CN116009294A - 一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，属于集成光学陀螺领域；包括衬底，二氧化硅包层，铌酸锂薄膜‑氮化硅光波导芯层，以及调制电极；其中光波导芯层为脊形结构，包括铌酸锂薄膜层，氮化硅层以及氮化硅载条，满足单模传输条件；氮化硅载条构成多模干涉耦合器、弯曲单元和调制臂；多模干涉耦合器采用分光比接近1比1的一分二结构；利用脊形波导结构进行传光，利用多模干涉耦合器单元进行分光；同时三个调制电极产生电场，使得在两个调制臂中传输的光分别发生相位变化，从而输出两束具有一定相位差的光。基于脊波导对TE模、TM模束缚作用不同实现起偏，即在波导中TE模和TM模的损耗不同，实现较高的偏振消光比。

Description

一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器

技术领域

本发明属于集成光学陀螺领域，具体是一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器。

背景技术

光学陀螺自20世纪以来，经过几十年的研究发展，已经成为了惯性仪器仪表的主流之一。光学陀螺具有全固态、精度高、可靠性高等显著优点，它的应用范围覆盖了导航定位、姿态控制和钻井探测等各个军用与民用领域。

光学陀螺主要由相位调制器，耦合器，探测器，角速度敏感单元和光源等组成，其中相位调制器是它的核心器件之一，对传输的光场起到分光和相位调制作用。

随着集成化概念的提出与发展，科学家们希望可以利用先进的集成工艺技术，将光学陀螺的光学器件都集成到一个光学芯片上，实现微小集成光学陀螺的量化生产。为了进一步实现相位调制器的集成，需采用基于铌酸锂薄膜材料制作而成的相位调制器，可以实现更小的体积，更低的半波电压，还能在一定程度上降低成本。

在集成光学陀螺传感方案中，尤其谐振式集成光学陀螺占有传感原理优势，通过谐振式原理光在单圈敏感环中多次传输提高灵敏度，可实现小体积高精度的原理优势。

目前在谐振式集成光学陀螺技术中，由于传统二氧化硅谐振腔存在难以抑制的偏振误差，而氮化硅谐振腔理论上具有更低的损耗，同时极低深宽比的结构可以通过弯曲起偏，实现单偏振，从而可从机理上抑制偏振噪声。

新型氮化硅谐振腔可实现单偏振特性因其独有的优势受到了广泛关注与研究。并且，氮化硅谐振腔与铌酸锂薄膜调制器两者都具备高偏振消光比的特点，如果二者实现单片式集成对于集成光学陀螺实现高精度与芯片化具有重要意义。

基于上述考虑，研究可与氮化硅谐振腔异质集成并且模场匹配的铌酸锂薄膜相位调制器显得尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，该铌酸锂薄膜相位调制器适用于谐振式集成光学陀螺技术领域，并且利于与氮化硅谐振腔模场进行良好匹配。

所述与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，包括衬底，二氧化硅包层，铌酸锂薄膜-氮化硅光波导芯层，以及调制电极。

所述衬底材料为硅或铌酸锂，位于器件最下层，起到支撑和保护作用。

所述二氧化硅包层为双层结构，包括第I二氧化硅层和第II二氧化硅层，利用二氧化硅折射率低于铌酸锂和氮化硅的性质，将其分别覆盖在铌酸锂薄膜-氮化硅光波导层的上下层，作为光波导的包层。

所述铌酸锂薄膜-氮化硅光波导芯层包括铌酸锂薄膜层，在铌酸锂薄膜层上设置的氮化硅层以及在氮化硅层上设置的氮化硅载条，三者共同构成脊形光波导芯层；其中的氮化硅层在中间起到缓冲作用，提高传输光场质量。

所述铌酸锂薄膜-氮化硅光波导芯层和二氧化硅包层共同构成完整波导结构，进行传光。

所述的氮化硅层与氮化硅载条厚度之和应当要略小于铌酸锂薄膜层的厚度，为铌酸锂薄膜层厚度的2/3左右，同时氮化硅层与氮化硅载条的厚度相当。

所述氮化硅载条构成多模干涉耦合器单元、两个弯曲单元和两个调制臂单元，实现了分光与调制功能；所述多模干涉耦合器单元包括一个锥形渐变输入波导，多模波导和两个锥形渐变输出波导。

所述锥形渐变输入波导窄端接受激光器输出的光，宽端连接多模波导一端，多模波导另一端连接两个锥形渐变输出波导的宽端，同时，两个锥形渐变输出波导的窄端分别连接两个弯曲单元前端；两个弯曲单元后端分别连接两个调制臂单元；两个调制臂单元分别位于三个调制电极中间，构成推挽电极配置。

