CN117826456A - 调制器芯片及其调制设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种调制器芯片及其调制设备，从上往下依次包括保护层、电极层和波导层；波导层包括相互连接的平板层和凸起层，凸起层通过平板层固定在电极层上；电极层上设有与凸起层相配合的第一电极组和第二电极组；第一电极组位置对应地设置在凸起层的上方，且第一电极组沿靠近凸起层的方向延伸。通过设置电极层和波导层，第一电极组和第二电极组能从不同角度对平板层和凸起层施加电场，能够增大波导层内的电场强度，有效地控制电极层与波导层之间的距离，增大波导层内的电场强度，减少调制器芯片的光损耗，优化调制效率，并有效控制波导层的厚度，提高调制器芯片的适用性和兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及光通信器件技术领域，特别是涉及一种调制器芯片及其调制设备。
背景技术
调制器是将电信号转化为光信号的结构，是光通信发送组件的核心功能单元，其性能指标一般有插损，效率与带宽。薄膜铌酸锂调制器使用电光效应进行相位调制，相比硅光调制器，其带宽性能更强，在光通信领域得到广泛应用。但是，由于铌酸锂材料的介电常数较高，从法向穿过波导侧壁进入材料中的电场较小；同时，铌酸锂材料的光波导折射率差不大，波导模场不小，为了防止金属电极导致波导光吸收，电极不能靠近波导太近。这些因素导致了调制器铌酸锂波导的高度一般选择600nm来保持调制器的工作效率，且金属电极与波导保持一定的距离。因此，较厚的波导、倾斜的侧壁以及较难缩小的波导间隔让薄膜铌酸锂的耦合器(Directional Coupler，DC)、绝热耦合器(Adiabatic DirectionalCoupler，ADC)以及偏振旋转合束器(Polarization Revolve Combiner，PRC)等结构难以制作或存在性能不佳的情况；另外现有的调制器只能使用多模干涉仪进行2*2合分光，无法保证其工作范围覆盖到C+L宽波段。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种调制器芯片及其调制设备，能够增大波导层内的电场强度，优化调制效率，有效控制波导层的厚度，提高调制器芯片的适用性和兼容性。
第一方面，本发明实施例提供一种调制器芯片，从上往下依次包括保护层、电极层和波导层；所述电极层和所述波导层固定在所述保护层内；所述波导层包括相互连接的平板层和凸起层，所述凸起层通过所述平板层固定在所述电极层上；所述电极层上设有与所述凸起层相配合的第一电极组和第二电极组；所述第一电极组位置对应地设置在所述凸起层的上方，且所述第一电极组沿靠近所述凸起层的方向延伸；所述第二电极组位置对应地设置在所述凸起层的两侧。
第二方面，本发明实施例提供一种调制设备，包括如上所述的调制器芯片。
本发明实施例，通过设置电极层和波导层，第一电极组和第二电极组能从不同角度对平板层和凸起层施加电场，能够增大波导层内的电场强度，有效地控制电极层与波导层之间的距离，增大波导层内的电场强度，减少调制器芯片的光损耗，优化调制效率，并有效控制波导层的厚度，提高调制器芯片的适用性和兼容性。
附图说明
图1是现有技术中调制器芯片的截面图；
图2是本申请实施例提供的一种调制器芯片的截面图；
图3是本申请另一实施例提供的一种调制器芯片的截面图；
图4是图2中电极层的电场线分布示意图；
图5是本申请实施例提供的一种调制设备的结构图；
图6是图5中调制器芯片的截面图；
图7是本申请另一实施例提供的一种调制设备的结构图；
图8是图7中调制器芯片的截面图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
应了解，在本申请实施例的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
此外，下面所描述的本申请各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请实施例涉及的调制器芯片及其调制设备，是利用晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。其中，铌酸锂是一种无机物，化学式为LiNbO3，是一种负性晶体、铁电晶体，经过极化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，同时具有光折变效应。因此，采用铌酸锂作为波导材料的调制器芯片具有很强的带宽性能，在光通信领域得到广泛应用。
但是，由于铌酸锂材料的介电常数较高，从法向穿过波导侧壁进入材料中的电场较小；同时，铌酸锂材料的光波导折射率差不大，波导模场不小，为了防止金属电极导致波导光吸收，电极不能靠近铌酸锂波导太近。这些因素导致铌酸锂波导的高度难以控制，并使芯片上调制器与高性能的2*2绝热耦合器、偏振分束旋转器等存在兼容性差的问题，影响调制设备的调制性能和工作效率。
