阅读说明：本技术 一种光子晶体电光调制器及其制作方法 (Photonic crystal electro-optic modulator and manufacturing method thereof ) 是由 熊兵 刘学成 罗毅 孙长征 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光子晶体电光调制器及其制作方法,包括衬底、在衬底上通过溅射抬离或者电镀形成的电极、在电极与衬底上沉积形成的键合层、对键合层抛光处理后键合形成的电光材料薄膜、在电光材料薄膜上刻蚀形成的光子晶体线缺陷波导、以及填充于光子晶体线缺陷波导中除线缺陷两侧第一排空气孔以外的其余空气孔内的金属柱；位于线缺陷两侧的金属柱之间分别通过相应的电极实现电连接,且位于线缺陷两侧第一排空气孔的下方未设置电极和键合层。本发明可实现光波导区域调制电场的紧束缚,利用光子晶体的慢光效应增强电光相互作用以降低半波电压长度积,实现器件的小型化。采用周期容性负载电极来实现微波与光波的速度匹配,兼顾高频调制特性。(The invention discloses a photonic crystal electro-optic modulator and a manufacturing method thereof, and the photonic crystal electro-optic modulator comprises a substrate, an electrode formed on the substrate through sputtering lift-off or electroplating, a bonding layer formed by deposition on the electrode and the substrate, an electro-optic material film formed by bonding after polishing the bonding layer, a photonic crystal line defect waveguide formed by etching on the electro-optic material film, and metal columns filled in the rest air holes except for a first row of air holes at two sides of the line defect in the photonic crystal line defect waveguide; the metal columns on two sides of the line defect are electrically connected through corresponding electrodes respectively, and the electrodes and the bonding layers are not arranged below the first air exhaust holes on two sides of the line defect. The invention can realize the tight constraint of the modulation electric field of the optical waveguide area, enhance the electro-optic interaction by utilizing the slow light effect of the photonic crystal so as to reduce the half-wave voltage length product and realize the miniaturization of the device. The speed matching of the microwave and the optical wave is realized by adopting the periodic capacitive load electrode, and the high-frequency modulation characteristic is considered.)

一种光子晶体电光调制器及其制作方法

技术领域

本发明涉及低半波电压、宽带超紧凑型马赫增德尔电光调制器，具体涉及一种光子晶体电光调制器及其制作方法。

背景技术

光纤通信是现代通信的主要支柱之一。随着数据通信业务的***增长，人们对于通信的带宽提出了越来越高的要求，当前光纤通信系统单波长带宽正从2.5Gb/s、10Gb/s向更高带宽迈进。将信息加载到激光上分为内调制和外调制。内调制引起的啁啾较大，由于光纤的色散作用限制了其传输距离，此外内调制带宽也不高。外调制主要有电吸收型幅度调制器和电光型相位调制器，电吸收调制器固有损耗大，光生载流子引起调制电场的屏蔽效应容易造成调制器的饱和，而且只有幅度改变难以应用于高级调制格式；电光调制器所用材料主要有铌酸锂、有机聚合物和半导体等，他们都无法同时满足现代通信要求的大带宽、低半波电压、低***损耗、小型化和集成化；而薄膜铌酸锂材料是通过离子切片和键合工艺制备而成，在电光调制器方面有巨大的潜力。

目前报道的薄膜铌酸锂调制器，波导结构都是直波导结构，电极都采用G-S-G结构的普通共面波导行波电极实现并联的电场加载。报道的压长积最小值为2.2V*cm，器件长度都在cm量级，无法同时满足器件的低半波电压和小型化。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提供一种光子晶体电光调制器及其制备方法。本发明可实现光波导区域调制电场的紧束缚，同时利用光子晶体的慢光效应来进一步增强电光相互作用，从而降低半波电压长度积，进一步实现器件的小型化。电极方面采用周期容性负载电极结构来实现微波与光波的速度匹配，兼顾高频调制特性。有望在1mm以内的器件长度上实现低半波电压和大调制带宽。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种光子晶体电光调制器，其特征在于，包括衬底、电极、键合层、电光材料薄膜、由在所述电光材料薄膜上通过刻蚀形成的光子晶体线缺陷波导、以及填充于所述光子晶体线缺陷波导中除线缺陷两侧第一排空气孔以外的其余空气孔内的金属柱；位于线缺陷两侧的所述金属柱之间分别通过相应的所述电极实现电连接，且位于线缺陷两侧第一排空气孔的下方未设置所述电极和键合层。

本发明还提出上述光子晶体电光调制器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)先在衬底上通过溅射抬离或者电镀的方法形成电极，该电极选用周期容性负载电极；

