本公開涉及光通信器件，尤其涉及一種薄膜鈮酸鋰電光調制器、功能器件、調控和制作方法。

背景技術：

1、由于5g技術、視頻流、云服務、數(shù)據(jù)中心、各類應用的迭代更新和對人工智能(ai)工具的需求等不斷推動互聯(lián)網(wǎng)流量呈指數(shù)級增長，傳統(tǒng)電子器件的帶寬瓶頸日益凸顯，光子集成電路(pic)應運而生，光通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量持續(xù)高速增長，對光通信網(wǎng)絡的器件性能和集成度也提出了更高的要求。電光調制器可實現(xiàn)光信號的高速調制(10gbps至數(shù)tbps)，成為高速光通信網(wǎng)絡的核心組件，還可以廣泛應用于雷達系統(tǒng)、光學相干斷層掃描、傳感和量子光子學等。目前電光調制器根據(jù)材料分為三類：鈮酸鋰基調制器、化合物半導體調制器和硅基調制器。由于鈮酸鋰材料具有光纖通信的窗口，并且性能穩(wěn)定，被視為光電調制器最有潛力的材料之一，對應的鈮酸鋰基調制器具有調制速率高、功耗小、半波電壓低和材料穩(wěn)定性高的特點，適用于數(shù)據(jù)中心、骨干網(wǎng)通信傳輸、微波光子鏈路和衛(wèi)星間通信等領域。

2、然而，發(fā)明人在研發(fā)中發(fā)現(xiàn)，針對鈮酸鋰基電光調制器的相關技術存在以下問題亟需解決：鈮酸鋰波導中光模式的偏振控制是薄膜鈮酸鋰調制器和器件集成必須要攻克的關鍵難點之一；已有的調控技術中大部分是通過額外增加一個外部調控部件進行光路調控，引入了新材料或者結構不對稱性，這容易導致噪聲源和失配，而且外部部件存在失效老化風險，增加了成本；有的方案是通過增強波導結構垂直方向的不對稱性，或者采用淺刻蝕的脊波導結構實現(xiàn)對偏振態(tài)的控制，這種方式對工藝的可控度要求非常高，器件合格率較低，增加了芯片制作的成本和風險。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術問題或者至少部分地解決上述技術問題，本公開的實施例提供了一種薄膜鈮酸鋰電光調制器、功能器件、調控和制作方法。

2、第一方面，本公開的實施例提供了一種薄膜鈮酸鋰電光調制器。上述薄膜鈮酸鋰電光調制器包括：芯片主體。上述芯片主體包含：基底層，位于上述基底層之上的鈮酸鋰波導結構、電光調控電極和磁性調控結構。上述鈮酸鋰波導結構包含：光信號輸入段、電光調制段和光信號輸出段；上述電光調控電極位于上述電光調制段的兩側。其中，上述磁性調控結構位于上述光信號輸入段的兩側，用于產生調制磁場；基于上述調制磁場對上述光信號輸入段中傳輸?shù)墓庑盘柕钠駪B(tài)進行可控調制后，使得進入至上述電光調制段的光信號偏振態(tài)與對應鈮酸鋰材料的極性相匹配。

3、在一些實施例中，上述磁性調控結構包括：目標結構層，與上述目標結構層連接的磁光調控電極。其中，上述目標結構層具有以下特性：在磁場作用下表現(xiàn)出各向異性且具有法拉第旋光效應。上述磁光調控電極用于加載電控信號，在上述目標結構層產生磁場，基于上述電控信號的調制來調控上述磁場，進而調控經過上述磁場的光信號的偏振態(tài)。

4、在一些實施例中，上述目標結構層為單層結構或多層結構。上述目標結構層采用的磁性材料或結構包括以下的一種或多種：釔鐵石榴石yig，鉍取代釔鐵石榴石big，銪氧化物euo，釓鎵石榴石ggg，錳鋅鐵氧體，厚度低于10納米的超薄鐵磁金屬多層膜結構，磁性拓撲絕緣體，磁電復合結構，二維磁性材料，鈣鈦礦型氧化物。

5、在一些實施例中，上述目標結構層包含磁光材料，線偏振光通過上述目標結構層后發(fā)生旋轉的旋轉角受到以下因素的影響：磁光材料的旋磁特性、光信號通過磁光材料對應的材料層的距離、磁場方向和磁場強度。

