CN109143621B - 基于铌酸锂薄膜的同相正交调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铌酸锂的同相正交调制器，包括衬底、铌酸锂薄膜、铌酸锂光波导、1×2光学分束器、马赫曾德尔调制器、90°偏置结构；所述铌酸锂薄膜键合于衬底上，所述铌酸锂光波导、1×2光学分束器、马赫曾德尔调制器、90°偏置结构均设置在铌酸锂薄膜上；所述光束通过1×2光学分束器分出两支光束，两支光束分别通过不同的马赫曾德尔调制器，马赫曾德尔调制器输出端输出两支光束，其中一支光束进入90°偏置结构后输出，另一支光束用于检测输出。本发明具有低功耗、小型化、低驱动电压、高带宽的高阶相位和强度调制器件。本发明适用于光学信号调制领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学调制器领域，更具体的，涉及一种基于铌酸锂薄膜的同相正交调制器及该同相正交调制器的制备方法。
背景技术
同相正交调制器在现代通信领域中具有非常重要的作用。其结构由两个并行的马赫曾德调尔制器和一个90°相位偏置器组成，同向和正交两组信号相互正交，可同时实现相位和强度调制。
随着硅基电光集成技术的发展，IQ调制器在硅基光子平台上已经得到应用，并实现了高速正交相移键控，以及双偏振16阶和32阶正交强度调制的信号调制。
硅基电光调制器主要是载流子输运、载流子注入、载流子累积效应。其中，调制器的带宽与线性度数载流子输运机制最优，但由于光场分布与输运区的非均匀性重叠，导致该效应引入非线性的二阶失真和三阶互调失真项。近年来，硅基通过参杂浓度控制，或与III-V多量子阱结合的混合集成芯片有陆续实现了低驱动电压，高带宽，高线性度的马赫曾德调尔制器。但在高频应用中，微波在硅材料中损耗明显增大，从而限制了带宽。
基于InP的双偏振IQ调制器具有低驱动电压以及高带宽的特点，其体积小，可与激光器，高速探测器混合集成。但III-V其电光效应折射率改变量包含线性项与非线性项，电场小线性项占主导，电场变大二阶效应突出。
铌酸锂，其具有突出的线性电光效应，已在商用的高速相位和强度调制器中得到广泛的应用。传统的商用铌酸锂调制器采用钛扩散工艺在铌酸锂体材料中形成弱限制波导，其模斑面积达几十微米，导致两旁的电极间距较宽，典型值约30um以上；体积大，即封装后约135mm×13.5mm，应用于光纤传输网络。随着铌酸锂薄膜的切割和键合工艺的成熟，近年来，铌酸锂薄膜调制器的研究受到学术界和工业界的广泛关注。目前成熟的铌酸锂薄膜厚度从百纳米级到微米级，可直接或间接键合在硅、二氧化硅、石英和蓝宝石衬底上。由于其折射率高于二氧化硅(Δn～0.67)，可获得相对传统体材料中更强的光模场限制。通过等离子体刻蚀工艺可获得亚微米级的模斑面积。更小的光模场分布有利于金属电极可以制作更紧密，也有利于获得更高的光场与电场的重叠度，可获得小体积，高调制效率，低功耗的电光调制器。
综上所述，针对硅基调制器的高频射频损耗大；III-V的电光效应线性度不足；目前商用的铌酸锂IQ调制器体型大，高驱动电压高，将IQ调制器运用到铌酸锂薄膜上，可获得低损耗、小型化、低驱动电压、高带宽的高阶相位和强度调制器件。
发明内容
本发明为了解决硅基调制器的高频射频损耗大、III-V的电光效应线性度不足，以及目前商用的铌酸锂IQ调制器体型大，高驱动电压高的问题，提供了基于铌酸锂薄膜的同相正交调制器，其具有低功耗、小型化、低驱动电压、高线性度的特点。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于铌酸锂的同相正交调制器，包括衬底、设置在衬底上的铌酸锂薄膜，以及制备在铌酸锂薄膜上的1×2光学分束器A、两路马赫曾德尔调制器、90°偏置结构，和制备在铌酸锂薄膜上用于传递光束的光波导；1×2光学分束器A与两路马赫曾德尔调制器的输入端连接，两路马赫曾德尔调制器的输出端与90°偏置结构连接。
优选地，还包括二氧化硅包层，所述二氧化硅包层覆盖在铌酸锂薄膜上；所述二氧化硅包层的厚度大于1μm；所述的二氧化硅包层上设置有金属引线，金属引线的一端通过二氧化硅包层的开窗与外界连通，马赫曾德尔调制器、90°偏置结构与金属引线的另一端连接。
