CN117111339A - 一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，包括分光结构、调制结构和合束结构；调制结构由二氧化硅缓冲层、铌酸锂波导层、二氧化硅上包层、周期性双电容结构、二氧化硅填充层、电极层和二氧化硅覆盖层构成；铌酸锂波导层由两条铌酸锂脊层和铌酸锂薄层构成；二氧化硅上包层包覆在两条铌酸锂脊层的外侧；周期性双电容结构由两个电容结构构成，电容结构由分布在铌酸锂脊层两侧的两排T形电极组构成，每排T形电极组由若干个T形电极形成；电极层覆盖在铌酸锂薄层上并与邻侧的各T形电极的尾部电极连接；二氧化硅覆盖层覆盖在电极层上；该调制器突破半波电压与调制带宽之间的相互制约，实现了在保持较低半波电压同时增大带宽的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电光调制器技术领域，特别涉及一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器。
背景技术
未来信息技术的发展需求推动了从大规模单元光子器件到集成光子芯片的发展。尽管硅基光电子器件已经为实现高速光通信、通信中心互联以及传感技术提供了一种高效、低功耗的片上光学解决方案，但是未来的信息产业对芯片材料提出了更高的要求，高速硅基电光调制的调制机理一般是基于等离子体色散效应，在外电场作用下，通过自由载流子浓度变化实现电光调制，这也导致它的线性度较差，无法实现大带宽。而铌酸锂薄膜电光调制器则由于材料优秀的电光效应可以满足调制器低半波电压，大带宽的需求。然而，减小半波电压与增大调制带宽之间存在相互制约的关系，同时现有的优化手段如增加分段电极成本过高。
哈佛大学团队（Wang C, Zhang M, Chen X, et al. Integrated lithiumniobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages[J].Nature, 2018, 562(7725): 101-104.）对在CMOS兼容电压下工作的集成铌酸锂电光调制器进行了研究，其设计研究的单片集成铌酸锂电光调制器具有CMOS兼容的驱动电压，支持高达210千兆/秒的数据速率，片上光损耗小于0.5dB；通过将器件长度减少到10毫米和5毫米，可以进一步将3-dB电光带宽分别扩大到80GHz和100GHz，这些两种长度的调制器测量得到的Vπ值分别为2.3V和4.4V。该集成铌酸锂电光调制器对比传统体式铌酸锂调制器的大带宽和支持CMOS直接驱动的优势，但调制器应用传统共面行波电极结构，导致半波电压与调制器带宽之间存在较强的相互限制的关系。
华中科技大学团队（Liu Y, Li H, Liu J, et al. Low Vπ thin-film lithiumniobate modulator fabricated with photolithography[J]. Optics Express, 2021,29(5): 6320-6329.）提出了一种用光刻法制备的低Vπ薄膜铌酸锂调制器，该调制器的半波电压为3.5V，对应于电压-长度的乘积为1.75V·cm，测量到的3dB电光响应带宽超过40GHz，测量到波导传输损耗为0.7dB/cm；该调制器同样应用传统共面行波电极结构，导致半波电压与调制器带宽之间存在较强的相互限制关系。
中山大学团队（Ying P, Tan H, Zhang J, et al. Low-loss edge-couplingthin-film lithium niobate modulator with an efficient phase shifter[J].Optics letters, 2021, 46(6): 1478-1481.）在铌酸锂薄膜上设计并制作了一种低耦合损耗的边缘耦合器。通过在铌酸锂（LN）调制器中加入边缘耦合器和高效的热移相器，可以有效地降低整体损耗，这是目前基于铌酸锂薄膜的调制器中最低的插入损耗，但是该调制器设计主要减小了插入损耗，并未在调制器带宽及半波电压参数上做出突破。
