一种极化反转的铌酸锂差分调制器及芯片

1.本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种极化反转的铌酸锂差分调制器及芯片。


背景技术：

2.电光调制器是现代光通信系统中的关键器件。随着通信领域不断增长的需求，人们对电光调制器也提出了更高的性能要求：超高带宽、低插入损耗、低半波电压v
π
、温度不敏感、低功耗、低成本等等。
3.目前，大多数电光调制器由硅、iii-v材料和传统的铌酸锂体材料等组成，这些材料广泛可用，并且有成熟的制造工艺的支持。每种材料都有各自的优缺点，但它们都不能同时满足下一代光通信系统的所有要求。例如，大多数硅调制器依赖于自由载流子等离子体色散效应，由于载流子迁移率有限，这从根本上限制了它们在较高频率下工作的潜力。iii-v电吸收调制器在器件损耗、高线性度和低啁啾方面面临相当大的挑战。
4.薄膜铌酸锂调制器一经问世就展现出超高的性能与成为下一代高速光通信系统理想解决方案的巨大潜力。它不仅延续了体材料铌酸锂所具备的低损耗、跨越可见光到中红外的透明窗口，以及较高的电光系数，还突破了传统波导制造技术的限制，拥有绝缘体上薄膜材料所具备的独特属性：强的光场约束以及电场与光场的高度重叠，从而成就高速、高效的电光调制器。
5.但是目前研制的薄膜铌酸锂调制器大多基于单端结构设计，但是单端结构的调制器抗干扰能力差，很容易受到外界噪声的影响，从而导致调制器性能降低。另一方面，由于驱动器输出电压的限制，单端结构调制器的调制深度相对较低，因此需要增加驱动器的输出电压或者增加调制器的结构尺寸，导致调制器性能降低，成本增加。针对这些问题，我们有必要研制具有抗干扰能力强、结构尺寸小、调制效率高、半波电压低等优点的差分铌酸锂调制器。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种具有抗干扰能力强、结构尺寸小、调制效率高、半波电压低等优点的差分铌酸锂调制器及芯片。
7.本发明采用的具体技术方案是：
8.一种极化反转的铌酸锂差分调制器，包括：
9.用于接受光纤、激光器或其他光电子器件输出光的输入波导；
10.与所述输入波导连接的输入端功率分束器；
11.与所述功率分束器连接的调制区单元；
12.与所述调制区单元的输出端连接的功率合束器；
13.与所述功率合束器连接的输出波导；
14.以及用于施加电压实现相位控制等调制作用的电场；
15.所述的调制区单元包括：
16.与所述输入端功率分束器连接的第一调制臂，所述的第一调制臂包括弯曲波导与极化反转直波导，所述的第一调制臂设置在所述电场上；
17.与所述输入端功率分束器连接的第二调制臂，所述的第二调制臂包括弯曲波导与未极化反转的直波导，所述的第二调制臂设置在所述电场上；
18.所述的电场包括：三个上下相间隔的金属电极，所述的调制区单元设置在金属电极之间。
19.所述的金属电极包括顶层地电极、顶层信号电极、底层信号电极，所述顶层地电极设置在所述第一调制臂和第二调制臂正上方；所述顶层信号电极设置在所述第一调制臂和第二调制臂侧上方；所述的底层信号电极包括底层调制区电极、金属通孔、金属焊盘，所述底层调制区电极设置在所述第一调制臂和第二调制臂正下方，所述金属通孔自下而上穿过第一调制臂和第二调制臂，所述金属焊盘设置在所述第一调制臂和第二调制臂上方。
20.一种铌酸锂差分调制器芯片，所述的铌酸锂差分调制器设置于z切绝缘体上铌酸锂薄膜上，从下往上依次包括：
21.衬底；
22.设置在所述衬底上的埋氧层，所述的极化反转的铌酸锂差分调制器中的底层信号电极设置在所述埋氧层中；
23.设置在所述埋氧层上的z切铌酸锂膜，所述的极化反转的铌酸锂差分调制器中的输入波导、输入端功率分束器、调制区单元、功率合束器以及输出波导均设置在所述z切铌酸锂膜内；