优选地，所述马赫曾德尔调制器包括1×2光学分束器B、接地金属电极、信号金属电极、2×2光学干涉器；所述信号金属电极的两侧均排列设置有接地金属电极，1×2光学分束器B、2×2光学干涉器分别设置于信号金属电极的两端；所述光束依次通过1×2光学分束器A、B后被分成两支光束，两支光束分别从两侧的接地金属电极和信号金属电极之间穿过后，在2×2光学干涉器形成干涉，并输出两支光束。
优选地，所述90°偏置结构包括旁金属电极、中心金属电极，光学合束器；所述中心金属电极两侧分别设置旁金属电极；光学合束器设置于所述中心金属电极的一端；所述每路马赫曾德尔调制器输出两支光束，其中一支光束从中心金属电极与旁金属电极之间穿过后，经过光学合束器输出，另一支光束从旁金属电极远离中心金属电极的一侧输出；所述接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极均与所述二氧化硅包层上的金属引线连接。
优选地，所述光波导的宽度范围设置为0.8–1μm；铌酸锂薄膜的厚度范围为300-700nm。
优选地，所述衬底为硅或石英或蓝宝石。
优选地，所述接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极采用金或银或铝；所述金属厚度为300–1000nm。
本发明还提供了一种基于铌酸锂的同相正交调制器的制备方法，所述制备方法具体步骤如下：
步骤1：将铌酸锂薄膜直接或通过键合介质间接键合在衬底上；
步骤2：使用高速旋涂的方法将电子束胶覆盖在铌酸锂薄膜上；
步骤3：利用电子束曝光***将光学结构转移到电子束胶上；
步骤4：利用电子束胶作为掩模，在电感耦合-等离子体***中，使用刻蚀气体实现干法刻蚀铌酸锂，将光学结构转移至铌酸锂薄膜材料上；
步骤5：在所述步骤3得到的基片上使用高速旋涂的方法将电子束胶覆盖在基片上；
步骤6：使用电子束蒸镀***，蒸镀金属粘附层和金属电极；
步骤7：利用金属剥离技术最终形成电学结构。
优选地，所述刻蚀气体为氩气等离子体或六氟化硫/氩气混合气体等离子体；所述金属电极包括接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极；所述光学结构包括光波导、1×2光学分束器A、B、2×2光学干涉器、光学合束器。
优选地，所述金属电极与金属引线通过电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯胶的金属剥离技术实现或通过聚甲基丙烯酸甲酯胶-剥离胶双层胶的金属剥离技术实现。
本发明的有益效果如下：本发明利用铌酸锂突出的线性电光效应，其折射率变化与外加电场强度呈线性关系，在任意一支光波导施加电场，将于另一只产生相位差，合束时就会产生干涉，在两支并行光波导施予极性相反的电压，调制效率翻倍；本发明均采用高新制造技术使本发明结构达到微米、纳米级别，达到小型化；本发明采用电阻率低的金属作为金属电极，及其铌酸锂的特性，实现低功耗、低驱动电压。
附图说明
图1是本发明基于铌酸锂的同相正交调制器的立体图。
图2是本发明基于铌酸锂的同相正交调制器的俯视图。
图3是本发明并行马赫曾德调尔制器示意图。
图4是本发明90°偏置结构示意图。
图中；1.光波导、2.1×2光学分束器A、3.接地金属电极、4.信号金属电极、5.2×2光学干涉器、6.旁金属电极、7.中心金属电极、8.光学合束器、9.衬底、10.1×2光学分束器B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1、图2所示，一种基于铌酸锂的同相正交调制器，包括衬底、设置在衬底上的铌酸锂薄膜，以及制备在铌酸锂薄膜上的1×2光学分束器A、两路马赫曾德尔调制器、90°偏置结构，和制备在铌酸锂薄膜上用于传递光束的光波导；1×2光学分束器A与两路马赫曾德尔调制器的输入端连接，两路马赫曾德尔调制器的输出端与90°偏置结构连接。
本实施例中还包括二氧化硅包层，所述二氧化硅包层覆盖在铌酸锂薄膜上；所述二氧化硅包层大于1μm；在所述的二氧化硅包层上设置金属引线，在二氧化硅包层上开设窗口，马赫曾德尔调制器、90°偏置结构与金属引线的连接，以便测试与封装。
