CN219266720U - 一种薄膜铌酸锂调制器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种新型薄膜铌酸锂调制器，涉及光通信器件技术领域。本实用新型包括光学结构和电学结构。光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料，包括：输入波导、分束器、波导臂、合束器、输出波导；波导臂包含常规波导区和调制波导区，调制波导区铌酸锂材料的铁电畴的极化方向相反。电学结构包括信号‑地‑信号电极组成的行波电极结构，包含信号输入区、调制电极区、匹配电阻区，采用差分驱动。本实用新型的薄膜铌酸锂调制器在采用差分驱动的同时降低了行波电极的电损耗，同时利用折叠结构，实现了低调制电压、高调制带宽和低插入损耗，为调制器的小型化和高度集成化提供了解决方案。

Description

一种薄膜铌酸锂调制器
技术领域
本实用新型涉及光通信器件技术领域，特别是涉及一种薄膜铌酸锂调制器。
背景技术
薄膜铌酸锂材料解决了传统铌酸锂体材料波导折射率差偏小的问题，能实现更强的模式限制，使得电极能够更靠近波导，从而调制效率更高。另外采用硅或石英等衬底，介电常数低，降低了微波折射率，更容易实现与光波折射率的匹配。基于薄膜铌酸锂材料的调制器更容易实现高调制带宽、低半波电压。同时由于铌酸锂刻蚀技术的进步，以及更高质量模斑转换器的制作，基于薄膜铌酸锂材料的调制器的插损也达到了传统体材料铌酸锂调制器的水准。预计同时具备低调制电压、高调制带宽、低插入损耗的薄膜铌酸锂调制器在未来的光通信中有巨大的潜在应用价值。
薄膜铌酸锂调制器通常采用X切的薄膜铌酸锂材料，基于此材料很容易实现推挽调制，即使单端的调制器也能实现硅光和InP调制器差分调制的效果。但许多驱动是为硅光调制器和InP调制器开发的差分驱动，因此有必要开发兼容这种驱动的基于X切薄膜铌酸锂材料的差分驱动的调制器。此外薄膜铌酸锂调制器的带宽主要受电损耗的限制，通常为了降低调制电压，就需要延长调制臂的长度，但是电损耗会对调制带宽产生严重的限制(C.Wang,M.Zhang,X.Chen,M.Bertrand,A.Shams-Ansari,S.Chandrasekhar,P.Winzer,andM.Lonˇcar,“Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating atCMOS-compatible voltages,”Nature 562,101–104(2018).)，所以也需要开发电损耗更低的薄膜铌酸锂调制器。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种薄膜铌酸锂调制器，解决差分驱动的同时降低电损耗。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：
一种薄膜铌酸锂调制器，包括光学结构和电学结构；
光学结构包括：输入波导、分束器、波导臂、合束器、输出波导；波导臂包含第一波导臂与第二波导臂，第一波导臂与第二波导臂均包含常规波导区，第一波导臂还包括第一波导臂第一调制波导区、第一波导臂第二调制波导区、第一波导臂第三调制波导区，第二波导臂还包括第二波导臂第一调制波导区、第二波导臂第二调制波导区、第二波导臂第三调制波导区；
电学结构包括信号-地-信号电极组成的行波电极结构；行波电极结构包含信号输入区、调制电极区、匹配电阻区；
调制电极区的第一信号电极与地电极之间、地电极与第二信号电极之间分别通过第一波导臂第一调制波导区、第二波导臂第一调制波导区连接；第一信号电极、第二信号电极与虚地电极之间分别设有第一信号电极匹配电阻、第二信号电极匹配电阻，地电极通过地电极匹配电阻以及地电极电容与虚地电极连接。
优选的，光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料；从下往上依次包括衬底层、低折射率下盖层、薄膜铌酸锂层、低折射率上盖层；垂直于薄膜铌酸锂层的方向为x方向，平面内的方向为z方向与y方向；调制电极区的第一信号电极和第二信号电极与地电极之间施加的电场方向为z方向，第一波导臂第一调制波导区、第二波导臂第一调制波导区的波导方向沿y方向；光学结构采用刻蚀薄膜铌酸锂层形成或在薄膜铌酸锂层上沉积制作波导结构或两者结合。
优选的，第一波导臂第一调制波导区与第二波导臂第一调制波导区的铌酸锂材料的铁电畴的极化方向相反；并通过外加高电场极化的方法在这两个区域形成相反的极化方向。
优选的，信号-地-信号行波电极所加调制信号为差分信号，即第一信号电极与地电极之间加V伏电压，第二信号电极与地电极之间加-V伏电压。
优选的，波导臂选用折叠结构，行波电极结构随波导臂一起折叠。
优选的，第一波导臂始终位于第一信号电极与地电极之间，第二波导臂始终位于第二信号电极与地电极之间。
