基于水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器

摘要

本发明公开了一种基于水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器。包括：1×2耦合器，两条干涉臂波导，2×1耦合器和电极构成的马赫－曾德尔电光调制器。两条结构相同的干涉臂波导在垂直方向上采用水平狭缝平板波导结构，干涉臂波导在水平方向采用二维光子晶体线缺陷波导结构。半导体材料层和有电光材料层的复合结构为光波导的芯层。在水平方向利用光子晶体周期结构的禁带，在垂直方向利用狭缝波导的强限制效应来限制光场分布。电光材料和硅基的复合芯层结构结合两者的优点，使调制器工作在低驱动电压。狭缝波导的强限制效应和光子晶体波导的慢光效应减小结构体积。器件制作工艺具有MOS兼容性，使器件易于集成和扩展，方便制造。

说明书

技术领域

本发明涉及光学元器件，特别是涉及一种基于水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器。

背景技术

目前在高速光通信中应用的调制器的种类繁多，性能各异。调制器的基本原理一般都是通过某种物理效应，如采用电光效应、磁光效应、声光效应和电吸收效应等来改变光波的相位、强度和偏振态等来实现对光的调制。根据电光效应制成的光调制器是目前高速光通信中应用十分广泛的一类调制器。电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体、砷化镓晶体和钽酸锂晶体的电光效应制成的调制器。定向耦合式调制器使用的数学模型相对于马赫-曾德尔调制器较为复杂，因此分析和制作较困难，并且定向耦合式调制器的消光性的好坏，完全受耦合长度制作公差的制约，同时还受两波导间的串扰限制，应用远不如马赫-曾德尔调制器那样广泛。法布里-伯罗型调制器具有调制灵敏度高的特点，因此在光传感，光通信等方面有重要用途。截止式波导调制器工作在截止点附近，调制电压和折射率的微小变化，均会导致传输特性的退化，而且平面波导结构的截止式调制器极间电容较大，调制带宽受到限制，调制效应相对较低。硅基光调制器是借助晶体的电光效应而实现调制的。对于这样的材料来说，由于晶体的对称性，非线性电光普克尔效应发生在未应变的纯硅中。电光有机聚合物材料发展十分迅速，有望制成超高速调制器。纯的有机聚合物调制器，也有不尽人意的地方，特别是在同一衬底上集成有源和无源器件时，无源器件常常受到光信号传播损耗的限制。因此要想制作低传输损耗的有机聚合物高速调制器，调制器的结构设计和聚合物材料的选择将十分重要。常规马赫-曾德尔干涉仪电光调制器中，调制带宽受到光波速度和电微波或毫米波速度之差、电极特征阻抗和电极传播损耗的限制，尤其是光波和电毫米波之间的速度匹配和微波衰减是影响行波调制器性能的两个关键问题，其调制电压和结构体积较大，不利于大规模集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器，采用马赫-曾德尔的结构实现了相位的调制，利用水平狭缝平板波导结构的电光材料层高的电光效应，狭缝波导的强限制效应和光子晶体波导的慢光效应，慢光效应可增强光和物质的相互作用，而且其群速度和色散是可控的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括1×2耦合器，两条干涉臂波导和2×1耦合器，电极构成的马赫-曾德尔电光调制器，其特征在于：两条结构相同的干涉臂波导在垂直方向上采用水平狭缝平板波导结构，干涉臂波导在水平方向采用二维光子晶体线缺陷波导结构。

所述的水平狭缝平板波导结构，包括绝缘体材料层，半导体材料层，电光材料层和衬底，在衬底依次设置第一半导体材料层，电光材料层，第二半导体材料层和绝缘体材料层。在垂直干涉臂波导传输方向两侧分别设置正电极和负电极，正电极制作到第二半导体材料层底部，负电极制作到第一半导体材料层底部；在两电极之间的干涉臂上设置晶格孔，从绝缘体材料层制作到第一半导体材料层底部。

所述的二维光子晶体线缺陷波导结构采用的晶格排列为三角形或正方形。

所述的电光材料层采用电光聚合物材料、电光陶瓷材料、液晶材料或者掺纳米硅的二氧化硅非线性材料。

本发明具有的有益效果是：

1.电光材料和硅基的复合芯层结构结合两者的优点，使调制器工作在低驱动电压；

2.狭缝波导的强限制效应和光子晶体波导的慢光效应减小了结构体积；

3.器件制作工艺具有的MOS兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便制造。

附图说明

图1是基于水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器结构图。

图2是图1的A-A’旋转90度剖视图。

图3是三角形晶格排列的二维光子晶体线缺陷波导结构。

图4是正方形晶格排列的二维光子晶体线缺陷波导结构。

图中：1、1×2耦合器，2、干涉臂波导，3、2×1耦合器，4、电极，5、绝缘体材料层，6、半导体材料层，7、电光材料层，8、衬底，9、绝缘层

具体实施方式

如图1所示包括：1×2耦合器1，两条干涉臂波导2，2×1耦合器3和电极4构成的马赫-曾德尔电光调制器。两条结构相同的干涉臂波导在垂直方向上采用水平狭缝平板波导结构，干涉臂波导在水平方向采用二维光子晶体线缺陷波导结构。