如图3所示，本实施例中所述马赫曾德尔调制器包括1×2光学分束器B、接地金属电极、信号金属电极、2×2光学干涉器；所述信号金属电极的两侧均排列设置有接地金属电极，并形成“接地金属电极-信号金属电极-接地金属电极”结构，接地金属电极与信号金属电极并行排列，在接地金属电极与信号金属电极之间设有用于传输光束的光波导。1×2光学分束器B、2×2光学干涉器分别设置于信号金属电极的两端，所述光束依次通过1×2光学分束器A、B后被分成两支光束，两支光束分别从两侧的接地金属电极和信号金属电极之间穿过后，在2×2光学干涉器形成干涉，并输出两支光束。
本实施例需要两个并行的马赫曾德尔调制器，结合形成同相正交调制器，两路并行的马赫曾德尔调制器形成“接地金属电极-信号金属电极-接地金属电极-信号金属电极-接地金属电极”结构，包括接地金属电极数量为3个，信号金属电极数量为2个；每个马赫曾德尔调制器内设有两支用于传输光束的光波导，所述的两支光波导可等长或非等长。
单一的马赫曾德尔调制器实现强度调制，因此能实现开关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)。采用铌酸锂作为马赫曾德调尔制器的原理是：铌酸锂具有突出的线性电光效应，其折射率变化与外加电场强度呈线性关系。在任意一支光波两侧导施加电场，将与另一支产生相位差，合束时就会产生干涉。一般的“推拉式”结构是在两支并行光波导施予极性相反的电压，调制效率翻倍。
如图4所示，本实施例中所述90°偏置结构包括旁金属电极、中心金属电极，光学合束器；所述中心金属电极两侧分别设置旁金属电极，在中心金属电极与旁金属电极之间设置用于传输光束的光波导，在90°偏置结构中设置两支并行的光波导；所述每个马赫曾德尔调制器输出两支光束，其中一支光束从中心金属电极与旁金属电极之间穿过后，经过光学合束器输出，另一支光束从旁金属电极远离中心金属电极的一侧输出；所述接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极均与所述二氧化硅包层上的金属引线连接。
两个并行的马赫曾德调尔制器之间通过一个90°相位偏置结构，两路形成90°相位差。所述90°相位偏置结构的相位偏置结构采用“旁金属电极-中心金属电极-旁金属电极”结构设置电极结构，使两路信号产生90°相位差。因此可实现45°，135°，225°和315°四个状态的正交相移键控(QPSK)。当输入电信号存在多电平时，可实现多电平正交强度调制(xQAM)。
本实施例中所述用于传输光束的光波导宽度设置为0.8–1μm；铌酸锂薄膜厚度300-700nm。
本实施例中所述衬底为硅或石英或蓝宝石，所述铌酸锂薄膜可以直接或通过键合介质间接键合在衬底上。
本实施例中所述接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极采用电阻率低的金属，所述金属为金或银或铝；所述金属厚度为300–1000nm。
本实施例光束从光波导的输入端射进，经过1×2光学分束器A，光束被分成两支光束，这两支光束分别经过两个1×2光学分束器B，1×2光学分束器B将射进来的光束分成两支光束射出，这两支光束分别从信号金属电极的两侧射出，并在2×2光学干涉器形成干涉，并输出两支光束，其中一支光束从其中一支光束从中心金属电极与旁金属电极之间穿过后，经过光学合束器输出，另一支光束从旁金属电极远离中心金属电极的一侧输出。
本发明还提供一种基于铌酸锂薄膜的同相正交调制器的制备方法，所述制备方法具体步骤如下：
步骤1：将铌酸锂薄膜直接或通过键合介质间接键合在衬底上；
步骤2：使用高速旋涂的方法将电子束胶覆盖在铌酸锂薄膜上；
步骤3：利用电子束曝光***将光学结构转移到电子束胶上；
步骤4：利用电子束胶作为掩模，在电感耦合-等离子体***中，使用刻蚀气体实现干法刻蚀铌酸锂，将光学结构转移至铌酸锂薄膜材料上；
步骤5：在所述步骤3)得到的基片上使用高速旋涂的方法将电子束胶覆盖在基片上；
步骤6：使用电子束蒸镀***，蒸镀金属粘附层和金属电极；
步骤7：利用金属剥离技术最终形成电学结构；
步骤8：在铌酸锂薄膜和金属电极上覆盖二氧化硅包层，在二氧化硅包层上设置金属引线，通过干法或湿法腐蚀等手段，在二氧化硅包层上开窗口，实现金属电极与金属引线的连接，完成制造。
本实施例中，所述刻蚀气体为氩气等离子体或六氟化硫/氩气混合气体等离子体，铌酸锂刻蚀深度小于薄膜厚度；所述金属电极包括接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极；所述光学结构包括光波导、1×2光学分束器A、B、2×2光学干涉器、光学合束器。
