【摘 要】
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随着光通信技术的进步,光电子器件正朝着高性能、低功耗、低成本、小型化集成器件的方向发展。电光调制器（Electro-Optic Modulator,EOM）已成为现代光纤通信、微波光子系统、量子光子学和数据中心应用等方面的关键组件。与此同时,由于铌酸锂材料具有宽波段（从350 nm到5?m）,电光、压电、弹光系数较大以及物理、化学性质稳定等特点,现已成为光电研究领域甚至工业产品中最受欢迎的调制材料
【基金项目】
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国家重点研发计划（2019YFB1803904）; 江苏省自然科学基金（BK20200592）; 中央高校基础研究成果（JUSRP12024）
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随着光通信技术的进步,光电子器件正朝着高性能、低功耗、低成本、小型化集成器件的方向发展。电光调制器（Electro-Optic Modulator,EOM）已成为现代光纤通信、微波光子系统、量子光子学和数据中心应用等方面的关键组件。与此同时,由于铌酸锂材料具有宽波段（从350 nm到5?m）,电光、压电、弹光系数较大以及物理、化学性质稳定等特点,现已成为光电研究领域甚至工业产品中最受欢迎的调制材料。基于此,本论文提出了一种基于绝缘体上铌酸锂（Lithium Niobate on Insulator,LNOI）平台的马赫·曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer,MZI）电光调制器。该设计的独特之处在于其主要的调制区域波导是通过在薄膜铌酸锂中嵌入两条硅纳米线形成的狭缝波导,而不是先前常用的铌酸锂脊波导或无刻蚀铌酸锂波导。通过使用基于有限元分析的数值模拟器（COMSOL Multiphysics）和基于时域有限差分法的数值模拟器（FDTD Solutions）进行建模并计算,证明此结构可以有效降低EOM的半波电压积（VπL）,并保持良好的带宽条件。随后论文对与之相连的多种耦合器件进行性能验证及新型结构设计,以及提供了两种调制电极的优化方式,使调制器的性能进一步提升。论文主要研究内容如下:（1）提出了一种基于狭缝波导的LNOI电光调制器。通过总结分析现有的多种电光调制器,发现薄膜铌酸锂不仅在自身的材料特性上完美继承了块状铌酸锂的优异性能,而且其工艺加工技术也在近年有了较大提升。这使得新的研究可以考虑将需要精细到纳米级刻蚀的狭缝结构应用于薄膜铌酸锂调制器之中。由于狭缝波导具有极强的光束缚能力,有利于增加调制器的电光重叠积分,进而降低器件的半波电压积。经过对狭缝结构的具体参数优化,文中所提出的基于狭缝波导的薄膜铌酸锂MZI电光调制器具有良好的性能（在光波长为1550 nm电极间距为6?m时,器件可实现的VπL=1.78 V·cm,3 d B带宽为40 GHz）。（2）在铌酸锂和硅的异质集成平台上验证了与此EOM相连接的模式耦合结构,并对其进行整合优化。由于在本设计的薄膜铌酸锂调制器中,模式光是通过水平方向的硅波导中入射,随后经过耦合器将光传入到狭缝波导中的铌酸锂,这种传输方式与之前应用在脊波导、扩散波导的方式有很大不同。所以本章将原有的绝缘衬底上硅平台（Silicon-on-Insulator,SOI）的Strip-to-Slot模式耦合器和1×2多模干涉（Multimode Interference,MMI）分束器在沉积硅的LNOI平台上进行性能验证（在1550 nm波长处,器件的传输损耗分别为～0.1 d B、～0.04d B）。随后将这两种器件进行融合升级,提出了一种新型模式传输结构,相较于之前分析的两个分立结构,它具有集成度高,器件尺寸小,传输效率高等特点。（3）提供了改变电极间距、优化电极结构两种优化方法,进一步提升了此EOM的性能。根据狭缝波导极强的光场约束能力,狭窄的光模场面积的特点,对电光调制器的电极设计参数进行了优化。优化后的VπL分别为1.51 V·cm和1.35 V·cm,这个结果优于现阶段大部分的LNOI电光调制器。总而言之,本论文设计了一款新型的基于狭缝波导的薄膜铌酸锂电光调制器,综合考虑了它的调制结构、调制性能、加工方式、工艺误差以及相关器件的适用性等多方面因素,结果证明该电光调制器具有一定的可用性与可实现性,并希望本文所述的器件设计方案能够促进高性能、小尺寸EOM的快速发展。
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