1.本发明涉及光通信技术和集成光学调制技术领域，更具体地，涉及一种折叠式容性负载电极结构、电光调制器及其制备方法。


背景技术：

2.高速率、低功耗的电光调制器是光互联中实现高速信息转换的核心器件。其中，铌酸锂是制作电光调制器最受欢迎的材料。薄膜铌酸锂平台的出现将铌酸锂调制器的性能和集成规模推向一个新的高度。通过干法刻蚀铌酸锂薄膜层，能够获得低损耗且高折射率对比度的光学波导。得益于这种具有强光学限制的铌酸锂波导，调制效率大幅提升至2v/cm。如图1所示，为目前常见的基于普通共面波导传输线结构的铌酸锂薄膜电光调制器的示意图，其电光带宽主要受限于电极的微波损耗，这是由信号电极和地电极间的小间隙带来的电流集聚效应引起的。图2为一种基于周期性容性负载电极结构的马赫曾德型铌酸锂薄膜电光调制器的示意图，在该结构中，主信号电极和主地电极之间间隙大大增加了几十μm；为了实现50ω阻抗匹配，主信号电极宽度也随之增大，这使得电流分布更均匀不易在电极边缘发生聚集，有利于微波损耗的降低。
3.公开号为cn113325612a(公开日为2021-08-31)提出了一种薄膜铌酸锂电光调制器及制备方法，薄膜铌酸锂电光调制器包括从下到上布置的硅衬底、埋氧层和铌酸锂层，铌酸锂层上表面刻蚀形成薄膜铌酸锂光信号导；薄膜铌酸锂光信号导包括马赫曾德尔结构；在马赫曾德尔结构每条光信号导臂两侧分别设置行波信号电极和行波接地电极，在行波信号电极和行波接地电极之间设置用于对光信号导臂内的光信号调制的电容负载型t结构电极；马赫曾德尔结构每条光信号导臂两侧和下方设置有用于降低微波信号有效折射率的镂空隔离结构。该种电光调制器在硅基衬底下实现了低驱动电压，低微波损耗，大电光带宽的薄膜铌酸锂电光调制器。
4.然而，上述发明采用马赫增德尔结构的电光调制器，由于周期性负载电极结构在直角弯曲时内外槽长度相差大，会出现在时域上两条缝隙中的信号不再同步，会产生槽线模式，导致电光调制器的微波损耗大、性能低。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述现有技术存在的槽线模式导致电光调制器微波损耗大、性能低的缺陷，提供一种折叠式容性负载电极结构、电光调制器及其制备方法。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
7.第一个方面，本发明提出一种折叠式容性负载电极结构，包括主信号电极，第一主地电极，第二主地电极，其中第一主地电极-主信号电极-第二主地电极组成g-s-g共面波导传输线，包括直传输线部分和弯曲传输线部分；其中直传输线部分，主信号电极的两侧连接加载t型电极，第一主地电极和第二主地电极与主信号电极之间的一侧连接加载t型电极；其中弯曲传输线部分，主信号电极在弯折处架设若干空气桥将第一主地电极和第二主地电
极连接。
8.本技术方案中，空气桥架设在主信号电极的弯折处上方将第一主地电极和第二主地电极连接起来，可以使不连续处电磁波相位相同，同时最小化空气桥本身的寄生电容，最大限度抑制寄生耦合槽线模式的激发，降低微波损耗和回波损耗，改善电光调制器的性能；折叠式的电极结构设计可以大幅缩短器件长度，有利于同时实现低驱动电压和小型化封装；当引入波导配合本技术方案的电极结构使用时，波导设置在加载t型电极之间，可以使不同的波导受到的电场方向始终相反，且同一条波导受到的电场方向始终不变，从而使得该折叠式容性负载电光调制器工作在推挽模式，抑制槽线模式。
9.优选地，所述主信号电极弯折处设置有2n个拐角结构，其中n为正整数，且第2n个拐角结构与第2n-1个拐角结构同为正向或反向直角拐角，第2n个拐角结构和第2n+1个拐角结构的拐角方向相反；所述空气桥架设在主信号电极的拐角结构上方。
10.优选地，所述主信号电极包括第一直主信号电极、第一弯曲主信号电极、第二直主信号电极、第一电极倒角和第二电极倒角；所述第一电极倒角的一端连接第一直主信号电极，另一端连接第一弯曲主信号电极；所述第二电极倒角的一端连接第一弯曲主信号电极，另一端连接第二直主信号电极。所述第一电极倒角和第二电极倒角设置在拐角结构外侧。
11.本技术方案中，拐角结构外侧设置的第一电极倒角和第二电极倒角可以减少主信号电极和主地电极之间的槽的路程差；将空气桥架设在拐角结构上方，倒角和空气桥的配合使用，共同抑制槽线模式，从而最小化主信号电极、第一主地电极和第二主地电极的拐角处的不连续带来的微波损耗和回波损耗。
12.优选地，所述空气桥至少为4个，分别架设在所述第一电极倒角和第二电极倒角的上方，且所述空气桥分别连接第一主地电极和第二主地电极。