优选的，第一波导臂的第一波导臂第一调制波导区、第一波导臂第二调制波导区、第一波导臂第三调制波导区被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向依次反向。
优选的，第二波导臂的第二波导臂第一调制波导区、第二波导臂第二调制波导区、第二波导臂第三调制波导区与第一波导臂的第一波导臂第一调制波导区、第一波导臂第二调制波导区、第一波导臂第三调制波导区分别对应，且铁电畴的极化方向相反。
优选的，第一波导臂与第二波导臂在连接的弯曲波导部分交叉；第一波导臂的调制波导区被弯曲波导顺次连接，第一波导臂的第一波导臂第一调制波导区位于第一信号电极与地电极之间，经弯曲波导后第一波导臂第二调制波导区转换到第二信号电极与地电极之间，再经弯曲波导后第一波导臂第三调制波导区又换回到第一信号电极与地电极之间，依此类推；其铁电畴的极化方向依次反向。
优选的，第二波导臂的第二波导臂第一调制波导区、第二波导臂第二调制波导区、第二波导臂第三调制波导区依照第一波导臂的调制波导区的变化而变化，且铁电畴的极化方向始终与第一波导臂的对应调制波导区的极化方向相反。
本实用新型的实施例具有以下有益效果：
本实用新型的一个实施例通过采用差分驱动的同时降低了行波电极的电损耗，同时利用折叠结构，实现了低调制电压、高调制带宽和低插入损耗，为调制器的小型化和高度集成化提供了解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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，还根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图；
图2为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器的行波电极二维截面示意图；
图3为本实用新型实施例二的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图；
图4为本实用新型实施例三的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图；
图5为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器的行波电极二维电场图；
图6为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器行波电极的损耗随调制频率的变化图；
图7为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器行波电极的特性阻抗随调制频率的变化图；
图8为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器行波电极的微波折射率随调制频率的变化图；
图9为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器小信号调制带宽随调制频率的变化图；
其中，1、输入波导；2、分束器；3、波导臂；3-1、第一波导臂；3-2、第二波导臂；3-3第一波导臂第一调制波导区；3-4、第二波导臂第一调制波导区；3-5、第一波导臂第二调制波导区；3-6、第二波导臂第二调制波导区；3-7、第一波导臂第三调制波导区；3-8、第二波导臂第三调制波导区；4、合束器；5、输出波导；6、信号输入区；6-1、信号输入区第一信号电极；6-2、信号输入区地电极；6-3、信号输入区第二信号电极；7、调制电极区；7-1、第一信号电极；7-2、地电极；7-3、第二信号电极；8、匹配电阻区；8-1、第一信号电极匹配电阻；8-2、地电极匹配电阻；8-3、第二信号电极匹配电阻；8-4、地电极电容；8-5、虚地电极；9、衬底层；10、低折射率下盖层；11、薄膜铌酸锂层；12、低折射率上盖层。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施实例，都属于本实用新型保护的范围。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例一：
参照图1、2、5、6、7、8、9，本实施实例提供一种薄膜铌酸锂调制器，包括光学结构和电学结构；
光学结构包括：输入波导1、分束器2、波导臂3、合束器4、输出波导5；波导臂3包含第一波导臂3-1与第二波导臂3-2，第一波导臂3-1与第二波导臂3-2均包含常规波导区，第一波导臂3-1还包括第一波导臂第一调制波导区3-3、第一波导臂第二调制波导区3-5、第一波导臂第三调制波导区3-7，第二波导臂3-2还包括第二波导臂第一调制波导区3-4、第二波导臂第二调制波导区3-6、第二波导臂第三调制波导区3-8；
电学结构包括信号-地-信号电极组成的行波电极结构；行波电极结构包含信号输入区6、调制电极区7、匹配电阻区8；
