CN113687529A - 一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，属于光通信器件技术领域。器件从下往上依次包括：衬底层、埋氧层、器件层、波导包覆层，所述器件层依次包括铌酸锂光波导、包层介质、电极组，所述包层介质的介电常数高于波导包覆层的介电常数，且所述包层介质的折射率低于铌酸锂光波导的折射率。本发明的调制器，通过在铌酸锂器件层和包覆层之间引入包层介质，因其具有较高的射频介电常数，且在通讯波段具有很高的光学透明度，使得在不引入额外光学损耗的前提下，增加了铌酸锂波导中的射频信号的电场分压，从而提高了电光调制效率。同时具有损耗低、结构紧凑等优点。
Description
技术领域
本发明属于光通信器件技术领域，更具体地，涉及一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器。
背景技术
铌酸锂具有优异的光、电材料性能，具有光学透明窗口宽(0.35μm-5μm)、电光响应速率高、电光调制效率高及热稳定性好等优点，可用于构建高电光响应、高调制速率、热稳定性好的电光调制器件。随着近年来对薄膜铌酸锂(LNOI)平台的深入研究，铌酸锂波导刻蚀及相关配套工艺均获得了较好的解决方案。相较于传统体材料铌酸锂调制器，薄膜铌酸锂调制器具有更小的尺寸、更高的调制效率和更高带宽等优势，并可与其他光通信器件相集成，应用前景非常好。
现有技术中，高速薄膜铌酸锂调制器波导一般为脊型或条型结构，电极与波导之间由普通低折射率的包覆层材料填充，如氧化硅。铌酸锂材料工作在射频波段(几个GHz到几十GHz)时，沿着光轴(c轴)方向相对介电常数约为30，包覆层常用材料氧化硅相对介电常数为3.9，当在铌酸锂光波导两侧电极施加电场时，由于氧化硅相对介电常数更小，会使绝大部分分压在氧化硅介质中，导致铌酸锂波导中的电光调制效率较低。因此，往往需要将调制电极做得比较长，以实现低的驱动电压，但较长的调制电极具有较大的射频损耗，而光波和微波群速度易产生较大程度的失配，导致器件难以实现高带宽。另一方面，调制器整体尺寸也会比较大，不利于器件的小型化。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其目的在于实现高的电光调制效率。
本发明提供了一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，从下往上依次包括：衬底层、埋氧层、器件层、波导包覆层，所述器件层依次包括铌酸锂光波导、包层介质、电极组，所述包层介质的介电常数高于波导包覆层的介电常数，且所述包层介质的折射率低于铌酸锂光波导的折射率。
进一步地，所述包层介质的介电常数不低于8。
进一步地，所述包层介质的光学折射率介于1.45-2之间。
进一步地，所述包层介质覆盖在铌酸锂光波导的上表面，仅包含铌酸锂光波导上表面与电极组下表面没有接触的部分。
进一步地，所述包层介质还包含铌酸锂光波导上表面与电极组下表面接触的部分或电极组的上表面部分或电极组的侧壁。
进一步地，所述包层介质的材料为碳酸钙、钙钛矿、氧化镁、氧化锶或氧化钡。
进一步地，所述包层介质的厚度不小于50nm。
进一步地，所述包层介质采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积或化学气相沉积技术将包层介质覆盖在铌酸锂光波导表面。
进一步地，所述铌酸锂光波导的厚度在300nm-1000nm之间。
进一步地，所述铌酸锂光波导为脊形波导或条形波导。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，通过在铌酸锂器件层和包覆层之间引入包层介质，因其具有较高的射频介电常数，且在通讯波段具有很高的光学透明度，使得在不引入额外光学损耗的前提下，增加了铌酸锂波导中的射频信号的电场分压，从而提高了电光调制效率。
(2)本发明的基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，包层介质相对于铌酸锂波导为低折射率介质，当覆盖在铌酸锂表面时，光场能够主要集中在铌酸锂波导中传输，光信号传输损耗不会发生劣化。
(3)本发明的基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，包层介质可以只覆盖在铌酸锂光波导上表面与电极组下表面没有接触的部分，使得微波射频信号传输时能够维持整体较低的折射率，以适应与光波的群速度匹配过程。
总而言之，本发明的调制器具有调制效率高、传输损耗小等特点；并且能在驱动电压不变的前提下可以将调制电极长度大幅缩小，便于调制器件的小型化。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器结构示意图。
图2为本发明实施例1在铌酸锂光波导的上表面覆盖碳酸钙作为包层介质的电光调制器截面电场分布示意图。
图3为本发明实施例1在铌酸锂光波导的上表面没有覆盖包层介质的电光调制器截面电场分布示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-衬底层，2-埋氧层，3-器件层，4-波导包覆层，301-铌酸锂光波导，302-包层介质，303-电极组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，为本实施例提供的基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，从下往上依次包括衬底层1、埋氧层2、器件层3、波导包覆层4。器件层3包括铌酸锂光波导301、包层介质302、电极组303。
其中，铌酸锂光波导301位于器件层3的底层，包层介质302覆盖在铌酸锂光波导301的上表面，至少包含铌酸锂光波导301上表面与电极组303下表面没有接触的部分。
在本实施例中，包层介质302还包含铌酸锂光波导301上表面与电极组303下表面接触的部分，在其它实施例中，包层介质302还可以包含电极组303的上表面及侧壁。其中，包层介质302为低折射率与高介电常数材料，在其它实施例中，包层介质302也可以只是高介电常数材料。
包层介质302的介电常数高于波导包覆层4的介电常数，折射率低于铌酸锂光波导301的折射率。
具体的，包层介质302的介电常数不低于8，光学折射率介于1.45～2之间，且低折射率与高介电常数的包层介质对光通讯波段透明，在调制器中不会引入额外光学损耗。包层介质302可以为但不限于碳酸钙、钙钛矿、氧化镁、氧化锶、氧化钡等材料。
低折射率与高介电常数的包层介质厚度不小于50nm，可采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积或化学气相沉积等技术途径将包层介质直接覆盖在铌酸锂光波导表面。
