封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器及其制备方法与流程

1.本发明涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器及其制备方法。


背景技术：

2.随着5g网络、云计算、虚拟现实、数据通信与电子对抗等业务的高速发展，带动核心光网络向超高速和超远距离传输升级，对承载海量信息的光通信骨干网的需求也提出了更高的要求。而传统铌酸锂基电光调制器存在体积大、带宽受限、半波电压大等限制，且集成难度大，无法与coms工艺兼容。而铌酸锂薄膜作为一种新兴材料，采用二氧化硅作为衬底材料，具有较大的折射率差，属于强限制波导，该波导制作的调制器具有尺寸小、带宽高、半波电压小等优势。但是，随着外界环境温度、外部应力、电场等因素的变化，会引起铌酸锂薄膜调制器的工作点漂移，导致系统需要的偏置工作点不稳定，最终会导致调制信号质量变差，误码率上升、眼图劣化。为克服上述问题常采取的措施是采用电路反馈调节。即通过探测器监控输出端光功率，结合偏置反馈控制电路，通过一定的算法控制铌酸锂薄膜调制器工作在合适的工作点上。
3.目前，铌酸锂强度调制器的偏置点控制多采用外置耦合器的方式，调制器输出光，通过耦合器分出1％-5％进入探测器进行监控调制器的工作状态，该方案会带来整体链路损耗的增加、体积大、装配繁琐等问题，不利于系统应用。


