布置在第一基体部和第二基体部的转弯连接处，使得使用时光能依序沿着第一波导结构、弯曲波导和第二波结构而始终沿着铌酸锂薄膜电光调制器的y轴方向传播，且光波导的整体长度可由保留原有尺寸而避免因尺寸变化影响半波电压性能，且在这种三维立体结构的改进下使得基体的长度，也即铌酸锂薄膜电光调制器的整体总长度得到有效缩减，减小了其占用安装空间，从而更有利于大规模集成使用。
下面对本申请的技术方案作进一步的说明：
在其中一个实施例中，所述第一基体部的一端与所述第二基体部的一端一体连接，且所述第一基体部与所述第二基体部呈90°角度布置。
在其中一个实施例中，所述第一波导结构包括第一Y型波导、第二Y型波导和第一平行直波导，所述第一Y型波导由所述第一基体部的边缘形成并向所述第一基体部的中部方向延伸，所述第二Y型波导与所述第一Y型波导连接，所述第一平行直波导连接于所述第二Y型波导。
在其中一个实施例中，所述第二波导结构包括第二平行直波导、第三Y型波导和第四Y型波导，所述第二平行直波导的一端与所述第一平行直波导的另一端连接，且配合构成所述弯曲波导，所述第三Y型波导的一端与所述第二平行直波导的另一端连接，所述第三Y型波导的另一端与所述第四Y型波导的一端连接，所述第四Y型波导的另一端延伸至所述第二基体部的边缘处。
在其中一个实施例中，所述铌酸锂薄膜电光调制器还包括偏压电极结构，所述第一基体部的表面设有偏压控制区，所述偏压控制区与所述第一平行直波导重叠设置，所述偏压电极结构设置于所述偏压控制区内。
在其中一个实施例中，所述偏压电极结构包括第一偏置电极、第二偏置电极和第三偏置电极，所述第一偏置电极和所述第二偏置电极分别设置于第一平行直波导的相对两侧，所述第三偏置电极设置于所述第一平行直波导内。
在其中一个实施例中，所述铌酸锂薄膜电光调制器还包括调制电极结构，所述第二基体部的表面设有调制区，所述调制区与所述第二平行直波导重叠设置，所述调制电极结构设置于所述调制区内。
在其中一个实施例中，所述调制电极结构包括第一调制电极、第二调制电极和第三调制电极，所述第一调制电极和所述第二调制电极分别设置于所述第二平行直波导的相对两侧，所述第三调制电极设置于所述第二平行直波导内。
在其中一个实施例中，所述偏压电极结构和所述调制电极结构的长度延伸方向与所述光波导的长度延伸方向相一致。
在其中一个实施例中，所述基体包括硅层和二氧化硅层，所述二氧化硅层设置于所述硅层的表面，所述光波导、所述偏压电极结构和所述调制电极结构分别形成于所述二氧化硅层的表面。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例所述的铌酸锂薄膜电光调制器的结构示意图。
附图标记说明：
100、铌酸锂薄膜电光调制器；10、基体；11、第一基体部；12、第二基体部；13、二氧化硅层；14、硅层；20、光波导；21、第一波导结构；211、第一Y型波导；212、第二Y型波导；213、第一平行直波导；22、弯曲波导；23、第二波导结构；231、第二平行直波导；232、第三Y型波导；233、第四Y型波导；30、偏压电极结构；31、第一偏置电极；32、第二偏置电极；33、第三偏置电极；40、调制电极结构；41、第一调制电极；42、第二调制电极；43、第三调制电极。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，为本申请一实施例展示的铌酸锂薄膜电光调制器100，其是一种新型的光电器件，在对光进行传输时能通过电光效应改变经过的光的性质(相位、幅度或偏振)。
具体来讲，电光调制器(EOM)是利用某些电光晶体的电光效应制成的调制器。电光效应是指当电光晶体受到外加电场时，电光晶体的折射率会发生变化，通过该晶体的光波特性也会相应变化，从而实现对光信号的幅度、相位以及偏振状态等参量的调制。
铌酸锂(LiNbO3)是铌、锂、氧的化合物，是一种自发极化大(室温时0.70C/m2)的负性晶体。铌酸锂晶体具有光电效应多、性能可调控性强、物理化学性能稳定、光透过范围宽等特点。(1)铌酸锂晶体光电效应多，具有包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能；(2)铌酸锂晶体的性能可调控性强，这是由铌酸锂晶体的晶格结构和丰富的缺陷结构所造成，铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进行大幅度调控；(3)铌酸锂晶体的物理化学性能相当稳定，易于加工；(4)光透过范围宽，具有较大的双折射，而且容易制备高质量的光波导20，所以基于铌酸锂晶体的声表面波滤波器、光调制器、相位调制器、光隔离器、电光调Q开关等光电器件在电子技术、光通信技术、激光技术等领域中得到了广泛研究和实际应用。
铌酸锂电光调制器是利用铌酸锂晶体的线性电光效应实现工作的。
示例性地，铌酸锂薄膜电光调制器100包括基体10以及光波导20。基体10为整个铌酸锂薄膜电光调制器100的主体结构，用于承载光波导20。
