CN104583856B - 一种光调制器和光信号发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种光调制器和光信号发射装置，涉及通信领域，该光调制器的结构简单、成本低且插入损耗小。该光调制器包括PLC、电极、金属波导和电光材料层，其中，该电极与该电光材料层的一表面相接触，该金属波导位于该PLC的芯层中，该金属波导的第一表面与该电光材料层的另一表面相接触，该金属波导的第二表面位于该PLC的芯层中，该光调制器用于对光信号进行调制。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种光调制器和光信号发射装置。
背景技术
光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一，主要是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。
现有的光调制器包括MZM（Mach-Zehnder Modulator，马赫曾德调制器），EAM（Electro Absorption Modulator，电吸收光调制器）。其中，MZM包括输入Y分支器、衬底层、两个光波导、电极、输出Y分支器。其中，直流光信号在输入Y分支器上被分成两束光，两束光分别进入两个光波导，根据通过调整施加在电极上的电压，使得两个光波导的折射率得到调整，并由此改变两束光信号的相位，使得两束光之间的相位差得到调整，之后，两束光在输出Y分支器上进行合并，并根据该相位差进行干涉，以实现对直流光信号的调制。
从上所述可知MZM需要分别调整通过电极施加在两个光波导上的电压，从而调整两个光波导的折射率，另外，MZM需要通过如输入Y分支器和输出Y分支器等分光器件对光信号进行分路和合路，因此，该MZM的结构复杂，并且由于MZM的光波导采用基于线性电光效应的铌酸锂晶体LiNbO3制作，而铌酸锂晶体造价昂贵，因此，通过该MZM实现光调制的成本较高。
而对于EMA，它采用电吸收原理制成，通过调整施加在吸收层上的电压对直流光信号吸收程度进行调整，实现对直流光信号的调制，其中，吸收层的宽度会根据施加电压的调整而调整，但是，吸收层材料在透射光功率最大时会产生插入损耗，而这种插入损耗是采用EMA所不可避免的固有损耗。
发明内容
本发明的实施例提供一种光调制器和光信号发射装置，该光调制器的结构简单、成本低且插入损耗小。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种光调制器，包括：
平面光波导PLC、电极、金属波导和电光材料层，其中，所述电极与所述电光材料层的一表面相接触，所述金属波导位于所述PLC的芯层中，所述金属波导的第一表面与所述电光材料层的另一表面相接触，所述金属波导的第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述PLC用于通过所述PLC的芯层传输光信号；
所述金属波导用于在起始端将在所述PLC的芯层中传输的所述光信号分为第一光信号和第二光信号，其中，所述第一光信号在所述金属波导的第一表面上传输，所述第二光信号在所述第二表面上传输，所述第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述电光材料层用于通过施加在所述电极和所述金属波导上电压的调整而调整折射率；
所述金属波导还用于，在所述金属波导的末端将所述第一光信号和所述第二光信号合并，以根据折射率的调整得到调制光信号。
在第一方面第一种可能的实现方式中，所述PLC具体用于，通过所述PLC的芯层传输直流光信号；
所述金属波导具体用于，在起始端将在所述PLC的芯层中以波导模式传输的所述直流光信号分为第一直流光信号和第二直流光信号，其中，所述第一直流光信号在所述金属波导的第一表面上以表面等离子体振子SPP的模式传输，所述第二直流光信号在所述第二表面上以所述SPP的模式传输，所述第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述金属波导还用于，在所述金属波导的末端将所述第一直流光信号和所述第二直流光信号合并，以根据折射率的调整得到调制光信号，并将所述SPP的传输模式转换为所述波导模式在所述PLC的芯层中传输。
结合第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述电光材料层具体用于，根据在所述电极和所述金属波导上施加的电压调整所述折射率，以调整所述第一直流光信号的相位，使得所述第一直流光信号与所述第二直流光信号之间的相位差得到调整并在所述金属波导的末端合并时根据所述相位差进行干涉，以根据所述干涉结果得到所述调制光信号。
结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述PLC具体用于，通过所述PLC的芯层传输调制光信号，其中，所述调制光信号包括高电平信号和低电平信号。
