一种铌酸锂偏振调制器的制作方法

1.本实用新型涉及光通信器件领域，特别涉及一种铌酸锂偏振调制器。


背景技术：

2.现有技术中，铌酸锂偏振调制器是一种利用电光效应实现偏振转换的光器件，通常是使用x切z传波导，然后施加x方向的电场，利用r
61
(铌酸锂电光张量的一个分量)实现te-tm偏振模式转换；同时，由于该两种偏振模式的边界条件不一致，存在一定程度的双折射，需要施加y方向电场进行相位调制，从而使te-tm两种模式的折射率相等，达到相位同步或匹配。
3.在进行te-tm偏振模式转换时，te-tm偏振模式下的耦合系数k通过以下计算公式计算得到：
[0004][0005]
其中，n0是折射率，e
x
是x向控制电场强度，r
61
是铌酸锂电光张量的一个分量，λ是波长，α是光场与电场的重叠积分，取决于光场与电场的重叠程度；计算公式如下：
[0006][0007]
其中，e
op
(x,y)为光场分布，e
el
(x,y)为控制电场分布，d为电极间距，v为控制电压。
[0008]
由上式可见，当耦合系数越大，则te-tm完全转换所需要的驱动电压(由x向控制电场形成)越低，同时实现te-tm折射率匹配所需要的调谐电压也越低(由y向调谐电场形成，调谐电场工作电压的计算方法与控制电场类似)。
[0009]
公布号为us20090316247a1的美国专利申请提供了一种铌酸锂偏振调制器，如图1所示，该振调制器使用钛扩散双折射波导，三条独立电极对称分布在波导上方，其中，利用地电极134和控制电极132实现偏振转换(即x向电场)；利用调谐电极133实现正交偏振光的折射率和相位匹配(即y向电场)。该偏振调制器的调谐电场和光场的分布如下图2所示，控制电场和光场的分布如下图3所示。
[0010]
由于上述偏振调制器采用铌酸锂体材料为衬底，而铌酸锂难以刻蚀，只能使用平面工艺进行加工，使得三个电极在同一平面上，共同位于氧化硅缓冲层上方，如图1、图3所示，该设计导致光场不位于调谐电场中间，使光电重叠积分较小；同样由于采用平面工艺，光场位于控制电极一极的正下方，不位于控制电场的中间，这导致两种电场与光场的重叠积分都偏低，te-tm控制电压和调谐电压偏高，典型值范围在10～15v，造成偏振调制器的调制效率较低。
[0011]
因此，如何提高偏振调制器的调制效率已成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

[0012]
针对上述技术问题，本实用新型提供一种铌酸锂偏振调制器，以解决现有偏振调制器采用共平面设计电极导致的调制效率较低问题。
[0013]
基于上述目的，本实用新型提供铌酸锂偏振调制器，包括：
[0014]
光场承载基底，所述光场承载基底上设置有脊波导、第一调谐电极和第二调谐电极，所述第一调谐电极和第二调谐电极分布于所述脊波导的两侧；
[0015]
第一缓冲层和第二缓冲层，所述第一缓冲层设置于所述脊波导、第一调谐电极、第二调谐电极以及部分所述光场承载基底的上表面；所述第二缓冲层设置于所述光场承载基底的下表面；
[0016]
第一控制电极和第二控制电极，所述第一控制电极设置在所述第一缓冲层的上表面，所述第二控制电极设置在所述第二缓冲层的下表面；
[0017]
衬底，所述衬底设置在所述第二缓冲层的下表面。
[0018]
可选的，所述光场承载基底为铌酸锂薄膜波导。
[0019]
可选的，所述第一控制电极为控制电极火线，位于正对所述脊波导上方。
[0020]
可选的，所述第二控制电极为控制电极地线，位于正对所述脊波导下方。
[0021]
可选的，所述第一控制电极和第二控制电极形成行波电极结构，所述第一控制电极和第二控制电极之间的间距为1um-20um。
[0022]
可选的，所述偏振调制器还包括：
[0023]
终端负载，所述终端负载设置在所述第一缓冲层的上表面，所述终端负载一端连接所述第一控制电极。
[0024]
可选的，所述终端负载相邻于所述第一调谐电极布置，且所述终端负载与所述第一调谐电极间隔设定距离。
[0025]
可选的，所述终端负载为长方体负载块。
[0026]
可选的，所述第一调谐电极和第二调谐电极形成集总电极结构，所述第一调谐电极和第二调谐电极之间的间距为1um-20um。
[0027]
可选的，所述第一缓冲层和第二缓冲层均采用氧化硅材料。
[0028]
上述方案具有以下有益效果：
[0029]
