Page 32 - 网络电信2024年7月刊

光通信

高速薄膜铌酸锂相位调制器设计及制备

胡文良1 尚成林1 潘安1 齐志强2 王晨晟2
1.华中科技大学—武汉光电国家研究中心 2.华中光电技术研究所—武汉光电国家研究中心

摘 要：针对微波光子系统对片上高速调制器件的使用需求，基于铌酸锂材料
的线性电光效应，研究通过开展片上器件的光电联合仿真设计，利用与CMOS工艺相
兼容的半导体器件制备方法，将低损耗铌酸锂波导、高效耦合模斑转换器、高频微
波信号传输线等片上光电器件集成在绝缘体上的铌酸锂（LNOI）晶圆上，实现调制
器芯片的片上集成化；采用微光学耦合工艺实现芯片实现光纤阵列的光信号输入输
出；采用引线键合方式实现芯片-薄膜电阻-射频接头的阻抗匹配和电信号低损传
输；最后采用平行封焊完成芯片-光纤-管壳的气密性封装，以提高调制器的可靠性
和环境适应性。测试得到器件光功率插损<6.5 dB，调制带宽>15 G(@3 dB)，动态半
波电压<6 V(@10 GHz)，满足光电振荡器等相关微波光子器件的应用需求。

关键词：薄膜铌酸锂;相位调制器;微波光子;片上集成;光电振荡器

1 引言 系统，包括：（1）单模及多模波导结构（2)MMI/DC/Y分支等分
光结构（3）垂直光栅（GC）/端面耦合器（SSC）等输入输出结
微波光子学作为一门新兴的学科，涉及微波信号的产生、 构。由于本研究不涉及推挽结构的分光器件设计及制备，本节
调制、频率转换及探测等相关技术，整个系统通过在光量子领 将对（1）及（3）两种结构，结合相位调制器芯片应用需求，
域对微波电磁响应进行处理，具备低损耗、大带宽、低延时、 进行LNOI上相关器件的结构模拟仿真。
高可靠、可快速调谐等优点[1-4]。包括可调谐激光器、电光调制
器、光电探测器、光子滤波器等一系列重要的光电器件相互融 2.1 单模波导设计
合发展而成的集成微波光子学[5-6]，在微波光子系统链路中起到 光学波导是片上光子集成领域最基础以及最重要的器件，
重要作用。通常而言，通过电光调制器将微波信号调制到光载 正如同金属线在集成电路中的作用。它的主要特征是在片上对
波上以提高工作带宽，再采用高性能的光学滤波方式（片上微 光束进行局域化限制，使光束以特定光学模式分布在波导中进
环、高Q值回音壁等）可以实现低噪声因子高纯净度的微波信 行传输。因此首先需要对LNOI上的单模波导进行结构优化设
号产生[7-8]。电光相位调制器作为光子微波系统的基础组件，在 计。
光子射频前端、通讯系统、电光频率梳、瞬态成像系统及量子 本研究采用的LNOI晶圆均来自于济南晶正，选择500 nm
光学中都具有重要作用。A.J.ercante等[9]制备出半波电压低至 厚度铌酸锂层，2.5μm厚度二氧化硅埋氧层，525μm厚度硅衬
3.8 V的LNOI相位调制器，同时也带来了10.5 d B左右的光功率 底，4英寸大小，X切向的LNOI晶圆。首先要确定的就是单模脊
损耗。Ren Tianhao等[10]制备了双通道的LNOI相位调制器，半 形光波导的几何结构参数，这不仅决定了模场的传输特性，也
波电压低至4.5 V，并利用此相位调制器实现了40个边带的电光 和流片工艺、器件指标密切相关。
频率梳。针对上述微波光子系统对电光调制单元的应用需求， 首先研究改变LNOI脊形波导宽度对模式传输的影响。
基于铌酸锂材料的线性电光效应及LNOI的片上集成特点[11,12]， 设置脊型波导的平板层厚度为240 nm，通过改变波导宽度
本研究通过开展片上器件的光电联合仿真设计，利用与CMOS工 （0.5～4.5μm），仿真得到所有模式的有效折射率，如图1所
艺相兼容的半导体器件制备及光电器件封装方案，实现调制器 示。
芯片及其器件的集成化及小型化。该器件测试结果显示光功率 从图中可以看到在宽度大于1.1μm时，高阶模TE模开始出
插损<6.5dB，调制带宽>15G(@3dB），动态半波电压<6V(@10 现，在宽度在2.45～2.6之间，TE1模与TM0模式发生交换，此区
GHz），满足光电振荡器等相关微波光子器件的应用需求。 域称之为模式杂化区，这种作用效果可用于设计偏振转化器，
该仿真结果和文献[13]中相一致，证明仿真方法的准确性。为
2 LNOI调制器光学仿真 了保证模式传输损耗处于较低水平，在合理的范围内波导宽度
应该尽可能大一些，因此在平板层厚度为240 nm的情况下，波
基于LNOI的调制器的基本光子组件类似于硅光（SiP）器件 导宽度取0.95μm，有效折射率为1.873。

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