调制电极区7的第一信号电极7-1与地电极7-2之间、地电极7-2与第二信号电极7-3之间分别通过第一波导臂第一调制波导区3-3、第二波导臂第一调制波导区3-4连接；第一信号电极7-1、第二信号电极7-3与虚地电极8-5之间分别设有第一信号电极匹配电阻8-1、第二信号电极匹配电阻8-3，地电极7-2通过地电极匹配电阻8-2以及地电极电容8-4与虚地电极8-5连接。
更进一步的，光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料；从下往上依次包括衬底层9、低折射率下盖层10、薄膜铌酸锂层11、低折射率上盖层12；垂直于薄膜铌酸锂层11的方向为x方向，平面内的方向为z方向与y方向；调制电极区7的第一信号电极7-1和第二信号电极7-3与地电极7-2之间施加的电场方向为z方向，第一波导臂第一调制波导区3-3、第二波导臂第一调制波导区3-4的波导方向沿y方向；光学结构采用刻蚀薄膜铌酸锂层11形成或在薄膜铌酸锂层11上沉积制作波导结构或两者结合。
更进一步的，第一波导臂第一调制波导区3-3与第二波导臂第一调制波导区3-4的铌酸锂材料的铁电畴的极化方向相反；并通过外加高电场极化的方法在这两个区域形成相反的极化方向。
更进一步的，信号-地-信号行波电极所加调制信号为差分信号，即第一信号电极7-1与地电极7-2之间加V伏电压，第二信号电极7-3与地电极7-2之间加-V伏电压。
更进一步的，波导臂3选用折叠结构，行波电极结构随波导臂3一起折叠。
更进一步的，第一波导臂3-1始终位于第一信号电极7-1与地电极7-2之间，第二波导臂3-2始终位于第二信号电极7-3与地电极7-2之间。
更进一步的，第一波导臂3-1的第一波导臂第一调制波导区3-3、第一波导臂第二调制波导区3-5、第一波导臂第三调制波导区3-7被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向依次反向。
更进一步的，第二波导臂3-2的第二波导臂第一调制波导区3-4、第二波导臂第二调制波导区3-6、第二波导臂第三调制波导区3-8与第一波导臂3-1的第一波导臂第一调制波导区3-3、第一波导臂第二调制波导区3-5、第一波导臂第三调制波导区3-7分别对应，且铁电畴的极化方向相反。
更进一步的，第一波导臂3-1与第二波导臂3-2在连接的弯曲波导部分交叉；第一波导臂3-1的调制波导区被弯曲波导顺次连接，第一波导臂3-1的第一波导臂第一调制波导区3-3位于第一信号电极7-1与地电极7-2之间，经弯曲波导后第一波导臂第二调制波导区3-5转换到第二信号电极7-3与地电极7-2之间，再经弯曲波导后第一波导臂第三调制波导区3-7又换回到第一信号电极7-1与地电极7-2之间，依此类推；其铁电畴的极化方向依次反向。
更进一步的，第二波导臂3-2的第二波导臂第一调制波导区3-4、第二波导臂第二调制波导区3-6、第二波导臂第三调制波导区3-8依照第一波导臂3-1的调制波导区的变化而变化，且铁电畴的极化方向始终与第一波导臂3-1的对应调制波导区的极化方向相反。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述行波电极采用共面波导结构。行波电极材料为Au，厚度为1.1μm,第一信号电极与第二信号电极的宽度为25μm，地电极的宽度为17μm,第一信号电极、第二信号电极与地电极之间的间隔为5μm。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述衬底层材料是Si，折射率为3.49，相对介电常数为11.9，厚度为500μm；低折射率下盖层材料是SiO2，折射率为1.44，相对介电常数为3.9，厚度为4.7um；薄膜铌酸锂层厚度为0.6μm，非寻常光折射率为ne＝2.1376，寻常光折射率no＝2.2111，相对介电常数为εe＝27.9，εo＝44.3；低折射率上盖层材料为SiO2，折射率为1.44，相对介电常数为3.9，厚度为0.8um。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述波导臂的波导为脊波导，波导宽度为1.5μm,脊的高度为0.3μm，侧壁倾角为76°。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述行波电极的信号输入区通过弯曲结构与调制电极区连接，行波电极的调制电极区与波导臂的调制波导区长度相等，长度L＝1.5cm。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述行波电极的第一信号电极、第二信号电极与虚地电极之间的匹配电阻阻值为50Ω,与差分阻抗100Ω相匹配，减小差模信号的反射。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述行波电极的地电极通过匹配电阻与虚地电极连接，匹配电阻阻值为50Ω，减小残余的共模信号反射；匹配电阻与虚地电极之间形成电容，避免直流电流。
