一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列

本发明属于光电子集成，具体的说是一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列。

背景技术：

1、薄膜铌酸锂材料解决了传统铌酸锂体材料波导折射率差小的问题，波导尺寸小，集成度高，此外能够实现更强的模式限制，使电极更靠近波导，从而提高调制效率。当采用硅或石英衬底时介电常数比传统铌酸锂低，降低了微波有效折射率，更容易实现与光波的相位匹配。也就是说，基于薄膜铌酸锂材料的调制器能够实现高调制带宽和低半波电压。同时由于铌酸锂刻蚀技术的进步，以及更高质量模斑转换器的实现，基于薄膜铌酸锂材料的调制器的插入损耗也达到了传统铌酸锂体材料铌酸锂调制器的水准。预计同时具备低调制电压、高调制带宽、低插入损耗的薄膜铌酸锂调制器在未来的光通信中有巨大的潜在应用价值。

2、目前的薄膜铌酸锂调制器通常采用地-信号-地的驱动结构，不足以发挥铌酸锂材料卓越的电光性能，因此有必要开发其它的行波电极结构例如差分驱动来改善调制器的性能。另一方面，当芯片集成度提高后需要减小各器件之间的间距，调制器阵列之间的电串扰将严重影响其调制性能。传统的串扰抑制技术例如增大相邻调制器间的信道间距，会造成大量芯片面积的损失，因此在不增加芯片尺寸的情况下降低调制器阵列之间的串扰成为高密度光电集成芯片面临的重要问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，实现单个调制器的差分驱动，并且降低相邻调制器之间的电串扰，提高集成密度。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明是一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，该阵列包括n个结构相同的薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器，n≥2，相邻的两个所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器之间的信号间距为d，0.4mm＜d＜1mm，每个所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器自左至右包括输入光波导、分束器、信号输入区、调制器第一波导、调制器第二波导、射频电极、匹配电阻、合束器和输出光波导，所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的横截面结构自下而上包括衬底层、低折射率下盖层、薄膜铌酸锂平板层、波导层、低折射率上盖层、射频电极和匹配电阻，当将差分信号施加到所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器中的射频电极时，相邻的所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的所有电极将遭受两种相反类型的相位串扰噪声，由于相反的噪声叠加，相邻所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的每个电极上的串扰效应被削弱，降低单个调制器的误码率。

4、本发明的进一步改进在于：射频电极包括第一地电极、第一信号电极、第二信号电极和第二地电极，第一信号电极位于调制器第一波导的上方，通过低折射率上盖层与波导层相连，第二信号电极位于调制器第二波导的上方，通过低折射率上盖层与波导层相连，第一地电极位于第一信号电极外侧的薄膜铌酸锂平板层上，第二地电极位于第二信号电极外侧的薄膜铌酸锂平板层上。

5、本发明的进一步改进在于：匹配电阻包括第一信号电极匹配电阻、第二信号电极匹配电阻、第一地电极匹配电阻、第二地电极匹配电阻和虚地电极，第一信号电极匹配电阻位于第一信号电极与虚地电极之间，第二信号电极匹配电阻位于第二信号电极与虚地电极之间，第一地电极匹配电阻位于第一地电极和虚地电极之间，第二地电极匹配电阻位于第二地电极和虚地电极之间。

6、本发明的进一步改进在于：第一地电极、第一信号电极、第二信号电极、第二地电极在信号输入侧均通过锥形金属连接到各自的第一地电极pad、第一信号电极pad、第二信号电极pad、第二地电极pad，以便通过各自的pad进行探针测试。

7、本发明的进一步改进在于：电光调制器阵列中每一个薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的第二地电极和相邻的薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的第一地电极共享地电极pad，且所有的地电极pad和共享pad均通过金属线短接。

8、本发明的进一步改进在于：波导层基于z切薄膜铌酸锂材料，垂直于薄膜铌酸锂平板层的方向为z方向，平面内的方向为x方向与y方向，各输入波导、输出波导和薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器波导均沿y方，每一个薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的第一信号电极与第一地电极、第二信号电极与第二地电极之间的电场方向先沿z方向再沿x方向，在与光模场重叠的区域大部分为z方向，充分利用铌酸锂材料z方向较大的电光系数，实现高效率调制。

9、本发明的进一步改进在于：第一信号电极与第一地电极之间加v伏电压，第二信号电极与第二地电极之间加-v伏电压，使地-信号-信号-地射频电极所加调制信号为差分信号。