除了多模干涉耦合器单元外的其他部分脊波导均需要满足单模传输条件，从而抑制多模噪声；具体如下：

首先，氮化硅-铌酸锂薄膜脊形波导截面上场量分两种情况：

1)以E_x、H_y为主的模E^x _mn，即横向电场分量与纵向磁场分量，相当于TE偏振；

2)以E_y、H_x为主的模E^y _mn，即纵向电场分量与横向磁场分量，相当于TM偏振。

然后，根据时谐电磁场的麦克斯韦方程组，将矢量按各分量展开后根据Macatili处理方法，分别设H_x＝0以及H_y＝0，由此确定模E^x _mn和模E^y _mn的特征方程，求出波导模场分布；并根据波导模场分布进行初步数据估计后，进一步验证是否满足单模条件。

对于

导模，其满足的导模方程为：

其中，

其中，k_x和k_y分别表示x和y方向的波数；w表示脊波导矩形芯层的半宽度；t表示脊波导矩形芯层的半厚度；n₁、n₂、n₃、n₄、n₅均为等效计算后的折射率；n₁表示脊波导矩形芯层折射率；n₂表示脊波导矩形芯层左包层折射率；n₃表示脊波导矩形芯层右包层折射率；n₄表示脊波导矩形芯层上包层折射率；n₅表示脊波导矩形芯层下包层折射率；λ表示光波长；ω表示圆频率；μ表示介质磁导率；ε表示介质介电常数；

对E^x _mn导模(相当于TE偏振)，同理，利用对偶性原理，只需将导模方程中t与w相互替换，x与y相互替换即可。

对于上述两导模方程，在t和w分别仅对m和n为1成立时，波导满足TM/TE单模条件，取二者交集即为所设计氮化硅-铌酸锂波导的单模条件。

所述多模干涉耦合器单元要采用分光比接近1比1的一分二结构，其输入波导和输出波导关于多模波导中心线上下对称，以确保1比1分光；

所述多模波导长度和宽度满足的关系式为：

其中L_M和W_M分别表示多模波导长度和宽度，n₁表示脊波导芯层折射率，n₂表示脊波导包层折射率，λ₀表示光波长，对于TE模，σ＝0，对于TM模，σ＝1。

所述与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，具体工作原理如下：

由激光器发出的光从多模干涉耦合器单元输入波导的输入端进入多模波导，经两个锥形渐变输出波导和弯曲单元实现对输入光场的一分二，产生两束完全相同的光分别进入两个调制臂单元，同时三个调制电极产生电场，由于铌酸锂的线性电光效应，在外加电场的作用下，铌酸锂的折射率会发生改变，这就使得在两个调制臂中传输的光分别发生相位变化，从而输出两束具有一定相位差的光。

由外加电场引入的相移表示为：

其中，

表示相移，n_e表示铌酸锂e光折射率，γ₃₃＝30.9×10^-12m/V表示电光张量，L_z表示电光调制长度，E_op表示波导中的传输光场，E_ele是由于电极作用产生的调制外电场，传光方向为定义为x方向。

当相移为π时，对应的电压为半波电压V_π，则调制效率表示为：

其中V为外加电压，采用推挽电极配置，经过数值计算得到，影响调制效率的决定性因素为电极-波导相邻表面间距，该间距越小，则调制效率越高，但在该间距过小时又会引入电极对波导中光场的吸收损耗，所以应在避免金属电极吸收的前提下，尽可能提高调制效率。较优的，取电极-波导相邻表面间距为1.8±0.1um时，调制效率可达到2V-cm左右，在实现较高调制效率的同时，器件体积较小，损耗降低。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，基于氮化硅与铌酸锂薄膜材料，充分利用二者的特性，将铌酸锂的线性相位调制特性与氮化硅低传输损耗特性相结合，实现基本的分光与调制相位两大功能的基础上，能够减小体积，降低成本，除了基本的分光与相位调制功能外，还可以进一步实现低损耗与高偏振消光比，适用于集成光学陀螺技术领域，同时还利于与氮化硅谐振腔实现模场匹配。

附图说明

图1为本发明实施例中铌酸锂薄膜-氮化硅光波导相位调制器芯片结构侧视图；

图2为本发明实施例中铌酸锂薄膜-氮化硅光波导相位调制器芯片结构俯视图；

图3为本发明实施例中输入端口处剖面示意图。

图4为本发明实施例中调制臂处剖面示意图。

图5为本发明实施例中铌酸锂薄膜-氮化硅光波导中基模光场强度分布示意图。

图6为本发明实施例中脊形结构等效矩形波导截面示意图。

图7为本发明实施例中铌酸锂薄膜-氮化硅光波导单模传输条件曲线图。

图8为本发明实施例中多模干涉耦合器在TE基模输入时输出电场强度随多模波导长度变化曲线图。

图9为本发明实施例中多模干涉耦合器中的光场传输图。

图10本发明实施例中第一弯曲单元中的光场传输图。

图中：1-衬底，2-第I二氧化硅层，3-铌酸锂薄膜层，4-氮化硅层，5-第II二氧化硅层，6-第一电极，7-第二电极，8-第三电极，41-锥形渐变输入波导，42-多模波导，43-第一锥形渐变输出波导，44-第二锥形渐变输出波导，45-第一弯曲单元，46-第二弯曲单元，47-第一调制臂，48-第二调制臂。

