1.本发明涉及集成光学领域，具体涉及一种高调制效率的复合包层电光调制器。
背景技术：2.随着5g、大数据以及人工智能等新科技的不断发展，对信息传输量的需求越来越高，由于光纤通信网络有着巨大的通信容量，其承担了信息传输的主要责任。电光调制器作为光通信系统中电光信号转换的关键器件，对通信系统的性能影响很大，因此发展高调制速率、低损耗以及高集成度的调制器对于高速光通信至关重要。在材料方面，主要应用硅、铌酸锂或者聚合物进行调制。硅基电光调制器大多依赖于自由载流子等离子体色散效应，在外加电场作用下，波导中自由载流子会发生扩散或漂移，从而改变波导折射率。铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器都依赖于材料自身的电光效应，在外加电场作用下，其折射率会随电场变化而改变。总而言之，外加电场的强度对各种材料平台调制器的调制效率都至关重要。单位电压下，作用于波导的电场越强，调制效率就越高。传统的单介质包层结构电光调制器在波导区域的电场强度有限，使得半波电压长度积较大，限制了调制器的调制效率。
技术实现要素：3.鉴于以上问题，本发明主要提出一种高调制效率的复合包层电光调制器，利用多层复合介质包层结构来提高电光调制器调制效率。
4.对于复合包层的电光调制器，其包括：
5.衬底层；
6.设置在所述衬底层上的埋氧层；
7.设置在所述埋氧层上的波导芯层；
8.设置在所述波导芯层外的复合包层，复合包层材料的等效折射率小于波导芯层材料的等效折射率，用于实现波导芯层与包层之间较大的折射率差，从而将光场限制在波导中进行传输；
9.设置在所述波导芯层外的第一包层和第二包层及可能更多的外包层，待沉积好第一包层再向其上沉积介电常数大于第一包层材料的第二包层材料，用于增加第一包层与第二包层界面处电场强度，根据不同要求可以继续沉积介电常数更大的第三、第四或更多的包层材料，增加相邻两包层界面处的电场强度；
10.用于施加电信号并对波导进行调制的一组电极。
11.本发明中通过引入包层材料数大于等于两种的介质包层，构成了复合介质包层结构。由于复合介质包层结构能够提高介电常数小的介质中的电场强度，并且在不同介质包层的界面附近，波导内部电场存在由低到高的陡升现象，表现为一个新的电场强度高峰，从而增加该处的电场强度，进而减小调制器的半波电压，增加调制器的调制效率。
12.另外，根据本发明上述实施例的电光调制器的芯层波导和调制电极分布结构还可
以具有以下附加的技术特征：
13.进一步的，在本发明的实施例中，波导芯层材料可以是薄膜铌酸锂材料，用于传输光并对光信号进行调制。
14.进一步地，在本发明的一个实施例中，用于施加电信号并对波导进行调制的一组电极加载在所述波导芯层的垂直方向上，分别设置在所述复合包层外部及衬底内部，在垂直方向上施加电场；
15.进一步地，在本发明的一个实施例中，用于施加电信号并对波导进行调制的一组电极加载在所述波导芯层的水平方向上，设置在所述复合包层内部或外部，在水平方向施加电场；
16.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
17.之前的电光调制器一般仅有一层包层结构，当施加电压对其进行电光调制时，加载在光波导处的电场强度有限，导致调制器调制效率不够高。本发明采用了复合包层结构，即在之前的调制器的包层上又增加了其他不同材料的包层，由于复合包层结构可以增加介电常数小的介质中的电场强度，所以在第一包层上添加比其介电常数大的第二包层即可增加第一包层中的电场强度，且场强会在两介质交界处产生一个电场高峰，故只需合理设计各包层结构，即可使被调制的波导周围电场强度增加，进而增加调制效率。
附图说明
18.图1为本发明实施例的一种高调制效率z切lnoi电光调制器结构示意图；
19.图2为本发明实施例的一种高调制效率x切lnoi电光调制器结构示意图；
20.图3为单包层z切lnoi电光调制器波导折射率分布图；
21.图4为复合包层z切lnoi电光调制器波导折射率分布图；
22.图5为单包层z切lnoi电光调制器电场图；
23.图6为复合包层z切lnoi电光调制器电场图；
24.图7为单包层x切lnoi电光调制器电场图；
25.图8为复合包层x切lnoi电光调制器电场图；
26.图中，1为si衬底，2为sio2绝缘层，3为波导芯层，4为材料1包层，5为材料2包层，6为材料3包层，7为信号电极，8为地电极，9为si衬底，10为sio2绝缘层，11为ln波导芯层，12为材料1包层，13为材料3包层，14为信号电极，15为地电极。
具体实施方式
27.本发明中所述的波导芯层的形状为脊型，波导芯层形状通过刻蚀得到。波导芯层材料为铌酸锂，所述衬底采用硅衬底，绝缘层采用sio2，材料2包层采用介电常数大于材料1的材料，材料3包层采用的介电常数大于材料2的材料。所述信号电极和地电极采用的材料为金。
