具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致方法的例子。

下面通过具体的实施例对本申请提供的片上集成铌酸锂多波复合处理器件及其制备方法进行详细阐述。

首先，对本方案的使用场景作简要介绍。

光模块由光电子器件、功能电路和光接口部件等组成，一般地，光电子器件包括发射端和接收端两部分，其中，接收端用于将接收到的光信号转换成电信号，而发送端则是将电信号转换成光信号发送至其它模块。简单的说，光模块的作用是光电转换的器件，在信号传输过程中，两个光模块相互配合使用，其中，第一个光模块的发送端将电信号转换为光信号，转换所得光信号沿光纤传送至第二个光模块，第二个光模块的接收端接收到所述光信号后将所述光信号转换为电信号，以此类推，第二个光模块的发送端再将所述电信号转换为光信号继续向后续光模块传递信息。

传统方案中，每个光模块包括频率梳产生器、滤波器、调制器以及复用器等多个器件，每个器件均独立设置，相互独立的激光器、频率梳产生器、滤波器与电光调制器通过接口和光纤实现连接，因此，传统光模块的体积均较大，并且，电功耗、光损耗均较大，对于传统半导体(IC)工业，难以实现低加工成本，市场占有率难以提高，不利于实现市场应用。

基于载流子注入的Si器件能够在高速下进行电调制，但其光学损耗要比其固有的Si器件高得多；(Al)GaAs具有较高χ(2)非线性，能产生二次谐波，但是其电光效应(r41＝1.5×10^-12mV^-1)较弱，因此，迄今为止，芯片上同时产生光梳信号和对光梳信号进行电调被热效应和所需要高的电压信号所限制。现有技术虽然存在将具有不同功能的光子芯片进行异构集成的问题，但是，这种方案需要在芯片之间建立可扩展的、低损耗的光学链路，而建立所述光学链路则又是一个挑战。

本申请的目的即为提供一种能够将上述多个器件集成为单片式光模块，实现多个器件的单片集成化、小型化，从而降低光模块的电功耗和光损耗。

本申请提供的片上集成铌酸锂多波复合处理器件主要应用于光模块的发射端，从而减小光模块的体积。

本申请所提供片上集成铌酸锂多波复合处理器件利用铌酸锂的二阶与三阶性能，在铌酸锂薄膜上制备环形谐振腔、差分滤波器以及电光调制器，并用光波导使各器件相连。单个宽光谱激光输入至所述复合处理器件后，所述激光通过环形谐振腔后进入光频梳产生器，再通过n个差分滤波器得到n个频率分立的光谱线，最后通过电光调制器对这n个光谱线进行信号的电光调制，即可得到n个调制过的光信号，利用光波导将这n个调制后的光信号合到末端口，该汇合后的光信号即为光模块输出的光信号，在所述末端口外接光纤即可进行信号传输。

本申请提供的方案通过铌酸锂(LiNbO₃，LN)的特性，具体地，LiNbO₃同时具有较大的χ(3)(1.6×10^-21m²V^-2)和χ(2)(r33＝3×10^-11mV^-1)，并且χ(3)与χ(2)均为非线性，解决在单片上集成纳米光子波导，微环谐振器，滤波器和调制器实现χ(2)功能的挑战。具体来说，利用χ(3)非线性生成Kerr频率梳的，进一步利用LN的χ(2)非线性(即，电光效应)通过外部电场来操控所生成的频率梳。

图1示出所述片上集成铌酸锂多波复合处理器件的原理示意图，如图1所示，单个宽光谱激光在A端输入所述片上集成铌酸锂多波复合处理器件，通过环形谐振腔后在B端得到光频梳，在本申请中，所述光频梳是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的光谱，再通过n个差分滤波器得到n个频率分立的光谱线，其中，n的具体数值可根据光频梳的梳数量和间隔进行选择，最后通过电光调制器对所述n个光谱进行信号的电光调制，即可得到n个信号调制过的光信号，利用光波导将这n个光信号组合到光模块的末端口，末端口外接光纤即可进行信号传输。通过上述方案实现片上集成多波产生、调制和复用器件的基本方案。

在本实例中，所述片上集成铌酸锂多波复合处理器件包括：波导基体1，集成于所述波导基体1上的一个微环谐振腔2、多个差分滤波器3和多个电光调制器4，其中，所述微环谐振腔2与所述多个差分滤波器3串联，每个差分滤波器3分别与一个电光调制器4连通，各个电光调制器的末端组合为同一个输出端口。

