CN104122679A - 电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电光调制器，其包括一基底、一形成于该基底上的平板光波导、一形成于该平板光波导上的介质光栅、一对第一电极、一形成于该基底上的Y型光波导、一对第二电极及一对第四电极。该介质光栅与该平板光波导构成一衍射型光波导透镜。该对第一电极用于而改变该衍射型光波导透镜的焦距。该Y型光波导包括一输入段及自该输入段分叉出且分别用于传输横电波及横磁波的两个分支，每个分支包括一个子Y型光波导。该对第二电极用于改变该输入段的折射率。该组第三电极及该对第四电极分别用于改变该两个子Y型光波导的输出。如此，可实现两阶调制并提高带宽。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学，特别涉及一种电光调制器。
背景技术
在集成光学中，电光调制器(electro-optic modulator)是重要的元件。然而现有的电光调制器只能实现一阶调制，无法适用较复杂的两阶调制。另外，现有电光调制器的带宽也越来越难以适应实际需求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可实现两阶调制的高带宽电光调制器。
一种电光调制器，其包括：
一基底；
一形成于该基底上的平板光波导，该平板光波导包括一侧面及一与该侧面相背且与该基底相接的界面，该侧面用于接收一沿一中心轴入射的光束；
一形成于该平板光波导上的介质光栅，该介质光栅关于该中心轴对称；
一对第一电极，该对第一电极设置于该平板光波导上且平行于该中心轴设置于该介质光栅两侧，该介质光栅与该平板光波导构成一衍射型光波导透镜，该对第一电极用于加载一第一调制电压以通过电光效应改变该平板光波导的折射率从而改变该衍射型光波导透镜的焦距，
一形成于该基底上的Y型光波导，该Y型光波导包括一该界面相接且沿该中心轴延伸的输入段及自该输入段分叉出的一仅用于传输横电波的第一分支及一仅用于传输横磁波的第二分支，该第一分支包括一第一子Y型光波导，该第一子Y型光波导包括一第一子分支及一第二子分支，该第二分支包括一第二子Y型光波导，该第二子Y型光波导包括一第三子分支及一第四子分支；
一对第二电极，该对第二电极设置于该基底上且平行于该中心轴设置于该输入段两侧，该对第二电极用于加载一电场以改变该输入段的折射率；
一组第三电极，该组第三电极设置于该基底上，且包括一设置于该第一子分支与该第二子分支之间的调制电极及两个分别位于该第一子分支及该第二子分支两侧的地电极，该组第三电极用于在该两个地电极与该调制电极之间加载一第二调制电压以通过电光效应改变该第一子分支及该第二子分支的折射率；及
一对第四电极，该对第四电极设置于该基底上，且分别覆盖该第三子分支及该第四子分支，该对第四电极用于加载一第三调制电压以通过电光效应改变该第三子分支及该第四子分支的折射率。
根据集成光学理论，该介质光栅与该平板光波导构成加载型光波导，该平板光波导加载该介质光栅的部分的等效折射率变大。如此，通过合理设置该介质光栅的结构，例如设置成啁啾光栅便可构成一啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜。而该对第一电极可以加载该第一调制电压从而通过电光效应改变该平板光波导的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜的焦距。因此该第一调制电压可以控制该光束会聚入该输入段的功率大小，例如，当该衍射型光波导透镜的焦距等于该衍射型光波导透镜到该输入段的距离时，该光束几乎全部会聚入该输入段，即该光束会聚入该输入段的功率最大。如此，该第一调制电压可以实现对该光束的第一阶(次)调制。
由于双折射现象，经该输入段传输的横电波及横磁波会分离而分别进入该第一分支及该第二分支。而在该对第二电极施加该电压产生的电场可使该输入段的折射率发生变化，使得横电波的相位变化较横磁波的相位变化大，从而横电波更容易与横磁波分离进入该第一分支，改善极化分离效果。
该第二调制电压改变该第一子分支及该第二子分支的折射率使得其中传输的光束的相位差发生改变，从而改变该第一子Y型光波导的输出，同理的，该第二调制电压改变该第三子分支及该第四子分支的折射率使得其中传输的光束的相位差发生改变，从而改变该第二子Y型光波导的输出。如此，该第二调制电压可以实现对该光束的第二阶(次)调制。也即是说，该电光调制器可以对该光束实现两阶调制。
另外，该第一调制电压及该第二调制电压可分别独立调制该第一分支传输的横电波及该第二分支传输的横磁波，也即是同样的时间内，加载、传输的信息量增加，从而提高信息传输速率。且该第一分支及该第二分支分别传输横电波及横磁波，因此相互间也不会发生串扰(cross talk)。
附图说明
图1为本发明较佳实施方式的电光调制器的立体示意图。
图2为图1的电光调制器沿直线II-II的剖面示意图。