本实施实例一的工作原理为：入射光进入输入波导，通过分束器分成两束光，分别进入第一波导臂和第二波导臂；同时，差分射频信号通过信号输入区输入行波电极，与光信号一同传播。由于调制波导区铌酸锂材料的铁电畴的极化方向相反，在差分信号的作用下，上下波导臂的调制相位相反，实现推挽调制。第一波导臂和第二波导臂的光信号经过合束器合束，将相位信息转化为强度信息，实现光信号的调制。
实施例二：
参照图1、2、3、5、6、7、8、9，本实施实例二在实施实例一的基础上，所述薄膜铌酸锂调制器的波导臂采用折叠结构，行波电极随波导臂一起折叠；第一波导臂始终位于第一信号电极与地电极之间，第二波导臂始终位于第二信号电极与地电极之间；第一波导臂的调制波导区被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向依次反向；第二波导臂的调制波导区与第一波导臂的调制波导区分别对应，且铁电畴的极化方向相反。
本实施实例二的工作原理为：入射光进入输入波导，通过分束器分成两束光，分别进入第一波导臂和第二波导臂；同时，差分射频信号通过信号输入区输入行波电极，与光信号一同传播。在传播过程中，射频信号同光信号一起弯曲,调制波导区被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向依次反向，在差分信号的作用下，波导臂的调制相位逐渐累积。光信号经过合束器合束，将相位信息转化为强度信息，实现光信号的调制。
实施例三：
参照图1-9，本实施实例三在实施实例二的基础上，第一波导臂与第二波导臂在连接的弯曲波导部分交叉；第一波导臂的调制波导区被弯曲波导顺次连接；第一波导臂的调制波导区先位于第一信号电极与地电极之间，经过弯曲波导后转换到第二信号电极与地电极之间，再经过弯曲波导后又换回到第一信号电极与地电极之间，依次类推；每经过弯曲波导后，第一波导臂的调制波导区的铁电畴的极化方向反向；第二波导臂的调制波导区与第一波导臂的调制波导区相对应，依照第一波导臂的调制波导区的变化而变化，且第二波导臂的调制波导区的铁电畴的极化方向始终与对应第一波导臂的对应调制波导区的铁电畴的极化方向相反。
本实施实例三的工作原理与实施实例二的工作原理相同。
采用有限元法，对本实施实例一的光学结构以及行波电极结构进行仿真。在1550nm波长下，调制波导的损耗小于0.1dB/cm,光的群折射率ng＝2.258。
调制器的调制效率用电压-长度积VπL表示，通过静电场仿真，得到调制效率VπL为2.2V·cm。调制波导区长度L＝1.5cm，对应的Vπ为1.46V。
调制器采用差分驱动，通过射频仿真得到，行波电极的差分阻抗为100Ω，损耗为0.44dBcm-1GHz-0.5，低于传统的采用共模驱动的行波电极(P.Kharel,C.Reimer,K.Luke,L.Y.He,and M.Zhang,“Breaking voltage-bandwidth limits in integrated lithiumniobate modulators using micro-structured electrodes,”Optica,vol.8,no.3,2021.)。微波折射率nμ为2.21。图5～8为实施例一的射频仿真结果图。
通过射频仿真结果得到理论的电光响应曲线，图9为计算得到的电光响应曲线，由图中曲线可知，实施实例一的小信号3dB调制带宽大于70GHz。
本实用新型的薄膜铌酸锂调制器在采用差分驱动的同时，降低了电损耗；利用折叠结构，降低了调制器的驱动电压，实现了低调制电压、高调制带宽和低插入损耗，为调制器的小型化和高度集成化提供了解决方案。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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实用新型，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实用新型的限制。
以上的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：包括光学结构和电学结构；
光学结构包括：输入波导(1)、分束器(2)、波导臂(3)、合束器(4)、输出波导(5)；波导臂(3)包含第一波导臂(3-1)与第二波导臂(3-2)，第一波导臂(3-1)与第二波导臂(3-2)均包含常规波导区，第一波导臂(3-1)还包括第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第一波导臂第二调制波导区(3-5)、第一波导臂第三调制波导区(3-7)，第二波导臂(3-2)还包括第二波导臂第一调制波导区(3-4)、第二波导臂第二调制波导区(3-6)、第二波导臂第三调制波导区(3-8)；
