本發明涉及微波光子器件和光電測量，尤其涉及一種非共面行波電極電光調制器及采樣系統。

背景技術：

1、近年來，隨著“光電融合”概念的不斷深入，基于電光采樣技術的太赫茲信號探測技術逐漸成為研究熱點，超寬帶電光調制器作為電光采樣系統的核心器件，其性能指標直接影響到系統的探測能力。

2、鈮酸鋰晶體在外加電場的作用下，通過電光效應作用材料內部雜亂無章的極化子可以在飛秒量級下瞬間朝一個方向排列，理論上對應的調制速率可以達到百萬吉赫茲。并且因為受光波導對光的強束縛影響，基于薄膜鈮酸鋰的電光調制器可以在降低電極間距的同時不增加金屬對光的吸收損耗，從而實現增強器件的電-光作用效率的目的。不僅如此，因為中間低介電常數的掩埋層的存在，還可以有效提高射頻信號與光信號之間的相速匹配，有效提高器件帶寬。因此，基于薄膜鈮酸鋰的電光調制器逐步成為高速傳輸測量系統的首選解決方案。

3、基于此，本發明提供了一種基于非共面行波電極和脊型光波導的薄膜鈮酸鋰基電光調制器，可用于太赫茲波的空間相位調制。進一步的，結合增益喇叭天線和光學元件，構建電光采樣系統，可實現對太赫茲波的高效探測。

技術實現思路

1、本說明書提供了一種非共面行波電極電光調制器及采樣系統，用以解決太赫茲波的空間相位調制問題。

2、本發明提供非共面行波電極電光調制器，包括：

3、鈮酸鋰襯底層；接地金屬層，所述接地金屬層設置在所述鈮酸鋰襯底層的頂部；二氧化硅掩埋絕緣層，所述二氧化硅掩埋絕緣層設置在所述接地金屬層的頂部；下電極金屬層，所述下電極金屬層埋設在所述二氧化硅掩埋絕緣層內部；鈮酸鋰波導薄膜層，所述鈮酸鋰波導薄膜層設置在所述二氧化硅掩埋絕緣層的頂部；

4、所述鈮酸鋰波導薄膜層具有脊型橫截面結構的光波導，所述光波導包括依次連接的輸入波導、第一個3db分束器、上下平行設置的波導干涉臂、第二個3db合束器和輸出波導，其中所述第一個3db分束器和所述第二個3db合束器采用上升余弦曲線的y型分支結構；

5、上電極金屬層，所述上電極金屬層設置在所述鈮酸鋰波導薄膜層的頂部；二氧化硅絕緣隔離層，所述二氧化硅絕緣隔離層設置在所述上電極金屬層的頂部；其中，所述上電極金屬層和所述下電極金屬層均呈矩形結構，所述上電極金屬層和所述下電極金屬層的邊緣分別位于所述光波導的正上方和正下方，所述上電極金屬層和所述下電極金屬層在所述波導干涉臂的兩側交替排列形成多個行波電極。

6、在一種可選的實施方式中，所述鈮酸鋰波導薄膜層的光波導橫截面特征尺寸滿足所在傳輸光波長下的單模尺寸要求；

7、所述第一個3db分束器和所述第二個3db合束器選用12多模干涉耦合器結構；

8、所述二氧化硅掩埋絕緣層用于固定連接所述鈮酸鋰波導薄膜層和所述接地金屬層，實現復合外延晶圓的鍵合。

9、在一種可選的實施方式中，所述上電極金屬層和所述下電極金屬層還可選用t型結構；

10、所述上電極金屬層和所述下電極金屬層在所述波導干涉臂兩側的線性周期為80微米至120微米；

11、所述二氧化硅絕緣隔離層的介電常數小于4.0。

12、在一種可選的實施方式中，所述鈮酸鋰波導薄膜層中的所述輸入波導、所述第一個3db分束器、所述波導干涉臂、所述第二個3db合束器和所述輸出波導的寬度均為2微米至4微米；

