[發明專利]一種基于低折射率聚合物光子晶體微腔的電光調制器

有效

• 申請號: 202010037322.9
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111175894B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 楊大全;李小剛;劉笑;紀越峰
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/12
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 冀學軍

1.一種基于低折射率聚合物光子晶體微腔的電光調制器，其特征在于，從下到上依次為：底層的二氧化硅襯底基板，中間層包括聚合物波導以及左右兩側對稱的條形金電極，以及上層的二氧化硅涂覆層；中間層貼附在底層的二氧化硅襯底基板上，同時在中間層的頂部旋涂二氧化硅涂覆層；

所述的聚合物波導為長方體結構，在聚合物波導體上通過電子束光刻刻蝕一系列關于中心線對稱的橢圓孔，形成低折射率聚合物一維光子晶體納米束微腔；橢圓孔分為過渡孔區和鏡像孔區，各孔的長軸和短軸，由光子能帶理論計算的占空比進行優化得到，在過渡孔區，橢圓孔的長軸從1.44μm一次線性遞減到1.12μm，短軸從165nm一次線性遞減到125nm；而鏡像孔區，橢圓孔的長軸為1.12μm，短軸為125nm保持不變；

然后，過渡區孔數為每側50個，鏡像區孔數為每側20個；由此得到光子晶體納米束微腔的共振波長由此得到腔體光子壽命τ_ph＝λQ/2πc，c是光速，進一步估計最大EO帶寬f_3dB能達到78GHz；

兩個條形金電極的具體尺寸設計如下：

首先，通過對聚合物波導區域的y方向上的有效電場進行積分，計算光子晶體納米束微腔上的有效平均電場；

然后，將金電極寬度固定為2um，長度與聚合物波導長度相同，厚度依次從400nm，500nm依次增加至1000nm，分別計算各厚度下對應的平均電場大小，由計算結果可知，隨著電極厚度增加，平均電場大小先增大較快直到平緩；考慮鍍膜工藝以及成本，同時兼顧平均電場大小足夠的情況，折中選擇800nm厚；

每個金電極與光子晶體納米束微腔之間的間距計算如下：

首先，計算光子晶體納米束微腔的有效平均電場，兩個金電極之間的間距依次選取7um，6um，5um和4um，隨著兩個金電極之間間距的減小，中間的光子晶體納米束微腔產生的平均電場增大，導致電光效率也會增加，但是，電極間距越小，由于金屬吸收引起的光學模式損耗會增加，兼顧選擇電極間距為5um；

兩個金電極之間的間距為5um，中間光子晶體納米束微腔的寬度是3um，則每個金電極與光子晶體納米束微腔之間的間距為1um；

在二氧化硅襯底基板上刻蝕好光子晶體納米束微腔和兩側金電極后，利用旋涂工藝，在兩個金電極以及晶體納米束微腔的上方旋涂2～3um厚的二氧化硅涂覆層；其中，光子晶體納米束微腔的橢圓孔內和金電極的間距里都會填滿二氧化硅涂覆層；為形成Z方向折射率對稱，旋涂厚度與下方二氧化硅襯底基板厚度相同。

2.如權利要求1所述的一種基于低折射率聚合物光子晶體微腔的電光調制器，其特征在于，所述的光子晶體納米束微腔的折射率n_cavity為1.699；二氧化硅襯底基板的折射率n_sub為1.45，折射率對比差n_cavity/n_sub低至1.17。

3.如權利要求1所述的一種基于低折射率聚合物光子晶體微腔的電光調制器，其特征在于，所述的電光調制器的工作原理如下：

首先，利用三維有限時域差分法(3D-FDTD)和有限元法(FEM)，在光子晶體納米束微腔端面輸入寬譜高斯光源，給一側條形金電極施加電壓，另一側條形金電極的電壓接地，形成外電場；

然后，利用聚合物光子晶體納米束微腔快速線性電光效應，聚合物的折射率會發生微小變化，而致使通過光子晶體納米束微腔的入射光波的強度與相位發生變化；

最后，在光譜儀的輸出端觀測光譜變化，完成電信號到光信號的一個調制過程，即電壓信號來調控光信號的頻譜移動；

通過數值模擬，調節施加電壓大小，以2.5V的步徑增加，得到調制器輸出透射光譜，輸出光譜的調制效率高達16pmV；該電光調制器基于線性電光效應，偏移輸出透射光譜半高全寬的偏移量所需要的電壓為6.25V，該諧振腔的尺寸為80um，由此通過電壓乘以長度得到半波電壓積低至0.05V·cm。