13.优选地，所述主信号电极、第一主地电极和第二主地电极的侧边设置的加载t型电极分别相对设置。
14.第二个方面，本发明提出一种折叠式容性负载电光调制器，包括所述的折叠式容性负载电极结构，以及铌酸锂波导结构，所述铌酸锂波导结构设置在所述折叠式容性负载电极结构上；所述铌酸锂波导结构包括第一波导和第二波导；所述第一波导安装在分别设置在第一主地电极和第一直主信号电极上的加载t型电极之间，以及分别设置在第二主地电极和第二直主信号电极上的加载t型电极之间；所述第二波导安装在分别设置在第一直主信号电极和第二主地电极上的加载t型电极之间，以及分别设置在第二直主信号电极和第一主地电极上的加载t型电极之间。
15.本技术方案中，第一波导和第二波导始终位于加载t型电极之间，第一波导和第二波导受到的电场方向始终相反，且同一条波导受到的电场方向始终不变，从而使电光调制器高效地工作在推挽模式，抑制槽线模式。
16.优选地，所述第一波导包括依次连接的第一直波导、第一弯曲波导和第二直波导；所述第二波导包括依次连接的第三直波导、第二弯曲波导和第四直波导；所述第一直波导安装在分别设置在第一主地电极和第一直主信号电极上的加载t型电极之间；所述第二直波导安装在分别设置在第二主地电极和第二直主信号电极上的加载t型电极之间；所述第三直波导安装在分别设置在第一直主信号电极和第二主地电极上的加载t型电极之间；所述第四直波导安装在分别设置在第二直主信号电极和第一主地电极上的加载t型电极之
间。
17.优选地，所述第一弯曲波导与第二弯曲波导连通，所述第一弯曲波导与第二弯曲波导连通的部分组成x型交叉波导。
18.优选地，所述铌酸锂波导结构还包括输入波导、光分束器、光合束器和输出波导；其中，光信号输入所述输入波导后通过光分束器进行分束，分别进入所述第一波导和所述第二波导，光信号再从第一波导和第二波导进入光合束器进行光合束后，进入输出波导。
19.第三个方面，本发明还提出一种折叠式容性负载电光调制器的制备方法，包括以下步骤：
20.s1：在铌酸锂薄膜基片上制备铌酸锂波导结构；
21.s2：在步骤s1得到的铌酸锂薄膜组合基片上沉积二氧化硅缓冲层；
22.s3：在步骤s2得到的铌酸锂薄膜组合基片上，制备共面金属电极，形成由两个地电极和信号电极组成的折叠式容性负载电极结构；
23.s4：在步骤s3得到的铌酸锂薄膜组合基片上，制备绝缘介质层作为空气桥的支撑；
24.s5：在步骤s4得到的铌酸锂薄膜组合基片上，制备空气桥结构，所述空气桥连结折叠式容性负载电极结构中的两个地电极且不与信号电极接触。
25.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：采用由折叠式容性负载电极结构和铌酸锂波导结构组成的折叠式容性负载电光调制器，折叠式容性负载电极结构可以使不连续处电磁波相位相同，同时最小化空气桥本身的寄生电容，最大限度抑制寄生耦合槽线模式的激发；铌酸锂波导结构中的波导始终设置在加载t型电极之间，两条波导受到的电场方向始终相反且同一条波导受到的电场方向始终不变，从而使电光调制器高效地工作在推挽模式，抑制槽线模式，从而降低电信号传输损耗和回波损耗，改善电光调制器的性能。
附图说明
26.图1为基于普通共面波导传输线结构的铌酸锂薄膜电光调制器的示意图。
27.图2为基于周期性容性负载电极结构的马赫曾德型铌酸锂薄膜电光调制器的示意图。
28.图3为实施例1中折叠式容性负载电极结构的示意图。
29.图4为实施例1中折叠式容性负载电极结构空气桥部分的局部图。
30.图5为实施例2中折叠式容性负载电极结构的示意图。
31.图6为实施例2中折叠式容性负载电极结构的空气桥和倒角结构的局部图。
32.图7为实施例3中折叠式容性负载电光调制器芯片调制区的横截面示意图。
33.图8为实施例3中折叠一次的折叠式容性负载电光调制器的示意图。
34.图9为实施例3中折叠一次的折叠式容性负载电光调制器的局部图。
35.图10为实施例4中折叠两次的折叠式容性负载电光调制器的示意图。
36.图11为实施例4中折叠两次的折叠式容性负载电光调制器的局部图。
37.图12为实施例4中采用普通直接拐弯与采用倒角和空气桥结构的折叠式容性负载电光调制器的s
11
参数变化对比图。
38.图13为实施例4中采用普通直接拐弯与采用倒角和空气桥结构的折叠式容性负载电光调制器的s
21
参数变化对比图。
39.图14为折叠式容性负载电光调制器的制备方法的流程图。
