本发明属于光通信，涉及一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器。
背景技术：
1、随着社会经济的发展，人们对信息传输的速度和质量要求日益提高，传统的信息传输手段已无法满足这些高标准需求。高速、高带宽的信息传输变得尤为关键。在此背景下，光子学作为电子学的一种新兴替代技术，逐渐吸引了众多研究者的目光。利用集成光路代替传统的电子电路，即通过“光”来实现“电”的功能，能够更高效地进行逻辑运算和设备互联。光纤技术的应用取代了铜线，不仅大幅提升了数据传输速度和计算能力，同时也降低了能耗。光通信技术已成为实现远程、大容量通信的主流手段，而电光调制器是光通信系统中的核心器件之一。
2、传统铌酸锂电光调制器在占地面积和工作带宽问题上无法有效均衡，但铌酸锂因其出色的电光、声光、压电特性，近年来备受关注。随着工艺技术的不断发展，绝缘体上铌酸锂（lithium niobate on insulator，lnoi）平台应运而生，它克服了传统铌酸锂器件在波导制作上的限制，如低折射率差和较大器件体积，实现了更高的集成度。lnoi平台的薄膜铌酸锂不仅继承了材料本身的优良特性，还具备了高折射率差的优势，使得在lnoi上集成多个单元器件变得更加简便。目前，基于lnoi平台的高性能电光调制器已经得到广泛研究，这标志着光电子领域的新突破和巨大潜力，目前国内外有许多基于lnoi平台的优异的电光调制器被相继报道，如美国哈佛大学的marko lončar课题组在nature上面发表了cmos兼容驱动电压的薄膜铌酸锂电光调制器(“integrated lithiumniobate electro-opticmodulators operating at cmos-compatible voltages” nature 562(7725), 101-104(2018))。
3、目前，光通信系统中广泛使用的电光调制器大多基于马赫-曾德尔干涉仪结构，其主流产品的带宽已经从70ghz逐步迈向110ghz。然而，随着带宽的继续提升，射频损耗也显著增加，这对驱动电路的输出能力提出了更高的要求。因此，迫切需要进一步降低电光调制器的半波电压并提升其调制效率。现有的电光调制器在单位长度上的调制效率受到电极与波导调制截面结构的限制。为了提高调制效率，常用的方法包括延长或折叠电极以减少所需的驱动电压，但这种做法会受到微波损耗的限制。在当前的主流平台中，微波电极结构在超过5cm的距离后，微波信号强度会显著减弱，导致无法进一步提升调制效率。此外，这种方法还可能导致折射率不匹配和调制带宽的降低。另一种提高效率的方法是通过让光多次通过调制区域，但这需要使用多模波导和进行多次的模式转化，这会增加调制器的串扰及噪声。
技术实现思路
1、本发明提供了一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，目的在于在不显著增加器件面积和串扰的条件下提高调制效率，为电光调制器的应用提供更为宽广的应用前景。
2、为此，本发明采用如下技术方案：
3、一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，主要包括电学部分和光学部分。电学部分包括承载电信号的共面波导金属电极，由中部的信号电极、两侧的地电极结构以及信号电极和地电极构成的两道电极狭缝组成；用于连接外部射频探针、封装金线等电学接口的金属pad；用于引导电信号构建多组调制区的‘干’字形叉指电极；用于热偏置的热极。光学部分包括：第一耦合光栅及其右侧的输入波导，输入波导右侧的1x2多模干涉耦合器分束结构，其包括一个输入端口、一个平板耦合区和两个输出端口，多模干涉耦合器分束结构右侧分别接入上下两组调制臂，上侧包括第一调制波导，第一调制波导右侧的第一光波导延迟线，第一光波导延迟线左侧的第二调制波导，第二调制波导左侧的第二光波导延迟线，第二光波导延迟线之后的第三调制波导，下侧包括第四调制波导，第四调制波导右侧的第三光波导延迟线，第三光波导延迟线左侧的第五调制波导，第五调制波导左侧的第四光波导延迟线，第四光波导延迟线的第六调制波导，上下两臂接入由两个输入端口、平板耦合区和一个输出端口组成的第二多模干涉耦合器合束结构，第二多模干涉耦合器合束结构右侧的输出波导和第二耦合光栅。
4、两组调制波导分别构成电光调制器中马赫-曾德尔干涉仪的上下两条调制臂，本发明使用共面波导电极结构，可以形成两个调制方向相反的调制臂，即电极配置为推挽式结构，本发明使用加热电极改变马赫曾德尔干涉仪的工作点，在用作强度调制时，调制器的工作点偏置在正交工作点。本发明使用基于叉指电极设计的共面波导电极结构，在共面波导电极的两条金属电极狭缝中分别构建多个电光作用区域，不同电光作用区域之间通过光波导延迟线进行调相确保调制效果可以叠加。
5、本发明电光调制器中的波导为氮化硅负载的薄膜铌酸锂波导。由于氮化硅具有与铌酸锂材料相似的透明窗口且氮化硅的折射率略低于铌酸锂材料，可以使得氮化硅-铌酸锂复合波导的模场大部分处于铌酸锂层且其工作带宽不受影响。最重要的是，氮化硅材料具有成熟的加工工艺，与传统的直刻铌酸锂波导相比不存在波导倾角，可以很方便的加工亚波长波导光栅这类具有超小线宽的结构，且有利于实现器件的大规模集成。
6、本发明电光调制器通过构造行波电极中的特殊叉指电极结构在不显著增加器件面积的情况下创建了多个调制区域，使得光在多次进入调制区域时能够避免模式转换引起的串扰，同时这种设计允许更大的电极间隙，有助于减少微波损耗并提升调制带宽。