24.设置在所述z切铌酸锂膜上的包层，所述的极化反转的铌酸锂差分调制器中顶层信号电极和顶层地电极均设置在所述包层上；
25.本发明包括输入波导、功率分束器、调制区单元、第一调制臂、第二调制臂、极化反转直波导、未极化反转的直波导、功率合束器、输出波导、顶层信号电极、底层信号电极、底层调制区电极、金属通孔、金属焊盘、顶层地电极。
26.外部输入光通过输入波导输入器件，经过功率分束器(如2
×
2mmi)将功率等分到两个调制臂(即调制区单元)上，这两个调制臂上都存在弯曲波导与直波导，区别在于第一调制臂上的直波导可以通过高压原子力显微镜等方式在晶体极化方向的两端施加与自发极化方向相反的电场，当外加电场超过晶体的反转电场时，就可以改变晶体的极化方向，进行局部铁电畴极化反转。两根波导在本结构中都受到同样大小的、竖直方向的电场，但是未极化反转的直波导的z轴方向与电场方向相同，未极化反转波导的折射率随电压增大而减小，所述的极化反转的铌酸锂直波导的z轴方向与电场方向相反，所述的极化反转直波导的折射率随电压增大而增大。因此，所述的光信号同时进入极化反转直波导和未极化反转的直波导后，在电场的作用下，所述未极化反转的直波导输出的光信号存在相位超前，所述的极化反转的铌酸锂直波导输出的光信号存在相位滞后，经过功率合束器后构成一个mach-zehnder干涉仪。
27.所述的顶层地电极、顶层信号电极、底层信号电极构成一组差分电极，在顶层地电极与顶层信号电极之间加+v电压，在顶层地电极与底层信号电极之间加-v电压。所述的金属电极在波导上下两侧形成+v/-v即2v的电势差。又因为上述极化反转直波导和未极化反
转的直波导的特性，在所述的电场下极化反转直波导的折射率+2δn，未极化反转的直波导的折射率-2δn，即第一调制臂输出的光信号存在的相位滞后，第二调制臂输出的光信号存在的相位超前，由二者组成的mach-zehnder干涉仪能够实现两调制臂相差的效果。
28.现有的差分铌酸锂调制器技术，将信号电极与地电极分别放置在两根波导两侧，只能在波导两侧形成v-/g或者v+/g即v的电势差，在单根波导上实现δn的折射率改变，形成的mach-zehnder干涉仪仅能够实现两调制臂相差的效果。
29.本发明将差分电极放置在波导上下两侧，形成两倍于传统技术的电场，利用极化反转的铌酸锂波导实现两臂折射率变化不同，构成mach-zehnder干涉仪。
30.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
31.1.结构简单、紧凑：金属电极可以与单个差分信号驱动器直接相连，不需要再额外加入功分电路或是采用两组电路驱动，大幅简化了电路设计，结构紧凑利于集成；
32.2.效率提高：差分电极放置在波导两侧，形成v-/v+即2v的电势差，形成的mach-zehnder干涉仪能够实现两调制臂相差的效果，本发明提出的方案效率是传统技术的两倍；
33.3.高频性能优良：传统技术中采用的多层材料电极，金属与透明导电介质之间的接触电阻可能会影响器件的高频性能，已有的文献参考仅1ghz。本结构使用单层金属电极不仅简化了工艺制作，在器件高频性能上也更为优良，电光带宽预计在60ghz以上。
附图说明
34.图1为本发明极化反转的铌酸锂差分调制器的立体结构示意图；
35.图2为本发明极化反转的铌酸锂差分调制器的截面结构示意图；
36.附图标记：输入波导-1、功率分束器-2、调制区单元-3、第一调制臂-31、第二调制臂-32、极化反转直波导-33、未极化反转的直波导-34、功率合束器-4、输出波导-5、顶层信号电极-6、底层信号电极-7、底层调制区电极-71、金属通孔-72、金属焊盘-73、顶层地电极-8、包层-9、z切铌酸锂薄膜-10、埋氧层-11、衬底-12。