为了更加清楚地展示本发明的核心结构，在图1和图2对第二二氧化硅层5作了透明化处理，以便更好地展示铌酸锂薄膜-氮化硅脊形波导结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对本发明的实施方式做完整、详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅为本发明中的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征、优点能更加清晰明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种可与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，因为铌酸锂具有良好的线性相位调制特性，本发明利用其线性电光效应实现相位调制功能，但这种材料有一个比较突出的问题，损耗较大，考虑到这个问题，采用将铌酸锂薄膜与其他材料进行异质集成共同实现相位调制器的制作，而氮化硅则是其中十分理想的材料，它具有与铌酸锂相近的折射率，同时又具备极低的传输损耗，并且铌酸锂和氮化硅都具有高偏振消光比的特点。由此可以将氮化硅与铌酸锂薄膜进行异质集成，从而充分利用二者的优势，设计氮化硅-铌酸锂薄膜脊形波导结构作为波导芯层，选用二氧化硅材料形成上下包层结构，实现光传输，而上述结构做成的相位调制器也更利于与氮化硅谐振腔进行模场匹配与异质集成；能够减小体积，降低成本，除了基本的分光与相位调制功能外，还可以进一步实现低损耗与高偏振消光比，适用于集成光学陀螺技术领域，同时还利于与氮化硅谐振腔实现模场匹配。

所述与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，如图1所示，包括衬底，二氧化硅包层，铌酸锂薄膜-氮化硅光波导芯层，以及调制电极。

所述衬底材料为硅或铌酸锂，位于器件最下层，起到支撑和保护作用。

所述二氧化硅包层为双层结构，包括第I二氧化硅层和第II二氧化硅层，利用二氧化硅折射率低于铌酸锂和氮化硅的性质，将其分别覆盖在铌酸锂薄膜-氮化硅光波导层的上下层，作为光波导的包层。

所述铌酸锂薄膜-氮化硅光波导芯层包括铌酸锂薄膜层，在铌酸锂薄膜层上设置的氮化硅层以及在氮化硅层上设置的氮化硅载条，三者共同构成脊形光波导芯层；其中的氮化硅层在中间起到缓冲作用，提高传输光场质量。

所述铌酸锂薄膜-氮化硅光波导芯层和二氧化硅包层共同构成完整波导结构，进行传光。

所述的氮化硅层与氮化硅载条厚度之和应当要略小于铌酸锂薄膜层的厚度，为铌酸锂薄膜层厚度的2/3左右，同时氮化硅层与氮化硅载条的厚度相当。如图5所示，此时光场基模中大部分能量会集中在铌酸锂层中，达到较优的效果，其目的是使得光模场更多的能量在铌酸锂层中传输，从而提升铌酸锂的电光调制效率，降低器件的半波电压，此时相比于纯粹的铌酸锂薄膜调制器，波导传输损耗可降低约40％。

为了实现分光与调制功能，所述氮化硅载条构成多模干涉耦合器单元、两个弯曲单元和两个调制臂单元，实现了分光与调制功能；所述多模干涉耦合器单元包括一个锥形渐变输入波导，多模波导和两个锥形渐变输出波导。

所述锥形渐变输入波导窄端接受激光器输出的光，宽端连接多模波导一端，多模波导另一端连接两个锥形渐变输出波导的宽端，同时，两个锥形渐变输出波导的窄端分别连接两个弯曲单元前端；两个弯曲单元后端分别连接两个调制臂单元；两个调制臂单元分别位于三个调制电极中间。

除了多模干涉耦合器单元外的其他部分脊波导均需要满足单模传输条件，从而抑制多模噪声。

所述调制电极共三个，分别位于两个调制臂单元的上、中和下位置，构成推挽电极配置，减小器件体积。

优选的，为了使光场在单模波导与多模波导间过渡更加平滑，提高传输光场质量，减少二者连接处的泄漏损耗，所述锥形渐变输入波导与锥形渐变输出波导结构尺寸完全相同，且两个锥形渐变输出波导位置关于多模波导对称，锥形渐变结构具体尺寸根据多模波导设计，其窄端的宽度为单模波导宽度，宽端的宽度尽量宽，但要在两锥形渐变输出波导之间留不少于1um的加工间距，其长度越长，则过渡距离越长，过渡越平滑，但也要使得器件小型化，取锥形渐变结构的长度为2-3倍多模波导长度时较优。

