阅读说明：本技术 基于lnoi薄膜的集成微型光幅相控制器 (Integrated micro light amplitude and phase controller based on LNOI film ) 是由 王云新 王大勇 李可心 杨登才 赵洁 戎路 保剑锋 于 2020-07-22 设计创作，主要内容包括：基于LNOI薄膜的集成微型光幅相控制器,属于光电子技术领域,由LNOI薄膜上的光波导和行波电极所构成,LNOI薄膜由铌酸锂层与SiO<Sub>2</Sub>缓冲层构成,在铌酸锂层上面采用沉积的方法形成铌酸锂异构单模波导构成光波导,在该光波导两侧设置相位控制器电极,构成相位控制单元；之后光波导分为平行两路,在该两路光波导间设置幅度控制器电极,构成幅度控制单元,之后该两路光波导合束进行干涉,作为光的幅相控制后的输出波导。本发明可以根据需求对光场同时进行相位和幅度的调控；并且波导结构为薄膜铌酸锂与氮化硅异构,使得幅相控制器具有低损耗、高调制效率、高集成度等优点,具有潜在经济与应用价值,能够在光探测和光通信领域中得到广泛的应用。(An integrated micro optical amplitude phase controller based on LNOI film is composed of optical waveguide and traveling wave electrode on LNOI film, which is composed of lithium niobate layer and SiO 2 The buffer layer is formed, lithium niobate heterogeneous single mode waveguide is formed on the lithium niobate layer by adopting a deposition method to form an optical waveguide, and phase controller electrodes are arranged on two sides of the optical waveguide to form a phase control unit; the two optical waveguides are divided into two parallel paths, an amplitude controller electrode is arranged between the two optical waveguides to form an amplitude control unit, and then the two optical waveguides are combined to perform interference to be used as output waveguides after the amplitude phase control of light. The invention can regulate and control the phase and the amplitude of the light field simultaneously according to the requirement; and the waveguide structure is heterogeneous of thin film lithium niobate and silicon nitride, so that the amplitude-phase controller has the advantages of low loss, high modulation efficiency, high integration and the like, has potential economic and application values, and can be applied to the fields of optical detection and optical communicationIs widely applied.)

基于LNOI薄膜的集成微型光幅相控制器

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及一种基于铌酸锂薄膜(LNOI)的集成微型光幅相控制器，可应用于光通信、相控阵雷达、光计算等。

背景技术

随着遥感通信、深空探测等长距离通信需求的日益增加，要求不断增大天线的口径和发射功率，但就目前加工水平来说，制造大口径的发射和接收天线十分困难。分布式天线阵列是解决这一问题的有效途径之一。分布式天线阵列是由若干个较小口径的子天线组成，子天线以特定结构排列，利用波束成形等技术通过控制每个收发单元发出电磁波的幅度、相位以及偏振态以实现高功率、高精度、多目标探测等功能。而幅相控制器是分布式系统中的核心器件，也是影响整个系统性能的主要因素之一。

光幅相控制器作为新一代微波光子系统的关键器件，主要在光域实现对微波信号的相位和强度控制。为了同时实现幅度和相位控制，传统的幅相控制器通常需要多个调制器通过光纤进行级联，这会造成体积大、损耗大等缺点。除此之外，由于光纤的不稳定性，如抖动和温度敏感等外界因素会造成相位不稳，进而恶化系统噪声，最终导致整个系统性能下降。传统的铌酸锂电光调制器采用Ti扩散或质子交换波导，由于折射率差较小，传统幅相调制器的体积通常较大，难于集成。综上，目前分离的幅相控制器无法满足高速远距离通信对幅相控制的要求，因此设计具有高调制效率、低损耗、高集成度的幅相调制器具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于铌酸锂薄膜与氮化硅加载条的集成幅相控制器，光场通过输入光纤耦合到芯片内，经过幅相控制器对其进行控制后，输出光同样通过空间耦合到输出光纤中。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

基于LNOI薄膜的集成微型光幅相控制器，通过在LNOI薄膜上构造光波导和行波电极构成，所述LNOI薄膜由铌酸锂层与SiO₂缓冲层构成，所述铌酸锂层采用X切型铌酸锂，在所述铌酸锂层上面采用沉积的方法硅形成铌酸锂异构单模波导构成所述光波导，该光波导的前端作为输入波导；然后在该光波导两侧设置相位控制器电极，构成相位控制单元；该光波导出所述相位控制单元后，由Y型波导分束器等分为平行的两路光波导，在该两路光波导间设置幅度控制器电极，构成幅度控制单元，所述幅度控制器电极由位于所述的两路光波导之间的幅度控制器中心电极和位于所述的两路光波导外侧的两个幅度控制器地电极组成；所述的两路光波导出所述幅度控制单元后，由Y型波导合束器进行干涉，作为光的幅相控制后的输出波导。