37.图3为本发明高频电极仿真结果图。
具体实施方式
38.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的极化反转的铌酸锂差分调制器。
39.图1为本发明极化反转的铌酸锂差分调制器的立体结构示意图，图2为本发明极化反转的铌酸锂差分调制器的截面结构示意图。
40.一种极化反转的铌酸锂差分调制器，包括：
41.用于接受光纤、激光器或其他光电子器件输出光的输入波导-1、与所述输入波导连接的输入端功率分束器-2、与所述功率分束器连接的调制区单元-3、与所述调制区单元的输出端连接的功率合束器-4、与所述功率合束器连接的输出波导-5以及用于施加电压实现相位控制等调制作用的电场。
42.所述的调制区单元-3包括：与所述输入端功率分束器的连接的第一调制臂-31，所
述的第一调制臂包括弯曲波导与极化反转直波导-33，所述的第一调制臂设置在所述电场上；与所述输入端功率分束器的连接的第二调制臂-32，所述的第二调制臂包括弯曲波导与未极化反转的直波导-34，所述的第二调制臂设置在所述电场上。
43.所述的电场包括：三个上下相间隔的金属电极，所述的调制区单元-3设置在金属电极之间。所述的金属电极包括顶层信号电极-6、底层信号电极-7、顶层地电极-8，所述顶层信号电极-6设置在所述第一调制臂-31和第二调制臂-32正上方；所述顶层地电极-6设置在所述第一调制臂-31和第二调制臂-32侧上方；所述的底层信号电极-7包括底层调制区电极-71、金属通孔-72、金属焊盘-73，所述底层调制区电极-71设置在所述第一调制臂-31和第二调制臂-32正下方，所述金属通孔-72自下而上穿过第一调制臂-31和第二调制臂-32，所述金属焊盘-73设置在所述第一调制臂-31和第二调制臂-32上方。
44.所述的铌酸锂差分调制器设置于z切绝缘体上铌酸锂薄膜上，从下往上依次包括：衬底-12、设置在所述衬底上的埋氧层-11、设在所述埋氧层中的底层调制区电极-71、设置在所述埋氧层上的z切铌酸锂薄膜-10、设置在所述z切铌酸锂膜上的包层-9、设置在所述包层上的顶层信号电极-6。
45.所述的顶层信号电极-6、底层信号电极-7、顶层地电极-8构成一组差分电极，在顶层地电极与顶层信号电极之间加+v电压，在顶层地电极与底层信号电极之间加-v电压。所述的金属电极在波导上下两侧形成+v/-v即2v的电势差以及自上而下方向的电场。
46.将第一调制臂-31上的直波导通过高压原子力显微镜等方式在晶体极化方向的两端施加与自发极化方向相反的电场，当外加电场超过晶体的反转电场时，就可以改变晶体的极化方向，进行局部铁电畴极化反转，形成极化反转直波导-33。(王晓杰,张国权.铌酸锂铁电畴工程及其应用[j].物理实验,2020,40(08):1-13+27.)两根波导在本结构中都受到同样大小的、竖直方向的电场，但是未极化反转的直波导-34的z轴方向与电场方向相同，所述的未极化反转的直波导-34的折射率随电压增大而减小-2δn。极化反转直波导-33的z轴方向与电场方向相反，所述的极化反转直波导-33的折射率随电压增大而增大+2δn。因此，外部输入光通过输入波导-1输入器件，经过功率分束器-2(如2
×
2mmi)将功率等分到两个调制臂后，在电场的作用下，所述的极化反转的铌酸锂直波导-33输出的光信号存在的相位滞后，所述未极化反转的直波导-34输出的光信号存在的相位超前，经过功率合束器-4后构成一个mach-zehnder干涉仪，且两调制臂相差
[0047]
图3为本发明高频电极仿真结果图。调制器的电光带宽由行波电极损耗为6.4db处的频率决定，通过射频仿真得到差分电极的s21参数，电学6.4db带宽高达68ghz，本发明提出的差分调制器电光带宽预计在60ghz以上。

技术特征：