优选的，所述两个弯曲单元结构尺寸完全相同，均由两个完全一致且相切的圆弧段构成，且满足单模传输条件。

优选的，所述两个调制臂单元为两条结构尺寸完全一样的直波导。

优选的，所述调制电极材料为金或铂，三个调制电极结构尺寸完全相同，且各自与相邻调制臂间的电极-波导间距相同。

所述多模干涉耦合器单元要采用分光比接近1比1的一分二结构，其输入波导和输出波导关于多模波导中心线上下对称，以确保1比1分光；

所述与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，具体工作原理如下：

由激光器发出的光利用铌酸锂薄膜-氮化硅形成的脊形波导结构进行传光，利用多模干涉耦合器单元进行分光；具体为：从多模干涉耦合器单元输入波导的输入端进入多模波导，经两个锥形渐变输出波导和弯曲单元实现对输入光场的一分二，产生两束完全相同的光分别进入两个调制臂单元，同时三个调制电极产生电场，由于铌酸锂的线性电光效应，在外加电场的作用下，铌酸锂的折射率会发生改变，这就使得在两个调制臂中传输的光分别发生相位变化，从而输出两束具有一定相位差的光。

由外加电场引入的相移表示为：

其中，

表示相移，n_e表示铌酸锂e光折射率，γ₃₃＝30.9×10^-12m/V表示电光张量，L_z表示电光调制长度，E_op表示波导中的传输光场，E_ele是由于电极作用产生的调制外电场，传光方向为定义为x方向。

当相移为π时，对应的电压为半波电压V_π，则调制效率表示为：

其中V为外加电压，采用推挽电极配置，经过数值计算得到，影响调制效率的决定性因素为电极-波导相邻表面间距，该间距越小，则调制效率越高，但在该间距过小时又会引入电极对波导中光场的吸收损耗，所以应在避免金属电极吸收的前提下，尽可能提高调制效率。较优的，取电极-波导相邻表面间距为1.8±0.1um时，调制效率可达到2V-cm左右，在实现较高调制效率的同时，器件体积较小，损耗降低。

实施例：

所述与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器的具体制作过程如下：

步骤一、确定利于与氮化硅谐振腔进行模场匹配的高调制效率的单模波导构造；

为了抑制波导中的多模噪声干扰，所述的氮化硅-铌酸锂薄膜脊形波导结构需要满足单模传输条件。所述脊形光波导结构，首先经等效折射率方法进行处理后，也是属于矩形波导的一种，如图6所示。由于光场能量大部分集中在芯层，如果条形波导中t/w的值较大，则截面上场量有两种情况：1)以E_x、H_y为主的模E^x _mn，即横向电场分量与纵向磁场分量，相当于TE偏振；

2)以E_y、H_x为主的模E^y _mn，即纵向电场分量与横向磁场分量，相当于TM偏振。

下面分别进行分析：

根据时谐电磁场的麦克斯韦方程组：

将矢量按各分量展开可得：

⑴以E_x、H_y为主的模E^x _mn

根据Macatili处理方法，设式(1.2)与(1.3)中H_x＝0，可以得到：

⑵以E_y、H_x为主的模E^y _mn

同样的，设式(1.2)与(1.3)中H_y＝0，可以得到：

下面对E^y _mn模式进行分析，由波动方程可得图6中5个区域的磁场分布具有如下形式：

其中

根据在y＝±t处H_x和E_z连续，可得

由此可得

考虑到一般矩形波导模场阶数从m＝1和n＝1开始，因此将式(1.11)改写为

其中

同理，根据在x＝±ω处H_x和E_z连续，可得

其中

由此可以确定模E^y _mn的特征方程，即式(1.12)和(1.14)，用数值方法可获得(k_x,k_y)；之后就可以求出波导模场分布。并根据波导模场分布进行初步数据估计后，进一步利用仿真软件验证是否满足单模条件，从而得到优化值，如附图7所示。

对于

导模，其满足的导模方程为：

其中，

其中，k_x和k_y分别表示x和y方向的波数；w表示脊波导矩形芯层的半宽度；t表示脊波导矩形芯层的半厚度；n₁、n₂、n₃、n₄、n₅均为等效计算后的折射率；n₁表示脊波导矩形芯层折射率；n₂表示脊波导矩形芯层左包层折射率；n₃表示脊波导矩形芯层右包层折射率；n₄表示脊波导矩形芯层上包层折射率；n₅表示脊波导矩形芯层下包层折射率；λ表示光波长；ω表示圆频率；μ表示介质磁导率；ε表示介质介电常数；。

