基于铌酸锂-硅晶圆的高速低电压电光调制器

摘要

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。

权利要求

1.一种铌酸锂‑硅晶圆高速低电压马赫‑曾德干涉结构的电光调制器，其特征在于：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、移相臂、模斑转换器、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、模斑转换区和高折射率区，所述移相臂包括热调移相臂和电调移相臂，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、移相臂、模斑转换器构成波导结构组件，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。

2.根据权利要求1所述的铌酸锂‑硅晶圆高速低电压马赫‑曾德干涉结构的电光调制器，其特征在于：所述的波导结构组件包括两个多模干涉仪、四个模斑转换器、两个热调移相臂、两个电调移相臂、直流偏置电极和射频电极，所述的两个多模干涉仪分别作为合波器与分波器，所述的合波器的两个输出端口分别与所述的两个热调移相臂的一端相连，该两个热调移相臂的另一端分别与两个模斑转换器的一端相连，该两个模斑转换器的另一端分别与两个电调移相臂的一端相连，该两个电调移相臂的另一端分别与另两个模斑转换器的一端相连，该两个模斑转换器另一端与所述的合波器相连。

3.根据权利要求1所述的铌酸锂‑硅晶圆高速低电压马赫‑曾德干涉结构的电光调制器，其特征在于：所述的模斑转换器可以通过单层锥形耦合器或者双层锥形耦合器实现。

4.根据权利要求1所述的铌酸锂‑硅晶圆高速低电压马赫‑曾德干涉结构的电光调制器，其特征在于：所述的波导结构组件依次是第一多模干涉仪、热调移相臂、模斑转换器、电调移相臂和第二多模干涉仪。

说明书

基于铌酸锂‑硅晶圆的高速低电压电光调制器

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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."Bonded 
thin film lithium niobate modulator on a silicon photonics platform exceeding 
100GHz 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."LiNbO 
3thin‑film modulators using silicon nitride surface ridge waveguides."IEEE 
Photonics 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

[0004] 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。

[0005] 本发明的技术解决方案如下：

[0006] 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。

[0007] 所述的波导结构组件包括两个多模干涉仪、四个模斑转换器、两个热调移相臂、两个电调移相臂、直流偏置电极和射频电极，所述的两个多模干涉仪分别作为合波器与分波
器，所述的合波器的两个输出端口分别与所述的两个热调移相臂的一端相连，该两个热调
移相臂的另一端分别与两个模斑转换器的一端相连，该两个模斑转换器的另一端分别与两
个电调移相臂的一端相连，该两个电调移相臂的另一端分别与另两个模斑转换器的一端相
连，该两个模斑转换器另一端与所述的合波器相连。

[0008] 所述的模斑转换器可以通单层锥形耦合器或者双层锥形耦合器实现。

[0009] 所述的波导结构组件依次是多模干涉仪、热调移相臂、模斑转换器、电调移相臂和多模干涉仪。

[0010] 所述的波导结构组件依次是多模干涉仪、模斑转换器、电调移相臂和多模干涉仪。

[0011] 一种基于铌酸锂‑硅晶圆的高速低电压的电光调制器，其特点在于从调制器的输入端到输出端分别是高折射率区、模斑转换区、电光调制区、模斑转换区、高折射率区。

[0012] 在高折射率区，大部分光波的能量位于硅波导中；在模斑转换区，光波的能量从硅波导转移至铌酸锂波导中；在电光调制区，大部分光波的能量位于铌酸锂波导中，以进行电
光调制。

[0013] 本发明的技术效果如下：

[0014] 本发明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。

[0015] 在高折射率区，大部分光波的能量位于硅波导中；在模斑转换区，光波的能量从硅波导转移至铌酸锂波导中；在电光调制区，大部分光波的能量位于铌酸锂波导中，以进行电
光调制。

[0016] 本发明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。

[0017] 本发明利用铌酸锂‑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。

附图说明

[0018] 图1为本发明铌酸锂‑硅晶圆高速低电压电光调制器结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为剖视图。

[0019] 图2为本发明模斑转换器3的结构示意图，其中(a)为三维结构图，(b)为剖视图，(c)为俯视图。

[0020] 图3为本发明在模斑转换器输入输出端口的光波的能量分布示意图即模场分布示意图，其中(a)为大部分光波能量在硅波导中的模场分布图，(b)为大部分光波能量分布在
铌酸锂波导中的模场分布图。

