[发明专利]一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法，调制器包括：硅基底晶片、二氧化硅下包层、铌酸锂薄膜、光学波导、金属电极、硅V形槽、耦合光纤，二氧化硅下包层位于硅基底晶片的上表面；铌酸锂薄膜位于二氧化硅下包层之上。本发明的有益效果为：(1)实现了铌酸锂单晶晶体与硅单晶晶体的异质集成；(2)铌酸锂晶片的薄膜化，以及二氧化硅下包层的低介电常数、低介电损耗等特性，可实现铌酸锂光调制器的调制速率(或调制带宽)的提升；(3)铌酸锂晶片的薄膜化，以及二氧化硅下包层的高绝缘性，可实现分布于铌酸锂薄膜中的微波电磁场强度的增加，提高电场对光场的调制效率，降低器件的驱动电压。

技术领域

本发明属于光通信技术领域，特别是涉及一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着光通信技术在宽带网络、移动通信、金融交易、数据中心等传统业务以及云计算、大数据、5G通信等新兴业务的广泛应用，传统技术在通信的速率、容量、时延等方面已难以满足人们日常生活的需求。因此，通信运营商越来越多地在光网络的构架中采用相干处理技术以实现高速率、大容量、低时延、低能耗的光传送网络的组建。

在相干处理技术方案中，高速光调制器是相干光通信系统的核心器件，多个高速光调制器(MZ光调制器)的并联以及正交偏振复用技术的采用，是实现100G/400G光纤通信系统的关键所在。铌酸锂光调制器以其低损耗、高带宽、性能稳定、高消光比等特点，成为目前商用高速光调制器的主流选择，也是相干光通信系统中最为广泛使用的光调制器。

当前的相干光通信系统对光模块的体积和功耗等指标要求实现进一步的减小或降低，而现有的铌酸锂高速光调制器主要存在有以下几方面的问题：

(1)现有铌酸锂高速光调制器较低的电光调制效率使得器件的驱动电压较高，特别是当多个MZ调制器进行并联以构建PM-QPSK等相干光调制器时，器件的驱动电压则会大幅地增加；

(2)现有铌酸锂高速光调制器不得不靠增加行波电极长度以降低器件的驱动电压，但这无疑增加了器件的体积；

(3)铌酸锂晶体难以通过镀膜技术制备于砷化镓或硅等半导体晶片上，使得铌酸锂与激光器、光探测器等结构难以实现异质集成或单片集成。

为了满足数据中心、相干光通信等领域对低功耗、小尺寸、高性能的光模块的需求，高速光调制器厂商纷纷将更多的研发力量投入到磷化铟光调制器和硅光调制器等新技术，以实现光调制器与激光器、探测器的单片集成，或光调制器与硅基大规模集成电路的单片集成。然而，磷化铟光调制器的高成本和温度敏感性、硅光调制器的非线性电光效应和60GHz调制带宽理论上限等问题，也限制了这两种新型光调制器技术的广泛应用。

发明内容

本发明提出了一种硅基铌酸锂高速光调制器及其制备方法，以实现如下三个目的：

(1)采用键合技术将铌酸锂晶体键合于硅基二氧化硅基底晶片之上以实现低损耗、高带宽、高稳定性的铌酸锂光调制器与硅基大规模集成电路的混合集成；

(2)通过将铌酸锂晶片薄膜化，并结合硅基二氧化硅基底晶片中二氧化硅层的低介电常数、低介电损耗等特点，实现铌酸锂光调制器的调制速率(或调制带宽)的提升，无须采用现有相干光调制器的复杂结构即可实现同样的通信容量，大幅降低器件的驱动电压；

(3)利用二氧化硅层较高的绝缘性和铌酸锂晶片的薄膜化，实现分布于铌酸锂薄膜中的微波电磁场强度的增加，提高电场对光场的调制效率，降低器件的驱动电压。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种硅基铌酸锂高速光调制器，包括：硅基底晶片1、二氧化硅下包层2、铌酸锂薄膜3、光学波导4、金属电极、硅V形槽6、耦合光纤7，

所述硅基底晶片1采用[100]晶向的单晶硅晶片，厚度在0.1mm至2mm；