本發(fā)明涉及光纖通信系統(tǒng)，特別涉及一種基于高性能鐵電單晶pin-pmn-pt的加載型電光調(diào)制器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、電光調(diào)制器是光纖通信系統(tǒng)中光收發(fā)模塊的關(guān)鍵器件，它可以將電信號轉(zhuǎn)換為光信號從而在光纖網(wǎng)絡(luò)中進行長距離傳輸通信?，F(xiàn)如今，隨著光纖通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率呈指數(shù)性增長，對電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬(3db電光帶寬)、調(diào)制速率、可集成化也提出更高的要求。

2、目前常見的商用電光調(diào)制器主要有硅基電光調(diào)制器、磷化銦基電光調(diào)制器、鈮酸鋰基電光調(diào)制器等。硅基調(diào)制器主要基于等離子色散效應(yīng)，因此調(diào)制速率受限，且調(diào)制線性度較低。鈮酸鋰基電光調(diào)制器的調(diào)制速率高，然而其電光系數(shù)相對較低，導(dǎo)致器件尺寸和功耗較大。以上兩種調(diào)制器都需要較高的驅(qū)動電壓(半波電壓)，難以達到小型化、易集成的要求。

3、鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(pin-pmn-pt)單晶是一種高性能鐵電單晶材料，其電光響應(yīng)機理與鈮酸鋰晶體相同，但電光系數(shù)最高可超過900pm/v，是鈮酸鋰晶體的30倍，因此可應(yīng)用于低驅(qū)動電壓、高調(diào)制效率、可集成的電光調(diào)制器。

4、近年來，pmn-pt系晶體優(yōu)異的電光性能已得到驗證。青島大學(xué)的張永成等人(zefang,xiaodong?jiang,yongcheng?zhang*,et?al.ultra-transparent?pmn-pt?electro-optic?ceramics?and?its?application?in?optical?communication,advanced?opticalmaterials,9,2002139(2021).)在2021年成功制備出高度透明的sm摻雜的pmn-pt電光晶體，該晶體的透過率達到70％，二次電光系數(shù)35×10-16m2/v2，半波電壓為113v(d＝l＝1mm)，驗證了sm摻雜的pmn-pt晶體在電光調(diào)制領(lǐng)域的應(yīng)用前景，但其11.3v·cm的半波電壓長度積遠高于其他電光晶體材料；西安交通大學(xué)的劉鑫等人(liu?x,tan?p,ma?x,wang?d,jinx,liuy,xu?b,qiao?l,qiu?c,wang?b,zhao?w,wei?c,7song?k,guo?h,li?x,li?s,wei?x,chen?lq,xu?z,li?f*,tian?hao*,and?zhang?s*.ferroelectric?crystals?with?giantelectro-optic?property?enabling?ultracompact?q-switches.science,376,371-377(2022).)通過晶體取向和極化技術(shù)協(xié)同設(shè)計，在三元pin-pmn-pt晶體中獲得超高的電光性能，并研發(fā)了基于pin-pmn-pt單晶的電光調(diào)q開關(guān)，該晶體的線性電光系數(shù)是常規(guī)電光晶體的30倍以上，且高于之前報道的二元pmn-pt單晶，但由于電光調(diào)q開關(guān)的加工技術(shù)限制，使其半波電壓高達200v，未到達該晶體的理論極限。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于高性能鐵電單晶pin-pmn-pt的加載型電光調(diào)制器及其制備方法，通過采用具有高線性電光系數(shù)的pin-pmn-pt單晶以及非晶硅材料制備新型加載型電光調(diào)制器，通過向調(diào)制器施加外部電場，實現(xiàn)了對光載波相位的改變，進而達到了對光波調(diào)制的效果，解決了現(xiàn)有電光調(diào)制器的驅(qū)動電壓較高和集成難度大的技術(shù)問題；本發(fā)明制備的加載型電光調(diào)制器能夠降低電光調(diào)制器的驅(qū)動電壓，提高調(diào)制效率，縮短調(diào)制長度，實現(xiàn)小型化和低功耗。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

3、一種基于高性能鐵電單晶pin-pmn-pt的加載型電光調(diào)制器，包括pin-pmn-pt基底1，所述pin-pmn-pt基底1上的中間區(qū)域覆蓋有直波導(dǎo)層2，pin-pmn-pt基底1和直波導(dǎo)層2上均覆蓋有上包層3；上包層3上均設(shè)置有位于直波導(dǎo)層2兩側(cè)且與直波導(dǎo)層2長邊平行的調(diào)制電極4，所述調(diào)制電極4為矩形行波電極。

4、所述pin-pmn-pt基底1為沿[011]生長的pin-pmn-pt單晶，所述直波導(dǎo)層2為非晶si薄膜波導(dǎo)，所述上包層3為sio2薄膜，所述兩個調(diào)制電極4為對稱的金電極。

5、所述pin-pmn-pt基底1的厚度h3為0.3-1mm；直波導(dǎo)層2的厚度h4為0.3-1μm；直波導(dǎo)層2的寬度w3為5-10μm；上包層3的厚度h2為0.5-1μm；調(diào)制電極4的厚度h1為0.5-1um，調(diào)制電極4的寬度w1為30-80μm，兩個調(diào)制電極4之間的寬度w2為10-50μm；所述pin-pmn-pt基底1、直波導(dǎo)層2、上包層3以及調(diào)制電極4的長度l相同，均為5-10mm。

6、所述直波導(dǎo)層2的厚度h4為0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm，直波導(dǎo)層2的寬度w3為5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm；上包層3的厚度h2為0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm；調(diào)制電極4的厚度h1為0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm，調(diào)制電極4的寬度w1為30μm、40μm、50μm、60μm、70μm或80μm，兩個調(diào)制電極4之間的寬度w2為10μm、20μm、30μm、40μm或50μm；所述pin-pmn-pt基底1、直波導(dǎo)層2、上包層3以及調(diào)制電極4的長度l相同，均為5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm。

