薄膜铌酸锂弯折电光调制网络

本发明属于光电集成器件领域，涉及一种薄膜铌酸锂弯折电光调制网络。

背景技术：

1、随着信息技术的飞速发展和全球数据流量的急剧增长，光通信领域对高速、大容量、低损耗的传输系统提出了更高要求。电光调制器作为光通信系统中的关键器件，其性能直接影响整个系统的传输效率和稳定性。传统块状铌酸锂电光调制器虽然具有稳定性好、光学插入损耗低等优点，但在小型化、集成化及调制效率方面存在明显不足。薄膜铌酸锂(linbo3)作为一种高性能的光电材料，具有优异的电光效应、低光损耗、高光学透明度及良好的机械与化学稳定性。通过先进的微纳加工技术，可以将铌酸锂薄膜与硅基或其他衬底材料结合，形成高性能的薄膜铌酸锂光电子器件。这种薄膜结构不仅保留了铌酸锂材料的优良特性，还具备更高的集成度和更小的尺寸，为光电子系统的小型化和集成化提供了可能。

2、传统直线型波导在集成度上受到限制，而弯折型波导则可以在有限的空间内实现更长的光程，从而增加调制效率或降低驱动电压。此外，弯折型设计还有助于优化光信号在波导中的传输模式，减少散射和反射，进一步降低光损耗。

技术实现思路

1、本发明提出的一种薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，包含多个弯折型波导，通过增大调制区间提高带宽，并且使产品的集成度提高。

2、本发明的技术方案：

3、薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，由下至上由硅衬底和多个弯折型波导层堆叠而成，各波导层由下至上包括二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜、弯折型波导、弯折型行波电极、电磁屏蔽层堆叠而成。各波导层的所有弯折型波导均对应与其位置相关的二维坐标，所有二维坐标形成电光调制网络，分别记载调制网络中各元素所对应的弯折型波导的工作参数，不同波长光纤可根据需要耦合至对应位置的波导，刻蚀后二氧化硅缓冲层底面刻蚀有与行波电极匹配的凹槽，各波导层按照层叠顺序依次制备，电磁屏蔽层由碳纳米材料制成，采用缓冲质子交换技术在铌酸锂薄膜层制作光波导。