如图2所示的水平狭缝平板波导结构，包括绝缘体材料层5，半导体材料层6，电光材料层7和衬底8，在衬底依次设置第一半导体材料层，电光材料层，第二半导体材料层和绝缘体材料层。在垂直干涉臂波导传输方向两侧分别设置正电极和负电极，正电极制作到第二半导体材料层底部，负电极制作到第一半导体材料层底部。两条干涉臂之间可以共用一个正电极如图1所示，也可以给两条干涉臂设置独立的正电极。在两电极之间的干涉臂上设置晶格孔，从绝缘体材料层制作到第一半导体材料层底部。

所述的二维光子晶体线缺陷波导结构采用的晶格排列为三角形如图3所示或正方形如图4所示。

所述的电光材料层7采用电光聚合物材料、电光陶瓷材料、液晶材料或者掺纳米硅的二氧化硅非线性材料。

输入光波经过一段光路后在一个1×2耦合器1处被分成相等的两束，分别通过两条干涉臂2传输。干涉臂波导在水平方面上采用二维光子晶体线缺陷波导结构进行限制，在垂直方向上采用水平狭缝平板波导结构，狭缝中的电光材料层7折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达2×1耦合器3处产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强。若两束光的光程差是波长的1/2，两束光相干抵消，调制器输出很小，因此通过控制电压就能对光信号进行调制。

所述的电光调制器可以采用SOI材料，其中的顶层硅用作半导体材料层和光波导的芯层，氧化层和底层硅共同构成衬底，而氧化层则起到下限制层的作用。绝缘体材料层可以采用二氧化硅，或者氮化硅。

实施例1：

选用顶层硅厚0.5μm，二氧化硅下限制层厚3μm的SOI片子，其中顶层硅为半导体材料层6，氧化层和底层硅共同构成衬底8，而氧化层则起到下限制层的作用。1×2耦合器1和2×1耦合器3采用Y分支结构，干涉臂波导2采用图3中的三角形晶格排列的二维光子晶体线缺陷波导结构。

洗净两个SOI片子，在其中一个SOI片子硅面上旋涂一层电光聚合物作为电光材料层7，为之后形成狭缝做准备。将另一片SOI片子倒扣在电光聚合物上，将硅层与电光聚合物进行键合。控制聚合物层的厚度在100纳米左右。用硅自停止腐蚀法去掉上层硅，留下的二氧化硅层作为绝缘体材料层5，形成由绝缘体材料层5，半导体材料层6，电光材料层7和衬底8组成水平狭缝平板结构。

用电子束刻蚀法刻出三角形晶格排列的马赫-曾德尔干涉臂光子晶体波导结构，用干法刻蚀到第一半导体材料层6底部，刻出硅孔和二氧化硅孔，形成光子晶体线缺陷波导结构。

在垂直干涉臂波导2传输方向两侧，通过一次刻蚀到第二半导体材料层6底部，蒸铝，腐蚀出正电极4。接着通过二次刻蚀到第一半导体材料层6底部，再在刻蚀坑的上硅层氧化出一层二氧化硅作为绝缘层9，蒸铝，腐蚀出负电极4，正负电极绝缘。

由此就可以完成一种基于电光聚合物填充的水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器。

实施例2：

选用顶层硅厚0.5μm，二氧化硅下限制层厚3μm的SOI片子，其中顶层硅为半导体材料层6，氧化层和底层硅共同构成衬底8，而氧化层则起到下限制层的作用。1×2耦合器1和2×1耦合器3采用MMI结构，干涉臂波导2采用图3的三角形排列的二维光子晶体线缺陷波导结构。

洗净两个SOI片子，在其中一个SOI片子硅面上溅射一层电光陶瓷材料作为电光材料层7，为之后形成狭缝做准备。将另一片SOI片子倒扣在电光陶瓷材料上，硅层与电光陶瓷材料进行键合。控制电光陶瓷材料层的厚度在100纳米左右。用硅自停止腐蚀法去掉上层硅，再用HF酸腐蚀掉二氧化硅层，然后用LPCVD法生长一层氮化硅作为绝缘体材料层5。形成由绝缘体材料层5，半导体材料层6，电光材料层7和衬底8组成水平狭缝平板结构。

