一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片的制作方法

1.本发明属于集成微波光子技术领域，尤其涉及一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片。


背景技术：

2.电光调制器是光通信系统和微波光子系统中的核心器件，通过外加电场引起材料折射率的变化来调控自由空间或光波导中传播的光。其中，马赫增德尔(mz)型电光调制器是光通信领域最常使用的强度调制器。
3.铌酸锂材料天然具有大电光系数、宽电磁波透过窗口的优势，在高速调制方面具有广泛应用。传统体铌酸锂电光调制器通过钛扩散或质子交换工艺对单晶铌酸锂材料进行局部掺杂构成波导，波导的芯层和包层之间的折射率差很小，波导对光场的束缚能力差，同时为了达到低驱动电压的性能，调制区的长度需要设计的很长，这使得封装后的电光调制器仍具有较大的体积。近年来新兴的薄膜铌酸锂技术为解决铌酸锂电光调制器尺寸大的难题提供了有效途径，可实现小尺寸、大带宽、单片集成的电光调制器。
4.微波光子系统中主要的非线性失真来源于电光调制器，特别是是模拟信号处理和传输系统中需要线性度好的电光调制器用于在长距离上加载和传输高频微波信号。基于薄膜铌酸锂平台的mz型电光调制器的传输特性曲线是亚线性的正弦曲线，电光调制器的非线性将产生谐波和互调分量，引起三阶互调失真，限制了链路的动态响应范围。薄膜铌酸锂基器件采用的是脊形光波导，包括条载结构及下层的薄膜铌酸锂平板层，光场部分存在于脊结构中部分存在于平板层中，光会从平板层中向外扩散，因此当两根光波导距离很近时串扰会增大，也会对链路的线性度产生不良的影响。同时为了提升电光作用效率，薄膜铌酸锂基电光调制器的光波导和微波电极之间的间距通常设置的很小，从平板层中溢出的光被金属电极吸收也会增大吸收损耗，恶化器件性能。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片,以解决现有薄膜铌酸锂基器件中当两根光波导距离很近时串扰会增大，对链路的线性度产生不良的影响和现有薄膜铌酸锂基电光调制器的光波导和微波电极之间的间距通常设置的很小，从平板层中溢出的光被金属电极吸收会增大吸收损耗，恶化器件性能的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：
7.一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片，其特征在于，该芯片自下而上包括衬底层、掩埋氧化层、电光调制器件层和第一上包层；
8.所述电光调制器件层由左至右依次包括输入光波导、输入分光耦合器、超线性调制区、马赫增德尔相位调制区、输出合路耦合器和输出光波导；
9.所述马赫增德尔相位调制区包括平行的第一调制臂、第二调制臂，位于第一调制臂、第二调制臂之间的第一信号电极，分别位于第一调制臂和第二调制臂两侧的第一地电
极和第二地电极；第一地电极、第一信号电极和第二地电极的长度相同，第一调制臂和第二调制臂的长度相同且长于第一地电极的长度；
10.所述输入分光耦合器的两条输出光波导第一分光输出光波导和第二分光输出光波导之间有第一深刻蚀区，输出合路耦合器的两条输入光波导第一合路输入光波导和第二合路输入光波导之间有第二深刻蚀区；第一分光输出光波导、第一调制臂和第一合路输入光波导顺次连接；第二分光输出光波导、第二调制臂和第二合路输入光波导顺次连接；
11.所述超线性调制区的数量可为一个或两个；当超线性调制区为一个时，第一超线性调制区位于第一调制臂或第二调制臂上；当超线性调制区为两个时，第一超线性调制区位于第一调制臂上，第二超线性调制区位于第二调制臂上；
12.所述超线性调制区由至少一个顺次连接的薄膜铌酸锂脊形光波导可调谐振腔构成，在谐振腔内的光波导两侧放置有可调节谐振腔工作状态的第二信号电极和第三地电极；
13.所述输入分光耦合器和输出合路耦合器可为y光波导结构或多模干涉耦合器结构。
14.进一步的，所述衬底层材料为硅或石英；所述掩埋氧化层材料为二氧化硅，厚度为1-5μm；所述第一上包层材料为二氧化硅或聚合物，厚度为0.5-3μm。