7、所述直波導(dǎo)層2的折射率n1大于pin-pmn-pt基底1的折射率n2。

8、該電光調(diào)制器通過端面耦合方式將光波耦合到傳輸波導(dǎo)中，即入射光波5從直波導(dǎo)層2短邊方向的一端端面垂直入射，從另一端端面輸出調(diào)制后的光波6。

9、一種基于高性能鐵電單晶pin-pmn-pt的加載型電光調(diào)制器的制備方法，包括如下步驟：

10、步驟1：對pin-pmn-pt單晶晶棒進行定向，標記出晶體的[100]方向，并沿著標記的[100]方向進行切割，得到沿[011]生長的pin-pmn-pt單晶晶片；然后對pin-pmn-pt單晶晶片進行切割，得到所需尺寸的pin-pmn-pt單晶晶片；

11、步驟2：對步驟1得到的pin-pmn-pt單晶晶片進行高溫退火處理；

12、步驟3：對步驟2退火后的pin-pmn-pt晶體晶片進行表面光學(xué)級拋光處理，得到表面粗糙度為0.6-1nm的pin-pmn-pt晶體晶片，即pin-pmn-pt基底1；拋光后的pin-pmn-pt基底1的厚度為0.3-1mm；

13、步驟4：采用化學(xué)氣相沉積法在pin-pmn-pt基底1表面沉積非晶si，形成厚度為0.3-1μm的非晶si薄膜；然后采用深紫外光刻工藝在非晶si薄膜上光刻出條形直波導(dǎo)圖案，形成直波導(dǎo)層2；

14、步驟5：采用化學(xué)氣相沉積法在步驟4處理后的pin-pmn-pt基底1和直波導(dǎo)層2表面沉積sio2，形成厚度為0.5-1.5μm的sio2薄膜，即上包層3；

15、步驟6：采用磁控濺射工藝在步驟5得到的上包層3表面濺射厚度為0.5-1μm的金膜，然后采用紫外光刻工藝在金膜表面光刻出一對位于直波導(dǎo)兩側(cè)且與直波導(dǎo)并行的金電極圖案，形成兩個調(diào)制電極4，所述兩個調(diào)制電極4之間的刻蝕寬度為10-50μm，調(diào)制電極4的寬度為30-80μm；

16、步驟7：采用磁控濺射工藝對步驟6處理后的晶體器件沿平行于光波入射方向的兩側(cè)面濺射厚度為10-20nm的金膜，然后采用高壓極化儀進行高溫極化處理，隨后降至室溫后得到基于高性能鐵電單晶pin-pmn-pt的加載型電光調(diào)制器。

17、所述步驟2中退火溫度為600-850℃，保溫時間為8-12h。

18、所述步驟4中沉積溫度為80-120℃，沉積時間為6-14min；所述步驟5中沉積溫度為300-350℃，沉積時間為3-4.5h；步驟4中刻蝕溫度為100-140℃，步驟6中刻蝕溫度為85-105℃。

19、所述步驟7中極化溫度為110-140℃，極化電壓50-110v，升降壓時間30-50s，升降壓速率為1-3v/s，降溫速率為1-3℃/min。

20、與現(xiàn)有商業(yè)電光調(diào)制器相比，本發(fā)明的有益效果如下：

21、1、本發(fā)明通過采用pin-pmn-pt單晶作為基底，電光調(diào)制器的半波電壓與調(diào)制區(qū)的長度呈反比，pin-pmn-pt單晶具有超高的電光系數(shù)(γ33>400pm/v)，因此本發(fā)明可實現(xiàn)尺寸更小的電光調(diào)制器，更易集成，并在低驅(qū)動電壓下工作。

22、2、本發(fā)明采用pin-pmn-pt單晶作為基底，由于其電光系數(shù)最高可超過900pm/v，而電光調(diào)制器的半波電壓與電光系數(shù)成反比，因此本發(fā)明制備的加載型電光調(diào)制器具有較低的半波電壓；同時，由于pin-pmn-pt單晶在微波段的折射率較高，直波導(dǎo)層與調(diào)制電極之間填充sio2包層，能夠降低電光調(diào)制器整體的微波有效折射率，極大地改善了微波與光波的折射率匹配。

23、3、本發(fā)明采用加載型非晶硅薄膜直波導(dǎo)，通過對薄膜厚度的優(yōu)化，使得一部分入射光波通過非晶硅薄膜，一部分入射光波通過pin-pmn-pt基底上表面，使得入射光被約束到直波導(dǎo)層，達到充分地調(diào)制效果。

24、4、本發(fā)明使用sio2包層能夠降低光波傳輸中的散射影響，增加了對光場的束縛力。

25、5、本發(fā)明為了減小金屬電極對光波的吸收，將調(diào)制電極放置于sio2包層之上，降低了光損耗，同時增加了光場與微波電場的重疊率(增加電光重疊因子)。

26、綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過采用具有高線性電光系數(shù)的pin-pmn-pt單晶以及非晶硅材料制備新型加載型電光調(diào)制器，通過向調(diào)制器施加外部電場，實現(xiàn)了對光載波相位的改變，進而達到了對光波調(diào)制的效果，解決了現(xiàn)有電光調(diào)制器的驅(qū)動電壓較高和集成難度大的技術(shù)問題；本發(fā)明制備的加載型電光調(diào)制器能夠降低電光調(diào)制器的驅(qū)動電壓，提高調(diào)制效率，縮短調(diào)制長度，實現(xiàn)小型化和低功耗。