对E^x _mn导模(相当于TE偏振)，同理，利用对偶性原理，只需将导模方程中t与w相互替换，x与y相互替换即可。

对于上述两导模方程，在t和w分别仅对m和n为1成立时，波导满足TM/TE单模条件，取二者交集即为所设计氮化硅-铌酸锂波导的单模条件。

较优的，在铌酸锂薄膜层的厚度取300±50nm，氮化硅载条的厚度为80±50nm时，通过曲线拟合，可简化得到氮化硅载条的长度与宽度间满足方程为

60.65sin(0.6191L_s+2.295)+58.07sin(0.6399L_s-0.8487)-D_s≥0

其中L_s和D_s分别表示氮化硅载条的长度与宽度，其中长度的单位为um。

此时波导的结构均满足单模传输条件。

步骤二、设计分光比接近1比1的一分二结构；

用于集成光学陀螺的相位调制器，除了具备相位调制功能外，还需具备分束的功能；因此，还需要确定一分二结构。目前比较常用的结构有Y分支结构，考虑到分光比尽量达到1比1的要求，对于Y分支而言，要满足上述需求，也就是它的两个分支中的光功率要相等，这就需要两个分支臂严格完全对称，如果偏差较大则会使得分光比较差，这在工艺上要求很高；同时，Y分支结构通常用于芯层和包层折射率的差值不高的情况，因为当二者差距过大，比如在选用的氮化硅-铌酸锂薄膜波导中，波导包层折射率为1.45，芯层折射率为2.1左右，从而差值为0.7左右，该数值会在分支点处产生很大的背向散射噪声，这对于相位调制器而言是非常不利的。

考虑到上述种种因素，本实例放弃Y分支结构，使用多模干涉耦合器的结构来实现分光功能。该结构实现分光的原理是自映像效应，即在多模波导区中，传输的各个模式在它们的传输方向上会发生干涉现象，这样就会在特定的位置上出现和输入光场相同的一个或者许多个复制的映像，这些特定的位置间隔往往是周期性的。多模干涉耦合器相较于Y分支在结构上更易于加工，同时可以避免背向噪声，在理论上，更易于实现1比1分光。由此可见，在一定的宽度下，确定多模波导的长度就显得十分重要了。

下面从理论上分析多模波导宽度与长度的关系。

假设多模波导芯层折射率为n₁，包层折射率为n₂，多模波导的宽度和长度分别为W_M和L_M，输入光波波长为λ₀，该波导可以传播m个波导模式，通常情况下m>3，并设ν＝0，1，2……(m-1)为波导中的不同传播模式的阶数。设ν阶模的传播常数为β_v，纵向传播常数为k_zv，由下式进行计算：

其中W_ν称为第ν阶模的有效宽度，为了简化运算，可以认为W_v≈W_M。通过色散方程得到如下关系式：

其中k₀称为波数，

由此可以得到：

即：

通常情况下

由此可以得到：

即：

假设沿z轴输入多模波导的光场为Θ(z，0)，基于之前所假设的该波导可以传播m个波导模式，且m>3，将输入光场分解为所有模式的线性叠加，将输入光场展开为一系列的特征模式，表示为下式：

光场沿y方向传输，根据波传播的理论，在y处的光场分布可以表示为：

为了方便分析，将时间变量式exp(jωt)隐去，同时将求和式子中的基模相位exp(-jβ₀y)看作公因子从中提取出来并隐去，则可以将光场重新简化表示为：

将基模代入其中可以得到：

简化为：

其中

由此可以得到在y处的光场分布为：

当满足以下条件：

Θ(z，y)将会是Θ(z，0)的一个像，区分正像或是反像。令此时的位置y＝L_M，则当L_M满足以下条件：

L_M＝N(3L_π)，N＝0，1，2，……(2.16)

在这些位置都是能找到一个输入的映像，或正像或反像，考虑

代入光场分布式后得到：

按奇偶模式分解后可以得到：

对于波导中传播的特征模式，偶数阶模是偶对称，奇数阶是奇对称，于是可以将上式拆解为：

合并同类项之后：

即：

从而，在：

N＝1，3，5，……处，将会出现输入光场的两个对称像，两个像的振幅是输入场的

能量为输入光场的一半，可以实现一分二。

为了进一步缩小器件尺寸，减小损耗，取

在只有一个单输入的情况下，考虑将输入位置选在多模波导中心并且输入对称光场，那么在对输入光场进行展开时，则只有偶次项，也就是说奇次模并未被激发，此时有以下关系式：

ν(ν+2)mod 4≡0，ν是偶数(2.23)