已公开专利CN202010409764.1提出了一种共面波导线电极结构及调制器，包括金属电极和光波导。金属电极包括地电极和信号电极，信号电极的两侧设有连接臂，地电极的内侧设有连接臂，信号电极的连接臂末端设有信号线延伸电极，地电极的连接臂末端设有接地线延伸电极，信号线延伸电极与所述接地线延伸电极之间设有间距D1，光波导穿过所述间距。通过将金属电极进行延伸，实际缩短了电极与电极之间的距离，从而在较少的影响特征阻抗的情况，减小了电极间隔，增大了电极间的电场强度。但这种电极结构对减小调制器半波电压的参数提供的作用较为有限。
已公开专利CN202010021720.1提出了一种电光调制器及其制作方法，该电光调制器包括在低介电常数衬底上至下而上依次排列的低介电常数键合层、铌酸锂波导结构、在微波共面波导传输线的基础上加载形成的周期性金属电极。采用该发明能够降低针对电极间距引起的微波损耗。该结构与上个专利结构相近，皆无法较明显减小调制器半波电压参数。
已公开专利WO2022CN100239提出了一种波导线电极结构和电光调制器，其中，波导线电极结构额外设置位于光波导上方的覆盖层，并使得连接至信号电极或地电极的电极延长部延伸到覆盖层的上表面。该发明实施例的波导线电极结构在保证了信号电极和地电极的电极延长部之间距离足够接近的情况下，同时保证了电极延长部和相应的光波导存在一定的间距，因此，该发明公开的波导线电极结构在增大了电光转换效率的同时，避免了对第一支路或第二支路中光的正常传输的影响，大幅度提高了波导线电极结构的调制效果。但该结构在波导内的主要电场方向并不完全平行于薄膜表面，会导致波导内电场分布不够均匀，影响光线传输。
此外，一项2019年的研究结果表明（SamaniA, El-FikyE, Morsy-OsmanM, etal.Siliconphotonic Mach–Zehnder modulator architectures foronchip PAM-4signalgeneration [J]. Journal of Lightwave Technology, 2019, 37(13) : 2989-2999.），两段MZM实验显示出比单段MZM更好的带宽/半波电压(BW/Vπ)性能；随着行波电极长度的增加，高频元件的电压波动会显著减弱，而采用多段短电极的SE-MZM意味着每个驱动器的射频损耗更低，驱动电压更低；然而，更多的细分意味着更多的电力驱动，这必然会导致额外的功耗和驱动之间的射频延迟控制的复杂性。
因此，基于现有技术存在的问题，有必要设计一种能够突破半波电压与调制带宽之间的相互制约，保持较低半波电压同时增大带宽的新型结构调制器，并对调制器的结构参数进行优化，以期进一步减小参数间的限制关系。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决铌酸锂薄膜电光调制器中半波电压与调制带宽相互制约的问题的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器。
为此，本发明技术方案如下：
一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，包括依次连接的分光结构、调制结构和合束结构；调制结构由二氧化硅缓冲层、铌酸锂波导层、二氧化硅上包层、周期性双电容结构、二氧化硅填充层、电极层和二氧化硅覆盖层构成；其中，二氧化硅缓冲层为矩形薄层；铌酸锂波导层由两条铌酸锂脊层和一个铌酸锂薄层一体成型构成；铌酸锂薄层完全覆盖在二氧化硅缓冲层的上表面，两条铌酸锂脊层呈平行间隔设置、并居中固定铌酸锂薄层上；二氧化硅上包层为两个，二者分别包覆在两条铌酸锂脊层的外侧；周期性双电容结构由分别设置在两条铌酸锂脊层处的两个电容结构构成，各电容结构由分布在铌酸锂脊层两侧的两排T形电极组构成，每排T形电极组由若干个等间距且呈一字排布的T形电极形成；T形电极由头部电极和垂直固定在头部电极中部的尾部电极构成；头部电极以平行于铌酸锂脊层的方式设置、并局部包覆在二氧化硅上包层的外侧；二氧化硅填充层由多个T形二氧化硅填充体构成，其分别设置在每相邻两个T形电极之间形成的T形凹槽中，并与邻侧T形电极无缝相接；电极层由三个电极层构成，其分别完全覆盖在位于第一电容结构与第二电容结构之间的铌酸锂薄层上、第一电容结构另一侧的铌酸锂薄层上、以及第二电容结构另一侧的铌酸锂薄层上，且每个电极层均与邻侧各T形电极的尾部电极连接；二氧化硅覆盖层由三个二氧化硅覆盖层构成，其分别完全覆盖在三个电极层上。