4、进一步，所述波导为弯折型结构，在保证小型化的同时增大了调制区间。

5、进一步，所述光波导的制备步骤包括：

6、步骤s11、在预处理后的铌酸锂薄膜基片表面用旋涂机均匀涂覆一层ar-n-7520电子束抗蚀剂，在85℃，1min的条件下烘烤；

7、步骤s12、将经步骤s11的铌酸锂晶体放入曝光机中进行曝光，曝光条件为2.4c/m2；

8、步骤s13、将经步骤s12的铌酸锂晶体放入显影机中，用ar 300-46显影液显影90s；

9、步骤s14、将经步骤s13的铌酸锂晶体固定在电子束光刻机中，并将光刻机内部环境抽成真空状态后，进行光刻；

10、步骤s15、用丙酮去除铌酸锂表面残留的ar-n-7520电子束抗蚀剂后，进行清洗处理，以确保铌酸锂光波导表面的清洁度，得到光波导。

11、进一步，所述行波电极的制备步骤包括：

12、步骤s21、对铌酸锂薄膜进行预清洁；

13、步骤s22、用微纳3d打印技术将弯折型电极直接打印在经步骤s21处理后的样品上；

14、步骤s23、打印完成后进行烧结处理，使金纳米颗粒熔合为纯金，从而制造出所需电极。

15、进一步，所述电磁屏蔽层的制备步骤包括：

16、步骤s31、将多壁碳纳米粉末加入曲拉通溶液，在研磨器中研磨后采用去离子水浸泡并搅拌，经单秒间隔超声后，再离心得到均匀稳定的多壁碳纳米管溶液；

17、步骤s32、将烧杯置于冷水浴中，分别将ti3alc2、lif以及去离子水、浓盐酸放入烧杯中，并对烧杯进行密封处理后磁力搅拌；

18、步骤s33、用离子水反复洗涤步骤s32得到的lif-hcl刻蚀后的悬浮液，直至悬浮液的ph接近6；

19、步骤s34、将步骤s33获得的溶液除杂后进行离心处理，其上层清液就是单层或少层ti3c2tx胶体溶液；

20、步骤s35、将碳纳米管溶液与ti3c2tx胶体溶液根据不同比例混合，搅拌超声后采用真空抽滤工艺将混合溶液制备成薄膜，得到电磁屏蔽层。

21、进一步，所述铌酸锂薄膜采用基于h+离子注入和sio2键合的smart-cut技术制备。

22、进一步，所述铌酸锂薄膜层厚度不大于500nm，所述波导层厚度不大于3μm，弯曲半径为7μm，弯曲角度为30°。

23、进一步，行波电极结构为弯折型梯形结构。

24、进一步，各所述行波电极具有引出端，各所述波导层均设置有露出行波电极引出端的台阶。

25、进一步，所述由下至上的各台阶形成逐层变小的阶梯状。

26、本发明具有如下有益效果：

27、1、调制性能的提升：带宽增加：弯曲波导与行波电极的结合可能通过优化信号与光波的相互作用，提高调制器的带宽。例如，行波电极结构可以消除电阻电容(rc)时间常数的限制，使得调制带宽显著提升。在某些设计中，调制带宽可以达到数十ghz甚至上百ghz。调制效率提高：弯曲波导可能通过其特殊的结构增强光波与微波之间的耦合作用，从而提高调制效率。例如，采用人工表面等离激元结构的慢光效应可以增强电光耦合强度，使调制过程更加高效。频率啁啾减小：弯曲波导与电极的精确设计可以减小调制过程中的频率啁啾，这对于高速光通信系统的性能至关重要。频率啁啾的减小可以减少光纤色散对信号传输的影响，提高信号质量。

28、2、集成度的提高：器件尺寸减小：弯曲波导的设计使得调制器在保持性能的同时可以减小器件尺寸。这对于提高系统集成度、降低制造成本具有重要意义。空间利用率提升：弯曲波导和电极的布局可以更加紧凑，提高芯片上的空间利用率。这有助于实现更多功能的光电子集成系统。

29、3、信号传输质量的改善：传输损耗降低：弯曲波导的优化设计可以减少光波在波导中的传输损耗，确保光信号在调制过程中的稳定性。同时，行波电极结构也能降低电信号的传输损耗。信号稳定性增强：弯曲波导和电极的精确控制可以减小因加工精度不足带来的相位延迟不稳定性等问题，提高信号传输的稳定性。

30、4、设计灵活性的增强：可重构性：弯曲波导和电极的设计使得电光调制器具有一定的可重构性。通过调整波导的弯曲半径或电极的结构，可以适应不同的应用场景和传输需求。多功能集成：弯曲波导和电极的创新设计为多功能集成提供了更多可能性。例如，可以将电光调制器与其他光电子器件(如光开关、光衰减器等)集成在一起，形成多功能的光电子集成系统。

技术特征：

1.薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，其特征在于：由下至上由硅衬底和多个弯折型波导层堆叠而成，各波导层由下至上包括二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜、弯折型波导、弯折型行波电极、电磁屏蔽层堆叠而成。各波导层的所有弯折型波导均对应与其位置相关的二维坐标，所有二维坐标形成电光调制网络，分别记载调制网络中各元素所对应的弯折型波导的工作参数，不同波长光纤可根据需要耦合至对应位置的波导，刻蚀后二氧化硅缓冲层底面刻蚀有与行波电极匹配的凹槽，各波导层按照层叠顺序依次制备，电磁屏蔽层由碳纳米材料制成，采用电子束刻蚀技术在铌酸锂薄膜层制作光波导。

2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，其特征在于：所述波导为弯折型结构，在保证小型化的同时增大了调制区间。

3.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，其特征在于：所述弯折型光波导的制备步骤包括：

4.根据权利要求1或2或3所述的薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，其特征在于：所述行波电极的制备步骤包括：

5.根据权利要求1或2或3所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述电磁屏蔽层的制备步骤包括：

6.根据权利要求1或2或3所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述铌酸锂薄膜采用基于h+离子注入和sio2键合的smart-cut技术制备。

7.根据权利要求1或2或3所述的波导矩阵薄膜铌酸锂电光调制器，其特征在于：所述铌酸锂薄膜层厚度不大于500nm，所述波导层厚度不大于4μm，弯曲半径为7μm，弯曲角度为30°。

8.根据权利要求1或2或3所述的薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，其特征在于：行波电极结构为弯折型梯形结构。

9.根据权利要求1或2或3所述的薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，其特征在于：各所述行波电极具有引出端，各所述波导层均设置有露出行波电极引出端的台阶。

10.根据权利要求8所述的薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，其特征在于：所述由下至上的各台阶形成逐层变小的阶梯状。

技术总结本发明提供薄膜铌酸锂弯折电光调制网络，属于光电集成器件领域，由下至上由硅衬底和多个弯折型波导层堆叠而成，各波导层由下至上包括二氧化硅缓冲层、铌酸锂薄膜、弯折型波导、弯折型行波电极、电磁屏蔽层堆叠而成。各波导层的所有弯折型波导均对应与其位置相关的二维坐标，所有二维坐标形成电光调制网络，分别记载调制网络中各元素所对应的弯折型波导的工作参数，不同波长光纤可根据需要耦合至对应位置的波导，刻蚀后二氧化硅缓冲层底面刻蚀有与行波电极匹配的凹槽，各波导层按照层叠顺序依次制备，电磁屏蔽层由碳纳米材料制成，采用电子束刻蚀技术在铌酸锂薄膜层制作光波导。本发明包含多个弯折型波导，通过增大调制区间提高带宽，并且使产品的集成度提高。技术研发人员：张维佳,张文轩,罗雪婷受保护的技术使用者：天津科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18