(2)在电极与衬底上沉积键合层，经过抛光处理后将电光材料薄膜键合在键合层上；

(3)对电光材料薄膜和键合层进行对准刻蚀，使得光子晶体线缺陷波导中线缺陷两侧形成多排空气孔，并确保线缺陷两侧第一排空气孔下方未被电极覆盖，剩余空气孔下方被电极覆盖；

(4)对除线缺陷两侧第一排空气孔外的剩余空气孔进行电镀实现金属填充形成金属柱；

(5)使用缓冲氧化物刻蚀溶液将线缺陷两侧第一排空气孔下方的键合层去除。

本发明的特点及有益效果为：

本发明基于薄膜型电光材料体系，典型的有薄膜铌酸锂。在薄膜铌酸锂上通过刻蚀形成线缺陷光子晶体波导，再在部分刻蚀形成的空气孔中填充相互电连接的金属，将调制电场紧束缚在铌酸锂区域，从而进一步增强电光相互作用，在很短的器件尺寸上实现低半波电压，器件长度相比与现有文献报道水平减小一个数量级。同时利用高介电常数衬底上的周期容性负载电极减慢微波速度从而与光群速度匹配以获得大调制带宽。

附图说明

图1为本发明实施例的一种光子晶体电光调制器的整体结构三维视图。

图2为图1所示调制器的俯视图。

图3为图1所示调制器的剖面示意图。

图4为图1所示调制器中电极的结构示意图。

图5的(a)～(d)分别为本发明实施例的调制器中金属填充实现电场紧束缚带来电光重叠因子增大的效果图；其中，(a)为正方晶格空气孔型光子晶体波导采用金属填充之前的光场分布图，(b)为正方晶格空气孔型光子晶体波导采用金属填充之前的电场分布图，(c)为正方晶格金属填充光子晶体波导的光场分布图，(d)为正方晶格金属填充光子晶体波导的电场分布图。

图6为由图1所示电光调制器组成的M-Z调制器的整体结构三维视图。

图7为图6所示M-Z调制器中金属填充光子晶体波导结构的俯视图。

图8为由图2所示光波导结构的光透射谱和慢光群速度曲线。

图9的(a)、(b)分别为图4所示微波传输线结构的速度匹配以及电光频率响应示意图。

图10为本发明实施例的调制器的制备过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种光子晶体电光调制器及其制备方法的应用实例。

本发明实施例的一种光子晶体电光调制器，其结构参见图1～图4，包括衬底1、电极2、键合层3、电光材料薄膜4、由在电光材料薄膜4上通过刻蚀形成的光子晶体线缺陷波导5、以及填充于该光子晶体线缺陷波导5中除线缺陷51两侧第一排空气孔52以外的其余空气孔内的金属柱6；位于线缺陷51两侧的金属柱6之间分别通过相应的电极2(该电极包括T电极、信号电极和地电极三种电极，与金属柱直接连接的是T电极)实现电连接，且位于线缺陷51两侧第一排空气孔52的下方无电极2和键合层3，参见图3，第一排空气孔下方与衬底1之间为空气。

本实施例中各组成部件的具体实现方式及功能分别描述如下：

衬底1采用高介电常数(相对介电常数大于7)材料制成，如硅和铌酸锂等，用于降低微波在本调制器中的传输速度以与光子晶体线缺陷波导5内的慢光群速度匹配，且起到为本调制器中其余部件提供物理支撑的作用。

电极2采用周期容性负载电极结构，在衬底1上通过溅射抬离或者电镀的方法形成电极2，可进一步增大本调制器的微波有效折射率以与光群折射率匹配，从而获得大调制带宽。参见图4，电极2具体包括信号电极22、地电极23和呈周期性布设的T电极21；其中，信号电极22位于中间，地电极23位于信号电极22两侧形成电场的并联推挽加载，周期性布设的T电极21位于信号电极22和地电极23所形成的两个电极间隙中，且T电极21直接与填充于光子晶体线缺陷波导5中的金属柱6相连接。电极2采用高电导率金属(电导率大于10⁷S/m的金属)制备，典型的有金。电极2厚度在100nm及以上。

键合层3，通过沉积或旋涂的方式设置于衬底1与电极2之上、电光材料薄膜4之下。键合层3可选择苯并环丁烯(BCB)或二氧化硅(SiO₂)等常见键合材料，本实施例优选为二氧化硅，用于电光材料薄膜4的键合。电极2和电光材料薄膜4之间键合层3的厚度为10nm-2000nm。

电光材料薄膜4是通过对键合层3进行抛光处理后将电光材料键合在键合层3上形成。电光材料采用存在电光效应的材料，本实施例中选用铌酸锂、钽酸锂或钛酸钡。典型的有铌酸锂薄膜，铌酸锂具有很高的电光系数，在通信波长1550nm下的电光系数可以达到29pm/V，而且薄膜化工艺成熟；