10、本发明的进一步改进在于：波导层采用刻蚀薄膜铌酸锂形成铌酸锂波导或在薄膜铌酸锂平板层上沉积制作混合波导结构形成。

11、本发明的有益效果是：

12、本发明通过采用差分驱动，减少了相邻调制器之间行波电极的串扰噪声，降低了单个调制器的误码率；

13、本发明通过终端全匹配电阻，减小了差模信号和共模信号的反射，在提高传输电信号完整性的同时提高输出光信号质量；

14、本发明通过相邻调制器共享地电极pad，提高调制器阵列的集成密度；

15、本发明通过连接地电极pad，减少相邻调制器地电极的地反弹噪声。

技术特征：

1.一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：所述薄膜铌酸锂调制器阵列包括n个结构相同的薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器，n≥2，相邻的两个所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器之间的信号间距为d，0.4mm≤d＜1mm，每个所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器自左至右包括输入光波导(1)、分束器(2)、信号输入区(3)、调制器第一波导(4-1)、调制器第二波导(4-2)、射频电极(5)、匹配电阻(6)、合束器(7)和输出光波导(8)，所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的横截面结构自下而上包括衬底层(9)、低折射率下盖层(10)、薄膜铌酸锂平板层(11)、波导层(4)、低折射率上盖层(12)、射频电极(5)和匹配电阻(6)，当将差分信号施加到所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器中的射频电极(5)时，相邻的所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的所有电极将遭受两种相反类型的相位串扰噪声，由于相反的噪声叠加，相邻所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的每个电极上的串扰效应被削弱，降低单个调制器的误码率。

2.根据权利要求1所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：所述射频电极(5)包括第一地电极(5-1)、第一信号电极(5-2)、第二信号电极(5-3)和第二地电极(5-4)，所述第一信号电极(5-2)位于所述调制器第一波导(4-1)的上方，通过所述低折射率上盖层(12)与所述波导层(4)相连，第二信号电极(5-3)位于所述调制器第二波导(4-2)的上方，通过所述低折射率上盖层(12)与所述波导层(4)相连，所述第一地电极(5-1)位于第一信号电极(5-2)外侧的薄膜铌酸锂平板层上，第二地电极(5-4)位于第二信号电极(5-3)外侧的薄膜铌酸锂平板层上。

3.根据权利要求2所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：所述匹配电阻(6)包括第一信号电极匹配电阻(6-1)、第二信号电极匹配电阻(6-2)、第一地电极匹配电阻(6-3)、第二地电极匹配电阻(6-4)和虚地电极(6-5)，第一信号电极匹配电阻(6-1)位于第一信号电极(5-2)与虚地电极(6-5)之间，第二信号电极匹配电阻(6-2)位于第二信号电极(5-3)与虚地电极(6-5)之间，第一地电极匹配电阻(6-3)位于第一地电极(5-1)和虚地电极(6-5)之间，第二地电极匹配电阻(6-4)位于第二地电极(5-4)和虚地电极(6-5)之间。

4.根据权利要求1或3所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：所述第一地电极(5-1)、第一信号电极(5-2)、第二信号电极(5-3)、第二地电极(5-4)在信号输入侧均通过锥形金属连接到各自的第一地电极pad(3-1)、第一信号电极pad(3-2)、第二信号电极pad(3-3)、第二地电极pad(3-4)，以便通过各自的pad进行探针测试。

5.根据权利要求4所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：电光调制器阵列中每一个所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的第二地电极(5-4)和相邻的所述薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的第一地电极(5-1)共享地电极pad，且所有的地电极pad和共享pad(3-5)均通过金属线(3-6)短接。

6.根据权利要求1所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：所述波导层(4)基于z切薄膜铌酸锂材料，垂直于薄膜铌酸锂平板层(11)的方向为z方向，平面内的方向为x方向与y方向，各输入波导、输出波导和薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器波导均沿y方向。

7.根据权利要求6所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：每一个薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器的第一信号电极(5-2)与第一地电极(5-1)、第二信号电极(5-3)与第二地电极(5-4)之间的电场方向先沿z方向再沿x方向，在与光模场重叠的区域大部分为z方向，充分利用铌酸锂材料z方向较大的电光系数，实现高效率调制。

8.根据权利要求7所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：第一信号电极(5-2)与第一地电极(5-1)之间加v伏电压，第二信号电极(5-3)与第二地电极(5-4)之间加-v伏电压，使地-信号-信号-地射频电极所加调制信号为差分信号。

9.根据权利要求1所述的一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，其特征在于：所述波导层(4)采用刻蚀薄膜铌酸锂形成铌酸锂波导或在薄膜铌酸锂平板层(11)上沉积制作混合波导结构形成。

技术总结
本发明属于光电子集成技术领域，公开了一种高集成度低串扰薄膜铌酸锂电光调制器阵列，该阵列包括N个薄膜铌酸锂马赫增德尔电光调制器，N≥2，相邻的两调制器之间的信号间距为D，0.4mm≤D＜1mm，调制器自左至右包括输入光波导、分束器、信号输入区、调制器第一波导、调制器第二波导、射频电极、匹配电阻、合束器和输出光波导，调制器的横截面结构自下而上包括衬底层、低折射率下盖层、薄膜铌酸锂平板层、波导层、低折射率上盖层、射频电极和匹配电阻。本发明实现单个调制器的差分驱动，并且降低相邻调制器之间的电串扰，提高集成密度。

技术研发人员：孙世缘,郭燕婷,李连艳,涂兴华,张云山,权奇宏
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31