13、所述波導干涉臂的長度為15毫米至25毫米；

14、所述上電極金屬層和所述下電極金屬層的厚度為200納米至500納米。

15、本發明還提供非共面行波電極電光調制器的制備方法，包括：

16、超薄鈮酸鋰晶圓制備步驟：清洗超薄鈮酸鋰晶圓并干燥；采用等離子體增強化學氣相沉積工藝在所述超薄鈮酸鋰晶圓的下表面沉積二氧化硅層；通過光刻、顯影、堅膜和干法刻蝕工藝在所述超薄鈮酸鋰晶圓的上表面制備脊型光波導結構；在所述脊型光波導結構的頂部沉積二氧化硅緩沖層；在所述超薄鈮酸鋰晶圓下表面的所述二氧化硅層上濺射augeni/au下金屬電極，所述下金屬電極的厚度為100納米；在所述二氧化硅緩沖層上制備上金屬電極；采用等離子體增強化學氣相沉積工藝在所述上金屬電極表面沉積絕緣隔離層；

17、支撐層晶圓制備步驟：清洗支撐層晶圓并干燥；采用等離子體增強化學氣相沉積工藝在所述支撐層晶圓的上表面沉積二氧化硅層；采用化學機械拋光工藝對所述支撐層晶圓的上表面和所述超薄鈮酸鋰晶圓的下表面進行拋光處理，使所述支撐層晶圓的上表面和所述超薄鈮酸鋰晶圓的下表面的表面粗糙度小于0.5納米；

18、晶圓鍵合步驟：采用氬離子、氧離子或氮離子對所述支撐層晶圓的上表面和所述超薄鈮酸鋰晶圓的下表面進行活化處理，所述活化處理的時間為20秒至300秒，所述活化處理的等離子體功率為150瓦至600瓦；在真空度小于10-5帕的鍵合腔室內，將所述支撐層晶圓的上表面與所述超薄鈮酸鋰晶圓的下表面進行晶圓鍵合，所述晶圓鍵合的鍵合力為5千牛至100千牛，所述晶圓鍵合的鍵合時間為10秒至100秒。

19、本發明還提供基于非共面行波電極電光調制器的電光采樣系統，包括：

20、光學鏈路和太赫茲波鏈路；

21、所述光學鏈路包括依次連接的超快飛秒激光采樣源、偏振控制模塊、端面耦合模塊、電光調制器片上光波導結構、光電探測器和信號采集模塊；

22、所述太赫茲波鏈路包括依次連接的太赫茲信號源、增益喇叭天線和電光調制器片上金屬電極結構。

23、在一種可選的實施方式中，所述太赫茲信號源包括連續太赫茲波信號源和脈沖太赫茲信號源；

24、所述連續太赫茲波信號源由低頻信號源和倍頻模塊組成；

25、所述脈沖太赫茲信號源由超快飛秒激光泵浦源和高速光電探測器組成，所述超快飛秒激光泵浦源與所述超快飛秒激光采樣源的重復頻率差為1千赫茲。

26、在一種可選的實施方式中，所述增益喇叭天線位于所述電光調制器片上金屬電極結構的上方；

27、所述增益喇叭天線與所述電光調制器片上金屬電極結構之間的間距大于或等于所述增益喇叭天線的遠場距離；

28、所述遠場距離由公式2d2/λ計算得到，其中d為所述增益喇叭天線的孔徑尺寸，λ為太赫茲波信號的波長。

29、在一種可選的實施方式中，所述系統還包括：

30、小型銣鐘和功分器；

31、所述小型銣鐘的時基短期穩定度優于10-1?1；

32、所述功分器將所述小型銣鐘產生的參考時鐘信號分配至所述太赫茲信號源、所述超快飛秒激光采樣源和所述信號采集模塊；

33、所述小型銣鐘產生的測試觸發信號為重復頻率1千赫茲的方波信號或正弦波信號，所述測試觸發信號的幅度為500毫伏至1伏。

34、本說明書實施例采用的上述至少一個技術方案能夠達到以下有益效果：

35、1.層級結構設計的技術效果：

36、鈮酸鋰襯底層為整個器件提供機械支撐，保證結構穩定性；接地金屬層的設置實現了射頻信號的有效接地，降低了寄生電容；二氧化硅掩埋絕緣層降低了器件的介電損耗，提高了調制效率；下電極金屬層埋入掩埋絕緣層可減少金屬與光波的相互作用，降低光傳輸損耗。

37、2.波導結構設計的技術效果：

38、脊型橫截面結構提供了更強的光場限制能力，減少模式損耗；馬赫-曾德爾干涉結構(輸入波導-分束器-干涉臂-合束器-輸出波導)實現了光信號的相位調制；y型分支采用上升余弦曲線可降低分支處的光學損耗，提高分束/合束效率。