15.进一步的，所述输入光波导、输入分光耦合器、第一调制臂、第二调制臂、输出合路耦合器的结构均为薄膜铌酸锂脊形光波导结构，薄膜铌酸锂脊形光波导结构在纵向上由薄膜铌酸锂平板光波导层和上部形状为梯形的薄膜铌酸锂条载构成，薄膜铌酸锂条载顶宽为0.5-2μm，厚度为100-500nm；所述薄膜铌酸锂平板光波导层的厚度为50-500nm。
16.进一步的，所述薄膜铌酸锂脊形光波导可调谐振腔环形谐振腔或跑道形谐振腔，环形谐振腔及跑道形谐振腔的半圆部分直径为10-500μm，跑道形谐振腔的直波导部分长度为10-1000μm；在环形谐振腔内的光波导的内侧放置弯曲的第二信号电极，在环形谐振腔内的光波导的外侧放置有弯曲的第三地电极，在跑道形谐振腔内的直光波导的内侧放置有矩形的第二信号电极，在跑道形谐振腔内的直光波导的外侧放置有矩形的第三地电极。
17.进一步的，所述第二信号电极和第三地电极的材料为金或铝，电极的宽度为5-100μm，第二信号电极和第三地电极之间的间距为3-10μm。
18.进一步的，所述第一信号电极、第一地电极和第二地电极的材料为金或铝，第一信号电极的宽度为5-100μm，第一地电极和第二地电极的宽度为10-300μm；第一信号电极与第二地电极的间距和第一信号电极与第一地电极的间距相同，均为3-10μm。
19.进一步的，所述第二信号电极、第三地电极、第一信号电极和第一地电极、第二地电极的厚度均相同，为100nm-3μm，电极顶部均高于第一上包层顶部。
20.进一步的，所述第二信号电极、第三地电极、第一信号电极和第一地电极、第二地电极与薄膜铌酸锂平板光波导层间有缓冲层，材料为二氧化硅，厚度为10-300nm。
21.进一步的，所述第一深刻蚀区和第二深刻蚀区深刻蚀区自下而上包括衬底层、掩埋氧化层和第二上包层，铌酸锂材料均被刻蚀去除。
22.进一步的，微波信号单独加载在第一信号电极(82)或第二信号电极(62)上，或者微波信号同时加载在第一信号电极(82)和第二信号电极(62)上。
23.本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片，具有以下优点：
24.1、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片利用可调谐振腔的超线性补偿mz型调制器的亚线性，通过调节超线性调制区谐振腔的尺寸和电极上加载的信号大小可消除器件的二阶和三阶非线性，从而可实现高线性度的电光调制器。
25.2、本发明所提出的一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片在金属电极和薄膜铌酸锂平板光波导层之间设置了缓冲层，可减弱金属电极对光模式的吸收，从而降低吸收损耗。
附图说明
26.图1为本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片中超线性调制区位于一条调制臂上的整体示意图；
27.图2为本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片中超线性调制区分别位于两条调制臂上的整体示意图；
28.图3(a)为本发明的超线性调制区为多个顺次连接的环形可调谐振腔位于一条调制臂上的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片示意图；
29.图3(b)为本发明的超线性调制区为多个顺次连接的跑道形可调谐振腔位于一条调制臂上的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片示意图；
30.图4(a)为本发明的超线性调制区为多个顺次连接的环形可调谐振腔位于两条调制臂上的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片示意图；
31.图4(b)为本发明的超线性调制区为多个顺次连接的跑道形可调谐振腔位于两条调制臂上的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片示意图；
32.图5为本发明的实施例1所述超线性调制区为单个环形可调谐振腔的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片示意图；
33.图6为本发明的实施例1所述超线性调制区为单个环形可调谐振腔的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片在a处虚线位置的剖面图；