那么相应的，映像周期就可以缩短为之前的

则在位置

处就能得到两个输出，尺寸直接变为之前的

由此可以得到多模波导长宽的关系式：

进一步，在设计时，首先根据上述公式计算理论尺寸，再通过仿真进行优化。而对于TE模(横电波)和TM模(横磁波)，在传输时的自映像位置稍有差距，也就是各自的最佳输出位置是不同的，而该位置则可以通过不同单模光源仿真来确定，那么就可以选择对TE模输出光强较大，而TM模损耗较大的尺寸，如在多模波导宽度10um时，TE模输出光能量随多模波导长度关系如附图8所示，此时可以选择多模波导长度为80.46um，以TE模实现最大输出，同时可以仿真得到TM最大输出位置在70.9um，从而在一定程度上对提高偏振消光比做出贡献。

所述多模波导长度和宽度满足的关系式为：

其中L_M和W_N分别表示多模波导长度和宽度，n₁表示脊波导芯层折射率，n₂表示脊波导包层折射率，λ₀表示光波长，对于TE模，σ＝0，对于TM模，σ＝1。

根据优化结果，选择多模波导的宽度取8±1um。

步骤三、设计低损耗与高偏振消光比；

对于所设计的相位调制器，调制区域在整个器件中占据了绝大部分，从而主要的损耗也是来源于此。一方面通过与氮化硅异质集成的形式，利用氮化硅的低损耗特性实现；另一方面，在一分二的结构的两个调制臂上下均需设置电极对其产生作用，可以采用推挽电极配置，从而使得4个电极减少为3个，进一步减小了器件尺寸，实现损耗降低。

同时，考虑到对半波电压的影响，假设在两电极间加上电压V，电极间距为P，则理论上的匀强电场E₀＝V/P，但实际上其间的电场是不均匀的。假设电场与光场相互作用长度为L_z，则由于外加电场引入的相移可以表示为：

其中G用来表示电场与光场相互影响的程度，即有多少电场作用使之产生相移，称为重叠因子。G可以由下式进行计算：

其中E_op表示波导中的传输光场，E_ele是由于电极作用产生的调制外电场。由此可以得到：

当相位差等于π时，对应的电压：

为半波电压，是评价调制器的一个重要参数。且该参数越小，调制器性能越好。当调制臂长度越长，则半波电压越小，不过相应的也会使得损耗增加，二者需进行综合考虑

进一步，基于脊波导对TE模(横电波)、TM模(横磁波)束缚作用不同实现起偏，也就是在波导中TE模和TM模的损耗是不同的，那么在设计时也需要考虑在一定程度上增加直波导长度，从而使得更多的TM模耗散，提高偏振消光比。当然长度增加的同时也会使得器件体积和损耗均会增加，应根据实际需求确定具体尺寸，如在实施例中，取波导长度在10mm，可以仿真计算器件偏振消光比在45dB左右。

步骤四、在前三步的设计基础上，搭建可与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器结构；

为了更好的设置电极，器件整体宽度设置在60um。

在结构上，第I二氧化硅层2的下表面设置在衬底1的上表面上；铌酸锂薄膜层3设置在第I二氧化硅层的上表面上；氮化硅层4设置在铌酸锂薄膜层的上表面上，氮化硅层4的上表面上设置有氮化硅载条；第II二氧化硅层5的下表面设置在氮化硅层4的上表面上；第一调制电极6，第二调制电极7和第三调制电极8设置在氮化硅层4的上表面上。

衬底1所用材料为硅，厚度为500um；

二氧化硅包覆层具体包括第I二氧化硅层2厚度为4.7um，和第II氧化硅层4，厚度为1um；二氧化硅折射率小于铌酸锂和氮化硅，构成光波导的包层，同时可以作为缓冲层沉积在波导层上减小电极引入的金属吸收损耗。

铌酸锂薄膜-氮化硅光波导层包括铌酸锂薄膜层3，氮化硅层4以及在氮化硅层4上设置的氮化硅载条，三者共同构成脊形光波导，利用该脊波导对TE(横电波)、TM(横磁波)束缚作用不同可以实现起偏。其中铌酸锂薄膜层3厚度为300nm，氮化硅层4和氮化硅载条厚度均为110um。

