槽波导调制器的制作方法

本申请涉及槽波导调制器，其利用硅基光电子学及电光材料实现高带宽、高效能及低损耗。

背景技术：

1、光调制器在电信、数据中心和高性能计算等应用中发挥着关键的作用，因此是高速且可靠的数据通信系统中的关键部件。当前，在物联网（iot）、自动驾驶汽车和人工智能（ai）等新兴技术的日益普及的推动下，数据传输需求持续增长，这些技术需要高速且可靠的通信基础设施支持其数据密集型运行。这种不断增长的需求凸显了开发高速、高效光调制器的必要性，以确保无缝运行并最大程度地释放这些技术的潜力。

2、此外，推进具有高效率、低插入损耗和宽带宽的光调制器的发展，不仅用于满足当前的行业要求，而且对于解决与未来数据传输需求相关的日益严峻的挑战也至关重要。

3、本领域技术人员已知的两种主要光调制器类型是基于自由载流子色散效应的硅光调制器和利用波克尔斯（pockels）效应的电光（electro-optic, eo）调制器。在过去几十年中，这两种技术都得到了广泛的研究，每种技术都具有独特的优势和局限性。

4、硅光调制器利用成熟的互补金属氧化物半导体（cmos）制造基础设施。这使得此类调制器能够以低成本进行量产，并与硅基光子集成电路（photonic integrated circuits,pic）以及潜在地与电路进行无缝集成。虽然硅光调制器展示出令人前景看好的性能，但同时实现关键性能指标（如效率、带宽和插入损耗）的最佳平衡仍是本领域技术人员面临的重大难题。

5、相反，与硅光调制器相比，电光（eo）调制器固有地提供更高的调制带宽。然而，此类电光调制器的效率往往会因设计上的折衷（特别是关于电极间距，这会影响施加电场的强度）而受到影响。此外，成本与得益于300mm晶圆级制造的硅光调制器相比，电光调制器的制造费用往往更为昂贵，且制造良率较低。

6、与电光调制器相关的另一个主要挑战是此类电光调制器的集成和封装过程。将电光调制器与硅pic连接所需的额外耦合和封装引入了进一步的复杂性，潜在地影响了系统链路预算和整体性能。

7、因此，本领域技术人员一直在寻找一种能够利用硅光调制器和电光调制器的优点而又没有上述缺点，从而使调制器能够实现高带宽、高效能和低损耗的调制器。

技术实现思路

1、在一方面，本申请公开一种槽波导调制器。该调制器包括：第一层，其具有第一折射率，布置在基底上；第一模式阻挡层，形成在邻近第一层处；以及第二模式阻挡层，形成在邻近第一层处，使得第一层定位在第一模式阻挡层与第二模式阻挡层之间，其中第一模式阻挡层及第二模式阻挡层形成在基底上。具有第二折射率的电光层布置在第一层以及第一模式阻挡层和第二模式阻挡层上。具有第一折射率的第二层布置在电光层上；第三模式阻挡层形成在邻近第二层处；第四模式阻挡层形成在邻近第二层处，使得第二层定位在第三模式阻挡层与第四模式阻挡层之间，其中第三模式阻挡层及第四模式阻挡层形成在电光层上。在该方面的实施例中，第二折射率低于第一折射率，从而可以在电光层内实现光场限制；并且第一层与第一电极电连接，第二层与第二电极电连接，使得当第一电极及第二电极之间存在电位差时，电场会调制电光层的折射率。

2、在该方面的另一实施例中，该调制器还包括：输入模式耦合器，其耦合于电光层的输入端；以及输出模式耦合器，其耦合于电光层的输出端。在该方面的实施例中，输入模式耦合器被设置为对从总线波导接收到的光信号的模式进行转换，并将转换后的光信号耦合到电光层中；输出模式耦合器被设置为从电光层接收调制后的光信号。

3、该方面的另一实施例公开一种推挽式马赫-曾德尔调制器。该马赫-曾德尔调制器包括：输入波导，用于接收光信号；y分支分路器，其耦合到输入波导，用于将输入波导接收到的光信号分路到根据本实施例的一个方面设置的槽波导调制器中及分支波导中，其中在y分支分路器与槽波导调制器之间提供有输入模式耦合器，以转换光信号的模式并将转换后的光信号耦合到槽波导调制器的电光层中；重组器，用于将从槽波导调制器的电光层接收到的调制后光信号与从分支波导接收到的光信号重新组合；以及输出波导，用于发射重新组合后的光信号。