40.其中，1-铌酸锂薄膜层，11-输入波导，111-第一波导，1111-第一直波导，1112-第二直波导，1113-第一弯曲波导，1114-第三弯曲波导，1115-第五直波导，112-第二波导，1121-第三直波导，1122-第四直波导，1123-第二弯曲波导，1124-第四弯曲波导，1125-第六直波导，12-光分束器，13-光合束器，14-输出波导，2-共面波导传输线层，21-主信号电极，211-第一直主信号电极，212-第一弯曲主信号电极，2121-第一电极倒角，2122-第二电极倒角，213-第二直主信号电极，214-第二弯曲主信号电极，2141-第三电极倒角，2142-第四电极倒角，215-第三直主信号电极，22-第一主地电极，23-第二主地电极，31-第一空气桥，32-第二空气桥，33-第三空气桥，34-第四空气桥，35-第五空气桥，36-第六空气桥，37-第七空气桥，38-第八空气桥，4-加载t型电极，5-衬底材料。
具体实施方式
41.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
42.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
43.实施例1
44.请参阅图3-图4，本实施例提出一种折叠式容性负载电极结构，包括主信号电极21，第一主地电极22，第二主地电极23，其中第一主地电极22-主信号电极21-第二主地电极23组成g-s-g共面波导传输线2，包括直传输线部分和弯曲传输线部分；其中直传输线部分，主信号电极21的两侧连接加载t型电极，第一主地电极22和第二主地电极23与主信号电极21之间的一侧连接加载t型电极；其中弯曲传输线部分，主信号电极21在弯折处架设若干空气桥将第一主地电极22和第二主地电极23连接；
45.本实施例中，所述主信号电极21设置有2n个拐角结构，其中n为正整数，且第2n个拐角结构与第2n-1个拐角结构同为正向或反向直角拐角，第2n个拐角结构和第2n+1个拐角结构的拐角方向相反；所述空气桥架设在主信号电极21的拐角结构上方。
46.本实施例中，所述电极结构为一种折叠一次的折叠式容性负载电极结构，即n＝1，所述拐角结构设置有2个。
47.在具体实施过程中，空气桥架设在主信号电极的拐角结构上方将第一主地电极和第二主地电极连接起来，可以使不连续处电磁波相位相同，同时最小化空气桥本身的寄生电容，最大限度抑制寄生耦合槽线模式的激发，降低微波损耗和回波损耗，改善电光调制器的性能；折叠式的电极结构设计可以大幅缩短器件长度，有利于同时实现低驱动电压和小型化封装。
48.实施例2
49.请参阅图5-图6，本实施例提出一种折叠式容性负载电极结构，在所述拐角结构外侧开设倒角。
50.本实施例中，所述主信号电极21包括第一直主信号电极211、第一弯曲主信号电极212、第二直主信号电极213、第一电极倒角2121和第二电极倒角2122；所述第一电极倒角2121的一端连接第一直主信号电极211，另一端连接第一弯曲主信号电极212；
51.所述第二电极倒角2122的一端连接第一弯曲主信号电极212，另一端连接第二直主信号电极213。
52.本实施例中，所述空气桥为4个，分别架设在所述第一电极倒角2121和第二电极倒角2122的上方，且所述空气桥分别连接第一主地电极22和第二主地电极23。如图4所示，所述第一电极倒角2121初始处上方设置有第一空气桥31，所述第一空气桥31一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23；所述第一电极倒角2121末尾处上方设置有第二空气桥32，所述第二空气桥32一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23；所述第二电极倒角2122初始处上方设置有第三空气桥33，所述第三空气桥33一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23；所述第二电极倒角2122末尾处上方设置有第四空气桥34，所述第四空气桥34一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23。
53.在具体实施过程中，设置第一电极倒角2121和第二电极倒角2122在第一弯曲主信号电极212的拐角结构外侧，可以缩短两条缝隙空间路程差。通过使用空气桥连接起来，可以使不连续处电磁波相位相同，抑制槽线模式。
54.本实施例使用最少的空气桥，最大限度抑制寄生耦合槽线模式的激发，同时最小化空气桥本身的寄生电容；本发明将倒角结构和空气桥配合使用，共同抑制槽线模式，从而最小化主信号电极21、第一主地电极22和第二主地电极23的拐角处的不连续带来的微波损耗和回波损耗。