所述金属波导13具体用于，在起始端将以波导模式传输的所述调制光信号中的高电平信号分为第一高电平信号和第二高电平信号，将所述调制光信号中的低电平信号分为第一低电平信号和第二低电平信号，其中，所述第一高电平信号和所述第一低电平信号在所述金属波导的第一表面上以SPP的模式传输，所述第二高电平信号和所述第二低电平信号在所述第二表面上以SPP的模式传输，所述第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述金属波导13具体用于，在所述金属波导的末端将所述第一高电平信号和所述第二高电平信号合并，将所述第一低电平信号和所述第二低电平信号合并，以根据折射率的调整得到调整后的调制光信号，并将所述SPP的传输模式转换为所述波导模式在所述PLC的芯层中传输；
所述电光材料层14具体用于，根据施加的电压调整所述折射率，以调整所述第一高电平信号和所述第一低电平信号的相位，使得所述第一高电平信号与所述第二高电平信号之间的相位差得到调整并在金属波导的末端合并时根据所述相位差进行相长干涉，以根据所述干涉结果保持所述高电平信号的发射功率；使得所述第一低电平信号与所述第二低电平信号之间的相位差得到调整并在金属波导的末端合并时根据所述相位差进行相消干涉，以根据所述干涉结果减小所述低电平信号的发射功率，使得所述调制光信号的消光比增大，其中，所述消光比为所述高电平信号的发射功率与所述低电平信号的发射功率之比。
第二方面，提供一种光信号发射装置，包括光信号发射器和光调制器；
所述光信号发射器，用于向所述光调制器发送直流光信号；
所述光调制器包括上述第一方面至第二种可能的实现方式中任一所述的光调制器。
在第二方面第一种可能的实现方式中，所述光信号发射器包括直调激光器DML。
第三方面，提供一种光信号发射装置，包括光信号发射器和光调制器；
所述光信号发射器，用于向所述光调制器发送调制光信号；
所述光调制器包括上述第一方面第三种可能的实现方式所述的光调制器。
在第三方面第一种可能的实现方式中，所述光信号发射器包括直调激光器DML。
采用本发明实施例提供的光调制器和光信号发射装置，该光调制器通过金属波导将光信号分为第一光信号和第二光信号，其中，该第一光信号在该金属波导的第一表面上传输，该第二光信号在该第二表面上传输，该第二表面位于该PLC的芯层中，并通过施加在电极和金属波导上电压的调整而调整电光材料层的折射率，并最终通过折射率的调整实现对光信号的调制，该光调制器中的PLC所涉及的材料广泛，因此成本较低，且不需要设置分光器件，实现结构简单且插损较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种光调制器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种发射功率与电光材料层的折射率之间的关系示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光信号发射装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种光信号发射装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例提供一种光调制器10，如图1所示，图中箭头表示光信号的传输方向，该光调制器10包括：PLC11、电极12、金属波导13和电光材料层14。
其中，该PLC11包括芯层111、底衬层112和覆盖层113，该电极12与该电光材料层14的一表面（如图中所示的电光材料上表面）相接触，该金属波导13位于该PLC11的芯层111中，该金属波导13的第一表面a（如图中所示的金属波导的上表面）与该电光材料层的另一表面（如图中所示的电光材料层的下表面）相接触，该金属波导13的第二表面b（如图中所示的金属波导的下表面）位于该PLC11的芯层111中。其中，该PLC11用于通过该PLC的芯层111传输光信号。
需要说明的是，衬底层112和覆盖层113的折射率小于芯层111，这就将光信号集中限制在PLC芯层111中传输。其中，该光信号可以是直流光信号，也可以是调制光信号，当该光调制器用于对光信号进行调制时，则在该PLC的芯层中传输的光信号可以为直流光信号，当该光调制器用于增加光信号的消光比时，该PLC的芯层中传输的光信号可以为调制光信号。
该金属波导13用于在起始端（如图中所示金属波导的A端）将在该PLC的芯层中传输的该光信号分为第一光信号和第二光信号。
其中，该第一光信号在该金属波导的第一表面上传输，该第二光信号在该第二表面上传输，该第二表面位于该PLC的芯层中。
需要说明的是，在金属波导的上下表面有着密度很高且分布均匀的自由电子，当受到电场的激发时，该金属波导的上表面和下表面分别依电场方向形成不均匀的密度分布，亦即生成瞬间的诱导式电偶极，并以某一特定频率进行集体式的电偶极振荡，形成SPP（Surface Plasmon Polariton，表面等离子体振子)，则该第一光信号和第二光信号以该SPP的模式在金属波导的上表面和下表面传输光信号。