该周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器属于行波调制器，其通过对调制结构中的两个电极结构以及设置在电机结构之间的不同的二氧化硅层进行适应性设计，解决了铌酸锂薄膜电光调制器中半波电压与调制带宽相互制约的问题；具体地，两个电极结构分别为设置在二氧化硅上包层处的周期性双电容结构和覆盖在铌酸锂脊层上表面的电极层；其中，对于周期性双电容结构，其由呈周期性排布在二氧化硅上包层两侧的双排T形电极形成，为一种具有周期性微结构行波电极结构，这一结构与覆盖在铌酸锂脊层中部和两侧的三个电极层相互配合，使得中心导体间隙和宽度较常规的行波电极大得多，以实现较少的电场侵入光模式，进而显著降低电极的导体损耗；这与理论上的利用增加电极的厚度、信号电极的宽度、信号电极与地电极之间的间隙等方法实现导体损耗的方法相比，本申请利用电极结构设计减小导体损耗的方法不仅不会影响行波电极的射频指数和阻抗值，同时还能有有助于确保较高的调制效率；而二氧化硅层包括设置在铌酸锂脊层下方的二氧化硅缓冲层、设置在铌酸锂脊层与周期性双电容结构之间的二氧化硅上包层、设置在周期性双电容结构内T形电极间隙间的二氧化硅填充层，以及覆盖在电极层上方的二氧化硅覆盖层；
而多个具有不同结构形态的二氧化硅层的设计机理在于：对于行波调制器来说，光信号在光波导内传播，而微波信号同时在微波波导即行波电极内传播；为了光信号在调制区域内沿着电极传播的微波调制，避免调制的光信号带来相位误差（尤其在调制频率较高的情况下），光信号的群速度与微波信号的群速度必须相互匹配，即保证光的群折射率非常接近微波的折射率；本申请通过大量实验设计，最终得到本申请的二氧化硅层的结构形态，其与电极结构相互匹配，使该调制结构在微波状态下实现群速度匹配，使得微波和光信号的群折射率相互接近。其中，在各二氧化硅层中，二氧化硅上包层与二氧化硅覆盖层的尺寸调整也意味着电极结构的调整，因此二者的尺寸调整对调整效率的影响相对明显。
优选，分光结构、调制结构和合束结构居中固定在基底层上；基底层为石英层或硅层。
优选，分光结构和合束结构均采用铌酸锂制多模干涉耦合器；多模干涉耦合器的一端设有单端接头、另一侧设有双端接头；两条铌酸锂脊层的两端均向外侧延伸有用于与分光结构和合束结构连接的接头端。
优选，二氧化硅缓冲层的厚度为2μm。
优选，铌酸锂薄层的厚度为0.2μm~0.5μm；铌酸锂脊层的厚度为0.2μm~0.4μm，顶面宽度为0.8μm~2.5μm。
优选，二氧化硅上包层的厚度为1.0μm~1.5μm、宽度为4μm~8μm。
优选，在T形电极中，头部电极为一长度为45μm、厚度为1.2μm~1.8μm、宽度为2μm~3.75μm的长方体；位于同排的两个相邻T形电极中，头部电极之间的间距为5μm；对称位于二氧化硅上包层两侧的两个头部电极之间的间距保持为1.5μm~5μm。
优选，尾部电极为一长方体，其在头部电极长度方向的尺寸为5μm，其在头部电极宽度方向的尺寸为5μm，其厚度与电极层的厚度相同。
优选，T形二氧化硅填充体的厚度大于或等于电极层的厚度，其厚度为0.7μm~1.5μm。
优选，电极层的厚度为0.7μm~1μm、横向宽度为50μm~150μm；二氧化硅覆盖层的厚度为0.5μm~1.5μm。
与现有技术相比，该周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器提出了一种用于在调制区域设置的周期性双电容结构的电极结构，其结构简单、制作方便，通过与铌酸锂脊层相互配合，有效的增大了调制效率，对比传统薄膜调制器共面电极结构减小了导体损耗，保持了调制器的大带宽；同时，通过在周期性双电容结构与电极层之间设计具有不同形态规格的二氧化硅层对调制结构进行进一步优化，突破半波电压与调制带宽之间的相互制约，实现了在保持较低半波电压同时增大带宽的目的。
附图说明
图1为本发明的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器的俯视图；
图2（a）为本发明的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器的单侧周期性双电容结构中T形电极与二氧化硅填充层结合处的剖视图（图1的A-A处的纵向截面图）；