铌酸锂薄膜层3在外加电场作用下，由于电光效应，能够改变其中传输光场的相位。

氮化硅层4起到缓冲作用，可以提升传输光场的质量，同时可以减少光场传输损耗。

氮化硅载条构成多模干涉耦合器单元、弯曲单元和和调制臂单元。多模干涉耦合器单元具体包括锥形渐变输入波导41，多模波导42和第一锥形渐变输出波导43和第二锥形渐变输出波导44。弯曲单元具体包括第一弯曲单元45和第二弯曲单元46。调制臂单元具体包括第一调制臂47和第二调制臂48。锥形渐变输入波导41窄端接收激光器输出的光，宽端连接多模波导42，第一锥形渐变输出波导43和第二锥形渐变输出波导44宽端与多模波导相连，并且二者结构尺寸完全相同，在位置上关于多模波导对称，从而确保多模干涉耦合器单元输入端接收激光器的光后能使其以接近1比1的分光比输出，起到分光作用。

第一弯曲单元45和第二弯曲单元46左端分别与第一锥形渐变输出波导43和第二锥形渐变输出波导44窄端相连，右端分别与第一调制臂47和第二调制臂48相连，且二者均由两段结构相同位置相切的圆弧组成，使光场能够平滑过渡到调制臂单元。第一调制臂47和第二调制臂48为直波导且结构尺寸相同。如图3所示，锥形渐变输入波导41，第一锥形渐变输出波导43和第二锥形渐变输出波导44的长度均为100um，且窄端为1.5um，宽端为3um。多模波导42宽度为10um，长度为80.46um。弯曲单元和调制臂单元宽度均为1.5um，在这种尺寸下形成的脊波导满足单模传输条件，为了减少弯曲损耗，弯曲单元采用两段半径为500um的圆弧实现光路从多模干涉耦合器到调制臂，调制臂长度为10mm。

调制电极具体包括第一调制电极6，第二调制电极7和第三调制电极8，它们结构尺寸完全相同。第一调制电极6和第二调制电极7分别位于第一调制臂47的上下端，第二调制电极7和第三调制电极8分别位于第二调制臂48的上下端，且各自与相邻调制臂间的电极-波导间距相同，构成推挽电极配置，在外加电场作用下，利用铌酸锂的电光效应，对第一调制臂47和第二调制臂48中传输的光场起到相位调制作用，进而输出两束具有一定相位差的光。为了提高调制效率，所用电极宽度14um，厚度为1.6um，长度为10mm，设计电极-波导间距，如图4中调制臂48与电极8相邻表面间距离为1.8um。

经仿真得到的多模干涉耦合器中和弯曲单元中的光场传输分别如图9和图10示。

在本实施例中，基于上述结构尺寸，铌酸锂薄膜-氮化硅光波导相位调制器芯片整体宽度为60um，厚度为506.71um，长度为10.40mm。经仿真计算得到的具体的性能参数汇总在表1中，可以实现接近1比1的分光比，2V以内的半波电压，器件片上总光损耗为3.5dB，偏振消光比为45dB。

本文中针对具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，上述实施例仅仅用于帮助理解本发明的方法及核心思想，对于本领域一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施及应用时可能会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，其特征在于，包括衬底，二氧化硅包层，铌酸锂薄膜-氮化硅光波导芯层，以及调制电极；

光波导芯层和二氧化硅包层共同构成完整波导结构，进行传光；

所述光波导芯层包括铌酸锂薄膜层，在铌酸锂薄膜层上设置的氮化硅层以及在氮化硅层上设置的氮化硅载条，三者共同构成脊形光波导芯层；

所述氮化硅载条构成多模干涉耦合器单元、两个弯曲单元和两个调制臂单元，实现了分光与调制功能；所述多模干涉耦合器单元包括一个锥形渐变输入波导，多模波导和两个锥形渐变输出波导；

所述锥形渐变输入波导窄端接受激光器输出的光，宽端连接多模波导一端，多模波导另一端连接两个锥形渐变输出波导的宽端，同时，两个锥形渐变输出波导的窄端分别连接两个弯曲单元前端；两个弯曲单元后端分别连接两个调制臂单元；两个调制臂单元分别位于三个调制电极中间，构成推挽电极配置；

除了多模干涉耦合器单元外的其他部分脊波导均需要满足单模传输条件，从而抑制多模噪声，具体如下：

首先，氮化硅-铌酸锂薄膜脊形波导截面上场量分两种情况：

1)以E_x、H_y为主的模E^x _mn，即横向电场分量与纵向磁场分量，相当于TE偏振；

2)以E_y、H_x为主的模E^y _mn，即纵向电场分量与横向磁场分量，相当于TM偏振；

然后，根据时谐电磁场的麦克斯韦方程组，将矢量按各分量展开后根据Macatili处理方法，分别设H_x＝0以及H_y＝0，由此确定模E^x _mn和模E^y _mn的特征方程，求出波导模场分布；并根据波导模场分布进行初步数据估计后，进一步验证是否满足单模条件；