技术实现要素：

4.本发明要解决的是现有技术中的铌酸锂强度调制器的监控电路损耗大、体积大和装配繁琐的技术问题，进而提供一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器。
5.针对上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.本发明实施例提供一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，包括：
7.定向耦合器，与铌酸锂薄膜强度调制器的合束段直波导上的合束点耦合；所述定向耦合器的输入端接收所述合束点处的泄漏光；
8.探测器，设置于所述定向耦合器的输出端，检测所述定向耦合器传输的泄漏光并将其转换为电信号；
9.封装壳体，将所述定向耦合器和所述探测器封装在其内部；所述封装壳体上配置有引针，所述探测器的电极与所述引针导通。
10.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述定向耦合器包括两个，两个所述定向耦合器对称地设置于所述合束段直波导的两侧；
11.所述探测器包括两个，两个所述探测器分别对应地设置于两个所述定向耦合器的输出端。
12.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述定向耦合器为渐变波导结构，所述渐变波导结构的最窄端与所述合束点对齐，所述渐变波导结
构的最宽端与所述合束段直波导的输出端对齐。
13.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述渐变波导结构的最窄端与所述合束点之间的间距为：3-6μm；所述渐变波导结构的最宽端与所述合束段直波导的输出端之间的间距为：140-160μm。
14.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述渐变波导结构的最窄端的宽度为3-4μm；所述渐变波导结构的最宽端的宽度为15-18μm。
15.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述渐变波导结构按照反余弦曲线设计。
16.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述合束段直波导的长度为1mm-3mm；所述合束段直波导的宽度为1-1.5μm。
17.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述探测器为立式探测器且所述探测器的光敏面直径为100-150μm，所述探测器固定于陶瓷基体上的线路板上且所述探测器的电极通过所述陶瓷基体的线路板与所述封装壳体上的引针导通。
18.本发明其他实施例提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，所述定向耦合器的高度与所述合束段直波导的高度相同；所述定向耦合器为铌酸锂薄膜材料的波导。
19.本发明一些实施例还提供一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器的制备方法，包括：
20.在基底上形成铌酸锂薄膜材料层；
21.在所述铌酸锂薄膜材料层上绘制调制器图形和定向耦合器图形，所述调制器图形包括分束段直波导、两个传输臂以及合束段直波导，两个传输臂与所述合束段直波导相接的位置作为合束点；所述定向耦合器图形的输入端与所述合束点耦合；
22.去除所述调制器图形和所述定向耦合器图形之外的铌酸锂薄膜材料；
23.在所述基底上设置陶瓷基体，所述陶瓷基体上的探测器与所述定向耦合器图形的终点端相对；
24.将前述步骤得到的结构整体封装在封装壳体内部，且所述陶瓷基体上的探测器电极与所述封装壳体上的引针连接。
25.本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
26.本发明提供的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器及其制备方法，通过在铌酸锂薄膜强度调制器内部制作定向耦合器的结构，把铌酸锂薄膜强度调制器的泄露光传输到与铌酸锂薄膜强度调制器封装在一个封装壳体内的探测器，探测器的信号输出端直接与封装壳体上的引针连接，封装壳体的引针直接与偏置控制电路连接从而将泄漏光转换的电信号反馈给偏置控制电路能够实现铌酸锂薄膜强度调制器的工作点功率监控。本发明提供的上述结构降低了电路损耗，结构紧凑，简化了铌酸锂薄膜强度调制器监控电路的装配结构。
附图说明
27.下面将通过附图详细描述本发明中优选实施例，将有助于理解本发明的目的和优
点，其中:
28.图1a和图1b为mz调制器的结构示意图，其中图1a对应于mz调制器的off状态，图1b对应于mz调制器的on状态；
29.图2为mz调制器输出的光功率随偏置电压变化的规律曲线；
30.图3为本发明一个实施例所述封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器的结构示意图；
31.图4为本发明另一个实施例所述封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器的结构示意图；
32.图5为本发明有一个实施例所述封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器的结构示意图；
33.图6为本发明一个实施例所述探测器监测电流信号、mz调制器输出功率随偏置电压变化的规律曲线。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