[0021] 图4为本发明在电光调制区的横向剖图视图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，给出了详细的实施方式和结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0023] 图1所示为本发明马赫‑曾德干涉结构的电光调制器，由俯视图(a)可以看到本发明电光调制器位于同一铌酸锂‑硅晶圆上，其结构包含多模干涉仪1、移相臂2、模斑转换器
3、直流偏置电极4与射频电极5等组件，其中移相臂2包括热条移相臂21和电调移相臂22。多
模干涉仪1、热调移相臂21和直流偏置电极4位于高折射率区，模斑转换器3位于模斑转换
区，电调移向臂22和射频电极5位于电光调制区；由剖视图(b)可以看到，本发明电光调制器
由下到上包括硅衬底层6、二氧化硅隔离层7、铌酸锂晶圆层8、硅波导层9。对所述硅波导层
10进行刻蚀形成多模干涉仪1、移相臂2与模斑转换器3。

[0024] 图2所示为本发明所述的模斑转换器3的结构示意图。由三维结构图(a)可以看到，本发明所述的模斑转化器3由两层锥形耦合器组成；由剖视图(b)可以看到本发明模斑转换
器的输入端与输出端具有不同的波导厚度；由俯视图(c)可以看到本发明模斑转换器3的输
入端与输出端具有不同的波导宽度。

[0025] 图3所示为本发明铌酸锂‑硅晶圆高速、低电压电光调制器在模板转换区输入输出端口的光波的能量分布示意图即模场分布示意图由光场分布示意图可以看到，通过模斑转
换器，束缚在硅波导中的大部分光波传输至铌酸锂波导中。

[0026] 图4所示为本发明在电光调制区的纵向截面图。本发明电光调制器由下到上包括硅衬底层6、二氧化硅隔离层7、铌酸锂晶圆层8、硅波导层9与射频电极5，其中电调移相臂4
位于射频电极5之间。

[0027] 实施例1

[0028] 本发明基本结构是马赫‑曾德调制器，包括两个多模干涉仪1，两个模斑转换器3，两个热调移相臂21、两个电调移相臂22、直流偏置电极4与射频电极5。其中多模干涉仪为1
×2多模干涉仪，两个多模干涉仪1分别作为合波器与分波器。合波器的两个输出端口分别
与两个热调移相臂21相连，两个热调移相臂21分别与两个模斑转换器3的一端相连，该两个
模斑转换器3的另一端分别与两个电调移相臂22相连，两个电调移相臂22分别与两个模斑
转换器相连，两个模斑转换器3最终与合波器相连。所述的直流偏置电极4形成在热调移相
臂21附近，而所述的射频电极5形成在电调移相臂22附近。本发明最大的特征在于铌酸锂晶
圆上存在硅晶圆，通过成熟的互补金属氧化物集成工艺刻蚀硅晶圆，形成铌酸锂‑硅混合波
导。通过控制硅波导的刻蚀宽度与刻蚀深度，使得光波能在硅波导和铌酸锂波导中传输。

[0029] 实施例2

[0030] 针对高速、低电压调制器的偏置点控制方法，在本发明的实施例中，热调移相臂21位于高折射率区域，用于高速、低电压调制器的偏置点控制。因此从调制器的一端口到另一
端口，波导结构组件分别是多模干涉仪1、热调移相臂21、模斑转换器3、电调移相臂22、多模
干涉仪1。

[0031] 实施例3

[0032] 在本发明的另一实施例中，热调移相器21位于低折射率区域，用于高速、低电压调制器的偏置点控制。因此从调制器的一端口到另一端口，波导结构组件分别是多模干涉仪
1、模斑转换器3、热调移相臂21、电调移相臂22、多模干涉仪1。

[0033] 实施例4

[0034] 在本发明的其它实施例中，利用电调移相臂进行高速、低电压调制器的偏置点控制。因此从调制器的一端口到另一端口，波导结构组件分别是多模干涉仪1、模斑转换器3、
电调移相臂22、多模干涉仪1。

[0035] 针对模斑转换方式，在本发明的实施例中，由于在高折射率区与电光调制区，硅波导具有不同的刻蚀宽度和高度，因而使用两层锥形耦合器作为模斑转换器3进行光波的转
移与传输。在本发明的其它实施例中，在高折射率区与电光调制区硅波导具有同样的刻蚀
宽度，因而可以使用一层锥形耦合器作为模斑转换器3进行光波的转移与传输。