在本申请中，所述片上集成铌酸锂多波复合处理器件中的波导基体1以铌酸锂制备。本领域技术人员熟知的是，铌酸锂是一种人工合成的负单轴晶体，具有较高的压电系数、铁电系数以及声光系数。此外，铌酸锂还具有以下几方面优势：首先，铌酸锂晶体具有较高的电光系数，并且，其单位长度所需的半波电压低，因此，使用铌酸锂作为波导基体的器件使用寿命长并且工作性能稳定；其次，使用铌酸锂晶体制作的光波导，能够与光纤直接耦合，并且，耦合损耗低；再次，使用铌酸锂制作的波导基体能够实现零啁啾信号调制，该波导几乎不受光纤色散限制，适用于高速、长距离单模光纤的信号传输，尤其是工作波长在1550nm的光纤通信领域；最后，使用铌酸锂制作波导基体结合行波电极结构，可以使其工作速度非常高。

在本实例中，所述波导基体1为薄膜波导，本申请人发现，与扩散型波导相比，薄膜波导折射率对比大，具体地，薄膜型波导一般以二氧化硅为基质，而扩散型波导由扩散层与非扩散层构成，并且，扩散层与非扩散层均为铌酸锂材质，然而，铌酸锂与二氧化硅的折射率之差为0.7左右，铌酸锂扩散波导的扩散层与非扩散层折射率差为0.01左右，可见，薄膜型波导中两层的折射率之差远大于扩散型波导两层的折射率之差，由于折射率之差越大波导的效果越好，并且，薄膜型波导的体积小于扩散型波导的体积，更便于光电子芯片集成，因此，本申请中的波导选择薄膜型波导。

图2a示出本实例一种微环谐振腔的结构示意图，图2b示出微环谐振腔的原理示意图，所述如图2a和图2b所示，所述微环谐振腔2的微环谐振半径为2μm～200μm，优选为60μm～100μm；Q值大于10⁵，优选大于10⁶。

在本实例中，如果光波在微环内环绕一周后产生的光程差为波长的整数倍，光波则会与新耦合进入微环谐振腔2的光波相互干涉产生谐振增强效应，具体地，可如以下公式(1)表示：

2πRn_c＝mλ 式(1)

其中，R表示微环的谐振半径，n_c表示光波在铌酸锂内有效模式的折射率，m表示谐振级次，λ表示光波的波长。

由上式(1)可得，微环的谐振半径R可如下式(2)计算：

R＝mλ/2πn_c 式(2)

在本实例中，假设波长由λ₁到λ₂的光波可产生可用频梳，则频梳数量N可根据下式(3)计算：

N＝(λ₂-λ₁)/FSR 式(3)

其中，FSR表示自由光谱范围，具体地，对应不同的谐振级次m，对于给定的谐振半径R，存在一系列满足谐振条件的光波波长，在所述谐振波长中，相邻两谐振波长的波长差称为自由光谱范围(Free Spectral Range，FSR)。

进一步地，所述FSR可以根据下式(4)计算而得：

FSR＝λn_c/mn_g 式(4)

其中，λ表示光波的波长，n_g表示腔内介质的群折射率，m表示谐振级次。

现有技术中微环谐振Kerr光频梳已在一些材料平台上实现，例如，二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN)、硅(Si)、晶体氟化物、金刚石、氮化铝(AlN)和铝镓砷化物(AlGaAs)等，虽然上述材料具有Kerr光频梳所需要的较大χ(3)非线性以及较低光学损耗，但是，所述材料的χ(2)非线性较小，甚至为零，因此上述材料不适于在芯片上集成χ(2)组件。

图3a示出本实例一种差分滤波器的结构示意图，图3b示出所述差分滤波器的原理示意图，如图3a和图3b所示，所述差分滤波器3包括滤环31和总线波导32。

在本实例中，各个差分滤波器3的调制电压不同，从而各个差分滤波器3实现不同频段的选频。

在本实例中，从微环谐振腔产生的N个频梳中根据信号传输的需求，选用所需的n个波长。

在本实例中，电光调制使得差分滤波器的自由光谱范围大于微环谐振腔的自由光谱范围，利用游标卡尺效应，通过轻微电光调节自由光谱范围即可获得较大光学带宽的单个光谱线。

在本实例中，所述微环谐振腔中滤环与具有相同耦合强度的增和减总线波导进行过耦合，从而保证具有较高的消光比，如果输入光与滤波器发生谐振，则此波长的输入光即可进入差分滤波器内，最后通过D端口输出，实现选频的功能。

图4a示出本实例一种电光调制器的结构示意图，图4b示出所述电光调制器的原理示意图；如图4a与图4b所示，所述电光调制器4为马赫增德电光调制器，用于向不同频率的光波上加载信号。

