摘要
电光调制器是光传输网络和光信息处理系统的关键器件，在光纤通信、光纤传感、微波光子学、量子通信等技术领域中有着十分广泛的应用。电光调制器的材料多种多样，其中铌酸锂材料由于具有0.35μm～5μm的宽带光学透明窗口、较大的电光系数，以及相对其它电光材料较稳定的物理和化学性质等特点，已经成为光子集成电路(PIC)、量子光子集成电路和可编程量子处理器等领域中制作电光调制器的首选材料。目前薄膜铌酸锂电光调制器面临着调制带宽、插入损耗、调制效率以及工艺制作成本等多种性能参数和指标相互制约的问题，需进一步的研究与探讨。 本文对薄膜铌酸锂电光调制器的工作原理及性能参数进行深入的探讨，主要研究微波和光波速度匹配问题、传输线系统阻抗匹配问题，还研究调制器各部分的损耗来源、热电效应引起的器件稳定性问题以及刻蚀铌酸锂波导带来的高成本问题等。通过有限元分析及光束传播法进行建模及分析，最终设计出带宽高、损耗低、稳定性优异、制作成本低廉的薄膜铌酸锂电光调制器。论文的主要内容及创新如下: (1)本文提出了一种低损耗宽带多模干涉耦合器，该耦合器由浅刻蚀槽、楔形波导及SiO2外包层结合的x切薄膜铌酸锂波导构成。采用全矢量光束传播法对该结构进行了设计和优化，研究其模态特性和能量的传输方式。优化结构参数，获得了该耦合器尺寸为43μm×5μm,其中多模区长度约为21μm,宽度为5μm,内部浅刻蚀结构长度为7μm,宽度为1.25μm。该耦合器在TE偏振模式下在1550nm波长处的损耗约为0.01dB。当满足EL＜1dB时，工作带宽可以达到～1314nm(～962nm到～2276nm)。本工作提出的耦合器具有损耗低、工作带宽大、制造工艺简单、制作公差大等优点，在混合量子光子集成电路和光子集成电路方面具有较强的应用潜力。 (2)本文首次提出工字型微结构电极与氮化硅加载波导相结合的设计结构，改善了电信号和光信号之间的速度匹配和传输线系统阻抗匹配问题，提高了电光的相互作用强度，解决了LiNbO3由于其化学惰性和低韧性特性而难以进行微观结构设计等问题。通过仿真，优化工字型微结构电极的厚度、宽度、间距、节段电极长度和复合波导中氮化硅加载波导的宽度和厚度，使得铌酸锂平板波导的光场限制因子达到76.5％左右，电极间距为5.5μm时波导损耗约为0.3dB/cm,其特征阻抗约为50.1Ω,调制带宽可达到220GHz,调制效率Vπ·L约为2.08V·cm。该设计结构提高了铌酸锂电光调制器的调制带宽，并降低了制作成本。 (3)本文针对薄膜铌酸锂的热电效应，分析了其热电效应对调制器的影响，提出了消除铌酸锂热电效应的可行方案——使用石墨烯导电薄膜半包裹方式消除铌酸锂热电效应产生的热电荷。本文通过构建仿真模型验证了该方案的有效性与可行性，提高了薄膜铌酸锂电光调制器的工作稳定性。
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