图3为图1的电光调制器的介质光栅的结构示意图。
图4为图1的电光调制器沿直线IV-IV的剖面示意图。
图5为图1的电光调制器沿直线V-V的剖面示意图。
主要元件符号说明
| 电光调制器 | 10 |
| 基底 | 110 |
| 顶面 | 111 |
| 平板光波导 | 120 |
| 侧面 | 121 |
| 界面 | 122 |
| 介质光栅 | 130 |
| 介质条 | 131 |
| 第一电极 | 140 |
| Y型光波导 | 150 |
| 输入段 | 151 |
| 第一分支 | 152 |
| 第二分支 | 153 |
| 第一子Y型光波导 | 154 |
| 第一子分支 | 155 |
| 第二子分支 | 156 |
| 第二子Y型光波导 | 157 |
| 第三子分支 | 158 |
| 第四子分支 | 159 |
| 第二电极 | 160 |
| 第三电极 | 170 |
| 调制电极 | 171 |
| 地电极 | 172 |
| 第四电极 | 180 |
| 缓冲层 | 190 |
| 中心轴 | O |
| 光束 | 20 |
| 激光器 | 30 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，本发明较佳实施方式的电光调制器10包括一基底110、一平板光波导120、一介质光栅130、一对第一电极140、一Y型光波导150、一对第二电极160、一组第三电极170及一对第四电极180。
该平板光波导120形成于该基底110上，并包括一侧面121及一与该侧面121相背且与该基底110相接的界面122，该侧面121用于接收一沿一中心轴O入射的光束20。
该介质光栅130形成于该平板光波导120，且关于该中心轴O对称。该介质光栅130与该平板光波导120构成一衍射型光波导透镜。
该对第一电极140设置于该平板光波导120上且平行于该中心轴O设置于该介质光栅130两侧。该对第一电极140用于加载一第一调制电压以通过电光效应改变该平板光波导120的折射率从而改变该衍射型光波导透镜的焦距。
该Y型光波导150形成于该基底110上，并包括一该界面122相接且沿该中心轴O延伸的输入段151及自该输入段151分叉出的一仅用于传输横电波的第一分支152及一仅用于传输横磁波的第二分支153，该第一分支152包括一第一子Y型光波导154，该第一子Y型光波导154包括一第一子分支155及一第二子分支156，该第二分支153包括一第二子Y型光波导157，该第二子Y型光波导157包括一第三子分支158及一第四子分支159。
该对第二电极160设置于该基底110上且平行于该中心轴O设置于该输入段151两侧，该对第二电极160用于加载一电压以改变该输入段151的折射率。
该组第三电极170设置于该基底110上，且包括一设置于该第一子分支155与该第二子分支156之间的调制电极171及两个分别位于该第一子分支155及该第二子分支156两侧的地电极172，该组第三电极170用于在该两个地电极172与该调制电极171之间加载一第二调制电压以通过电光效应改变该第一子分支155及该第二子分支156的折射率。
该对第四电极180设置于该基底110上，且分别覆盖该第三子分支158及该第四子分支159，该对第四电极180用于加载一第三调制电压以通过电光效应改变该第三子分支158及该第四子分支159的折射率。
根据集成光学理论，该介质光栅130与该平板光波导120构成加载型光波导，该平板光波导120加载该介质光栅130的部分的等效折射率变大。如此，通过合理设置该介质光栅130的结构，例如设置成啁啾光栅便可构成一啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜。而该对第一电极140可以加载该第一调制电压从而通过电光效应改变该平板光波导120的折射率，从而改变该衍射型光波导透镜的焦距。因此该第一调制电压可以控制该光束20会聚入该输入段151的功率大小，例如，当该衍射型光波导透镜的焦距等于该衍射型光波导透镜到该输入段151的距离时，该光束20几乎全部会聚入该输入段151，即该光束20会聚入该输入段151的功率最大。如此，该第一调制电压可以实现对该光束20的第一阶(次)调制。
由于双折射现象，经该输入段151传输的横电波及横磁波会分离而分别进入该第一分支152及该第二分支153。而在该对第二电极施加该电压产生的电场可使该输入段151的折射率发生变化，使得横电波的相位变化较横磁波的相位变化大，从而横电波更容易与横磁波分离进入该第一分支152，改善极化分离效果。
该第二调制电压改变该第一子分支155及该第二子分支156的折射率使得其中传输的光束的相位差发生改变，从而改变该第一子Y型光波导154的输出，同理的，该第二调制电压改变该第三子分支158及该第四子分支159的折射率使得其中传输的光束的相位差发生改变，从而改变该第二子Y型光波导157的输出。如此，该第二调制电压可以实现对该光束的第二阶(次)调制。也即是说，该电光调制器10可以对该光束20实现两阶调制。