55.实施例3
56.请参阅图5-图6，本实施例提出一种折叠式容性负载电光调制器，所述调制器为一种折叠一次的两段式的折叠式容性负载电光调制器，包括实施例1提出的n＝1时，折叠一次的折叠式容性负载电极结构和铌酸锂波导结构，所述铌酸锂波导结构设置在所述折叠式容性负载电极结构上；所述铌酸锂波导结构包括第一波导111和第二波导112；所述第一波导111安装在分别设置在第一主地电极22和第一直主信号电极211上的加载t型电极4之间，以及分别设置在第二主地电极23和第二直主信号电极212上的加载t型电极4之间；所述第二波导112安装在分别设置在第一直主信号电极211和第二主地电极23上的加载t型电极4之间，以及分别设置在第二直主信号电极212和第一主地电极22上的加载t型电极4之间。
57.本实施例中，所述电光调制器还包括铌酸锂薄膜层1，所述铌酸锂波导结构设置在铌酸锂薄膜层1上。所述铌酸锂薄膜层1可以是经过刻蚀加工的x切、y切或者z切的铌酸锂晶体；所述铌酸锂薄膜层1下方还设置有衬底材料5，所述衬底材料5包括硅、石英、铌酸锂和蓝宝石，或者上述材料与二氧化硅埋氧层组成的多层材料。
58.本实施例中，如图7所示，所述第一波导111包括依次连接的第一直波导1111、第一弯曲波导1113和第二直波导1112；所述第二波导112包括依次连接的第三直波导1121、第二弯曲波导1123和第四直波导1122；所述第一直波导1111安装在分别设置在第一主地电极22和第一直主信号电极211上的加载t型电极4之间；所述第二直波导1112安装在分别设置在第二主地电极23和第二直主信号电极212上的加载t型电极4之间；所述第三直波导1121安装在分别设置在第一直主信号电极211和第二主地电极23上的加载t型电极4之间；所述第四直波导1122安装在分别设置在第二直主信号电极212和第一主地电极22上的加载t型电极4之间。其中，加载t型电极4之间的主要电场分量与x切的铌酸锂薄膜的z轴方向一致，为此可利用铌酸锂材料最强的电光系数r
33
。
59.本实施例中，所述铌酸锂波导结构还包括输入波导11、光分束器12、光合束器13和输出波导14；其中，光信号输入所述输入波导11后通过光分束器12进行分束，分别进入所述
第一波导111和所述第二波导112，光信号再从第一波导111和第二波导112进入光合束器13进行光合束后，进入输出波导14。
60.本实施例中，所述第一弯曲波导1113与第二弯曲波导1123连通，所述第一弯曲波导1113与第二弯曲波导1123连通的部分组成x型交叉波导。
61.在具体实施过程中，光信号经过光输入波导11后，光信号分别通过输入波导11的第一输出端进入第一波导111以及通过输入波导11的第二输出端进入第二波导112，通过第一弯曲波导1113与第二弯曲波导1123连结组成x型交叉可以降低第一波导111和第二波导112交叉时光的衍射所带来的损耗，第一波导111和第二波导112始终位于加载t型电极4之间，第一波导111和第二波导112受到的电场方向始终相反，且同一条波导受到的电场方向始终不变，从而使得该折叠式容性负载电光调制器工作在推挽模式，抑制槽线模式。第一波导111的相位改变量和第二波导112的相位改变量分别为：
[0062][0063][0064]
其中，ne为非寻常光折射率，r
33
为铌酸锂材料最强的电光系数，ez为沿着铌酸锂晶体z轴方向的电场分量，λ为光信号的波长，l1为第一直波导1111和第二直波导1112的总长，l2为第三直波导1121和第四直波导1122的总长；l1和l2为有效的电光交互的总长度。本发明通过折叠铌酸锂波导和共面波导传输线大幅缩短器件长度，有利于同时实现低驱动电压和小型化封装。同一条波导折叠后受到的电场方向不变，调制深度随着每一段光电交互的长度累积，两条波导交叉的地方通过x型交叉结构连接，以实现低损耗和低串扰。
[0065]
实施例4
[0066]
请参阅图8-图11，本实施例提出一种折叠式容性负载电光调制器，所述调制器为一种n＝2，折叠两次的三段式的折叠式容性负载电光调制器，还包括第二弯曲主信号电极214、第三电极倒角2141、第四电极倒角2142和第三直主信号电极215；所述第三电极倒角2141一端连接第二直主信号电极213，另一端连接第二弯曲主信号电极214；所述第四电极倒角2142一端连接第二弯曲主信号电极214，另一端连接第三直主信号电极215。
[0067]