6、在一些實施例中，上述基底層包括以下結構的一種：

7、絕緣體上硅soi基底，包含：硅襯底，位于上述硅襯底上的下包層；或者，

8、第一類型的絕緣體上鈮酸鋰lnoi基底，包含：硅襯底，位于上述硅襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層；或者，

9、第二類型的絕緣體上鈮酸鋰lnoi基底，包含：鈮酸鋰襯底，位于上述鈮酸鋰襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層。

10、在一些實施例中，上述鈮酸鋰波導結構為以下波導結構的一種：條形波導結構、脊型波導結構或異質集成波導結構。其中，上述條形波導結構相較于上述基底層頂部的二氧化硅層表面或鈮酸鋰層表面呈凸起結構，且兩個側壁為垂直結構。上述脊型波導結構相較于上述基底層頂部的二氧化硅層表面或鈮酸鋰層表面呈凸起結構，且兩個側壁具有傾斜坡度。上述異質集成波導結構包含：位于soi基底之上的鈮酸鋰薄膜層，位于上述鈮酸鋰薄膜層之上且呈凸起結構的異質層，上述異質層與鈮酸鋰薄膜層構成異質結，上述異質層的材料對應的折射率等于或高于上述鈮酸鋰薄膜層的折射率。

11、在一些實施例中，在上述基底層和上述磁性調控結構之間還具有目標包覆層，上述目標包覆層包覆于上述鈮酸鋰波導結構的側壁和頂部，上述目標包覆層用于在制作上述磁性調控結構的過程中作為上述鈮酸鋰波導結構的保護層，并在上述薄膜鈮酸鋰電光調制器中作為位于上述鈮酸鋰波導結構之外的包層波導先進行光信號的耦合并耦合傳遞到上述鈮酸鋰波導結構中。其中上述目標包覆層為單層結構或多層結構，上述目標包覆層的材料為以下的一種或多種：二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、su-8聚合物、氧化鎂、氧化鉭、氧化鋁、氧化鈦。

12、第二方面，本公開的實施例提供一種針對上述薄膜鈮酸鋰電光調制器的調控方法。上述調控方法包括：基于對磁性調控結構的控制，產生調制磁場；基于上述調制磁場，對上述光信號輸入段中傳輸?shù)墓庑盘柕钠駪B(tài)進行可控調制后，使得進入至上述電光調制段的光信號偏振態(tài)與對應鈮酸鋰材料的極性相匹配；在上述電光調制段，基于對電光調控電極的輸入控制，對上述鈮酸鋰波導結構的折射率進行可控調控并影響所通過的光信號的相位、強度或偏振態(tài)，實現(xiàn)電光調制。

13、第三方面，本公開的實施例提供一種薄膜鈮酸鋰電光調制器的制作方法。上述制作方法包括：準備基底；基于薄膜制備和圖案化工藝，在上述基底上制作鈮酸鋰波導結構、電光調控電極和磁性調控結構。其中，上述鈮酸鋰波導結構包含：光信號輸入段、電光調制段和光信號輸出段；上述電光調控電極位于上述電光調制段的兩側；上述磁性調控結構位于上述光信號輸入段的兩側，用于產生調制磁場；基于上述調制磁場對上述光信號輸入段中傳輸?shù)墓庑盘柕钠駪B(tài)進行可控調制后，使得進入至上述電光調制段的光信號偏振態(tài)與對應鈮酸鋰材料的極性相匹配。

14、在一些實施例中，上述基底包括以下結構的一種：絕緣體上硅soi基底、包含硅襯底的第一類型的lnoi基底、包含鈮酸鋰襯底的第二類型的lnoi基底；第一類型的lnoi基底，包含：硅襯底，位于上述硅襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層；第二類型的lnoi基底，包含：鈮酸鋰襯底，位于上述鈮酸鋰襯底上的下包層，位于上述下包層上的鈮酸鋰層；