另外，该第一调制电压及该第二调制电压可分别独立调制该第一分支152传输的横电波及该第二分支153传输的横磁波，也即是同样的时间内，加载、传输的信息量增加，从而提高信息传输速率。且该第一分支152及该第二分支153分别传输横电波及横磁波，因此相互间也不会发生串扰。
该光束20为一与该侧面121对接的激光器30发出的激光束。
该激光器30采用分布式反馈激光器(distributed feedback laser, DFB)，其属于侧面发射的半导体激光器，可以通过芯片焊接(die bond)方式将发光的侧面直接焊接到该侧面121上，以使该光束20沿该中心轴O入射。当然，该激光器30也可以采用其他类型激光光源，并通过其他方式设置，只要保证其可沿该中心轴O出射该光束20即可。
由于铌酸锂( )晶体()具有较高的反应速度，因此，该基底110的材料采用铌酸锂晶体，以提高该电光调制器10的带宽。该基底110基本呈矩形，并包括一与该界面122垂直连接的顶面111。
该平板光波导120同样呈矩形，并通过向该顶面111扩散金属钛而形成。如此，在加载该介质光栅130后，该平板光波导120的折射率发生渐变，是产生啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜的有利条件。
在本实施方式中，该介质光栅130为扩散有金属钛的铌酸锂晶体，并通过自该顶面111向该平板光波导120内蚀刻该平板光波导120得到。在其他实施方式中，该介质光栅130也可以是形成于该顶面111上的高折射率薄膜。
该介质光栅130可以是一啁啾光栅。具体的，该介质光栅130包括多个矩形的、平行设置的介质条131，该多个介质条131平行于该中心轴O设置，且高度基本相同。该多个介质条131的数目为奇数，且沿该中心轴O到远离该中心轴O的方向，该介质条131的宽度越来越小，而相邻两个该介质条131的间隙也越来越小。
请参阅图2及图3，本实施方式中，以该介质光栅130的宽度方向(即平行于该顶面111与该侧面121的方向)为轴，该中心轴O与轴的相交点为原点，沿该中心轴O到远离该中心轴O一侧的方向为轴正向，以该光束20在处与原点处的相位差为轴，根据平板光波导波动理论可得：
，
其中。
该多个介质条131的第个边界满足如下条件：
，
其中，为正整数，(为构成该衍射型光波导透镜)，及为常数且与该衍射型光波导透镜的焦距相关。
如此，可推得：
。
而的情况，即该中心轴O另一侧的该多个介质条131的边界可通过对称性获得。
该对第一电极140在加载第一调制电压后产生的极间电场将横穿该平板光波导120，从而可以改变该平板光波导120的等效折射率，等效地改变啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜的折光能力(即焦距)。
该第一电极140的长度及高度分别等于或大于该介质光栅130的长度及高度。本实施方式中，该第一电极140的长度及高度大于该介质光栅130的长度及高度。
该Y型光波导150通过在该顶面111向该基底110上扩散金属钛而形成，而该第一分支152及该第二分支153还需分别进一步扩散锌镍合金及金属镓(单质)。因此，该输入段151由于未进一步扩散锌镍合金或金属镓，可以同时传输横电波及横磁波，该第一分支152只能传输横电波，该第二分支153只能传输横磁波。
本实施方式中，该输入段151、该第一子分支155、该第二子分支156、该第三子分支158及该第四子分支159平行设置。该第二子分支156及该第四子分支159分别位于该第一子分支155及该第三子分支158两侧。
以该基底110的高度方向为轴(即垂直于该顶面111的方向)，宽度方向为轴(即平行于该顶面111而垂直于该中心轴O的方向)，该中心轴O的方向为轴，根据平板光波导的波动方程分析，可知，横电波仅有沿轴方向的电场分量，而横磁波仅有沿轴方向的电场分量及沿轴方向的电场分量。
请参阅图4，该对第二电极160施加该电压产生的极间电场穿过该输入段151的部分基本平行于轴，因此，该输入段151沿平行轴的折射率发生变化，使得横电波(电场分量)的相位变化较横磁波的相位变化大，从而横电波更容易与横磁波分离进入该第一分支152，改善极化分离效果。
该第二电极160的长度等于或小于该输入段151等的长度。在本实施方式中，该第二电极160略短于该输入段151。
请参阅图5，该组第三电极170施加该第二调制电压后产生的极间电场穿过该第一子分支155及该第二子分支156的部分基本平行于轴，因此可以改变该第一子分支155及该第二子分支156的折射率，从而有效地调制横电波(电场分量)。
该调制电极171及该两个地电极172的长度等于或小于该第二分支153的长度。本实施方式中，该第二电极160的长度等于该第二分支153的长度。