在本实例中，进入电光调制器的光波是由前面差分滤波器输出的光。

在本实例中，所述马赫增德电光调制器的两个分支为两个铌酸锂光波导，特别地，所述两个铌酸锂光波导由一个50:50的Y型结形成，从而将输入光分成两个相等的LN光波导，形成马赫增德电光调制器(MZI)的分支。

在本实例中，微波电场在两个波导上有相反的方向，从而在一个波导臂上实现光相位延迟，在另一个臂上实现光相位超前，最后再通过输出的50:50Y型结实现相长干涉和相消干涉，得到振幅调制的光信号。

在本实例中，所述马赫增德电光调制器能够利用马赫-曾德尔干涉效应与线性电光效应(即Pockels效应，二阶非线性)来调节材料的折射率，再利用马赫增德干涉仪的结构最终使得输出光功率随所加电压的变化而变化。

具体地，马赫-增德电光调制器是利用马赫-曾德尔干涉效应和电光效应制成的光学调制器，其将输入光分成相等的两路信号，每路信号的相位随外加的电信号的变化而变化，使得干涉合波后的光强度也随电信号的变化而变化，从而实现光强度的调整。

在本领域中，一种常见的是光效应为Pockels效应，其为线性电光效应，具体为，折射率的变化正比于所施加电场的大小。

对于Pockels效应来讲，折射率随电场变化的系数与非线性系数r33成正比，由于铌酸锂材料有着较高的r33系数，本申请优选使用铌酸锂材料进行电光调制。

另一种常见的电光效应——Kerr效应，其为二次电光效应，具体地，折射率的变化与电场的平方成正比。

在本实例中，设置于马赫增德电光调制器之间的金属条带为行波电极，在行波电极两端加载变化的电压，产生微波。

本申请在行波电极上加载行波电极调制光场，从而实现微波与光场共传，使得微波与光场有匹配的群速度和低传播损耗。在本实例中，由于调制器的数目较多，所有电光调制器4联排式排列，使得两个调制器之间可以共用一个接地的电极，从而减小芯片尺寸，而且可节约材料。

进一步地，相邻两个电光调制器4共用一个接地电极。

在本实例中，利用电光调制器在每个频率上分别加载信号从而增加所传输信号的数量，利用行波电极，微波和光场在受限的情况下共传，具有匹配的群速度和低传播损耗。

本申请还提供一种制备所述片上集成铌酸锂多波复合处理器件的方法，所述方法包括：

步骤1，在抛光后的单晶铌酸锂薄膜上制备波导结构，所述单晶铌酸锂薄膜具有二氧化硅基底；

步骤2，在所述波导结构上制备微环谐振腔、差分滤波器和电光调制器；

步骤3，在所述微环谐振腔、差分滤波器和电光调制器对应位置沉积用作电极的金属层；

步骤4，在所述微环谐振腔、差分滤波器、电光调制器以及金属层上方镀SiO₂层。

封装后即可作为波分复用器件使用。

在本申请中，所述具有二氧化硅基底的单晶铌酸锂薄膜可以为商购。

在本实例中，利用SiO₂基底上厚度为几微米的单晶铌酸锂薄膜，通过干法刻蚀/湿法刻蚀/机械抛光得到铌酸锂薄膜，获得包含微环谐振腔、差分滤波器和电光调制器的铌酸锂波导结构，再在微环谐振腔、差分滤波器和电光调制器等结构的对应位置上沉积金属层，作为电极结构，最后在微环谐振腔、差分滤波器、电光调制器以及金属层上镀一层SiO₂层，封装后即可作为波分复用器件使用。

本申请提供的片上集成铌酸锂多波复合处理器件可制作在铌酸锂复合晶片上，成为厘米级芯片，主要使用寿命取决于使用的激光器；作为对比的是，传统光模块的体积至少为5倍以上的立体结构，使用寿命也是取决于激光器寿命。但是，传统激光器中部件数量多，只要一个部件损坏整个激光器就损坏，因此，使用本申请提供的片上集成铌酸锂多波复合处理器件所制作激光器的寿命相对更长些。

与现有技术相比，本申请提供的片上集成铌酸锂多波复合处理器件在一个芯片上即可获得多个不同波长的电光调制信息，在末端进行集总后即可实现波分复用，大大压缩了器件的体积；所述片上集成铌酸锂多波复合处理器件只用一个激光器，产热量小、电光调制速率高，因此，将所述片上集成铌酸锂多波复合处理器件应用于光模块发射端将大大的降低光模块的成本、体积，并且提高工作效率及稳定性本申请提供的片上集成铌酸锂多波复合处理器件将多个功能器件在铌酸锂晶片上进行集成，从而实现平均成本的降低，使用过程功耗降低，全球大规模生产。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。