为了控制波导的厚度，提高调制器芯片的适用性和兼容性，现有技术中，调制器芯片采用如图1所示的双层结构的波导层300。但是该结构目前存在以下问题：电极层200只能设置在波导层300的两侧，无法有效地控制电极层200和波导层300之间的距离，在保证电极层200对波导层300施加电场强度的前提下，增大了波导层200的高度，难以解决芯片中调制器与高性能耦合器兼容性差的问题。
基于以上，本申请实施例提供一种调制器芯片及其调制设备，通过设置电极层和波导层，第一电极组和第二电极组能从不同角度对平板层和凸起层施加电场，能够增大波导层内的电场强度，有效地控制电极层与波导层之间的距离，增大波导层内的电场强度，减少调制器芯片的光损耗，优化调制效率，并有效控制波导层的厚度，提高调制器芯片的适用性和兼容性，从而可以有效解决芯片中调制器与高性能耦合器兼容性差的问题。
请参见图2和图3，图2和图3示出了本申请实施例提供的一种调制器芯片的截面图。如图2和图3所示，本申请实施例的调制器芯片从上往下依次包括保护层100、电极层200和波导层300；电极层200和波导层300固定在保护层100内；波导层300包括相互连接的平板层310和凸起层320，凸起层320通过平板层310固定在电极层200上；电极层200上设有与凸起层320相配合的第一电极组210和第二电极组220；第一电极组210位置对应地设置在凸起层320的上方，且第一电极组210沿靠近凸起层320的方向延伸；第二电极组220位置对应地设置在凸起层320的两侧。
可以理解的是，波导层300和电极层200均呈多层设置，使第一电极组210和第二电极组220从不同的角度包围平板层310和凸起层320，在保证波导层300和电极层200之间距离的同时能增大波导层300内的电场强度，减少电极层200对波导层300造成的光损耗，优化调制器芯片的调制效率，使得在减少波导层300厚度的情况下，能达到现有的厚度为600nm波导层300的调制芯片的调制效果和工作效率。
本申请另一实施例，平板层310的横截面积大于凸起层320的横截面积。
可以理解的是，平板层310的横截面积大于凸起层320的横截面积，凸起层320与平板层310形成脊波导结构。凸起层320的宽度能根据调制设备的需求进行调整，在实际应用中，凸起层320的宽度能控制在1μm到3μm之间，以满足不同应用需求。其中，脊波导结构本身既能作为直接的功能器件，如电光调制器、非线性频率转换器以及功能器件之间的连接器等，也能通过空间上的旋转来构造其他器件，如微环谐振腔等。
本申请另一实施例，平板层310的厚度为波导层300的厚度的40％～60％。
可以理解的是，平板层310的厚度为波导层300的厚度的40％～60％能有效保证凸起层320的厚度，保证波导层300所产生的光电效应，同时也能根据应用需求灵活调整平板层310与凸起层320的厚度比例，提高调制芯片的兼容性。
本申请另一实施例，波导层300的厚度介乎于300nm～500nm。
可以理解的是，由于第一电极组210和第二电极组220能从不同角度对平板层310和凸起层320施加电场，能够增大波导层300内的电场强度，有效地控制电极层200与波导层300之间的距离。因此，在保证调制芯片的调制效率的前提下，波导层300的厚度能得到显著的缩小，也能达到现有技术中厚度为600nm波导层300的调制效率和带宽劣化控制效果，提高调制芯片的兼容性。
本申请另一实施例，波导层300由薄膜铌酸锂制成。
可以理解的是，铌酸锂是一种无机物，是一种负性晶体、铁电晶体，经过极化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，同时具有光折变效应。因此，铌酸锂晶体是用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换能材料，铁电材料，电光材料，铌酸锂作为电光材料在光通讯中起到光调制作用。其单晶是光波导、移动电话、压电传感器、光学调制器和各种其它线性和非线性光学应用的重要材料。而随着薄膜铌酸锂加工工艺的改进和完善，出现了很多铌酸锂波导类型及工艺实现方法，传输损耗也在逐渐降低。因此，波导层300由薄膜铌酸锂制成具有成熟的工艺支撑，以保证波导层300的调制效果。
本申请另一实施例，保护层100包括下包层110和覆盖层120；电极层200和波导层300固定在下包层110和覆盖层120之间。
可以理解的是，下包层110和覆盖层120包裹着电极层200和波导层300，能有效地保证电极层200和波导层300之间的距离，提高电极层200和波导层300之间的稳定性，保证调制芯片的使用寿命。此外，下包层110能稳定地支撑电极层200和波导层300，避免电极层200和波导层300发生变形和损坏的情况。