光子晶体线缺陷波导5是通过在电光材料薄膜4上刻蚀形成。光子晶体线缺陷波导5优选为正方晶格W1光子晶体线缺陷波导。除线缺陷51两侧第一排空气孔52之外的其它空气孔均分别使用金属填充形成金属柱6，位于线缺陷51两侧的金属柱6下方分别与T电极接触实现金属柱之间的电连接，即每一侧金属柱之间分别和微波传输线信号电极22或地电极23通过T电极21实现电学导通，金属柱6采用电导率大于10⁷S/m的金属。由于光子晶体线缺陷波导5的光场主要集中在缺陷区以及第一排空气孔区域，因此在剩余空气孔内填充金属可以最大程度地降低金属对于光的附加损耗；此外，如图5所示铌酸锂区域的光场和电场分布可以看出，空气孔经过金属填充后可以将起到调制作用的电场紧密束缚在光场所在区域，其带来的更小的电极间距以及更大的电光重叠因子可以增强电光相互作用，降低半波电压长度积；光子晶体线缺陷波导5的另外一个作用是：光子晶体线缺陷波导5为慢光波导，慢光可以进一步增强电光相互作用，根据文献1(Roussey M,Baida F I,Bernal MP.Experimental and theoretical observation of the slow light effect on atunable photonic crystal[J].Journal of the Optical Society of America B,2007,24(6):1416-1422.)中的理论与实验表明，其增强因子为：

其中，为体材料的光波群速度，为慢波波导中的光波群速度，f为光子晶体波导的慢光增强因子。

实施例一：本实施例中个结构层的尺寸如下表所示：

表1实施例一器件参数

表中，L_p为T电极的周期，L_act为T电极的有效长度，W_signal为信号电极的宽度，W_g为信号电极与地电极的间距，gap为T电极的间距，P_crystal为光子晶体的周期，R_air为空气孔的半径，R_Au为金属柱的半径，H_gold为电极的厚度，H_ln为铌酸锂薄膜的厚度，H_sio2为铌酸锂薄膜与衬底之间键合层的厚度，H_sub为衬底的厚度。

参见图6、7，采用两个参数相同的上述光子晶体电光调制器形成M-Z调制器的两臂，将该调制器连接Y分支输入波导7和Y分支输出波导8，并在Y分支输入波导7和Y分支输出波导8和光子晶体线缺陷波导5之间设置过渡结构9。采用厚度400nm的铌酸锂薄膜4，其上空气孔的孔径周期490nm，波导两侧第一排空气孔的半径170nm，剩余金属柱的半径130nm。经过仿真，如图8中所示，此时波导传输损耗6dB/mm，在500μm波导长度下链路损耗7dB,双端过渡结构各有2dB的耦合损耗。在链路损耗最小时获得群折射率约为8的慢光。通过对光场和调制电场的仿真确定电光重叠因子为62％，此时半波电压约为2V。

在微波结构方面，微波传输线直接放置在高介电常数衬底上(如硅、铌酸锂)来降低微波速度。采用T型电极加载的周期容性负载电极，所谓周期容性负载电极结构是指，在传统G-S-G电极结构的基础上周期加载T电极，以进一步减慢微波速度，使之与光波群速度的匹配。在表1所示电极参数下实现了0-200GHz微波有效折射率在8附近，如图9中(a)、(b)所示，在此速度匹配的条件下实现了200GHz的器件带宽(500μm长度下)。

本发明还提出上述光子晶体电光调制器的制作方法，如图10所示，包括以下步骤：

(1)：先在衬底1上通过溅射抬离或者电镀的方法形成电极2；电极2优选周期容性负载电极结构；

(2)：在电极2与衬底1上沉积一层二氧化硅作为键合层3，经过抛光处理后将铌酸锂薄膜4键合在二氧化硅上；

(3)对铌酸锂薄膜4和键合层3进行对准刻蚀，使得波导两侧形成多排空气孔，并确保波导两侧第一排空气孔下方没有电极2，剩余空气孔下方设有电极，即波导两侧第一排空气孔位于T型电极之间，剩余空气孔位于T型电极上方；

(4)对除波导两侧第一排空气孔外的剩余空气孔进行电镀实现了金属填充形成金属柱；

(5)使用BOE(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀)溶液将波导两侧第一排空气孔下方的键合层去除，以增加波导垂直方向折射率对比，减小光场向键合层以及衬底区域的泄露。

实施例二：

本实施例与实施例一的不同之处在于：将实施例一中有效调制波导长度变为1mm，此时半波电压约为1V，器件带宽约为100GHz。

实施例三：

本实施例与上述实施例的不同之处在于：将电光材料薄膜4的材料铌酸锂替换成钽酸锂。

实施例四：

本实施例与上述实施例的不同之处在于：将电光材料薄膜4的材料铌酸锂替换成钛酸钡。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。