28.实施例1
29.如图1所示，本实施例提供了一种高调制效率z切lnoi电光调制器，包括si衬底1，sio2绝缘层2，波导芯层3，上包层4，上包层5，上包层6，信号电极7，地电极8。
30.si衬底1上面是sio2绝缘层2，sio2绝缘层2上是ln薄膜层，通过刻蚀可在ln薄膜层
上制作脊型的波导芯层3(即ln波导芯层)，在波导芯层3上是上包层4(即材料1包层)，由于波导芯层3和上包层4之间存在较大的折射率差，即可很好的将光限制在波导芯层中传输。在上包层4上再沉积一层介电常数大于材料1的上包层5(即材料2包层)，由于复合介质包层结构能够提高介电常数小的介质中的电场强度，在两包层的交界处会存在电场强度高峰，即可有效增加上包层4和上包层5界面处的电场强度，进而增加调制效率。由于z切铌酸锂波导芯层高度较高，需在材料2包层上再覆盖一层介电常数大于材料2的上包层6(即材料3包层)，可有效增强波导顶部电场强度，进一步增加调制效率。材料1、材料2和材料3的选择只要满足上述条件即可，在本例中材料1选用sio2，材料2选用al2o3，材料3选用si3n4。在上包层6上侧对应光波导位置处制备信号电极7，在衬底的相应位置上制备地电极8，电场方向为z切ln材料的光轴方向，此时可以利用该材料最大的电光系数，有助于增强该器件的性能。图3为只有sio2包层的z切lnoi电光调制器的波导折射率分布图，图4为在单包层基础上又增加了al2o3和si3n4包层的复合包层结构的z切lnoi电光调制器波导折射率分布图，可以看出，当增加了复合包层后，波导的折射率较单包层结构有明显减小。图5为单包层z切lnoi电光调制器电场图，图6为复合包层z切lnoi电光调制器电场图，通过对比两种结构的电场分布图可以看出，当使用sio
2-al2o
3-si3n4的复合包层结构时，各包层交界处的电场强度有明显增加，可有效提高调制器的调制效率。
31.实施例2
32.如图2所示，本实施例提供了一种高调制效率x切lnoi电光调制器，包括si衬底9，sio2绝缘层10，波导芯层11，上包层12，上包层13，信号电极14，地电极15。
33.si衬底9上面是sio2绝缘层10，其上是ln薄膜层，通过刻蚀在ln薄膜上制作波导芯层11。在光波导位置附近覆盖sio2包层12，通过sio2包层和铌酸锂波导之间较大的折射率差提高波导对光场的限制能力。在光波导两侧放置信号电极14和地电极15，将电场方向调整至铌酸锂晶体z轴方向，从而利用该材料最大的电光系数。最后在器件上沉积一层介电系数大于sio2的包层13(即材料3包层)，实验中采用的材料3是si3n4。通过引入复合介质层增加了包层12与包层13界面处波导内的电场强度，从而会增加调制器调制效率，提高器件的各性能。图7为只有sio2包层时仿真得到的电场分布图，图8是在sio2包层上增加了另一层si3n4包层时仿真得到的电场分布图，通过比较两图可知，复合包层结构确实可以增加两包层交界处的电场强度，提高调制器调制效率。
技术特征：1.一种对于复合包层的电光调制器，其特征在于，包括：衬底层；设置在所述衬底层上的埋氧层；设置在所述埋氧层上的波导芯层；设置在所述波导芯层上的复合包层；用于施加电信号并对波导进行调制的一组电极。2.根据权利要求1所述的复合包层的电光调制器，其特征在于，所述复合包层结构以波导芯层为中心，向外扩展为多层包层，所述包层材料数大于等于两种，自波导芯层从里向外的包层分别称为第一包层、第二包层，
……
，并以此类推命名。3.根据权利要求1所述的复合包层的电光调制器，其特征在于，所述的第一包层材料的介电常数小于第二包层材料的介电常数，第二包层材料的介电常数小于第三包层材料的介电常数，
……
，以此类推向外递减。4.根据权利要求1所述的复合包层的电光调制器，其特征在于，所述的一组电极加载在所述波导芯层的垂直方向上，分别设置在所述复合包层及衬底内部或外部，在垂直方向上施加电场。5.根据权利要求1所述的复合包层的电光调制器，其特征在于，所述的一组电极加载在所述波导芯层的水平方向上，设置在所述复合包层内部或外部，在水平方向施加电场。
技术总结本发明公开了一种高调制效率的复合包层电光调制器，其包括：衬底层；埋氧层；波导芯层；设置在波导芯层上的复合包层；用于施加电信号并对波导进行调制的一组电极。本发明利用多层复合介质包层结构来提高电光调制器调制效率。复合介质包层结构来提高电光调制器调制效率。复合介质包层结构来提高电光调制器调制效率。
技术研发人员：陈诺 刘晓妍 储涛
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.07.05
技术公布日：2022/11/1