用电子束刻蚀法刻出正方形晶格排列的马赫-曾德尔干涉臂光子晶体波导结构，用干法刻蚀到第一半导体材料层6底部，刻出硅孔和二氧化硅孔，形成二维光子晶体线缺陷波导结构。

垂直干涉臂波导2传输方向两侧，通过一次刻蚀到第二半导体材料层6底部，蒸铝，腐蚀出正电极4。接着通过二次刻蚀到第一半导体材料层6底部，再在刻蚀坑的上硅层氧化出一层二氧化硅作为绝缘层9，蒸铝，腐蚀出负电极4，正负电极绝缘。

由此就可以完成一种基于电光陶瓷材料填充的水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器。

实施例3：

选用顶层硅厚0.5μm，二氧化硅下限制层厚3μm的SOI片子，其中顶层硅为半导体材料层6，氧化层和底层硅共同构成衬底8，而氧化层则起到下限制层的作用。1×2耦合器1和2×1耦合器3采用Y分支结构，干涉臂波导2采用图4中的正方形晶格排列的二维光子晶体线缺陷波导结构。

洗净两个SOI片子，在其中一个SOI片子硅层上氧化一层100纳米厚的二氧化硅，在此二氧化硅层再用干法刻蚀出一个深100纳米的坑，将另一片SOI片子倒扣在二氧化硅坑上，将硅层与腔壁二氧化硅进行键合，形成一个厚100纳米的腔。用真空法使液晶材料流入腔中，形成由液晶材料组成的电光材料层7。用硅自停止腐蚀法去掉上层硅，留下的二氧化硅层作为绝缘体材料层5，形成由绝缘体材料层5，半导体材料层6，电光材料层7和衬底8组成水平狭缝平板结构。

用电子束刻蚀法刻出三角形晶格排列的马赫-曾德尔干涉臂光子晶体波导结构，用干法刻蚀到下第一半导体材料层6底部，刻出硅孔和二氧化硅孔，形成二维光子晶体线缺陷波导结构。

在垂直干涉臂波导2传输方向两侧，通过一次刻蚀到第二半导体材料层6底部，蒸铝，腐蚀出正电极4。接着通过二次刻蚀到第一半导体材料层6底部，再在刻蚀坑的上硅层氧化出一层二氧化硅作为绝缘层9，蒸铝，腐蚀出负电极4，正负电极绝缘。

由此就可以完成一种基于液晶材料填充的水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器。

实施例4：

选用顶层硅厚0.5μm，二氧化硅下限制层厚3μm的SOI片子，其中顶层硅为半导体材料层6，氧化层和底层硅共同构成衬底8，而氧化层则起到下限制层的作用。1×2耦合器1和2×1耦合器3采用MMI结构，干涉臂波导2采用图4中的正方形晶格排列的二维光子晶体线缺陷波导结构。

洗净两个SOI片子，在其中一个SOI片子硅面上溅射一层掺纳米硅的二氧化硅非线性材料作为电光材料层7，为之后形成狭缝做准备。将另一片SOI片子倒扣在掺纳米硅的二氧化硅非线性材料上，硅层与掺纳米硅的二氧化硅非线性材料进行键合。控制掺纳米硅的二氧化硅非线性材料层的厚度在100纳米左右。用硅自停止腐蚀法去掉上层硅，再用HF酸腐蚀掉二氧化硅层，然后用LPCVD法生长一层氮化硅作为绝缘体材料层5。形成由绝缘体材料层5，半导体材料层6，电光材料层7和衬底8组成水平狭缝平板结构。

用电子束刻蚀法刻出正方形晶格排列的马赫-曾德尔干涉臂光子晶体波导结构，用干法刻蚀到第一半导体材料层6底部，刻出硅孔和二氧化硅孔，形成二维光子晶体线缺陷波导结构。

在垂直干涉臂波导2传输方向两侧，通过一次刻蚀到第二半导体材料层6底部，蒸铝，腐蚀出正电极4。接着通过二次刻蚀到第一半导体材料层6底部，再在刻蚀坑的上硅层氧化出一层二氧化硅作为绝缘层9，蒸铝，腐蚀出负电极4，正负电极绝缘。

由此就可以完成一种基于掺纳米硅的二氧化硅非线性材料填充的水平狭缝平板和光子晶体线缺陷波导的电光调制器。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。