CN102033335A - 集成光学多功能调制器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤传感领域或光纤通信领域用的光元件，特别是一种采用在单Y型波导中集成一个斜通臂波导的耦合器的集成光学多功能调制器，以及这种调制器的制造方法，集成光学多功能调制器由晶体基底、Y型波导、斜通臂波导和波导电极构成，Y型波导与斜通臂波导共同构成一个结构独特的集成耦合器，此结构能够解决现有光学调制器技术中存在的信噪比不高，额外的3dB，即50％的光波损耗，波长带宽等问题，另外具有温度不敏感，波长带宽宽，制作工艺容差大等优点。

Description

集成光学多功能调制器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感领域或光纤通信领域用的元件，特别是一种采用在单Y型波导中集成一个斜通臂波导的耦合器的集成光学多功能调制器，以及这种调制器的制造方法。

背景技术

在光纤传感或光纤通信领域中经常会用到光学调制器，对于光纤陀螺传感器应用，目前光学调制器的光路采用较多的是单Y型波导结构，对于双输入的情况，就需要在单Y型波导结构的输入端设置一个2×2光纤耦合器用于实现分离输入输出功能，见图1；光学调制器的光路也经常采用双Y型波导结构，第二个Y型波导结构用于功率分束，第一个Y型波导结构与单Y型的结构中对应使用的2×2光纤耦合器功能相同，用于分离返回光进入另外一根光纤输出，见图2。

上述两种技术方案都存在一定的不足：

1、单Y型波导结构的相位调制器需要外接2×2光纤耦合器，增加了额外的光学元件，不利于集成化；而且2×2光纤耦合器的波长相关性较大，其分束比与波长相关，50∶50分束情况，一般能够达到±20nm范围，不利于宽波长范围，如光纤陀螺或波分复用光通信系统应用；另外温度敏感性很大，可以工作的温度范围较窄，不适用大工作温度范围的应用情况。

2、双Y型波导结构的相位调制器，由于双Y结构中间共用波导长度限制，不能太长，因此输出部分的光波中携带非有用信号成分较多，也不利于提高应用系统，如光纤陀螺或波分复用光通信的性能，另外器件整体长度较大，不利于应用系统的小型化设计。

3、单Y型与双Y型波导结构的相位调制器应用于光纤传感或光纤通信系统中，都会有3dB，即50％的光功率损耗，降低了系统的信噪比或者误码率。

4、如果在单Y型波导结构的相位调制器前面集成2×2指向型波导耦合器，同样具有波长相关性较大，影响系统整体性能。

现有光学调制器的技术方案可参考以下专利文献：

1、一种铌酸锂调制器及其制造方法，申请号：01140589.9。

2、铌酸锂多功能集成光学器件，申请号：03236082.7。

3、用于有线电视系统的铌酸锂电光调制器，申请号：200620121000.8。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种克服现有技术方案中存在的信噪比不高、额外50％光波损耗及波长带宽等缺陷的集成光学多功能调制器及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明是按如下的方式来实现的：

本发明所述的集成光学多功能调制器由晶体基底、Y型波导、斜通臂波导和波导电极构成；在晶体基底上制有Y型波导和斜通臂波导，Y型波导的三个分支分别是直通臂波导、分支A和分支B，斜通臂波导与直通臂波导处于同一侧，斜通臂波导末端以弯曲的形状贴近Y型波导交叉点，Y型波导与斜通臂波导共同构成一个集成耦合器；在晶体基底之上制有波导电极，波导电极通过电光效应或热光效应使传输的光波产生相位差，从而形成Mach-Zehnder干涉仪结构，并通过电光效应或热光效应改变所产生的相位差，实现光波的回路与所进入的波导不同。

所述晶体基底的输入端设有一个集成耦合器，波导电极设于分支A和分支B两侧及中央，光波从直通臂波导和斜通臂波导输入，从分支A和分支B输出，形成光学相位调制器。

所述晶体基底的输入端和输出端各设有一个集成耦合器，两个集成耦合器的分支A和分支B分别连为一体，波导电极设于分支A和分支B两侧及中央，光波从输入端的直通臂波导和斜通臂波导输入，从输出端的直通臂波导和斜通臂波导输出，形成光学强度调制器。

所述晶体基底输入端设有一个Y型波导，晶体基底输出端设有一个集成耦合器，Y型波导的分支A和分支B与集成耦合器的分支A和分支B分别连为一体，波导电极设于Y型波导的直通臂波导两侧以及分支A和分支B两侧及中央，光波从输入端的直通臂波导输入，从输出端的直通臂波导和斜通臂波导输出，形成CATV用调制器。