电学结构包括信号-地-信号电极组成的行波电极结构；行波电极结构包含信号输入区(6)、调制电极区(7)、匹配电阻区(8)；
调制电极区(7)的第一信号电极(7-1)与地电极(7-2)之间、地电极(7-2)与第二信号电极(7-3)之间分别通过第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第二波导臂第一调制波导区(3-4)连接；第一信号电极(7-1)、第二信号电极(7-3)与虚地电极(8-5)之间分别设有第一信号电极匹配电阻(8-1)、第二信号电极匹配电阻(8-3)，地电极(7-2)通过地电极匹配电阻(8-2)以及地电极电容(8-4)与虚地电极(8-5)连接。
2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料；从下往上依次包括衬底层(9)、低折射率下盖层(10)、薄膜铌酸锂层(11)、低折射率上盖层(12)；垂直于薄膜铌酸锂层(11)的方向为x方向，平面内的方向为z方向与y方向；调制电极区(7)的第一信号电极(7-1)和第二信号电极(7-3)与地电极(7-2)之间施加的电场方向为z方向，第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第二波导臂第一调制波导区(3-4)的波导方向沿y方向；光学结构采用刻蚀薄膜铌酸锂层(11)形成或在薄膜铌酸锂层(11)上沉积制作波导结构或两者结合。
3.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂第一调制波导区(3-3)与第二波导臂第一调制波导区(3-4)的铌酸锂材料的铁电畴的极化方向相反；并通过外加高电场极化的方法在这两个区域形成相反的极化方向。
4.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：信号-地-信号行波电极所加调制信号为差分信号，即第一信号电极(7-1)与地电极(7-2)之间加V伏电压，第二信号电极(7-3)与地电极(7-2)之间加-V伏电压。
5.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：波导臂(3)选用折叠结构，行波电极结构随波导臂(3)一起折叠。
6.根据权利要求5所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂(3-1)始终位于第一信号电极(7-1)与地电极(7-2)之间，第二波导臂(3-2)始终位于第二信号电极(7-3)与地电极(7-2)之间。
7.根据权利要求6所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第一波导臂第二调制波导区(3-5)、第一波导臂第三调制波导区(3-7)被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向依次反向。
8.根据权利要求7所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第二波导臂(3-2)的第二波导臂第一调制波导区(3-4)、第二波导臂第二调制波导区(3-6)、第二波导臂第三调制波导区(3-8)与第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第一波导臂第二调制波导区(3-5)、第一波导臂第三调制波导区(3-7)分别对应，且铁电畴的极化方向相反。
9.根据权利要求8所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂(3-1)与第二波导臂(3-2)在连接的弯曲波导部分交叉；第一波导臂(3-1)的调制波导区被弯曲波导顺次连接，第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)位于第一信号电极(7-1)与地电极(7-2)之间，经弯曲波导后第一波导臂第二调制波导区(3-5)转换到第二信号电极(7-3)与地电极(7-2)之间，再经弯曲波导后第一波导臂第三调制波导区(3-7)又换回到第一信号电极(7-1)与地电极(7-2)之间，依此类推；其铁电畴的极化方向依次反向。
10.根据权利要求9所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第二波导臂(3-2)的第二波导臂第一调制波导区(3-4)、第二波导臂第二调制波导区(3-6)、第二波导臂第三调制波导区(3-8)依照第一波导臂(3-1)的调制波导区的变化而变化，且铁电畴的极化方向始终与第一波导臂(3-1)的对应调制波导区的极化方向相反。
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