38.如图1a和图1b所示为mz调制器的结构示意图，mz调制器100包括分束段直波导，所述分束段直波导将输入光信号分为两路信号，两路信号分别经过两个传输臂传输，每一传输臂均包括铌酸锂晶体波导和偏置电极200，两个传输臂合束后输出信号至合束段直波导。当两传输臂的相位差为π的奇数倍时，会产生一阶反对称模式，合束段直波导不支持该模式传输，该模式光会发生相消，形成的泄露光300在合束点处泄漏，通过衬底传输，此时mz调制器100的输出光功率为0，为off状态。当两传输臂相位差为0或者π的偶数倍时，mz调制器100的输出光功率最大，为on状态，为了控制mz调制器100工作在需要的状态，可通过对偏置电极200加电以改变传输臂的铌酸锂晶体波导的折射率来控制两传输臂的相位差，当相位差为任意值时，随着外部加的直流偏置电压，mz调制器100输出的光功率出现如图2所示的正弦周期性变化。
39.本实施例提供一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，如图3所示，包括
定向耦合器301，与铌酸锂薄膜强度调制器的合束段直波导101上的合束点耦合；所述定向耦合器301的输入端接收所述合束点处的泄漏光；探测器401，设置于所述定向耦合器301的输出端，检测所述定向耦合器301传输的泄漏光并将其转换为电信号。结合图5，还包括封装壳体501，将所述定向耦合器301和所述探测器401封装在其内部；所述封装壳体501上配置有引针502，所述探测器401的信号输出端与所述引针502导通。
40.本实施例提供的以上方案，通过在铌酸锂薄膜强度调制器内部制作定向耦合器301的结构，把铌酸锂薄膜强度调制器的泄露光传输到与铌酸锂薄膜强度调制器封装在一个封装壳体501内的探测器401，探测器401的信号输出端直接与封装壳体501上的引针502连接，封装壳体501的引针502直接与偏置控制电路连接从而将泄漏光转换的电信号反馈给偏置控制电路能够实现铌酸锂薄膜强度调制器的工作点功率监控，上述结构降低了铌酸锂薄膜强度调制器监控电路的电路损耗，结构紧凑，装配简单。
41.以上方案中，定向耦合器可以为两个，如图4所示，两个所述定向耦合器(301/302)对称地设置于所述合束段直波导101的两侧；所述探测器也可以包括两个，两个所述探测器(401/402)分别对应地设置于两个所述定向耦合器(301/302)的输出端。在具体实现时，当定向耦合器为两个时，探测器也可以为一个，如图5所示。结合图1a和图1b所示，通过以上方案中的定向耦合器(301/302)，可实现以下功能：(1)当mz调制器工作在on状态时，定向耦合器(301/302)不会与合束直波导101中的基模发生耦合，基模会无损输出；(2)当mz调制器工作在off状态时，合束点处会产生一阶反对称模式，会形成泄露光300在衬底传输，而一部分的泄露光通过耦合会进入定向耦合器(301/302)传输，在至少一个定向耦合器的输出端封装探测器(401/402)，可以监控泄露光的变化情况；(3)mz调制器当工作在任意状态时，合束点处既有基模也有一阶反对称模式，而一部分泄露光会进入定向耦合器被探测器接收到，探测器将光信号转换为电流信号后经过引针输出给反馈控制电路，从而控制mz调制器工作在理想的工作点上，mz调制器输出的光功率和探测器输出的电流与电极偏置电压的对应关系如图6所示，因此，只要探测器的输出电流确定后就能够确定出mz调制器的输出功率，可以根据探测器的输出电流控制mz调制器工作在需求功率处。
42.以上方案中，定向耦合器(301/302)采用波导实现即可，优选地，如图3-5所示，所述定向耦合器(301/302)为渐变波导结构，所述渐变波导结构的最窄端与所述合束点对齐，所述渐变波导结构的最宽端与所述合束段直波导101的输出端对齐，进一步优选地，所述渐变波导结构按照反余弦曲线设计。
43.参考图3和图4，所述渐变波导结构的最窄端与所述合束点之间的间距d1为：3-6μm；所述渐变波导结构的最宽端与所述合束段直波导101的输出端之间的间距d2为：140-160μm。所述渐变波导结构的最窄端的宽度w1为3-4μm；所述渐变波导结构的最宽端的宽度w2为15-18μm。所述合束段直波导101的长度l为1mm-3mm；所述合束段直波导101的宽度为1-1.5μm。通过以上设计，可以保证10％-18％的泄露光300进入定向耦合器(301/302)，之后进入探测器(401/402)，可以很好地满足反馈控制电路的要求。
44.以上方案中，所述探测器(401/402)可以选择高精度光电探测器，优选地，所述探测器(401/402)为立式探测器且所述探测器的光敏面直径为100-150μm，所述探测器固定于陶瓷基体上的线路板上且所述探测器(401/402)的信号输出端通过所述陶瓷基体的线路板与所述封装壳体501上的引针502导通。立式探测器所占用的空间更小，其使用的陶瓷基体
的结构尺寸可以选择为：长
×
宽
×
高分别为4mm
×
1mm
×
8mm，从而能够进一步缩小整个器件的体积。
45.本发明一些实施例中还提供一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器的制备方法，其包括如下步骤：
46.步骤一：在基底上形成铌酸锂薄膜材料层。所述基底可以为硅晶体材料的基底，可以采用化学气相沉积等方式在基底上制作二氧化硅层，最后通过键合剥离法制作铌酸锂薄膜材料层。
47.步骤二：在所述铌酸锂薄膜材料层上制作mz波导和定向耦合器结构，所述调制器图形包括分束段直波导、两个传输臂以及合束段直波导，两个传输臂与所述合束段直波导相接的位置作为合束点；所述定向耦合器结构的输入端与所述合束点耦合。其中，调制器图形和定向耦合器图形可以预先通过软件程序完成绘制，之后根据图形制作光刻板，将光刻板设置于所述铌酸锂薄膜材料层上进行紫外曝光后，最终得到如图3或图4所显示的结果。