图2（b）为本发明的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器的单侧周期性双电容结构中T形电极处的剖视图（图1的B-B处的纵向截面图）；
图3传统共面行波电极的电场分布图；
图4为本发明的实施例中仿真实验中的静电场仿真结果图；
图5为本发明的实施例1在仿真实验中不同刻蚀深度下TE模的有效折射率和光场分布的变化图；
图6（a）为本发明的实施例1在仿真实验中的波导处的折射率变化曲线图；
图6（b）为本发明的对比例在仿真实验中的波导处的折射率变化曲线图；
图7（a）为本发明的实施例1在仿真实验中的S参数随频率变化的曲线图；
图7（b）为本发明的对比例在仿真实验中的S参数随频率变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例1
参见图1，该周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器包括固定在一基底层上的分光结构1、调制结构2和合束结构3。
基底层为一顶面为水平面的石英层或硅层；基底层的厚度设计为500μm。
分光结构1和合束结构3均采用铌酸锂制多模干涉耦合器；多模干涉耦合器的一端设有单端接头，以用于输入或输出光信号；多模干涉耦合器的另一侧设有双端接头，以用于对输入的光信号进行50/50分光，或对50/50的分光信号进行合束后输出。
参见图2（a）和图2（b），调制结构2由基底层、二氧化硅缓冲层4、铌酸锂波导层5、二氧化硅上包层6、周期性双电容结构7、二氧化硅填充层8、电极层9、二氧化硅覆盖层10构成。
二氧化硅缓冲层4为一居中固定在基底层上的矩形薄层，其厚度为2μm。
铌酸锂波导层5由两条铌酸锂脊层5a和一个铌酸锂薄层5b一体成型构成；其中，铌酸锂薄层5b水平铺设并完全覆盖在二氧化硅缓冲层4的上表面，两条铌酸锂脊层5a沿铌酸锂薄层5b的长度方向平行间隔设置、并居中位于铌酸锂薄层5b上；具体地，铌酸锂薄层5b为一个厚度为0.3μm的薄层；每条铌酸锂脊层5a为一个纵向截面为等腰梯形的条形层，其厚度为0.3μm，其顶面宽度为1.5μm，其两侧斜面与邻侧铌酸锂薄层5b上表面所成夹角相同，均为105°。其中，所述宽度为垂直于两条铌酸锂脊层5a的方向，下同。
两条铌酸锂脊层5a作为该调制结构2的两个波导，自每条铌酸锂脊层5a的两端均向外侧延伸有用于与分光结构1和合束结构3连接的接头端，具体为，两个波导的一端分别与分光结构1的双端接头连接、另一端分别与合数结构3的双端接头连接；使用时，TE0模式光经分光结构1进行50/50分光后，进入调制结构中进行调制，而后再通过合束结构3合束输出。
二氧化硅上包层6为两个，二者沿分别沿两条铌酸锂脊层5a的长度方向设置，并分别包覆在两条铌酸锂脊层5a的外侧；具体地，二氧化硅上包层6为一个能够分别包覆在铌酸锂脊层5a外侧的条形层，其纵向截面为矩形，且底面中心处沿其长度方向开设有与铌酸锂脊层5a的形状和尺寸相适应的通槽，使铌酸锂脊层5a以与二氧化硅上包层6端面齐平的方式内嵌在二氧化硅上包层6内；具体地，二氧化硅上包层6的厚度为1.2μm、横向宽度为5μm；
周期性双电容结构7由第一电容结构和第二电容结构构成，二者组成相同并分别设置在两条铌酸锂脊层5a处；以第一电容结构为例，第一电容结构由两排T形电极组构成；每排T形电极组由具有相同数量的T形电极构成；其中，T形电极由头部电极7a和尾部电极7b一体成型构成；头部电极7a为一侧底角处沿其长度方向开设有条形通槽的条状立方体，尾部电极7b为厚度与头部电极相同的条状立方体，尾部电极7b的一端垂直固定在头部电极7a的另一侧中部，形成T形结构；具体地，头部电极7a为一长度为45μm、厚度为1.6μm、宽度为3.5μm的长方体，头部电极底侧条形通槽的槽长为45μm、槽宽为1.5μm、槽高为1.2μm，使头部电极上的条形通槽高度与二氧化硅上包层6的厚度相适应；尾部电极7b在头部电极7a长度方向的尺寸为5μm、在头部电极7a宽度方向的尺寸为5μm的长方体，其厚度为0.91μm；两排T形电极组沿二氧化硅上包层6的长度方向对称布设在二氧化硅上包层6两侧，各T形电极以其头部电极7a以平行于铌酸锂脊层5a的方式呈等间距设置，并局部包覆在二氧化硅上包层6外侧；具体地，位于同排的两个相邻T形电极中，头部电极之间的间距为5μm，位于二氧化硅上包层6两侧的两个头部电极之间的间距保持为2μm。