4、在另一方面，本申请公开一种形成槽波导调制器的方法。公开的方法包括以下步骤：在基底上形成具有第一折射率的第一层；在邻近第一层处形成第一模式阻挡层，并在邻近第一层处形成第二模式阻挡层，使得第一层定位在第一模式阻挡层与第二模式阻挡层之间，其中第一模式阻挡层及第二模式阻挡层形成在基底上。然后，该方法包括以下步骤：在第一层以及第一模式阻挡层和第二模式阻挡层上形成具有第二折射率的电光层；在电光层上形成具有第一折射率的第二层；在邻近第二层处形成第三模式阻挡层，并在邻近第二层处形成第四模式阻挡层，使得第二层定位在第三模式阻挡层与第四模式阻挡层之间，其中第三模式阻挡层及第四模式阻挡层形成在电光层上。在该另一方面的实施例中，第二折射率低于第一折射率，从而可以在电光层内实现光场限制。第一层与第一电极电连接，第二层与第二电极电连接，使得当第一电极与第二电极之间存在电位差时，电场会调制电光层的折射率。

5、在该另一方面的另一实施例中，公开的方法还包括以下步骤：将输入模式耦合器耦合到电光层的输入端，以及将输出模式耦合器耦合到电光层的输出端。在该另一个方面的实施例中，输入模式耦合器被设置为对从总线波导接收到的光信号的模式进行转换，并将转换后的光信号耦合到电光层中；输出模式耦合器被设置为从电光层接收调制后的光信号。

6、另一方面的又一实施例公开一种推挽式马赫-曾德尔调制器的形成方法。公开的方法包括以下步骤：提供用于接收光信号的输入波导；将y分支分路器耦合到输入波导，用于将输入波导接收到的光信号分路到根据本申请该另一个方面的实施例公开的方法形成的槽波导调制器中以及分支波导中，其中在y分支分路器与槽波导调制器之间形成有输入模式耦合器，以转换光信号的模式并将转换后的光信号耦合到槽波导调制器的电光层中；提供重组器，用于将从槽波导调制器的电光层接收到的调制后光信号与从分支波导接收到的光信号重新组合；以及将输出波导耦合到重组器，用于发射重新组合后的光信号。

1.一种槽波导调制器，包括：

2.根据权利要求1所述的槽波导调制器，还包括：

3.根据权利要求1或2所述的槽波导调制器，其中所述第一模式阻挡层、所述第二模式阻挡层、所述第三模式阻挡层及所述第四模式阻挡层包括光子晶体层、平板波导层或亚波长光栅波导层。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的槽波导调制器，其中所述电光层包括铌酸锂、氮化铝钪、钛酸钡。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的槽波导调制器，其中所述第一层及所述第二层包括被设置为提供导电性的掺杂半导体材料。

6.根据权利要求5所述的槽波导调制器，其中所述半导体材料包括多晶硅或硅。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的槽波导调制器，其中所述电光层的厚度小于或等于100纳米。

8.根据权利要求1所述的槽波导调制器，还包括：

9.根据权利要求1所述的槽波导调制器，其中所述第一电极布置在所述第一层的另一部分上，所述另一部分远离所述第一层定位在所述第一模式阻挡层与所述第二模式阻挡层之间的部分；并且所述第二电极布置在所述第二层的另一部分上，所述另一部分远离所述第二层定位在所述第三模式阻挡层与所述第四模式阻挡层之间的部分。

10.一种推挽式马赫-曾德尔调制器，包括：

11.一种槽波导调制器的形成方法，所述方法包括：

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述第一模式阻挡层、所述第二模式阻挡层、所述第三模式阻挡层及所述第四模式阻挡层包括光子晶体层、平板波导层或亚波长光栅波导层。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述电光层包括铌酸锂、氮化铝钪、钛酸钡。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述第一层及所述第二层包括被设置为提供导电性的掺杂半导体材料。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述半导体材料包括多晶硅或硅。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中形成的所述电光层的厚度小于或等于100纳米。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一电极形成在所述第一层的另一部分上，所述另一部分远离所述第一层定位在所述第一模式阻挡层与所述第二模式阻挡层之间的部分；并且所述第二电极布置在所述第二层的另一部分上，所述另一部分远离所述第二层定位在所述第三模式阻挡层与所述第四模式阻挡层之间的部分。

20.一种推挽式马赫-曾德尔调制器的形成方法，包括：