基于慢波电极的薄膜铌酸锂电光调制器及制备方法与流程

本发明涉及电光调制领域，尤其涉及一种基于慢波电极的薄膜铌酸锂电光调制器及制备方法。

背景技术：

1、伴随着信息化、数字化、智能化的潮流，5g、云计算以及人工智能等新兴业务快速发展，给人们的生活带来了日新月异的变化。电光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一，是将电信号加载到光载波上的光通信器件，通常分为马赫曾德尔和微环两种常用的结构。

2、电光调制器作为光通信系统中的核心器件，用于将电信号加载到光上进行传输，其在速率、功耗、插损、集成度以及成本等方面面临着越来越高的要求。在现有的技术里，硅光调制器因其成本低，集成度高，与cmos工艺兼容等优势，在调制速率为单波100gbit/s的应用场景下具备优势。但受限于硅材料本身的载流子迁移率的影响，硅光调制器难以满足单波200gbit/s的市场演进要求。

3、薄膜铌酸锂调制器由于其基于极化效应实现的电光调制，理论上可以实现很高的电光调制带宽。近年来基于薄膜铌酸锂材料平台制备的电光调制器可以支持单波200gbit/s的调制速率，因而满足数据中心800g以及1.6t光通信业务对调制带宽的要求。2018年，哈佛大学在natue上报道了基于硅衬底的薄膜铌酸锂电光调制器，结果表明其在vπ为2.3v时可以实现大于70ghz的电光调制带宽 (wang c, zhang m, chen x, et al. integratedlithium niobate electro-optic modulators operating at cmos-compatiblevoltages[j]. nature, 2018, 562(7725): 101-104.)。考虑到电压-带宽的相互制约，初创公司hyperlight引入了慢波电极结构设计，通过t形慢波电极可以降低微波损耗。但由于该电极结构在降低微波损耗的同时会增大微波折射率，造成微波与光波速度失配，不利于高电光调制带宽。为了缓解速度失配问题，hyperlight采用了石英衬底的薄膜铌酸锂晶圆(kharel p, reimer c, luke k, et al. breaking voltage–bandwidth limits inintegrated lithium niobate modulators using micro-structured electrodes[j].optica, 2021, 8(3): 357-363.)。浙江大学在硅衬底的薄膜铌酸锂晶圆上采用了慢波电极结构设计(chen g, chen k, zhang j, et al. compact 100gbaud driverless thin-film lithium niobate modulator on a silicon substrate[j]. optics express,2022, 30(14): 25308-25317.)。考虑到速度失配等问题，该团队通过挖空硅衬底的方式来实现微波与光波速度匹配，进而实现高性能的薄膜铌酸锂电光调制器。然而掏空衬底的方式并非量产工艺，同时会造成器件的可靠性等问题。

技术实现思路

1、针对上述背景中存在的技术问题，本发明的提供了一种基于慢波电极的薄膜铌酸锂电光调制器，通过引入慢波电极可以降低微波损耗，同时通过电极的设计解决硅衬底上微波与光波速度匹配的问题，用于实现高带宽、低驱压的薄膜铌酸锂电光调制器。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于慢波电极的薄膜铌酸锂电光调制器，包括硅衬底和薄膜铌酸锂波导层，所述薄膜铌酸锂波导层包括马赫曾德尔结构，在马赫曾德尔结构每条波导分支臂的两侧分别设置信号电极和接地电极，其特征在于，所述信号电极包括慢波电极段和条形电极段，所述慢波电极段与所述条形电极段相连接，所述慢波电极段为条形电极结构连接着周期性排列的t形结构组成；

4、通过调整条形电极段的宽度以及条形电极段与接地电极的间距来调整条形电极段的特征阻抗，使其与慢波电极段的特征阻抗相匹配；通过调整慢波电极段的长度以及条形电极段的长度，使得光波群时延与微波群时延相等，实现速度匹配。

5、优选的，所述电光调制器的微波与光波速度相匹配，且满足，

6、其中：为慢波电极段的微波折射率；为慢波电极段光波群折射率；为条形电极段微波折射率；为条形电极段光波群折射率；为慢波电极段的长度；为条形电极段的长度。

7、优选的，所述波导分支臂波导为瘠波导或条形波导，波导宽度为1-3um。

8、优选的，所述t形结构的两段宽度的范围为1-5um，周期为30-100um，t形结构的两段长度的范围为10-90um；信号电极上连接的t形结构与接地电极上连接的t形结构的间距为e，e的范围为3-8um。

9、优选的，所述慢波电极段的信号电极宽度g的范围为10-80um；所述条形电极段的信号电极宽度h范围为8-80um。

10、优选的，所述慢波电极段的波导为瘠波导或条形波导，所述条形电极段的波导为慢光波导，波导宽度；所述慢光波导由亚波长周期结构以及宽度为，长度为的相移区构成，所述相移区位于亚波长周期结构之间，其中亚波长周期结构中波导宽度以和周期交替变化，且。

11、优选的，所述慢光波导的有效折射率满足，且；

12、其中：为宽度为的波导占空比，；为波导宽度对应的有效折射率；为波导宽度对应的有效折射率；为波导宽度对应的有效折射率。

13、优选的，所述亚波长周期结构中周期 范围为：，相移区长度范围为：。

14、优选的，所述波导分支臂采用慢光波导，所述信号电极全部采用慢波电极，所述慢波电极的微波折射率与慢光波导的光波群折射率相匹配。

15、本发明还提出了一种制作上述电光调制器的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤1：在埋氧层为二氧化硅的薄膜铌酸锂上制备薄膜铌酸锂光波导，包括输入端口、输出端口、1*2分束器、2*1合束器、2个波导分支臂等光波导结构；

17、步骤2：在刻蚀的铌酸锂波导上沉积一层二氧化硅包层；

18、步骤3：在二氧化硅包层上制备加热电阻用于制备加热器；

19、步骤4：在二氧化硅包层上制备一层薄金属电极，包括条形信号电极、负载周期结构电极、接地电极；

20、步骤5：在第一层电极的基础上制备第二层电极，包括条形信号电极、接地电极；

21、步骤6：二氧化硅保护层的沉积以及电极pad的开窗，完成器件制备。

22、优选的，所述步骤1中，在硅衬底/埋氧层/薄膜铌酸锂晶圆平台上制作或者在硅衬底上基于硅或氮化硅波导与薄膜铌酸锂的混合集成平台上制作。

23、本技术提供的技术方案，具有如下技术效果或优点：

24、1、本技术采用慢波电极与条形信号电极相结合的结构，通过引入慢波电极可以降低微波损耗，同时通过电极的设计解决硅衬底上微波与光波速度匹配的问题。在实现更低微波损耗的同时，可以实现微波与光波速度匹配，有助于实现更高的调制带宽，实现高带宽、低驱压的薄膜铌酸锂电光调制器。

25、2、本发明方案提出在硅衬底上使用t形电极结构，相比于掏空硅衬底的方案，本发明方案更适合于量产工艺，且可靠性更高。

26、3、相比于石英衬底上的t形电极薄膜铌酸锂电光调制器，在硅衬底上设计和制备薄膜铌酸锂调制器与硅光芯片更加兼容，使用范围更广。