本实用新型的偏振调制器，通过设置特定的多层电极结构，即在脊波导的左右两侧分布对称的调谐电极，在脊波导的上下两侧分布对称的控制电极，使得偏振调制器工作时的光场既能够分布于调谐电场中心，也能够分布于控制电场中心，大大增加了光场、电场的重叠程度，可以有效降低调制器的工作电压，提高偏振调制器的调制效率。
附图说明
[0030]
图1是现有技术中提供的铌酸锂偏振调制器示意图；
[0031]
图2是现有技术中提供的振调制器的调谐电场和光场分布图；
[0032]
图3是现有技术中提供的振调制器的控制电场和光场分布图；
[0033]
图4是本实用新型一实施例中铌酸锂偏振调制器结构图；
[0034]
图5是本实用新型一实施例中偏振调制器的调谐电场与光场分布图；
[0035]
图6是本实用新型一实施例中偏振调制器的控制电场与光场分布图；
[0036]
图7是本实用新型一实施例中提供的偏振调制器的立体结构图；
[0037]
图8是本实用新型一实施例中提供的偏振调制器的局部结构图；
[0038]
符号说明如下：
[0039]
1、光场承载基底；2、脊波导；3、调谐电极；41、第一缓冲层；42、第二缓冲层；51、第一控制电极；52、第二控制电极；6、衬底；7、终端负载。
具体实施方式
[0040]
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。
[0041]
应当理解，下面阐述的实施例代表了使本领域技术人员能够实施实施例并说明实施实施例的最佳模式的必要信息。在根据附图阅读以下描述后，本领域技术人员将理解本公开的概念并且将认识到这些概念在本文中未特别提及的应用。应当理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
[0042]
还应当理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元素，但是这些元素不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元素与另一个元素。例如，可以将第一元件称为第二元件，并且类似地，可以将第二元件称为第一元件，而不脱离本公开的范围。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0043]
还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元素被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元素时，不存在中间元素。
[0044]
还应当理解，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“底部”、“中间”、“中间”、“顶部”等可以在本文中用于描述各种元素，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此这些元素不应受这些条款的限制。
[0045]
这些术语仅用于区分一个元素与另一个元素。例如，第一元件可以被称为“上”元件，并且类似地，第二元件可以根据这些元件的相对取向被称为“上”元件，而不脱离本公开的范围。
[0046]
进一步理解，术语“包括”、“包含”、“包括”和/或“包含”在本文中使用时指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或它们的组。
[0047]
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解，本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文明确如此定义，否则不会以理想化或过于正式的意义进行解释。
[0048]
在一实施例中，提供一种如图4所示的铌酸锂偏振调制器，包括：光场承载基底1、脊波导2、第一调谐电极和第二调谐电极3、第一缓冲层41和第二缓冲层42、第一控制电极51和第二控制电极52、衬底6，其中，各结构之间的具体位置关系如下：
[0049]
光场承载基底1，所述光场承载基底1上设置有脊波导2、第一调谐电极和第二调谐电极3，所述第一调谐电极和第二调谐电极3分布于所述脊波导2的两侧；
[0050]