48.步骤三：去除所述调制器图形和所述定向耦合器图形之外的铌酸锂薄膜材料。可以采用icp刻蚀等工艺去除图形之外的铌酸锂薄膜材料。也即，刻蚀深度是相同的，所述定向耦合器的高度与所述合束段直波导的高度相同；所述定向耦合器为铌酸锂薄膜材料的波导。
49.步骤四：具体地，在完成步骤三的波导制作后，进行光耦合测试，输入输出波导耦合固定后，将其装入封装盒内固定，打线，监控调制器工作点，然后进行探测器与定向耦合器的耦合，当调制器输出尾纤功率最低时，为最小点，这时探测器与定向耦合器耦合对准后检测到的光功率为最大时，点胶固定探测器在封装壳体的台阶上，再对陶瓷基体的焊盘进行打线。
50.以上加工方式，定向耦合器与铌酸锂薄膜调制器的其他部分采用统一的刻蚀步骤，不会增加额外的工艺步骤。
51.本发明提供的以上方案，将探测器和mz调制器封装在一个封装壳体内，提高了器件的集成度，简化了器件的结构和加工步骤，降低了器件的成本；而且通过探测器监控mz调制器的泄露光，对mz调制器的正常工作光没有影响，对光路没有附加损耗，与现有耦合器监控工作光相比，减小了光路损耗，提高了泄露光的耦合效率。具体实现时，还能够通过调节定向耦合器的结构参数，灵活获取不同的耦合效率，从而满足各类控制电路对监控光大小的要求。
52.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于，包括：定向耦合器，与铌酸锂薄膜强度调制器的合束段直波导上的合束点耦合；所述定向耦合器的输入端接收所述合束点处的泄漏光；探测器，设置于所述定向耦合器的输出端，检测所述定向耦合器传输的泄漏光并将其转换为电信号；封装壳体，将所述定向耦合器和所述探测器封装在其内部；所述封装壳体上配置有引针，所述探测器的信号输出端与所述引针导通。2.根据权利要求1所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述定向耦合器包括两个，两个所述定向耦合器对称地设置于所述合束段直波导的两侧；所述探测器包括两个，两个所述探测器分别对应地设置于两个所述定向耦合器的输出端。3.根据权利要求1或2所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述定向耦合器为渐变波导结构，所述渐变波导结构的最窄端与所述合束点对齐，所述渐变波导结构的最宽端与所述合束段直波导的输出端对齐。4.根据权利要求3所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述渐变波导结构的最窄端与所述合束点之间的间距为：3-6μm；所述渐变波导结构的最宽端与所述合束段直波导的输出端之间的间距为：140-160μm。5.根据权利要求4所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述渐变波导结构的最窄端的宽度为3-4μm；所述渐变波导结构的最宽端的宽度为15-18μm。6.根据权利要求5所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述渐变波导结构按照反余弦曲线设计。7.根据权利要求6所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述合束段直波导的长度为1mm-3mm；所述合束段直波导的宽度为1-1.5μm。8.根据权利要求7所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述探测器为立式探测器且所述探测器的光敏面直径为100-150μm，所述探测器固定于陶瓷基体上的线路板上且所述探测器的信号输出端通过所述陶瓷基体的线路板与所述封装壳体上的引针导通。9.根据权利要求8所述的封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器，其特征在于：所述定向耦合器的高度与所述合束段直波导的高度相同；所述定向耦合器为铌酸锂薄膜材料的波导。10.一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器的制备方法，其特征在于，包括：在基底上形成铌酸锂薄膜材料层；在所述铌酸锂薄膜材料层上绘制调制器图形和定向耦合器图形，所述调制器图形包括分束段直波导、两个传输臂以及合束段直波导，两个传输臂与所述合束段直波导相接的位置作为合束点；所述定向耦合器图形的输入端与所述合束点耦合；去除所述调制器图形和所述定向耦合器图形之外的铌酸锂薄膜材料；
在所述基底上设置陶瓷基体，所述陶瓷基体上的探测器与所述定向耦合器图形的终点端相对；将前述步骤得到的结构整体封装在封装壳体内部，且所述陶瓷基体上的探测器的信号输出端与所述封装壳体上的引针连接。

技术总结
本发明公开一种封装有光电探测器的铌酸锂薄膜强度调制器及其制备方法，通过在铌酸锂薄膜强度调制器内部制作定向耦合器的结构，把铌酸锂薄膜强度调制器的泄露光传输到与铌酸锂薄膜强度调制器封装在一个封装壳体内的探测器，探测器的信号输出端直接与封装壳体上的引针连接，封装壳体的引针直接与偏置控制电路连接从而将泄漏光转换的电信号反馈给偏置控制电路能够实现铌酸锂薄膜强度调制器的工作点功率监控。本发明提供的上述结构降低了电路损耗，结构紧凑，简化了铌酸锂薄膜强度调制器监控电路的装配结构。监控电路的装配结构。监控电路的装配结构。


技术研发人员：李俊慧 王旭阳 赵颖超
受保护的技术使用者：北京世维通科技股份有限公司
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2022/5/25