二氧化硅填充层8由多个T形二氧化硅填充体构成，其分别一一对应的设置在相邻两个T形电极之间形成的T形凹槽中；具体地，各T形二氧化硅填充体的尺寸与相邻两个T形电极之间形成的T形凹槽的尺寸相适应，使相邻T形二氧化硅填充体与T形电极之间并形成无缝衔接；各T形二氧化硅填充体的厚度为1.5μm。
参见图1，电极层9由第一电极层9a、第二电极层9b和第三电极层9c构成；其中，第二电极层9b覆盖在位于第一电容结构与第二电容结构之间的铌酸锂薄层5b上，并与邻侧的各T形电极的尾部电极连接；第一电极层9a覆盖在第一电容结构另一侧的铌酸锂薄层5b上，并与邻侧的各T形电极的尾部电极连接；第三电极层9c覆盖在第二电容结构另一侧的铌酸锂薄层5b上，并与邻侧的各T形电极的尾部电极连接；具体地，第一电极层9a的宽度为100μm，第二电极层9b的宽度为90μm，第三电极层9c的宽度为100μm，三个电极的厚度均为0.91μm。
形成周期性双电容结构7的T形电极和电极层9均采用金属金制成。
使用时，第二电极层9b作为信号电极，其与微波信号发射源连接，以向调制结构输入微波信号；第一电极层9a和第三电极层9c作为接地电极，其通过导线接地，施加电场方向垂直于波导传输方向，平行于传输平面；该电极层9的结构相对于现有的共面行波电极，其中心导体的尺寸增大，以与周期性双电容结构7相配合，对铌酸锂脊波导进行调制，同时通过设置二氧化硅包层使两个电容器在波导区域中各自产生沿相同方向的电场，对于相同的施加电压，会在该双电容器中产生比在共面电极结构中更强的电场，增大了调制效率。同时周期性突出的T电极的结构减小了波导区域附近的电极体积，进而减小了电极对光模式的侵入，对比传统共面电极结构减小了导体损耗，提高了调制器的大带宽。
二氧化硅覆盖层10由第一二氧化硅覆盖层、第二二氧化硅覆盖层和第三二氧化硅覆盖层构成，三者分别覆盖在第一电极层9a、第二电极层9b和第三电极层9c上；具体地，各二氧化硅覆盖层的长度和宽度与下方电极层的长度和宽度相同，厚度为0.6μm。
在该调制器中，电极层9的结构相对于现有的共面行波电极，其中心导体的尺寸显著增大，以与周期性双电容结构7相配合，对铌酸锂脊波导进行调制，同时通过设置二氧化硅包层使周期性双电容结构7的两个电容结构在波导区域中各自产生沿相同方向的电场，对于相同的施加电压，会在该双电容器中产生比在共面电极结构中更强的电场，增大了调制效率；此外，周期性排布的T形电极还进一步减小了波导区域附近的电极体积，从而减小了电极对光模式的侵入，对比传统共面电极结构减小了导体损耗，提高了调制器的大带宽。
实施例2
一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其与实施例1在参数设置上的不同之处在于：第二电极层9b的宽度调整为100μm；第一电极层9a、第二电极层9b和第三电极层9c的厚度减小为0.83μm；二氧化硅上包层6的厚度增加为1.34μm；二氧化硅覆盖层10厚度为减小为0.5μm。
实施例3
一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其与实施例1在参数设置上的不同之处在于：第二电极层9b的宽度调整为100μm，第一电极层9a、第二电极层9b和第三电极层9c的厚度减小为0.81μm；二氧化硅上包层6的厚度增加为1.34μm，二氧化硅覆盖层10厚度为减小为0.9μm。
为了进一步验证本申请公开的调制器的结构性能优势，对实施例1-3的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器进行实验仿真；作为对比例，采用传统共面行波电极的铌酸锂薄膜调制器在相同实验条件下进行实验仿真，以对二者的性能效果差异进行对比。
I、实施例1与对比例的电极结构在相同电场施加条件下的电场分布对比：