本申请另一实施例，下包层110和覆盖层120均由氧化硅制成。
可以理解的是，氧化硅的化学性质比较稳定，不跟水反应。加上氧化硅具有较高的耐火、耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，覆盖层120能有效地保持电极层200之间的绝缘性能，进而保证电极层200施加在波导层300的电场强度，提高调制芯片的工作稳定性。
请参见图3，图3示出了本申请实施例提供的一种调制器芯片的截面图。如图3所示，本申请实施例的第二电极组220的下方还设有第三电极组230；平板层310的两端固定在第三电极组230内。
可以理解的是，电极层200通过第三电极组230与平板层310固定连接，保证了电极层200与波导层300之间的连接稳定性，也提高了调制芯片的一体性，避免电极层200与波导层300之间发生位移的情况，影响调制芯片的性能。
可以理解的是，如图3所示，在实际应用中，还能根据需求在平板层310的下方设置第四电极组240，能有效提高电极层200作用在波导层300上的电场强度。在相同的调制需求的前提下，有效地减小电极层200之间的电势差，降低调制芯片的功率能耗和提高调制芯片的调制效率。同时，第四电极组240也保证了电极层200与保护层100的连接稳定性。
具体的，第三电极组230和第四电极组240用于固定和连接平板层310和保护层100，为了保证调制芯片的一体性，形状配合波导层300的形状设置。而第一电极组210和第二电极组220在靠近波导层300一侧的形状能进行灵活设置，包括但不仅限于圆形、椭圆形和如图3所示的矩形。
本申请另一实施例，第一电极组210之间的距离大于或者等于3μm，第二电极组220之间的距离大于或者等于5μm。
可以理解的是，由于第一电极组210和第二电极组220位于平板层310的上方，第一电极组210能沿靠近凸起层320的方向向内延伸，第二电极组220之间的距离也能小于平板层310的宽度。因此，第一电极组210之间的距离能达到3μm，第二电极组220之间的距离能达到5μm，由于第一电极组210和第二电极组220从不同的角度包围平板层310和凸起层320，在保证波导层300和电极层200之间距离的同时能增大波导层300内的电场强度，有效地缩短了电极层200之间的距离。
在实际应用中，对于脊型光波导、线型光波导，首先利用电子束光刻技术(Electron beam Lithography)或光学光刻技术(Optical Lithography)定义光波导的位置和形状，再采用离子束铣(Ion Milling)、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP-RIE)、或湿法蚀刻(Wet Etch)、或晶体离子切片技术(Crystal Ion Slicing)完成光波导制作。对于孔道型光波导，在完成蚀刻步骤后，还需再沉积额外的二氧化硅层，使二氧化硅的顶部与铌酸锂光波导顶部齐平。对于质子交换光波导，需要铌酸锂浸入高温酸性溶液进行质子交换，形成质子交换铌酸锂。完成的铌酸锂光波导经过简单的二氧化硅包附和电极金属蒸镀即可作为器件使用。二氧化硅包层通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、化学气相沉积法(CVD)或物理气相沉积(PVD)生长。本实施例提供的调制器芯片均能通过现有的生产技术进行加工成型，只需要对第一电极组210、第二电极组220和覆盖层120的位置关系进行调整，无需对生产设备和生产流程进行大规模改造和升级，进一步降低了调制器芯片的加工难度和生产成本。
可以理解的是，在实际应用中，硅基电光调制器目前常见的是基于载流子色散效应来实现调制功能，其根据光学结构主要可以分为马赫曾德尔干涉型调制器(mach-zehnder interference，mzi)和微环谐振腔型(micro ring resonant，mrr)调制器。mzi型调制器工作原理是当一束光耦合到入射波导中时，通过光分束器将入射光分成两部分，分别进入上下两个调制臂中传输一段距离后，通过光合束器输出，上下两个臂的光场进行叠加。当改变其中一个臂的折射率或者长度时，两臂之间的相位差随之发生变化，经两臂之间相干叠加，输出光场发生变化；而mrr型调制器工作原理为，通过不同的电学结构改变波导的折射率从而可以实现光谱的变化。mrr型调制器虽然具有调制速率高以及尺寸小的优势，但该类型的调制器需要在能量效率和光学带宽之间进行折衷选择，且受工艺误差和环境因素影响较大。而mzi就具有良好的工艺容差与稳定性，因此市场主流的是mzi型电光调制器。但该类型调制器尺寸较大，因此降低mzi型调制器尺寸，提高调制效率以及器件高频性能是该类调制器发展的核心。