7、本发明的有益效果在于：
8、1.基于薄膜铌酸锂平台，可以利用铌酸锂材料优异的电光调制系数和高光学透明窗口，实现从可见光到4μm波段的超宽带光学工作带宽，器件可以实现片上高度集成，具有体积小、功耗低、驱动电压低的优势，利于与驱动电路结合，实现紧凑的驱动模块。
9、2.器件基于对调制区域的复用实现低调制电压和高调制效率，避免因引入过长的行波电极结构造成微波折射率和光学折射率过大失配和微波损耗问题，避免器件的工作带宽受到电学限制并带来过多的回波反射噪声降低光调制信号质量。
10、3.本器件的调制电极和工作波导通过二氧化硅缓存层进行隔离，对于调制所需的光学横电(te)模式，可以有效降低行波电极与衬底构成复合波导的传播模式生成，从而极大降低行波电极金属材料对光学电场的吸收损耗，提高光调制信号的调制质量和信噪比。
11、4.本器件通过叉指结构极大的增加了共面波导电极结构的金属间间距，降低了金属间间距造成的漏电损耗和由此带来的马赫曾德尔干涉仪工作偏置点漂移，最终降低调制器微波损耗和驱动电压。
12、5.叉指结构可在不显著增加器件面积的条件下构建多个调制区，相较于传统折叠电极避免引入多组共面波导电极结构增加面积。
13、6.本器件与波导复用技术相兼容，在牺牲部分串扰和损耗的条件下允许与基于模式的复用技术结合进一步拓展电光调制器的调制效率。
1.一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，电光调制器包括电学部分（1）和光学部分（2）；电学部分（1）为基于叉指电极（25）的行波电极结构，光学部分（2）包括连接于两个多模干涉耦合器的调制臂，调制臂包括两个且并列布设；调制臂包括调制波导、光波导延迟线。
2.根据权利要求1所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，基于相互交叉的叉指电极（25）结构形成多个电光调制区域，多个电光调制区域的调制方向均保持一致，在施加外部电场时，电光调制器同一臂上的调制波导折射率该变量同相等大，允许互相叠加。
3.根据权利要求1所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，调制臂的电光调制波导之间通过光波导延迟线连接，确保不同电光调制波导之间的相位等同，调制作用可以相互叠加。
4.根据权利要求1所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，第一调制波导（6）、第二调制波导（7）和第三调制波导（8）构成调制臂的上半臂，第四调制波导（11）、第五调制波导（12）和第六调制波导（13）构成调制臂的下半臂，上半臂调制和下半臂调制的调制方向相反，构成调制器的推挽式布置。
5.根据权利要求1所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，其波导结构是由氮化硅加载的薄膜铌酸锂波导组成；在制造过程中，刻蚀步骤仅针对氮化硅层进行，而铌酸锂层则保持未刻蚀状态；经过刻蚀的氮化硅层与未刻蚀的铌酸锂层共同形成了复合波导结构。
6.根据权利要求4所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，调制臂的上半臂包括依次相连的第一调制波导（6）、第一光波导延迟线（9）、第二调制波导（7）、第二光波导延迟线（10）和第三调制波导（8），第一调制波导（6）的头端与第一多模干涉耦合器（5）相连，第三调制波导（8）的尾端与第二多模干涉耦合器（16）相连；
7.根据权利要求6所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，调制臂的下半臂包括依次相连的第四调制波导（11）、第三光波导延迟线（14）、第五调制波导（12）、第四光波导延迟线（15）和第六调制波导（13），第四调制波导（11）的头端与第一多模干涉耦合器（5）相连，第六调制波导（13）的尾端与第二多模干涉耦合器（16）相连；
8.根据权利要求7所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，所述电学部分（1）采用共面波导电极结构，包括热电极（19）以及从上往下依次设置的上侧地电极（20）、信号电极（21）和下侧地电极（22），上侧地电极（20）、信号电极（21）和下侧地电极（22）靠近第一多模干涉耦合器（5）的一端均连接有左侧电极pad（23）；上侧地电极（20）、信号电极（21）和下侧地电极（22）靠近第二多模干涉耦合器（16）的一端均连接有右侧电极pad（24）。
9.根据权利要求8所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，上侧地电极（20）及与其相连的左侧电极pad（23）和右侧电极pad（24）构成第一电极，第一电极位于第三调制波导（8）和第二光波导延迟线（10）围成的空间内；
10.根据权利要求9所述的一种基于叉指电极的铌酸锂电光调制器，其特征在于，第六调制波导（13）位于第三光波导延迟线（14）和第二多模干涉耦合器（16）之间的部分朝向第二多模干涉耦合器（16）的一侧设有用于偏置的热电极（19），热电极（19）与第六调制波导（13）、第三光波导延迟线（14）和第二多模干涉耦合器（16）均不相接触。