为了对调制区结构的电光作用过程进行评估，需要得到铌酸锂波导区的电场分布，因此使用lumerical charge软件对此调制区结构的静电场进行仿真，对调制区结构在软件中的建模，选用x-cut铌酸锂晶圆；为了模拟器件的实际结构，氧化硅、金和空气等材料均来自软件自带的材料库，铌酸锂材料则需要将折射率和相对介电常数设置为各向异性；根据铌酸锂材料的性质，横向即为z方向，在1.55um的波长条件下，材料的折射率为2.1376(ne)，相对介电常数为27.9；侧向及传播方向分别为晶体的x方向与y方向，在1.55um的波长条件下，其折射率为2.2111(no)，侧向与传播方向的相对介电常数为44.3。
同时，在软件中还添加有静电场用于求解，其基本原理为利用有限元方法求解麦克斯韦方程组，将物体分割为细小的三角形网格，设置电极上的终端电压，并通过以下公式：计算电势，式中，ε为材料的介电常数；
设置电势大小、接地和终端边界条件，并利用电荷守恒及麦克斯韦的应力张量在物体表面的积分来计算静电力，其表达式为：
，
式中，E是电场，D是电位移，n 1 是物体向外的法线。当设置左方电极表面为接地，右方电极表面为终端，终端电压为10V时，静电场的仿真结果如图4所示，电场方向为右边电极向左边电极，铌酸锂波导结构在电场分布的中间，可以得到铌酸锂波导中每一处网格的电场强度分布。
如图3所示为传统共面行波电极的电场分布图；从图中可以看出电场在波导处均匀分布，但由于电极结构限导致波导处电场较弱，使得调制器半波电压参数较大。如图4所示为本申请的周期性双电容结构电极的电场分布图；从图中可以看出该电极结构加强了波导中心的电场分布，减小了调制器的半波电压。
从上述两幅图的电场分布效果对比可知，与传统共面行波电极相比，在相同施加电压的情况下，本申请的周期性双电容结构电极在波导区域中产生更强的电场，即能够实现增大调制效率的目的，即保持较低半波电压同时增大带宽。根据仿真实验结果，传统共面行波电极结构的调制区域中波导中心电场强度为1.30×106V/m，本申请的周期性双电容结构电极结构的调制区域中波导中心电场强度为1.60×106V/m。
此外，与传统共面行波电极相比，本申请的周期性双电容结构电极通过增大两个电容结构之间的间距、每个电容结构与其相邻电极边沿侧的间距，实现了减小了波导区域附近的电极体积的目的，有利于减小了电极对光模式的侵入，对比传统共面电极结构减小了导体损耗，提高了调制器的大带宽。
II、实施例与对比例的铌酸锂薄膜调制器在相同实验条件下的调制效果对比：
具体地，仿真调制实验步骤为：
步骤1：首先，对光波导中的模式进行求解；使用lumerical mode软件实现对调制区域的截面进行光学仿真，该软件利用有限元方法求解麦克斯韦方程组，在预计的有效折射率周围可以求得若干个光的模式。经过仿真，可以求得每个模式的有效折射率，其虚部代表模式的损耗。由于该调制器面向1550nm波长进行设计，因此设置铌酸锂的折射率为2.2111，选择波导顶部宽度为1.5μm。由于目前工艺的限制，因此设置波导的侧壁倾斜角为75°；然后，运用lumerical mode中的FDE进行仿真，通过观察模式，电场主要分布于脊波导区域、电场方向为横向、有效折射率的虚部极小(即损耗可忽略不计）的模式就是所需要的波导TE模，其光场分布如图5中（a）部分所示；脊波导的深度是影响TE模电场分布的重要因素，改变波导的刻蚀深度对结构进行仿真，得到TE模的有效折射率随着刻蚀深度增加而变化的曲线，如图5中（b）部分所示；不同波导刻蚀深度下的TE模电场强度分布如图5中（c）部分所示，其中，（c）部分中从左至右依次为刻蚀深度（也即铌酸锂脊层的厚度）0.1um、0.2um、0.3um、0.4um、0.5um和0.6um的光场分布图；从图中展示的递变规律可知，随着刻蚀深度的减小，波导侧壁对模式的侧向限制降低，模斑的横向尺寸增加，有效折射率增加。
步骤2、为了对调制区结构的电光作用过程进行评估，接下来需要得到铌酸锂波导区的电场分布，因此，使用lumerical charge软件对此调制区结构的静电场进行仿真。选用x-cut铌酸锂晶圆，软件中的X方向对应晶体的z轴方向，Z方向对应晶体的x轴方向。铌酸锂波导的顶部宽度为1.5um，侧壁倾角为75度，上盖层使用1.2μm的氧化硅进行包覆。为了模拟器件的实际结构，氧化硅、金和空气等材料均来自软件自带的材料库，铌酸锂材料则需要将折射率和相对介电常数设置为各向异性；根据铌酸锂材料的性质，横向即为z方向，在1.55um的波长条件下，材料的折射率为2.1376(ne)，相对介电常数为27.9；侧向及传播方向分别为晶体的x方向与y方向，在1.55um的波长条件下，其折射率为2.2111(no)，侧向与传播方向的相对介电常数为44.3。