本实施例中，所述第三电极倒角2141初始处上方设置有第五空气桥35，所述第五空气桥35一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23；所述第三电极倒角2141末尾处上方设置有第六空气桥36，所述第六空气桥36一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23；所述第四电极倒角2142初始处上方设置有第七空气桥37，所述第七空气桥37一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23；所述第四电极倒角2142末尾处上方设置有第八空气桥38，所述第八空气桥38一端连接第一主地电极22，另一端连接第二主地电极23。
[0068]
本实施例中，所述第二主地电极23和第三直主信号电极215之间设置有加载t型电极4，所述多个加载t型电极4分别相对设置在第二主地电极23和第三直主信号电极215上；所述第三直主信号电极215和第一主地电极22之间设置有加载t型电极4，所述多个加载t型电极4分别相对设置在第三直主信号电极215和第一主地电极22上；
[0069]
本实施例中，第一波导111还包括第三弯曲波导1114和第五直波导1115，所述第二直波导1112、第三弯曲波导1114和第五直波导1115依次连接；第二波导112还包括第四弯曲
波导1124和第六直波导1125，所述第四直波导1122、第四弯曲波导1124和第六直波导1125依次连接。
[0070]
本实施例中，所述第三弯曲波导1114与第四弯曲波导1124连通，所述第三弯曲波导1114与第四弯曲波导1124连通的部分组成x型交叉波导。
[0071]
本实施例中，所述第五直波导1115安装在分别相对设置在第二主地电极23和第三直主信号电极215上的加载t型电极4之间；所述第六直波导1125安装在分别相对设置在第三直主信号电极215和第一主地电极22上的加载t型电极4之间。
[0072]
在具体实施过程中，使用电极倒角和空气桥的结构可以显著改善弯面共面波导传输线的传输性能，如图10和图11所示，在1ghz～67ghz的频段内，采用该结构的反射系数s
11
保持低于-15db，传输系数s21明显增大且更加平滑，这意味着槽线模式被有效抑制。
[0073]
实施例5
[0074]
本实施例提出一种折叠式容性负载电光调制器的制备方法，用于制作上述实施例所述的折叠式容性负载电光调制器，包括以下步骤：
[0075]
s1：在绝缘体铌酸锂薄膜基片上通过光刻刻蚀工艺制备所需的铌酸锂波导结构，包括输入波导11、输出波导14、第一波导111、第二波导112、x型交叉波导、光分束器12和光合束器13。本实施例中光刻刻蚀工艺包括使用步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写和激光直写。
[0076]
s2：在步骤s1得到的铌酸锂薄膜组合基片上沉积低折射率绝缘介质缓冲层。所述低折射率绝缘介质缓冲层可以为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、紫外光刻胶、深紫外光刻胶、电子胶等低折射率绝缘介质材料。
[0077]
s3：在步骤s2得到的铌酸锂薄膜组合基片上采用光刻、金属沉积以及金属剥离工艺制备金属电极，形成由两个地极和信号电极组成的折叠式容性负载电极结构。
[0078]
s4：在步骤s3得到的铌酸锂薄膜组合基片的折叠式容性负载电极结构上，采用沉积、曝光和显影等工艺制备绝缘介质层作为空气桥的支撑。本实施中，绝缘介质层的材料可以为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化钛、绝缘光刻胶或上述材料的组合。
[0079]
s5：在步骤s4得到的铌酸锂薄膜组合基片的绝缘介质层上，采用光刻、金属沉积以及金属剥离工艺制备空气桥结构，得到折叠式容性负载电光调制器；所述空气桥连结折叠式容性负载电极结构中的两个地电极且不与信号电极接触。本实施例中，当铌酸锂薄膜组合基片的衬底材料5为硅时，可以使用湿法腐蚀去除电极周围的衬底，或在电极周围采用刻蚀工艺制备沟槽至硅衬底，通过各项同性刻蚀去除部分硅衬底。
[0080]
此外，在本发明中，也可以使用金属引线键合技术替换空气桥结构以实现两个地电极的接触连结且不与信号电极接触。
[0081]
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0082]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。