对于

导模，其满足的导模方程为：

其中，

其中，k_x和k_y分别表示x和y方向的波数；w表示脊波导矩形芯层的半宽度；t表示脊波导矩形芯层的半厚度；n₁、n₂、n₃、n₄、n₅均为等效计算后的折射率；n₁表示脊波导矩形芯层折射率；n₂表示脊波导矩形芯层左包层折射率；n₃表示脊波导矩形芯层右包层折射率；n₄表示脊波导矩形芯层上包层折射率；n₅表示脊波导矩形芯层下包层折射率；λ表示光波长；ω表示圆频率；μ表示介质磁导率；ε表示介质介电常数；

对E^x _mn导模，相当于TE偏振，利用对偶性原理，将导模方程中t与w相互替换，x与y相互替换即可；

对于上述两导模方程，在t和w分别仅对m和n为1成立时，波导满足TM/TE单模条件，取二者交集即为所设计氮化硅-铌酸锂波导的单模条件；

所述多模干涉耦合器单元要采用分光比接近1比1的一分二结构，其输入波导和输出波导关于多模波导中心线上下对称，以确保1比1分光；

所述多模波导长度和宽度满足的关系式为：

其中L_M和W_M分别表示多模波导长度和宽度，n₁表示脊波导芯层折射率，n₂表示脊波导包层折射率，λ₀表示光波长，对于TE模，σ＝0，对于TM模，σ＝1。

2.如权利要求1所述的一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，其特征在于，所述氮化硅层在中间起到缓冲作用，提高了传输光场质量；为使光模场更多的能量在铌酸锂层中传输，提升铌酸锂的电光调制效率，氮化硅层与氮化硅载条厚度之和应当要略小于铌酸锂薄膜层的厚度，为铌酸锂薄膜层厚度的2/3左右，同时氮化硅层与氮化硅载条的厚度相当，此时相比于纯粹的铌酸锂薄膜调制器，波导传输损耗降低40％。

3.如权利要求1所述的一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，其特征在于，所述锥形渐变输入波导与锥形渐变输出波导结构尺寸完全相同，且两个锥形渐变输出波导位置关于多模波导对称，使光场在单模波导与多模波导间过渡更加平滑，提高了传输光场质量，减少了二者连接处的泄漏损耗，锥形渐变结构具体尺寸根据多模波导设计，其窄端的宽度为单模波导宽度，宽端的宽度满足在两锥形渐变输出波导之间留不少于1um的加工间距，其长度越长，则过渡距离越长，过渡越平滑，但也要使得器件小型化，取锥形渐变结构的长度为2-3倍多模波导长度时较优；

所述两个弯曲单元结构尺寸完全相同，均由两个完全一致且相切的圆弧段构成，且满足单模传输条件；

所述两个调制臂单元为两条结构尺寸完全一样的直波导。

4.如权利要求1所述的一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，其特征在于，所述调制电极共三个，分别位于两个调制臂单元的上、中和下位置，构成推挽电极配置，减小器件体积；且调制电极材料为金或铂，三个调制电极结构尺寸完全相同，各自与相邻调制臂间的电极-波导间距相同。

5.如权利要求1所述的一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，其特征在于，所述波导结构满足单模传输条件的数据参数选择为：

在铌酸锂薄膜层的厚度取300±50nm，氮化硅载条的厚度为80±50nm时，通过曲线拟合，可简化得到氮化硅载条的长度与宽度间满足方程为60.65sin(0.6191L_s+2.295)+58.07sin(0.6399L_s-0.8487)-D_s≥0

其中L_s和D_s分别表示氮化硅载条的长度与宽度。

6.如权利要求1所述的一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，其特征在于，所述与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器，具体工作原理如下：

由激光器发出的光从多模干涉耦合器单元输入波导的输入端进入多模波导，经两个锥形渐变输出波导和弯曲单元实现对输入光场的一分二，产生两束完全相同的光分别进入两个调制臂单元，同时三个调制电极产生电场，由于铌酸锂的线性电光效应，在外加电场的作用下，铌酸锂的折射率会发生改变，这就使得在两个调制臂中传输的光分别发生相位变化，从而输出两束具有一定相位差的光；

由外加电场引入的相移表示为：

其中，

表示相移，n_e表示铌酸锂e光折射率，γ₃₃＝30.9×10^-12m/V表示电光张量，L_z表示电光调制长度，E_op表示波导中的传输光场，E_ele是由于电极作用产生的调制外电场，传光方向为定义为x方向；

当相移为π时，对应的电压为半波电压V_π，则调制效率表示为：

其中V为外加电压；

经过数值计算得到，影响调制效率的决定性因素为在电极-波导相邻表面间距，该间距越小，则调制效率越高，但在该间距过小时又会引入电极对波导中光场的吸收损耗，所以应在避免金属电极吸收的前提下，尽可能提高调制效率。

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