[发明专利]基于铌酸锂-硅晶圆的高速低电压电光调制器

说明书

一种基于铌酸锂‑硅晶圆的高速低压电光调制器，硅晶圆位于铌酸锂晶圆上方，通过刻蚀硅波导，形成铌酸锂‑硅混合波导，通过改变硅波导的结构使得光波在铌酸锂‑硅混合波导中具有不同的能量分布。当硅波导中具有更多的能量分布时，适用于实现紧凑的分波功能、合波功能与热光调制功能；当铌酸锂波导中具有更高的能量分布时，适用于实现高速、低电压的电光调制功能。本发明分别发挥了铌酸锂和硅材料平台的优势，适用于高速低电压的电光调制。

技术领域

本发明属于光子异质集成技术领域，特别是一种铌酸锂-硅晶圆上的高速低电压电光调制器。

技术背景

电光调制器是光纤通信中重要的功能器件，其作用是将电信号加载至光信号上，从而在光域上实现信号传输、处理等。利用互补金属氧化物半导体集成技术，在硅晶圆上制备的纯硅基调制器是光信号处理系统中最为常见的调制器。然而随着光纤通信技术的发展，纯硅基调制器已经难以满足高速、低电压、低损耗等需求。近年来得益于铌酸锂薄膜制备技术的发展，将铌酸锂调制器代替纯硅基调制器可以进一步提高调制器的调制速率、降低电压、降低调制器损耗。薄膜铌酸锂调制器的工作原理是利用了铌酸锂波导的线性电光效应，即在外部电场的作用下，铌酸锂波导的折射率发生改变，进而完成相位调制或者强度调制。

现有的利用铌酸锂波导进行调制的方式包括两类，一是在铌酸锂晶圆上刻蚀铌酸锂晶圆形成脊型铌酸锂波导的纯薄膜铌酸锂调制器(参见文献1：Wang,Cheng,et al.Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages.Nature 562.7725(2018):101.)，该方式利用脊型铌酸锂波导束缚光波的传输；二是硅-铌酸锂波导调制器(参见文献2：Weigel,Peter O.,et al.Bondedthin film lithium niobate modulator on a silicon photonics platform exceeding100GHz 3-dB electrical modulation bandwidth.Optics express 26.18(2018):23728-23739.)或者氮化硅-铌酸锂波导调制器(参见文献3：Jin,Shilei,et al.LiNbO3thin-film modulators using silicon nitride surface ridge waveguides.IEEEPhotonics Technology Letters 28.7(2015):736-739.)，利用硅波导或者氮化硅波导引导光波的传输，同时束缚在铌酸锂波导中的光波将会受到电光调制的作用。而随着片上系统的出现，利用异质集成技术能够发挥各种材料的优势，使得硅与其它材料结合实现多功能的光子器件集成。因而第二种类型的调制器将在片上系统中实现高速、低压的电光调制功能，从而提升片上系统的性能。

发明内容

本发明在于针对现有技术的不足，提出一种基于铌酸锂-硅晶圆高速低电压的电光调制器，该器件改变光波在硅波导和铌酸锂波导中的能量，发挥硅波导折射率大，实现器件紧凑的优势，同时发挥铌酸锂波导具有较大电光系数，实现电光调制的优势。此外该方法利用了铌酸锂-硅晶圆和成熟的硅光集成技术，硅晶圆位于铌酸锂晶圆上方，通过刻蚀硅晶圆形成铌酸锂-硅混合波导从而控制光波的传输，与此同时避免了铌酸锂晶圆的刻蚀。

本发明的技术解决方案如下：

一种铌酸锂-硅晶圆高速低电压电光调制器，其特点在于：由下到上包括硅衬底层、二氧化硅隔离层、铌酸锂晶圆层和硅波导层，在所述的硅波导层刻蚀形成多模干涉仪、热调移相臂、模斑转换器、电调移相臂、直流偏置电极和射频电极，从输入端到输出端依次是高折射率区、模斑转换区、电光调制区、模斑转换区、高折射率区，所述的多模干涉仪、热调移相臂位于高折射率区域，所述的模斑转换器位于所述的模斑转换区，所述的电调移相臂位于所述的电光调制区；所述的多模干涉仪、热调移相臂、模斑转换器、电调移相臂构成波导结构组件，所述的直流偏置电极形成在所述的热调移相臂附近，所述的射频电极形成在所述的电调移相臂附近。