本实施例中，所述金属电极与金属引线通过电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯胶的金属剥离技术实现或通过聚甲基丙烯酸甲酯胶-剥离胶双层胶的金属剥离技术实现。
本实施例中，光学结构还可以先通过电子束胶转移到硬掩模上，再转移到铌酸锂薄膜上，所述的硬掩模是金属铬，镍或者镍铬。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于铌酸锂的同相正交调制器，其特征在于：包括衬底、设置在衬底上的铌酸锂薄膜，以及制备在铌酸锂薄膜上的1×2光学分束器A、两路马赫曾德尔调制器、90°偏置结构，和制备在铌酸锂薄膜上用于传递光束的光波导；1×2光学分束器A与两路马赫曾德尔调制器的输入端连接，两路马赫曾德尔调制器的输出端与90°偏置结构连接；
还包括二氧化硅包层，所述二氧化硅包层覆盖在铌酸锂薄膜上；所述二氧化硅包层的厚度大于1μm；所述的二氧化硅包层上设置有金属引线，金属引线的一端通过二氧化硅包层的开窗与外界连通，马赫曾德尔调制器、90°偏置结构与金属引线的另一端连接；
所述马赫曾德尔调制器包括1×2光学分束器B、接地金属电极、信号金属电极、2×2光学干涉器；所述信号金属电极的两侧均排列设置有接地金属电极，1×2光学分束器B、2×2光学干涉器分别设置于信号金属电极的两端；所述光束依次通过1×2光学分束器A、B后被分成两支光束，两支光束分别从两侧的接地金属电极和信号金属电极之间穿过后，在2×2光学干涉器形成干涉，并输出两支光束；
所述90°偏置结构包括旁金属电极、中心金属电极，光学合束器；所述中心金属电极两侧分别设置旁金属电极；光学合束器设置于所述中心金属电极的一端；每路所述马赫曾德尔调制器输出两支光束，其中一支光束从中心金属电极与旁金属电极之间穿过后，经过光学合束器输出，另一支光束从旁金属电极远离中心金属电极的一侧输出；所述接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极均与所述二氧化硅包层上的金属引线连接。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的同相正交调制器，其特征在于：所述光波导的宽度范围设置为0.8–1μm；铌酸锂薄膜的厚度范围为300-700nm。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的同相正交调制器，其特征在于：所述衬底为硅或石英或蓝宝石。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的同相正交调制器，其特征在于：所述接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极采用金或银或铝；所述金属厚度为300–1000nm。
5.一种如权利要求1～4任一项所述的基于铌酸锂的同相正交调制器的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体步骤如下：
步骤1：将铌酸锂薄膜直接或通过键合介质间接键合在衬底上；
步骤2：使用高速旋涂的方法将电子束胶覆盖在铌酸锂薄膜上；
步骤3：利用电子束曝光***将光学结构转移到电子束胶上；
步骤4：利用电子束胶作为掩模，在电感耦合-等离子体***中，使用刻蚀气体实现干法刻蚀铌酸锂，将光学结构转移至铌酸锂薄膜材料上；
步骤5：在所述步骤3得到的基片上使用高速旋涂的方法将电子束胶覆盖在基片上；
步骤6：使用电子束蒸镀***，蒸镀金属粘附层和金属电极；
步骤7：利用金属剥离技术最终形成电学结构。
6.根据权利要求5所述的基于铌酸锂的同相正交调制器的制备方法，其特征在于：所述刻蚀气体为氩气等离子体或六氟化硫/氩气混合气体等离子体；所述金属电极包括接地金属电极、信号金属电极、旁金属电极、中心金属电极；所述光学结构包括光波导、1×2光学分束器A、B、2×2光学干涉器、光学合束器。
7.根据权利要求6所述的基于铌酸锂的同相正交调制器的制备方法，其特征在于：所述金属电极与金属引线通过电子束曝光聚甲基丙烯酸甲酯胶的金属剥离技术实现或通过聚甲基丙烯酸甲酯胶-剥离胶双层胶的金属剥离技术实现。
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