请继续参阅图1，本实施例中，基体10包括第一基体部11和第二基体部12，第一基体部11与第二基体部12连接，且第一基体部11所处的第一平面与第二基体部12所处的第二平面相交；光波导20包括依序连接的第一波导结构21、弯曲波导22和第二波导结构23，第一波导结构21设置于第一基体部11上，第二波导结构23设置于第二基体部12上，弯曲波导22位于第一基体部11和第二基体部12的转弯连接处。
综上，实施本实施例技术方案将具有如下有益效果：本申请方案的铌酸锂薄膜电光调制器100中，通过将基体10设计成由第一基体部11与第二基体部12构成，且第一基体部11所处的第一平面与第二基体部12所处的第二平面呈相交设置，从而将传统的二维平面结构的基体10首次优化为了三维立体结构，在此基础上，光波导20的第一波导结构21设置在第一基体部11上，第二波导结构23设置在第二基体部12上，弯曲波导22则将第一波导结构21和第二波导结构23相连并适配布置在第一基体部11和第二基体部12的转弯连接处，使得使用时光能依序沿着第一波导结构21、弯曲波导22和第二波结构而始终沿着铌酸锂薄膜电光调制器100的y轴方向传播，且光波导20的整体长度可由保留原有尺寸而避免因尺寸变化影响半波电压性能，且在这种三维立体结构的改进下使得基体10的长度，也即铌酸锂薄膜电光调制器100的整体总长度得到有效缩减，减小了其占用安装空间，从而更有利于大规模集成使用。
有必要说明的是，本方案中铌酸锂薄膜电光调制器100的长度缩减，具体可理解为：现有的二维结构的铌酸锂薄膜电光调制器100的基体10是一整块平板结构，也即第一基体部11和第二基体部12处于同一平面内，基体10的长度为第一基体部11的长度与第二基体部12的长度之和。而改进后的本方案由于第一基体部11与第二基体部12相交设置，此时基体10的长度为第一基体部11的厚度与第二基体部12的长度之和，由于第一基体部11的厚度是小于其自身长度的，所以基体10的总长度必然减小，从而就能达到缩减铌酸锂薄膜电光调制器100长度的目的。
请继续参阅图1，在上述实施例的基础上，较佳地第一基体部11的一端与第二基体部12的一端一体连接，且第一基体部11与第二基体部12呈90°角度布置。
第一基体部11与第二基体部12相互垂直连接，结构稳定性更好，且此时基体10的长度严格等于第一基体部11的厚度与第二基体部12的长度之和，能实现铌酸锂薄膜电光调制器100长度缩减至最小值，从而更有助于提升铌酸锂薄膜电光调制器100的大规模集成能力。
请继续参阅图1，此外，在一些实施例中，第一波导结构21包括第一Y型波导211、第二Y型波导212和第一平行直波导213，第一Y型波导211由第一基体部11的边缘形成并向第一基体部11的中部方向延伸，第二Y型波导212与第一Y型波导211连接，第一平行直波导213连接于第二Y型波导212。
进一步地，第二波导结构23包括第二平行直波导231、第三Y型波导232和第四Y型波导233，第二平行直波导231的一端与第一平行直波导213的另一端连接，且配合构成弯曲波导22，第三Y型波导232的一端与第二平行直波导231的另一端连接，第三Y型波导232的另一端与第四Y型波导233的一端连接，第四Y型波导233的另一端延伸至第二基体部12的边缘处。
一方面，将第一波导结构21和第二波导结构23设计为Y型波导与平行直波导的复合结构，更有利于获得较低的半波电压；另一方面，通过第一Y型波导211、第二Y型波导212、第一平行直波导213、第二平行直波导231、第三Y型波导232和第四Y型波导233依序连接，能对光形成先后多次分束和合束作用，优化光干涉效果，提高光传播稳定性。
具体地，本实施例中第一Y型波导211的分叉端与第一基体部11的边缘连接，第一Y型波导211的聚合端与第二Y型波导212的聚合端连接；第二Y型波导212的分叉端与第一平行直波导213的一端连接，第一平行直波导213的另一端与第二平行直波导231的一端连接；第二平行直波导231的另一端与第三Y型波导232的分叉端连接，第三Y型波导232的聚合端与第四Y型波导233的聚合端连接，第四Y型波导233的分叉端与第二基体部12的边缘连接。
此外，在上述任一实施例的基础上，铌酸锂薄膜电光调制器100还包括偏压电极结构30，第一基体部11的表面设有偏压控制区，偏压控制区与第一平行直波导213重叠设置，偏压电极结构30设置于偏压控制区内。
通过在偏压控制区内设置偏压电极结构30，使得偏压电极结构30能够使第一平行直波导213在线性区域内工作。
例如，在可选的实施例中，偏压电极结构30包括第一偏置电极31、第二偏置电极32和第三偏置电极33，第一偏置电极31和第二偏置电极32分别设置于第一平行直波导213的相对两侧，第三偏置电极33设置于第一平行直波导213内。工作时，第一偏置电极31、第二偏置电极32和第三偏置电极33能同时对第一平行直波导213施加均衡作用力，从而保证第一平行直波导213更可靠的在线性区域内工作。
请继续参阅图1，此外，在又一些实施例中，铌酸锂薄膜电光调制器100还包括调制电极结构40，第二基体部12的表面设有调制区，调制区与第二平行直波导231重叠设置，调制电极结构40设置于调制区内。调制电极结构40能对第二平行直波导231施加电场调制，使得铌酸锂晶体的折射率会发生变化，并且铌酸锂晶体的光波特性也会相应变化，从而实现对光信号的幅度、相位以及偏振状态等参量的调制。