所述LNOI薄膜长度3cm,其中所述相位控制单元长度1cm，所述幅度控制单元长度1.7cm；所述光波导的波导宽度为1.8μm；所述相位控制器电极的电极间距为8μm、半波电压为2.7V；所述幅度控制中心电极与两个所述幅度控制地电极的间距皆为8μm、半波电压为2V。

所述Y型波导分束分束器、Y型波导分束合束器的波导弯曲部分分别采用上升和下降余弦曲线弯曲。

本发明的有益效果为：(1)本发明为幅相控制器，即可以根据需求对光场同时进行相位和幅度的调控；(2)本发明波导结构为薄膜铌酸锂与氮化硅材料异构，使得幅相控制器具有低损耗、高调制效率、高集成度等优点，具有潜在经济与应用价值，能够在光探测和光通信领域中得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明基于铌酸锂薄膜(LNOI)的集成微型光幅相控制器结构示意图；

图2为本发明所述相位控制单元剖面结构示意图；

图3为本发明所述幅度控制单元剖面结构示意图；

图中1.输入波导，2.LNOI薄膜，3.相位控制器电极，4.幅度控制器中心电极，5.幅度控制器地电极，6.输出波导，7.Y型波导分束器，8.Y型波导合束器，9.光波导，10.铌酸锂薄膜，11.SiO₂缓冲层，Ⅰ.相位控制单元，Ⅱ.幅度控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于此实施例。

本实施例的一种基于铌酸锂薄膜(LNOI)的集成微型光幅相控制器示意图如图1所示。包括一路输入波导1，LNOI薄膜2即铌酸锂薄膜波导芯片，一路输出波导6，其中铌酸锂波导芯片包括第一级的相位控制单元Ⅰ和第二级的幅度控制单元Ⅱ即马赫-曾德尔强度调制器。

所述LNOI薄膜2由铌酸锂层10与SiO₂缓冲层11构成，所述铌酸锂层10采用X切型铌酸锂，在所述铌酸锂层10上面采用沉积的方法形成铌酸锂氮化硅异构单模波导构成所述光波导9，该光波导9的前端作为输入波导1；然后在该光波导9两侧设置相位控制器电极3，构成相位控制单元Ⅰ；该光波导9出所述相位控制单元Ⅰ后，由Y型波导分束器7等分为平行两路，在该两路光波导9间设置幅度控制器电极，构成幅度控制单元Ⅱ，所述幅度控制器电极由位于两路光波导9之间的幅度控制器中心电极4，和位于两路光波导9外侧的两个幅度控制器地电极5组成；该两路光波导9出所述幅度控制单元Ⅱ后，由Y型波导合束器(8)进行干涉，作为光的幅相控制后的输出波导6。

光场输入波导1进入第一级的相位控制单元Ⅰ，光波导9在行波电极的作用下折射率发生改变，从而改变波导中光波的相位。经过相位控制单元Ⅰ调制的光由Y型波导分束器7等分为两路进入第二级的幅度控制单元Ⅱ中，分别进入上下两个干涉臂，两路光在行波电极的作用下产生相位差，之后由Y型波导合束器8进行干涉，干涉后的强度与两路光的相位差有关。经过相位和幅度调制的光由输出波导6输出，即可完成对光的幅相控制。

本发明的制作工艺简单，所述铌酸锂基底10采用X切型，所述光波导9利用等离子体电化学沉积技术在铌酸锂层10上沉积500nm厚的氮化硅，之后通过RIE刻蚀形成单模波导，本实例中微幅相控制器的总长度为3cm。光波导9在Y型波导分合束器、上下平行的波导干涉臂宽度相同为1.8μm。幅度控制器采用推挽式的电极结构，这种结构能在幅度控制器的两干涉臂上同时加电场，实现相位调制。推挽式的电极结构相比于单臂调制能获得更小的控制电压，减小了控制器的功耗，本实例中电极厚度为4.5μm，电极宽度为8μm，电极间距为8μm，为了减小器件的长度又保证器件具有较低的调制电压，需合理设置干涉臂长度，本实例中干涉臂长度为1cm。第一级的相位控制器的调制长度1cm，第二级的幅度控制器两臂的间距为24μm，长度为1.7cm。

综上所述，本发明提出了基于铌酸锂薄膜(LNOI)的集成微型光幅相控制器，能够很好地实现对光的幅度和相位同时控制，具有调制效率高、传播损耗低以及集成度高的优势。有望在光通信、深空探测等领域中得到广泛的应用。