第一缓冲层41和第二缓冲层42，其中，所述第一缓冲层41设置于所述脊波导2、第一调谐电极和第二调谐电极3以及部分所述光场承载基底1的上表面；所述第二缓冲层42设置于所述光场承载基底1的下表面；
[0051]
第一控制电极51和第二控制电极52，所述第一控制电极51设置在所述第一缓冲层41的上表面，所述第二控制电极52设置在所述第二缓冲层42的下表面；
[0052]
衬底6，所述衬底6设置在所述第二缓冲层42的下表面。
[0053]
本实施例中，所述光场承载基底1为铌酸锂薄膜波导。
[0054]
本实施例中，所述第一控制电极51为控制电极火线，位于正对所述脊波导2上方；所述第二控制电极52为控制电极地线，位于正对所述脊波导2下方。
[0055]
本实施例中，所述第一缓冲层41和第二缓冲层42均采用氧化硅材料。
[0056]
本实施例中，为提高偏振调制器的调制效率，降低偏振转换电压，需要将光场放置在电场中心，且对称分布，从而改善光场与电场的重叠积分。由于调谐电场为y向，控制电场为x向，实现电场与光场的理想重叠分布需要采用类似台面工艺的设计得到多层电极结构，不能采用平面工艺。因此，上述偏振调制器的制备过程如下：
[0057]
以x切z传铌酸锂薄膜波导作为光场承载基底1，在光场承载基底1上刻蚀出脊波导2后，在脊波导2两侧蒸发电极材料，并刻蚀出电极图案，作为第一调谐电极和第二调谐电极3。
[0058]
然后，蒸发一层氧化硅材料，得到第一缓冲层41和第二缓冲层42，并在脊波导2位置上方蒸镀电极材料作为控制电极的火线，并刻蚀出电极图案，得到第一控制电极51。
[0059]
最后，采用光刻工艺刻蚀铌酸锂薄膜的衬底，并蒸发电极材料作为控制电极的地线，得到第二控制电极52，与脊波导2上方火线共同作为两个控制电极，调制输入光的偏振态。
[0060]
本实施例中，上述偏振调制器的调谐电场与光场的分布如图5所示，控制电场与光场的分布如图6所示，通过两个附图可以明显看到，调谐电场与光场完全重叠，控制电场与光场完全重叠。这是由于脊波导2进行光传输的光场位于图6中控制电场(实现偏振转换)的中心，同时光场也位于图5中调谐电场(实现偏振相位匹配)的中心，电场与光场的重叠积分明显改善，另外，电极间距可以设置的很小，如电极间距设置为1～20um，比传统偏振调制器的电极平面工艺设计下电极间距(典型值20um)要小，并且，由于偏振转换所需的控制电压、调谐电压反比于重叠积分，正比于电极间距，当电场与光场的重叠积分较高且电极间距较低时，可以有效降低调谐电极和控制电极的工作电压。
[0061]
在一实施例中，所述第一控制电极51和第二控制电极52形成行波电极结构，且所述第一控制电极51和第二控制电极52之间的间距为1um-20um，例如，该间距可以在上述范围内选择性的设置为1um，8um，15um，或20um等。
[0062]
本实施例中，所述第一调谐电极和第二调谐电极3形成集总电极结构，且所述第一调谐电极和第二调谐电极3之间的间距为1um-20um，类似的，该间距也可以在上述范围内进行某个数值的选择性设置。
[0063]
本实施例中，如图7、图8所示，所述偏振调制器还包括：
[0064]
终端负载7，所述终端负载7设置在所述第一缓冲层41的上表面，所述终端负载7一端连接所述第一控制电极51。
[0065]
本实施例中，所述终端负载7相邻于所述第一调谐电极3布置，且所述终端负载7与所述第一调谐电极3间隔为设定距离。示例性的，终端负载可以为长方体负载块，也可以为其他形状的负载块，如椭圆形负载块或方形负载块。
[0066]
本实施例中的偏振调制器具有以下特点：
[0067]
(1)采用多层电极结构设计，两个调谐电极对称分布在脊波导两侧，两个控制电极位于脊波导上方和下方，从而使得调制器工作时产生的光场位于控制电场的中心，也位于调谐电场的中心，可以同时提高两个电场的重叠积分，提高调制效率，降低调制工作电压。
[0068]
(2)由于调谐电场的作用是实现偏振相位匹配，实际应用时变化较慢，以直流电压形式工作，因而采用集总电极结构设计；控制电场根据实际应用需要，工作频率可以达到ghz，需要采用行波电极结构设计，且终端负载需使用匹配负载。两种电极采用不同的设计方式，既可以提高控制信号的调制频率，又可以改善调谐电场的准确性，保证te-tm相位匹配，提高偏振调制的带宽和速率。
[0069]
以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。