请参见图5和图7，图5和图7示出了本申请实施例提供的一种调制设备，包括如上所述的调制器芯片。其中，图5为应用本申请实施例调制器芯片的mzi调制器，图7为应用本申请实施例调制器芯片的mrr调制器。
可以理解的是，本申请实施例的调制器芯片适用于x方向的薄膜铌酸锂调制设备，请参见图4，图4示出了本申请实施例提供的电极层200的电场线分布示意图。如图4所示，为了让电场方向沿着z轴方向，调制设备的电极层200位于在波导层300左右两侧，而非波导层300的正上方和正下方布置。
具体的，如图5和图6所示的应用本申请实施例调制器芯片的mzi调制器，其波导两臂中间是信号S电极，两侧是参考地G电极。mzi调制器的合分光装置使用绝热耦合器，而绝热耦合器可保证损耗在C+L波段都保持在小于0.2dB的水平，并且分光比为50:50。具体的，电极层200在调制器芯片制作过程中，通过波导层300刻蚀和下包层110的沉积与刻蚀，在波导层300附近形成如图6所示的结构。示例性的，波导层300的总厚度为350nm，其中平板层310的厚度为170nm，凸起层320的宽度为2μm；然后再制作电极层200，目标是形成图6所示在波导层300两侧，从低于平板层310到高于凸起层320的位置，都沉积金属依次作为第四电极组240、第三电极组230、第二电极组220和第一电极组210。
在mzi调制器工作过程中，当电极层200之间存在电压差时，两个电极层200之间形成的电场线部分穿过波导层300的凸起层320和平板层310，通过电光效应改变铌酸锂材料的折射率，从而调制马赫增德尔干涉仪的一臂相位。相比只在图1的波导层300上放置左右两侧电极的调制器，本申请实施例的mzi调制器的效率提高27％。
具体的，如图7和图8所示的应用本申请实施例调制器芯片的mrr调制器，波导层300两侧的信号S与参考地G电极朝向相同。波导层300的厚度为400nm，其中平板层310的厚度为200nm。电极层200在调制器芯片制作过程中，通过波导层300刻蚀和下包层110的沉积与刻蚀，在波导层300附近形成如图8所示的结构；然后再制作电极层200，目标是形成图8所示的在波导层300两侧，从平板层310到高于凸起层320的位置，都沉积金属依次作为第三电极组230、第二电极组220和第一电极组210。其中，mrr调制器的环中凸起层320的宽度为1μm，左侧的直波导在耦合区的宽度从2μm渐变为1.4μm，形成一个绝热耦合器或半绝热耦合器，以减小耦合器的分光比波长相关性，增大可用波长范围。
在mrr调制器工作过程中，当电极层200之间存在电压差时，两个电极层200之间形成的电场线部分穿过波导层300的凸起层320和平板层310，通过电光效应改变铌酸锂材料的折射率，从而调制环形谐振腔的谐振波长。
以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包括计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
Claims (10)
1.一种调制器芯片，其特征在于，从上往下依次包括保护层、电极层和波导层；所述电极层和所述波导层固定在所述保护层内；所述波导层包括相互连接的平板层和凸起层，所述凸起层通过所述平板层固定在所述电极层上；所述电极层上设有与所述凸起层相配合的第一电极组和第二电极组；所述第一电极组位置对应地设置在所述凸起层的上方，且所述第一电极组沿靠近所述凸起层的方向延伸；所述第二电极组位置对应地设置在所述凸起层的两侧。
2.根据权利要求1所述的调制器芯片，其特征在于，所述平板层的横截面积大于所述凸起层的横截面积。
3.根据权利要求2所述的调制器芯片，其特征在于，所述平板层的厚度为所述波导层的厚度的40％～60％。
4.根据权利要求3所述的调制器芯片，其特征在于，所述波导层的厚度介乎于300nm～500nm。
5.根据权利要求4所述的调制器芯片，其特征在于，所述波导层由薄膜铌酸锂制成。
6.根据权利要求1所述的调制器芯片，其特征在于，所述保护层包括下包层和覆盖层；所述电极层和所述波导层固定在所述下包层和所述覆盖层之间。
7.根据权利要求6所述的调制器芯片，其特征在于，所述下包层和所述覆盖层均由氧化硅制成。
8.根据权利要求1所述的调制器芯片，其特征在于，所述第二电极组的下方还设有第三电极组；所述平板层的两端固定在所述第三电极组内。
9.根据权利要求8所述的调制器芯片，其特征在于，所述第一电极组之间的距离大于或者等于3μm，所述所述第二电极组之间的距离大于或者等于5μm。
10.一种调制设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的调制器芯片。
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