该第四电极180施加该第三调制电压后产生的极间电场穿过该第三子分支158及该第四子分支159的部分基本平行于轴，因此可以改变该第三子分支158及该第四子分支159的折射率，从而有效地调制横磁波(电场分量)。
该第四电极180的长度等于或小于该第四子分支159的长度。本实施方式中，该第四电极180的长度等于该第四子分支159的长度。
由于该对第四电极180覆盖该第三子分支158及该第四子分支159，为防止在该第三子分支158及该第四子分支159传输的光束被该对第四电极180吸收，可以在该基底110上先形成一层缓冲层190，再在该缓冲层190上形成该对第四电极180。该缓冲层190采用二氧化硅制成。
总之，本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (11)
1.一种电光调制器，其包括：
一基底；
一形成于该基底上的平板光波导，该平板光波导包括一侧面及一与该侧面相背且与该基底相接的界面，该侧面用于接收一沿一中心轴入射的光束；
一形成于该平板光波导上的介质光栅，该介质光栅关于该中心轴对称；
一对第一电极，该对第一电极设置于该平板光波导上且平行于该中心轴设置于该介质光栅两侧，该介质光栅与该平板光波导构成一衍射型光波导透镜，该对第一电极用于加载一第一调制电压以通过电光效应改变该平板光波导的折射率从而改变该衍射型光波导透镜的焦距，
一形成于该基底上的Y型光波导，该Y型光波导包括一该界面相接且沿该中心轴延伸的输入段及自该输入段分叉出的一仅用于传输横电波的第一分支及一仅用于传输横磁波的第二分支，该第一分支包括一第一子Y型光波导，该第一子Y型光波导包括一第一子分支及一第二子分支，该第二分支包括一第二子Y型光波导，该第二子Y型光波导包括一第三子分支及一第四子分支；
一对第二电极，该对第二电极设置于该基底上且平行于该中心轴设置于该输入段两侧，该对第二电极用于加载一电场以改变该输入段的折射率；
一组第三电极，该组第三电极设置于该基底上，且包括一设置于该第一子分支与该第二子分支之间的调制电极及两个分别位于该第一子分支及该第二子分支两侧的地电极，该组第三电极用于在该两个地电极与该调制电极之间加载一第二调制电压以通过电光效应改变该第一子分支及该第二子分支的折射率；及
一对第四电极，该对第四电极设置于该基底上，且分别覆盖该第三子分支及该第四子分支，该对第四电极用于加载一第三调制电压以通过电光效应改变该第三子分支及该第四子分支的折射率。
2.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，该基底采用铌酸锂晶体制成，并包括一与该界面垂直连接的顶面。
3.如权利要求2所述的电光调制器，其特征在于，该平板光波导通过向该顶面扩散金属钛而形成。
4.如权利要求3所述的电光调制器，其特征在于，该介质光栅为扩散有金属钛的铌酸锂晶体，并通过自该顶面向该平板光波导内蚀刻该平板光波导得到。
5.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，该介质光栅为啁啾光栅，并包括多个矩形的、平行设置的介质条，该多个介质条平行于该中心轴设置，且高度基本相同；该多个介质条的数目为奇数，且沿该中心轴到远离该中心轴的方向，该介质条的宽度越来越小，而相邻两个该介质条的间隙也越来越小。
6.如权利要求5所述的电光调制器，其特征在于，以该介质光栅的宽度方向为 轴，该中心轴与轴的相交点为原点，沿该中心轴到远离该中心轴一侧的方向为轴正向，该多个介质条的第个边界满足如下条件：
；
为正整数，及为常数且与该衍射型光波导透镜的焦距相关。
7.如权利要求2所述的电光调制器，其特征在于，该Y型光波导通过在该顶面向该基底上扩散金属钛而形成。
8.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，该第一电极的长度及高度分别等于或大于该介质光栅的长度及高度。
9.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，该第二电极、该第三电极及该四电极的长度分别等于或小于该输入段、该第二子分支及该第四子分支的长度。
10.如权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，该电光调制器包括一设置于该基底与该对第四电极之间的缓冲层，用于防止在该第三子分支及该第四子分支传输的光束被该对第四电极吸收。
11.如权利要求10所述的电光调制器，其特征在于，该缓冲层采用二氧化硅制成。
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2013
- 2013-04-25 CN CN201310147254.1A patent/CN104122679A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |