[发明专利]一种消除铌酸锂热电效应的D型光纤M-Z电光调制器及其制备方法

说明书

本发明涉及了一种可以消除铌酸锂热电效应的D型光纤M‑Z电光调制器。该调制器包括以下部分：光纤波导区、耦合区、调制区、消除热电效应区、平板波导区、D型光纤波导区。光经光纤波导区传输，逐渐耦合进入耦合区波导，分成两路经调制区波导后产生相位差，经耦合区干涉实现强度调制，并通过耦合区逐渐耦合进入光纤波导。消除热电效应区包裹于D型光纤波导区与平板波导区的Z面，形成回路，将M‑Z电光调制器工作过程中产生的热电荷对外加电场的影响消除掉，帮助器件散热，并有利于实现阻抗匹配，提高调制器效率，保障器件工作稳定。

技术领域

本发明可应用于光纤通信，光互连，光传感技术等领域，具体涉及一种以石墨烯作为导电薄膜的M-Z型X切铌酸锂薄膜调制器结构，是一种具有低损耗，高效率，高带宽，高稳定性的新型铌酸锂调制器。

背景技术

随着5G技术的飞速发展，高速光通信网络的建设迫在眉睫，对电信服务和带宽需求迅猛增长，通过将信号加载在光波上，人们真正实现了可靠高速的光通信，促进了工作生活等各个方面的发展。电光调制器在光纤通信、光纤传感、微波光子学、量子通信等技术领域中有着十分广泛的应用，是光电模块中的核心光电元器件，用于实现将电信号加载到光信号上并利用光纤进行低损耗传输的关键功能。铌酸锂电光调制器因为其宽带可调、消光比高、技术成熟和易于工业大批量生产等优点，被广泛应用于现在的通信网络中。

通过“离子切片”的方式，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜，并键合到附有二氧化硅缓冲层的Si晶片上，形成一种新型的铌酸锂材料，称为铌酸锂薄膜材料。采用优化的干法刻蚀工艺可以在铌酸锂薄膜材料上刻蚀出高度为一百多纳米的脊型波导，所形成波导的有效折射率差可达0.8以上(远超传统铌酸锂波导0.02的折射率差)。这种强限制波导使得在进行调制器设计时更容易实现光场与微波场的匹配，从而有利于在更短的长度内实现更低的半波电压和更大的调制带宽。低损耗铌酸锂亚微米级波导的出现打破了传统铌酸锂电光调制器驱动电压高的瓶颈。电极间距可以减小至5微米，电场与光模场的重叠度大大提升，半波电压从大于20V·cm下降至小于2.8V·cm。因此在相同的半波电压下，器件长度与传统调制器相比，可以大幅降低，同时，经过优化行波电极的宽度、厚度、间隔等参数，可使调制器具备大于100GHz的超高调制带宽的能力。

虽然基于铌酸锂薄膜的调制器实现了更低半波电压和更大调制带宽以及更低的插入损耗。但是，铌酸锂本身所具有的热电效应对调制器稳定性所带来的影响依然存在。因此，为满足实际系统的应用需求，提高光通信的效率和质量的同时保障器件的稳定性，亟需设计一款低损耗，高效率，高带宽，且具有高稳定性的铌酸锂M-Z电光调制器，对光纤通信系统的进一步发展有着重要的意义。

发明内容

本发明针对现有铌酸锂调制器稳定性差的问题，提出一种消除铌酸锂热电效应的D型光纤M-Z电光调制器，该调制器通过将具有大电光系数的铌酸锂薄膜与石墨烯集成到D型光纤波导上，利用石墨烯优越的导电性，消除铌酸锂内热电荷对调制器稳定性的影响。该结构既保证铌酸锂薄膜调制器结构紧凑、低损耗、高性能、与光纤系统兼容，又提高工作稳定性。

为实现以上发明目的，采用的技术方案为：

采用石墨烯薄膜附于X切铌酸锂薄膜Z面，并形成回路。

由于石墨烯的优异导电性和导热性(3000W/(m·K))，既消除铌酸锂内热电荷对外加电场的影响，又可以帮助器件散热，进一步减少温度对器件的影响。同时，石墨烯的电阻率约为10^-8Ω·m，金的电阻率为2.40×10^-8Ω·m，由此可见石墨烯电阻率与金电极的电阻率相近，有利于特征阻抗与源阻抗实现阻抗匹配，可以提高调制器效率。