34.图7为本发明的实施例1所述超线性调制区为单个环形可调谐振腔的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片在b处虚线位置的剖面图；
35.图8为本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器芯片和mz型调制器的传输特性曲线图；
36.图9为本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器芯片和mz型调制器的二阶非线性曲线图；
37.图10为本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器芯片和mz型调制器的三阶非线性曲线图。
38.图中标记说明：1、输入光波导；2、输入分光耦合器；21、第一分光输出光波导；22、第二分光输出光波导；3、第一深刻蚀区；4、第一调制臂；5、第二调制臂；6、第一超线性调制区；61、环形谐振腔；62、第二信号电极；63、第三地电极；7、第二超线性调制区；8、马赫增德尔相位调制区；81、第一地电极；82、第一信号电极；83、第二地电极；9、第二深刻蚀区；10、输出合路耦合器；101、第一合路输入光波导；102、第二合路输入光波导；11、输出光波导；12、衬底层；13、掩埋氧化层；14、薄膜铌酸锂平板光波导层；15、薄膜铌酸锂条载；16、第三深刻蚀区；17、第一上包层；18、缓冲层。
具体实施方式
39.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片做进一步详细的描述。
40.如图1-10所示，本发明是一种薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片，该芯片自下而上包括衬底层12、掩埋氧化层13、电光调制器件层和第一上包层17。
41.电光调制器件层由左至右依次包括输入光波导1、输入分光耦合器2、超线性调制区、马赫增德尔相位调制区8、输出合路耦合器10和输出光波导11；其中：
42.所述马赫增德尔相位调制区8包括平行的第一调制臂4、第二调制臂5，位于第一调制臂4、第二调制臂5之间的第一信号电极82，分别位于第一调制臂4和第二调制臂5两侧的第一地电极81和第二地电极83；第一地电极81、第一信号电极82和第二地电极83的长度相同，第一调制臂4和第二调制臂5的长度相同且长于第一地电极81的长度；
43.所述输入分光耦合器2的两条输出光波导第一分光输出光波导21和第二分光输出光波导22之间有第一深刻蚀区3，输出合路耦合器10的两条输入光波导第一合路输入光波导101和第二合路输入光波导102之间有第二深刻蚀区9；第一分光输出光波导21、第一调制臂4和第一合路输入光波导101顺次连接；第二分光输出光波导22、第二调制臂5和第二合路输入光波导102顺次连接；
44.所述超线性调制区的数量可为一个或两个；当超线性调制区为一个时，如图1所示，超线性调制区包括第一超线性调制区6，位于位于第一调制臂4上。
45.当超线性调制区为两个时，如图2所示，第一超线性调制区6位于第一调制臂4上，第二超线性调制区7位于第二调制臂5上。
46.如图3和图4所示，所述第一超线性调制区6和第二超线性调制区7由一个或多个顺次连接的薄膜铌酸锂脊形光波导可调谐振腔构成，在谐振腔内的光波导两侧放置有可调节谐振腔工作状态的第而信号电极62和第三地电极63；
47.所述输入分光耦合器2和输出合路耦合器10可为y光波导结构或多模干涉耦合器结构。
48.所述衬底层12材料为硅或石英；所述掩埋氧化层13材料为二氧化硅，厚度为1-5μm；所述第一上包层17材料为二氧化硅或聚合物，厚度为0.5-3μm。
49.所述输入光波导1、输入分光耦合器2、第一调制臂4、第二调制臂5、输出合路耦合器10的结构均为薄膜铌酸锂脊形光波导结构，薄膜铌酸锂脊形光波导结构在纵向上由薄膜铌酸锂平板光波导层14和上部形状为梯形的薄膜铌酸锂条载15构成，薄膜铌酸锂条载15顶宽为0.5-2μm，厚度为100-500nm；所述薄膜铌酸锂平板光波导层14的厚度为50-500nm。