埋氧层2折射率不高于2，厚度不小于1.5μm，材料可以为氧化硅或苯丙环丁烯(BCB)。
铌酸锂光波导301的厚度在300nm～1000nm之间，波导的截面为脊形或条形，晶体切向为X切，可支持通讯波段光在波导内的稳定、低损耗传输。
电极组303可采用金属、石墨烯、透明导电薄膜等导电材料制备而成，电极的间距通过仿真计算来确定，要避免电极距离波导过近而增大波导的光吸收损耗，其中电极对光的吸收损耗一般不超过0.5dB/cm。
电极组303可采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积、化学气相沉积、电镀等技术制备。
波导包覆层4材料对光通讯波段透明，且折射率不高于2，包覆层材料优先选择为氧化硅、氮氧化硅等材料。
在本实施例中，埋氧层2材料为氧化硅，厚度为2μm；器件层3中铌酸锂光波导301为脊型结构，厚度为500nm、刻蚀深度为260nm、宽度为1μm。包层介质302选用碳酸钙(CaCO3)材料，厚度为300nm，其光学折射率为1.63，射频相对介电常数(1MHz时)为21。电极组303材料为金，厚度为600nm，电极组间距为5um。波导包覆层4材料为氧化硅，厚度为2um。
如图2和图3所示，通过电学仿真软件HFSS针对本实施例中构建的波导及电极结构进行静电场模拟计算，其中电极组的电位差设定为1V。图2为在铌酸锂光波导的上表面覆盖低折射率、高介电常数的碳酸钙作为包层介质的电光调制器截面电场分布示意图，图3为铌酸锂光波导的上表面没有覆盖低折射率、高介电常数的包层介质的电光调制器截面电场分布示意图。本实施例中测算到的图2中铌酸锂波导中心区域的电场强度为1.88V/μm；图3中酸锂波导中心区域的电场强度为1.2V/μm。
当铌酸锂光波导上方覆盖低折射率、高介电常数包层介质时，由于该包层介质材料的介电常数高，能够使得电场在铌酸锂波导中的分压增加、电场强度提升，从而降低了调制器的半波电压长度积，从而提升电光调制效率；并且能在驱动电压不变的前提下可以将调制电极长度大幅缩小，有利于高速调制的应用场景。另外，低折射率、高介电常数材料在通讯波段是完全透明的，不会引入额外的光学损耗，并且相对于铌酸锂为低折射率介质，当包覆在铌酸锂表面时，光场能够主要集中在铌酸锂波导中传输。
根据电场模拟计算可以看出，采用碳酸钙作为低折射率、高介电常数包层介质填充在铌酸锂光波导的上表面时，波导内电场强度提升约57％；本实施例中的基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器的半波电压长度积(Vπ·Lπ)可由2.63V*cm降低至1.68V*cm，调制效率显著增加。同时，由于碳酸钙的折射率较低，光学模场仍较强地限制在波导中央，电极组引入的吸收损耗仍低于0.1dB/cm，光信号传输损耗没有发生劣化。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例采用氧化锶(SrO)作为低折射率、高介电常数的包层介质覆盖在铌酸锂光波导的上表面，氧化锶的光学折射率为1.81，射频相对介电常数(1MHz时)为13.3，对电极间距进行合理调整，使得电极对光场吸收损耗始终低于0.1dB/cm，仿真计算出的波导内电场强度提升35％。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例采用氧化钡(BaO)作为低折射率、高介电常数的包层介质覆盖在铌酸锂光波导的上表面，氧化钡的光学折射率为1.98，射频相对介电常数(1MHz时)为34，对电极间距进行合理调整，使得电极对光场吸收损耗始终低于0.1dB/cm，仿真计算出的波导内电场强度提升61％。
因此，本发明的基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器具有提升调制效率的积极效果，且不影响光信号的传输性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，从下往上依次包括：衬底层(1)、埋氧层(2)、器件层(3)、波导包覆层(4)，所述器件层(3)依次包括铌酸锂光波导(301)、包层介质(302)、电极组(303)，所述包层介质(302)的介电常数高于波导包覆层(4)的介电常数，且所述包层介质(302)的折射率低于铌酸锂光波导(301)的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述包层介质(302)的介电常数不低于8。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述包层介质(302)的光学折射率介于1.45-2之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述包层介质(302)覆盖在铌酸锂光波导(301)的上表面，仅包含铌酸锂光波导(301)上表面与电极组(303)下表面没有接触的部分。
5.根据权利要求4所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述包层介质(302)还包含铌酸锂光波导(301)上表面与电极组(303)下表面接触的部分或电极组(303)的上表面部分或电极组(303)的侧壁。
6.根据权利要求5所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述包层介质(302)的材料为碳酸钙、钙钛矿、氧化镁、氧化锶或氧化钡。
7.根据权利要求6所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述包层介质(302)的厚度不小于50nm。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述包层介质(302)采用热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积或化学气相沉积技术将包层介质覆盖在铌酸锂光波导表面。
9.根据权利要求8所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂光波导(301)的厚度在300nm-1000nm之间。
10.根据权利要求9所述的一种基于低折射率高介电常数的薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂光波导(301)为脊形波导或条形波导。
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