1.一种极化反转的铌酸锂差分调制器，其特征在于，包括：用于接收输出光的输入波导；与所述输入波导连接的输入端功率分束器；与所述功率分束器连接的调制区单元；与所述调制区单元的输出端连接的功率合束器；与所述功率合束器连接的输出波导；以及用于施加电压实现相位控制调制作用的电场；所述的调制区单元包括：与所述输入端功率分束器连接的第一调制臂，所述的第一调制臂包括弯曲波导与极化反转直波导，所述的第一调制臂设置在所述电场上；与所述输入端功率分束器连接的第二调制臂，所述的第二调制臂包括弯曲波导与未极化反转的直波导，所述的第二调制臂设置在所述电场上；所述的电场包括：三个上下相间隔的金属电极，所述的调制区单元设置在所述金属电极之间。2.根据权利要求1所述的极化反转的铌酸锂差分调制器，其特征在于，所述的金属电极包括顶层地电极、顶层信号电极、底层信号电极，所述顶层地电极设置在所述第一调制臂和第二调制臂侧上方；所述顶层信号电极设置在所述第一调制臂和第二调制臂正上方；所述的底层信号电极包括底层调制区电极、金属通孔、金属焊盘，所述底层调制区电极设置在所述第一调制臂和第二调制臂正下方，所述金属通孔自下而上穿过所述第一调制臂和第二调制臂，所述金属焊盘设置在所述第一调制臂和第二调制臂上方。3.根据权利要求2所述的极化反转的铌酸锂差分调制器，其特征在于，所述的顶层地电极、顶层信号电极、底层信号电极构成一组差分电极，在顶层地电极与顶层信号电极之间加+v电压，在顶层地电极与底层信号电极之间加-v电压。所述的金属电极在波导上下两侧形成+v/-v即2v的电势差。4.根据权利要求2所述的极化反转的铌酸锂差分调制器，其特征在于，所述的输入端功率分束器输出的光信号分别进入第一调制臂的极化反转直波导和第二调制臂的未极化反转的直波导，在电场的作用下，所述的未极化反转的直波导输出的光信号存在相位超前，所述的极化反转直波导输出的光信号存在相位滞后，形成2倍相位差。5.根据权利要求1所述的极化反转的铌酸锂差分调制器，其特征在于，所述的第一调制臂的极化反转直波导和第二调制臂的未极化反转的直波导的晶轴方向相反。6.根据权利要求1所述的极化反转的铌酸锂差分调制器，其特征在于，所述的第一调制臂的极化反转直波导的晶轴和第二调制臂的未极化反转的直波导的晶轴均与所述电场方向平行。7.一种铌酸锂差分调制器芯片，其特征在于，采用权利要求1～6任一项所述的极化反转的铌酸锂差分调制器，包括：衬底；设置在所述衬底上的埋氧层，所述的极化反转的铌酸锂差分调制器中的底层信号电极设置在所述埋氧层中；设置在所述埋氧层上的z切铌酸锂膜，所述的极化反转的铌酸锂差分调制器中的输入
波导、输入端功率分束器、调制区单元、功率合束器以及输出波导均设置在所述z切铌酸锂膜内；设置在所述z切铌酸锂膜上的包层，所述的极化反转的铌酸锂差分调制器中顶层信号电极和顶层地电极均设置在所述包层上。

技术总结
本发明公开了一种极化反转的铌酸锂差分调制器及芯片，具有抗干扰能力强、结构尺寸小、调制效率高、半波电压低等优点。极化反转的铌酸锂差分调制器，包括：输入波导、功率分束器、调制区单元、第一调制臂、第二调制臂、极化反转直波导、未极化反转的直波导、功率合束器、输出波导、顶层信号电极、底层信号电极、底层调制区电极、金属通孔、金属焊盘、顶层地电极、包层、Z切铌酸锂薄膜、埋氧层、衬底。本发明基于特殊的波导结构设计以及电极设计实现差分驱动。利用了极化反转的铌酸锂波导，实现调制器两臂晶轴相反。在对两臂同时进行调制时，实现两臂折射率变化不同，在差分驱动的同时形成推挽结构，实现了两倍于传统结构的调制效率。实现了两倍于传统结构的调制效率。实现了两倍于传统结构的调制效率。


技术研发人员：陈诺 储涛
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/7