50.所述薄膜铌酸锂脊形光波导可调谐振腔环形谐振腔61或跑道形谐振腔，环形谐振腔61及跑道形谐振腔的半圆部分直径为10-500μm，跑道形谐振腔的直波导部分长度为10-1000μm；在环形谐振腔61内的光波导的内侧放置弯曲的第二信号电极62，在环形谐振腔61内的光波导的外侧放置有弯曲的第三地电极63，在跑道形谐振腔内的直光波导的内侧放置有矩形的第二信号电极62，在跑道形谐振腔内的直光波导的外侧放置有矩形的第三地电极63。
51.所述第二信号电极62和第三地电极63的材料为金或铝，电极的宽度为5-100μm，第二信号电极62和第三地电极63之间的间距为3-10μm。
52.所述第一信号电极82和第一地电极81和第二地电极83的材料为金或铝，第一信号电极82的宽度为5-100μm，第一地电极81和第二地电极83的宽度为10-300μm；第一信号电极82与第二地电极83的间距和第一信号电极82与第一地电极81的间距相同，均为3-10μm。
53.所述第二信号电极62、第三地电极63、第一信号电极82和第一地电极81、第二地电极83的厚度均相同，为100nm-3μm，电极顶部均高于第一上包层17顶部。
54.所述第二信号电极62、第三地电极63、第一信号电极82和第一地电极81、第二地电极83与薄膜铌酸锂平板光波导层14间有缓冲层18，材料为二氧化硅，厚度为10-300nm。
55.所述第一深刻蚀区2和第二深刻蚀区9自下而上包括衬底层12、掩埋氧化层13和第一上包层17，铌酸锂材料均被刻蚀去除。
56.微波信号可同时加载在第一信号电极82和第二信号电极62上，也可单独加载在第一信号电极82或第二信号电极62上。
57.实施例1：
58.图5为超线性调制区为单个环形可调谐振腔的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片示意图，输入分光耦合器2的两条输出波导分别连接到第一调制臂4和第二调制臂5的输入端，输出波导之间设置有第一深刻蚀区3，第一超线性调制区6位于上部的调制臂上，61为环形谐振腔，环上波导两侧有弯曲的第二信号电极62和第三地电极63，第二信号电极62最宽处为10μm，第三地电极63宽度为10μm，第一调制臂4和第二调制臂5中间设置有第一信号电极82，宽度为14μm，两侧有第一地电极81和第二地电极83，宽度均为100μm，第一信号电极82和两侧地电极之间的间距均为5μm，输出合路耦合器10的两输入波导之间设置有第二深刻蚀区9。
59.图6为超线性调制区为单个环形可调谐振腔的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片在虚线a处的剖面图，图7为超线性调制区为单个环形可调谐振腔的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器集成芯片在虚线b处的剖面图。衬底层12的材料为硅，掩埋氧化层13材料是二氧化硅，厚度为3μm，薄膜铌酸锂平板光波导层14厚度为300nm，薄膜铌酸锂条载15厚度为300nm，薄膜铌酸锂平板光波导层14和薄膜铌酸锂条载15共同构成薄膜铌酸锂脊形光波导，波导顶宽为1μm，第一上包层17材料为二氧化硅，厚度为2μm，缓冲层18厚度为100nm，第一地电极81、第一信号电极82、第二地电极83的厚度均为1μm，图7的第一上包层17抛光使电极顶端露出。
60.图8是本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器芯片和mz型调制器的传输特性曲线图，图9是本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器芯片和mz型调制器的二阶非线性曲线图，图10是本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器芯片和mz型调制器的三阶非线性曲线图。
61.可以看到mz型调制器输出光的二阶和三阶非线性分量仅在特定相位工作点时为零，本发明的薄膜铌酸锂可调高线性电光调制器芯片可在较宽的相位范围内保持输出二阶和三阶非线性均为零，也即通过调节环的大小、耦合比和第一信号电极上加载的信号的大小可消除调制器的二阶和三阶非线性，从而实现高线性度的电光调制器。
62.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不
会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。