所述晶体基底为电光晶体基底或热光晶体基底；电光晶体基底为铌酸锂或钽酸锂基底；热光晶体基底为硅或玻璃基底。

所述电光晶体基底，对于Z切Y传铌酸锂、钽酸锂晶体则波导电极设计在波导分支结构的正上方，以利用最大的电光系数。

本发明所述的集成光学多功能调制器，其制造方法如下：

1)在晶体基底上采用光刻工艺制备波导结构；

2)采用退火质子交换，或者钛扩散工艺在铌酸锂等电光晶体上制作光波导；或者在硅等热光基底上制作脊形、矩形波导；

3)在电光晶体基底上光刻制作波导电极；或者在热光晶体基底上制作薄膜波导电极，用于加热；

4)对晶体基底芯片端面抛光；

5)光纤端面耦合，器件封装。

本发明所述的集成光学多功能调制器，在单Y波导结构中集成了一个独特结构的耦合器，能够解决现有技术中存在的信噪比不高，额外的3dB，即50％的光波损耗，波长带宽等问题，另外具有温度不敏感，波长相关带宽宽，制作工艺容差大等优点，具体积极效果如下：

1、结构简单，与单Y型波导结构的相位调制器相比，总体插入损耗增加非常有限；

2、对于传感系统应用中没有额外的3dB，即50％的光波损耗，极大提高系统性能；

3、波长相关性小，工作波长范围很宽；

4、工艺制作容差大；

5、温度敏感性小，工作温度范围大；

6、在光纤陀螺传感系统应用中，光源启动后，如果本调制器没有工作，探测器上接收不到光功率；光源低温启动瞬间输出功率极大，探测器的放大部分饱和；高温启动瞬间输出功率很小，未达到探测器接收的最小值；采用本技术方案的调制器能够独特有效地避免系统开机时的波动，提高系统的性能。

7、干涉后的光波从与输入端不同的波导输出，直进斜出，极大地降低了光波的噪声，提高系统的信噪比，或者降低系统误码率。

8、对于光纤传感应用，考虑其插入损耗往返增加约0.5dB，可以将输入到探测器的总体光功率增加约5.5dB，即光功率可以提高到传统方案的约3.5倍，大幅提高光纤传感的信噪比。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是传统单Y型波导结构的光学相位调制器结构示意图

图2是传统双Y型波导结构的光学相位调制器结构示意图

图3是本发明集成光学相位调制器结构示意图

图4是本发明集成光学相位调制器中集成耦合器局部放大图

图5是本发明集成光学强度调制器结构示意图

图6是本发明集成光学CATV用调制器结构示意图

图7是施加电压为半波电压V_π时光波的输出端

图8是施加电压为0时光波的输出端

图中1晶体基底    2Y型波导       3斜通臂波导

    4波导电极    5直通臂波导    6分支A

    7分支B       8集成耦合器    92×2光纤耦合器

    10双Y型波导

具体实施方式

图3所示为本发明的实施例1，本发明所述的集成光学多功能调制器由晶体基底1、Y型波导2、斜通臂波导3和波导电极4构成；在晶体基底1上制有Y型波导2和斜通臂波导3，Y型波导2的三个分支分别是直通臂波导5、分支A6和分支B7，斜通臂波导3与直通臂波导5处于同一侧，斜通臂波导3末端以弯曲的形状贴近Y型波导2交叉点，Y型波导2与斜通臂波导3共同构成一个集成耦合器8，见图4；在晶体基底1之上制有波导电极4，波导电极4通过电光效应或热光效应使传输的光波产生相位差，从而形成Mach-Zehnder干涉仪结构，并通过电光效应或热光效应改变所产生的相位差，实现光波的回路与所进入的波导不同。

所述晶体基底1的输入端设有一个集成耦合器8，波导电极4设于分支A6和分支B7两侧及中央，光波从直通臂波导5和斜通臂波导3输入，从分支A6和分支B7输出，该实施例为光学相位调制器。

图5所示为本发明的实施例2，所述晶体基底1的输入端和输出端各设有一个集成耦合器8，两个集成耦合器8的分支A6和分支B7分别连为一体，波导电极4设于分支A6和分支B7两侧及中央，光波从输入端的直通臂波导5和斜通臂波导3输入，从输出端的直通臂波导5和斜通臂波导3输出，该实施例为光学强度调制器。

图6所示为本发明的实施例3，所述晶体基底1输入端设有一个Y型波导2，晶体基底1输出端设有一个集成耦合器8，Y型波导2的分支A6和分支B7与集成耦合器8的分支A6和分支B7分别连为一体，波导电极4设于Y型波导2的直通臂波导5两侧以及分支A6和分支B7两侧及中央，光波从输入端的直通臂波导5输入，从输出端的直通臂波导5和斜通臂波导3输出，该实施例为CATV用调制器。