15、基于薄膜制備和圖案化工藝，在上述基底上制作鈮酸鋰波導結構、電光調控電極和磁性調控結構，包括：

16、針對soi基底，基于離子切割技術在上述絕緣體上硅soi基底上制作鈮酸鋰薄膜，具體包括：在鈮酸鋰ln晶圓上采用高能離子轟擊，在預設深度形成離子注入層；將離子注入后的鈮酸鋰ln晶圓與soi基底鍵合并退火處理，退火處理過程中注入的離子膨脹使得鍵合的結構從預設深度的位置脫離開，剝離得到帶有鈮酸鋰薄膜的soi基底；

17、針對lnoi基底或帶有鈮酸鋰薄膜的soi基底，基于金剛石切割、化學機械拋光、干法刻蝕或光刻工藝，制作圖案化的鈮酸鋰波導結構；

18、基于薄膜制備工藝，在包含圖案化的鈮酸鋰波導結構的基底上形成目標包覆層結構；上述目標包覆層結構包覆于上述鈮酸鋰波導結構的側壁和頂部；上述目標包覆層結構在制作磁性調控結構的過程中作為上述鈮酸鋰波導結構的保護層；制作完成后，在上述薄膜鈮酸鋰電光調制器中作為包層波導先進行光信號的耦合并耦合傳遞到上述鈮酸鋰波導結構中；

19、基于薄膜制備和光刻工藝，在上述包覆層結構之上制作圖案化的電光調控電極；

20、基于薄膜制備和光刻工藝，在包含圖案化的鈮酸鋰波導結構和電光調控電極的基底上制作圖案化的磁性調控結構；其中，制作圖案化的磁性調控結構的過程中，光刻膠作為已制作完成的圖案化的鈮酸鋰波導結構和電光調控電極的最外層保護層，采用的是區(qū)域曝光。

21、第四方面，本公開的實施例提供一種包含上述薄膜鈮酸鋰電光調制器的功能器件。上述功能器件為以下器件的一種或多種：用于長距離光纖通信的相干光模塊；硅基異質集成光芯片；用于5g/6g基站前傳的光載無線通信設備；硅光異質集成器件；用于量子通信或量子計算的調制芯片；激光雷達中的線性調頻調制器；激光雷達中的強度調制器；可調諧激光器；用于雷達探測、電子對抗中的光子射頻前端設備；用于醫(yī)學光學相干斷層掃描的高速掃頻光源；用于管線、橋梁、建筑監(jiān)測的相位敏感調制模塊。

22、本公開實施例提供的上述技術方案至少具有如下優(yōu)點的部分或全部：

23、上述薄膜鈮酸鋰電光調制器中，實現(xiàn)電光調制的核心機理基于線性電光效應(pockels效應)，通過外加電場引起晶體折射率變化，進而改變光波的相位、強度或偏振態(tài)；由于鈮酸鋰材料是帶有極性的各向異性晶體，在各個方向上的電光系數(shù)不同，導致對光的調制效率不同；本公開實施例提供的器件結構中，通過在芯片主體中集成鈮酸鋰波導結構、電光調控電極和磁性調控結構，將用于產生調制磁場的磁性調控結構引入至鈮酸鋰波導結構的光信號輸入段的兩側，利用法拉第旋光效應，光在通過磁場時平行于磁場矢量方向的偏振面會發(fā)生旋轉，如此能夠對光信號輸入段的光信號的偏振狀態(tài)進行可控調制，基于上述調制磁場對上述光信號輸入段中傳輸?shù)墓庑盘柕钠駪B(tài)進行可控調制后，使得進入至上述電光調制段的光信號偏振態(tài)與對應鈮酸鋰材料的極性相匹配，如此能夠提升該薄膜鈮酸鋰電光調制器的電光調制效率；而且采用的磁控偏振技術的原理屬于電磁場的本征現(xiàn)象，外部機械環(huán)境對光路的影響較小，能夠應用于各類應用場景(諸如光通信、量子通信和量子計算、雷達系統(tǒng)、光學相干斷層掃描等)，性能穩(wěn)定且可靠性高。在同一個片上可以對磁性調控結構、鈮酸鋰波導結構電光調控電極同步進行封裝測試，提升了薄膜鈮酸鋰電光調制器的集成度，且降低外部引入器件導致的光路校準難度或調控難度。在未來光電一體化集成技術體系中，具有明顯的優(yōu)勢和應用前景。