正如上述图3和图4所示，在相同施加电压的情况下，本申请的周期性双电容结构电极在波导区域中产生更强的电场，即能够实现增大调制效率的目的，即保持较低半波电压同时增大带宽。
步骤3、由于已经得到了调制区域随电压变化的电场分布，接下来通过在lumerical mode中搭建模型，编写折射率随电场分布变化的函数，进而模拟出TE光模式的有效折射率变化，即Δneff，可最终求出VπL的值。首先，通过编写函数，写入铌酸锂晶体的电光系数，可以求得在施加电场后的TE光模式的有效折射率。根据电光效应及施加电场可以推测，有效折射率随电压线性变化。在lumerical charge中求得电压为-4V到10V的电场分布，随后导入到lumerical mode中进行模式求解，最终得到有效折射率随电压的变化曲线。
如图6（a）所示为实施例1在仿真实验中的波导处的折射率变化曲线图；如图6（b）所示为对比例1在仿真实验中的波导处的折射率变化曲线图。从图中可以看出，图6（a）曲线斜率大于图6（b）曲线斜率，即相同电压变化下，实施例1结构的折射率变化大于对比例1，因而，实施例1的结构具有较对比例1更小的半波电压。
通过对有效折射率变化结果进行分析，得出变化的斜率；进而，根据公式：
计算得到调制器的半波电压。
实施例1~3、以及对比例的铌酸锂薄膜调制器的半波电压长度乘积仿真结果如下表1所示。
表1：
| 实验例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例 |
| 半波电压长度乘积 | 1.87V·cm | 1.93V·cm | 1.93V·cm | 2.08V·cm |
从表1测试结果可以看出，相对于传统共面行波调制器，本申请的调制器结构能够有效减小调制器的半波电压长度乘积；而从实施例1~3的半波电压长度乘积结果对比可知，本申请通过改变周期性双电容结构7和电极层9的结构，即可实现对半波电压进行调节。
步骤4、调制器的射频仿真使用HFSS进行仿真，在软件中对马赫-曾德尔调制器的调制区结构进行三维模型的创建，最外层为长方体的空气盒，将器件的行波电极结构置于空气盒的下方。需要特别注意的是铌酸锂材料的设置，根据铌酸锂材料的性质将相对介电常数设置为各向异性并且对应建模的波导方向；调制器的电极结构设置如下图所示，为接地电极-信号电极-接地电极结构，左右的接地电极宽度设置为100μm，器件的长度设置为1000μm。在行波电极的两端分别设置2个波端口(Waveport)，整体的标准为使电场尽可能地位于端口的中央。将空气盒的底面设置为完美电导体边界，其他的面设置为辐射边界。软件的计算原理为有限元方法求解，通过不断减小计算的网格进行迭代，当迭代的次数超过一定数量N或者相邻两次迭代计算的结果之差小于ΔS时，视为计算的结果已收敛。在设置中本文将N设置为20，ΔS设置为0.01，以取得一个较为精确的计算结果，得到调制器在50GHz下特征阻抗为48Ω，微波折射率为2.37，最终得到S参数随频率变化的曲线如图7（a）中箭头所指示的所示直线。
从图7（a）中可以看出，调制区域S21参数随频率变化而逐步减小，即透射率会随频率变化而减弱，可在图中找出透射率减小到最大值的50％的变化频率。最终可估算5mm长调制器的3dB带宽为170GHz。作为对比，如图7（b）中箭头所指示的直线为对比例在仿真实验中的S参数随频率变化的曲线图。
相应地，根据S参数随频率变化的曲线计算出实施例1~3、以及对比例的铌酸锂薄膜调制器的带宽仿真结果，具体计算结果如下表2所示。
表2：
| 实验例 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例 |
| 带宽 | 170GHz | 162GHz | 167GHz | 152GHz |
从表2测试结果可以看出，相对于传统共面行波调制器，本申请的调制器结构能够有效增加调制器的带宽。而从实施例1~3的带宽结果对比可知，本申请通过改变周期性双电容结构7和电极层9的结构，即可实现对带宽进行调节。
Claims (10)