所述晶体基底1为电光晶体基底或热光晶体基底；电光晶体基底为铌酸锂或钽酸锂基底；热光晶体基底为硅或玻璃基底。

所述电光晶体基底，对于Z切Y传铌酸锂、钽酸锂晶体则波导电极设计在波导分支结构的正上方，以利用最大的电光系数。

本发明所述的集成光学多功能调制器，其制造方法如下：

1)在晶体基底1上采用光刻工艺制备波导结构；

2)采用退火质子交换，或者钛扩散工艺在铌酸锂等电光晶体上制作光波导；或者在硅等热光基底上制作脊形、矩形波导；

3)在电光晶体基底1上光刻制作波导电极4；或者在热光晶体基底上制作薄膜波导电极4，用于加热；

4)对晶体基底1芯片端面抛光；

5)光纤端面耦合，器件封装。

本发明的设计原理是：

1)本发明利用上述集成耦合器，对于1阶模(01模，波导宽度方向是1阶模，波导深度方向是0阶模)与0阶模会发生耦合的机理。

2)波导结构的Y交叉点位置附近的波导宽度较大，能够承载1阶模，波导的其他位置均是单模波导；边缘的波导是远离截止的单模波导，仅能够传播0阶模，不能够传播1阶模。

3)通常情况下，如果没有Y交叉点高阶模(1阶模)波导附近的单模波导，2束光波传播到Y交叉点且相位相反时，所合成的1阶模不能够在单模(0阶模)波导中传播，将会向下辐射到基底中。

4)采用本发明设计的单模波导结构后：

A、光波从双臂输入合束时，若光波到达Y交叉点时的相位相同，则光波会直接从直通臂波导合束输出，见图7；

B、光波从双臂输入合束时，若光波到达Y交叉点时的相位相差π，即相位完全相反，光波会从斜通臂波导合束输出，见图8；

C、光波从双臂输入合束时，若光波到达Y交叉点时的相位非完全同相或者完全反相状态，直通臂与斜通臂均有部分光波输出。

Claims (7)

1.一种集成光学多功能调制器，其特征在于：其由晶体基底(1)、Y型波导(2)、斜通臂波导(3)和波导电极(4)构成；在晶体基底(1)上制有Y型波导(2)和斜通臂波导(3)，Y型波导(2)的三个分支分别是直通臂波导(5)、分支A(6)和分支B(7)，斜通臂波导(3)与直通臂波导(5)处于同一侧，斜通臂波导(3)末端以弯曲的形状贴近Y型波导(2)交叉点，Y型波导(2)与斜通臂波导(3)共同构成一个集成耦合器(8)；在晶体基底(1)之上制有波导电极(4)，波导电极(4)通过电光效应或热光效应使传输的光波产生相位差，从而形成Mach-Zehnder干涉仪结构，并通过电光效应或热光效应改变所产生的相位差，实现光波的回路与所进入的波导不同。

2.按照权利要求1所述的集成光学多功能调制器，其特征在于：所述晶体基底(1)的输入端设有一个集成耦合器(8)，波导电极(4)设于分支A(6)和分支B(7)两侧及中央，光波从直通臂波导(5)和斜通臂波导(3)输入，从分支A(6)和分支B(7)输出。

3.按照权利要求1所述的集成光学多功能调制器，其特征在于：所述晶体基底(1)的输入端和输出端各设有一个集成耦合器(8)，两个集成耦合器(8)的分支A(6)和分支B(7)分别连为一体，波导电极(4)设于分支A(6)和分支B(7)两侧及中央，光波从输入端的直通臂波导(5)和斜通臂波导(3)输入，从输出端的直通臂波导(5)和斜通臂波导(3)输出。

4.按照权利要求1所述的集成光学多功能调制器，其特征在于：所述晶体基底(1)输入端设有一个Y型波导(2)，晶体基底(1)输出端设有一个集成耦合器(8)，Y型波导(2)的分支A(6)和分支B(7)与集成耦合器(8)的分支A(6)和分支B(7)分别连为一体，波导电极(4)设于Y型波导(2)的直通臂波导(5)两侧以及分支A(6)和分支B(7)两侧及中央，光波从输入端的直通臂波导(5)输入，从输出端的直通臂波导(5)和斜通臂波导(3)输出。

5.按照权利要求1所述的集成光学多功能调制器，其特征在于：所述晶体基底(1)为电光晶体基底或热光晶体基底；电光晶体基底为铌酸锂或钽酸锂基底；热光晶体基底为硅或玻璃基底。

6.按照权利要求5所述的集成光学多功能调制器，其特征在于：所述电光晶体基底，对于Z切Y传铌酸锂、钽酸锂晶体则波导电极设计在波导分支结构的正上方，以利用最大的电光系数。

7.按照权利要求1所述的集成光学多功能调制器的制作方法，其特征在于，其制造步骤和工艺如下：

1)在晶体基底(1)上采用光刻工艺制备波导结构；

2)采用退火质子交换，或者钛扩散工艺在铌酸锂等电光晶体上制作光波导；或者在硅等热光基底上制作脊形、矩形波导；

3)在电光晶体基底(1)上光刻制作波导电极(4)；或者在热光晶体基底上制作薄膜波导电极(4)，用于加热；

4)对晶体基底(1)芯片端面抛光；

5)光纤端面耦合，器件封装。

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