具体而言，在上述实施例的基础上，调制电极结构40包括第一调制电极41、第二调制电极42和第三调制电极43，第一调制电极41和第二调制电极42分别设置于第二平行直波导231的相对两侧，第三调制电极43设置于第二平行直波导231内。
因而工作时，第一调制电极41、第二调制电极42和第三调制电极43能同时对第二平行直波导231施加均匀的电场调制，以保证对光信号的幅度、相位、偏振等参量的调制更精准和稳定。
在上述任一实施例的基础上，偏压电极结构30和调制电极结构40的长度延伸方向与光波导20的长度延伸方向相一致。使得偏压电极结构30、调制电极结构40和光波导20能充分利用基体10的宽度方向空间，从而在避免增大铌酸锂薄膜电光调制器100的宽度的前提下尽量缩减长度至最短，以有利于提高铌酸锂薄膜电光调制器100的大规模集成能力。
本申请中，基体10包括硅层14和二氧化硅层13，二氧化硅层13设置于硅层14的表面，光波导20、偏压电极结构30和调制电极结构40分别形成于二氧化硅层13的表面。硅层14和二氧化硅层13的强度高，稳定性好，对偏压电极结构30和调制电极结构40的附着力强，有助于提高铌酸锂薄膜电光调制器100的整体结构和使用性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，包括：
基体，所述基体包括第一基体部和第二基体部，所述第一基体部与所述第二基体部连接，且所述第一基体部所处的第一平面与所述第二基体部所处的第二平面相交；以及，
光波导，所述光波导包括依序连接的第一波导结构、弯曲波导和第二波导结构，所述第一波导结构设置于所述第一基体部上，所述第二波导结构设置于所述第二基体部上，所述弯曲波导位于所述第一基体部和所述第二基体部的转弯连接处。
2.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述第一基体部的一端与所述第二基体部的一端一体连接，且所述第一基体部与所述第二基体部呈90°角度布置。
3.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述第一波导结构包括第一Y型波导、第二Y型波导和第一平行直波导，所述第一Y型波导由所述第一基体部的边缘形成并向所述第一基体部的中部方向延伸，所述第二Y型波导与所述第一Y型波导连接，所述第一平行直波导连接于所述第二Y型波导。
4.根据权利要求3所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述第二波导结构包括第二平行直波导、第三Y型波导和第四Y型波导，所述第二平行直波导的一端与所述第一平行直波导的另一端连接，且配合构成所述弯曲波导，所述第三Y型波导的一端与所述第二平行直波导的另一端连接，所述第三Y型波导的另一端与所述第四Y型波导的一端连接，所述第四Y型波导的另一端延伸至所述第二基体部的边缘处。
5.根据权利要求4所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜电光调制器还包括偏压电极结构，所述第一基体部的表面设有偏压控制区，所述偏压控制区与所述第一平行直波导重叠设置，所述偏压电极结构设置于所述偏压控制区内。
6.根据权利要求5所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述偏压电极结构包括第一偏置电极、第二偏置电极和第三偏置电极，所述第一偏置电极和所述第二偏置电极分别设置于第一平行直波导的相对两侧，所述第三偏置电极设置于所述第一平行直波导内。
7.根据权利要求6所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜电光调制器还包括调制电极结构，所述第二基体部的表面设有调制区，所述调制区与所述第二平行直波导重叠设置，所述调制电极结构设置于所述调制区内。
8.根据权利要求7所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述调制电极结构包括第一调制电极、第二调制电极和第三调制电极，所述第一调制电极和所述第二调制电极分别设置于所述第二平行直波导的相对两侧，所述第三调制电极设置于所述第二平行直波导内。
9.根据权利要求8所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述偏压电极结构和所述调制电极结构的长度延伸方向与所述光波导的长度延伸方向相一致。
10.根据权利要求1至9任一项所述的铌酸锂薄膜电光调制器，其特征在于，所述基体包括硅层和二氧化硅层，所述二氧化硅层设置于所述硅层的表面，所述光波导、所述偏压电极结构和所述调制电极结构分别形成于所述二氧化硅层的表面。
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