1.一种周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，包括依次连接的分光结构（1）、调制结构（2）和合束结构（3）；调制结构（2）由二氧化硅缓冲层（4）、铌酸锂波导层（5）、二氧化硅上包层（6）、周期性双电容结构（7）、二氧化硅填充层（8）、电极层（9）和二氧化硅覆盖层（10）构成；其中，二氧化硅缓冲层（4）为矩形薄层；铌酸锂波导层（5）由两条铌酸锂脊层（5a）和一个铌酸锂薄层（5b）一体成型构成；铌酸锂薄层（5b）完全覆盖在二氧化硅缓冲层（4）的上表面，两条铌酸锂脊层（5a）呈平行间隔设置、并居中固定铌酸锂薄层（5b）上；二氧化硅上包层（6）为两个，二者分别包覆在两条铌酸锂脊层（5a）的外侧；周期性双电容结构（7）由分别设置在两条铌酸锂脊层（5a）处的两个电容结构构成，各电容结构由分布在铌酸锂脊层（5a）两侧的两排T形电极组构成，每排T形电极组由若干个等间距且呈一字排布的T形电极形成；T形电极由头部电极（7a）和垂直固定在头部电极（7a）中部的尾部电极（7b）构成；头部电极（7a）以平行于铌酸锂脊层（5a）的方式设置、并局部包覆在二氧化硅上包层（6）的外侧；二氧化硅填充层（8）由多个T形二氧化硅填充体构成，其分别设置在每相邻两个T形电极之间形成的T形凹槽中，并与邻侧T形电极无缝相接；电极层（9）由三个电极层构成，其分别完全覆盖在位于第一电容结构与第二电容结构之间的铌酸锂薄层（5b）上、第一电容结构另一侧的铌酸锂薄层（5b）上、以及第二电容结构另一侧的铌酸锂薄层（5b）上，且每个电极层均与邻侧各T形电极的尾部电极连接；二氧化硅覆盖层（10）由三个二氧化硅覆盖层构成，其分别完全覆盖在三个电极层上。
2.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，分光结构（1）、调制结构（2）和合束结构（3）居中固定在基底层上；基底层为石英层或硅层。
3.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，分光结构（1）和合束结构（3）均采用铌酸锂制多模干涉耦合器；多模干涉耦合器的一端设有单端接头、另一侧设有双端接头；两条铌酸锂脊层（5a）的两端均向外侧延伸有用于与分光结构（1）和合束结构（3）连接的接头端。
4.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，二氧化硅缓冲层（4）的厚度为2μm。
5.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，铌酸锂薄层（5b）的厚度为0.2μm~0.5μm；铌酸锂脊层（5a）的厚度为0.2μm~0.4μm，顶面宽度为0.8μm~2.5μm。
6.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，二氧化硅上包层（6）的厚度为1.0μm~1.5μm、宽度为4μm~8μm。
7.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，在T形电极中，头部电极（7a）为一长度为45μm、厚度为1.2μm~1.8μm、宽度为2μm~3.75μm的长方体；位于同排的两个相邻T形电极中，头部电极（7a）之间的间距为5μm；对称位于二氧化硅上包层（6）两侧的两个头部电极（7a）之间的间距保持为1.5μm~5μm。
8.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，尾部电极（7b）为一长方体，其在头部电极（7a）长度方向的尺寸为5μm，其在头部电极（7a）宽度方向的尺寸为5μm，其厚度与电极层（9）的厚度相同。
9.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，T形二氧化硅填充体的厚度为0.7μm~1.5μm。
10.根据权利要求1所述的周期性双电容结构电极的铌酸锂薄膜调制器，其特征在于，电极层（9）的厚度为0.7μm~1μm、横向宽度为50μm~150μm；二氧化硅覆盖层（10）厚度为0.5μm~1.5μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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