该电光材料层14用于通过施加在该电极和该金属波导上电压的调整而调整折射率。
需要说明的是，由于该电光材料层的不同，则调整该电光材料层的折射率施加的电压也不同，也就是说，施加的电压与折射率之间的关系是根据电光材料层的材料决定的。
该金属波导13还用于，在该金属波导的末端（如图中所示的B端）将该第一光信号和该第二光信号合并，以根据折射率的调整得到调制光信号。
具体地，该第一光信号和第二光信号在该金属波导的末端合成为调制光信号，则合成后的调制光信号继续在该PLC的芯层中传输。
在本发明实施例中，可以通过在电光材料层的上表面和下表面施加电压，例如，在电极和金属波导上施加电压，由于电极的下表面与电光材料层的上表面相接触，且该金属波导的上表面与电光材料层的下表面相接触，因此，通过电极和金属波导的导电性将该电压施加在该电光材料层的上表面和下表面，则该电光材料层的折射率随着该施加的电压的变化而变化，另外，由于第一光信号在金属波导的上表面以SPP的模式传输且该金属波导的上表面与该电光材料层的下表面相接触，因此，该电光材料层折射率的变化，改变了该第一光信号的相位，则在该金属波导的末端，当该第一光信号与该第二光信号合并时，形成相位差，并根据该相位差发生干涉，以根据干涉结果得到调制光信号，并且，该调制光信号以波导模式在该PLC芯层中传输，从而实现了对该光信号的发射功率的调整，进而实现对该光信号的调制或者提高了该光信号的消光比。例如，当光信号为直流光信号时，实现了光信号的调制，当光信号为调制光信号，则增加了该光信号的消光比。
在本发明实施例一种可能的实现方式中，该光调制器可以用作对直流光信号的调制，则该光调制器10中的PLC11具体用于，通过所述PLC11的芯层111传输直流光信号，该金属波导13具体用于，在起始端将在该PLC11的芯层111中以波导模式传输的该直流光信号分为第一直流光信号和第二直流光信号，其中，该第一直流光信号在该金属波导的第一表面上以该SPP的模式传输，该第二直流光信号在该第二表面上以该SPP的模式传输，该第二表面位于该PLC11的芯层111中，该金属波导13还用于，在该金属波导的末端将该第一直流光信号和该第二直流光信号合并，以根据折射率的调整得到调制光信号，并将该SPP的传输模式转换为该波导模式在所述PLC的芯层中传输。
具体地，该电光材料层14具体用于，根据在该电极12和该金属波导13上施加的电压调整该折射率，以调整该第一直流光信号的相位，使得该第一直流光信号与该第二直流光信号之间的相位差得到调整并在金属波导末端合并时根据该相位差进行干涉，以根据该干涉结果得到该调制光信号。
示例地，直流光信号从PLC的芯层平行于该PLC入射，在接触到该金属波导时，分为第一直流光信号和第二直流光信号，其中，该第一直流光信号在该金属波导的上表面以该SPP的模式传输，该第二直流光信号在该金属波导的下表面以该SPP的模式传输，此时，通过施加在电光材料层的电压调整该电光材料层的折射率，从而实现对该第一直流光信号相位的调整，这样，当该第一直流光信号在该金属波导的末端与该第二直流光信号合并时，产生相位差，并根据该相位差进行干涉，以根据干涉结果得到调制光信号，该调制光信号以该波导模式在该PLC芯层中传输，从而实现对该直流光信号的调制。
图2展示了直流光信号经过该光调制器调制后的调制光信号的发射功率与电光材料层的折射率之间的关系，在图2所示的实施例中，该直流光信号波长为1550nm（纳米），则通过施加的电压对电光材料层的折射率进行调整，进而得到如图2所示的折射率所对应的调制光信号的发射功率。
这样，光信号在PLC的芯层中传输时，通过该金属波导分为第一光信号和第二光信号，并通过调整施加在电光材料层两端的电压调整该电光材料层的折射率，从而根据折射率的调整得到调制光信号。
需要说明的是，上述PLC所涉及材料非常广泛，例如二氧化硅、磷化铟等材料，金属波导可用金、银、铝、铜等，因此，成本较低。
在本发明另一种可能的实现方式中，该光调制器可以用作增加光信号的消光比，当本发明实施例采用DML（Direct Modulated Laser，直调激光器）作为高速光信号发射器时，会使得光信号产生正啁啾，使得信号脉冲展宽，导致消光比降低，从而发生色散，则该光调制器用于增大消光比，从而消除色散引起的信号畸变。
可选地，该光调制器10中的PLC11具体用于，通过该PLC的芯层111传输调制光信号。
其中，该调制光信号包括高电平信号和低电平信号。
该金属波导13具体用于，在起始端将以波导模式传输的该调制光信号中的高电平信号分为第一高电平信号和第二高电平信号，将该调制光信号中的低电平信号分为第一低电平信号和第二低电平信号，其中，该第一高电平信号和该第一低电平信号在该金属波导的第一表面上以该SPP的模式传输，该第二高电平信号和该第二低电平信号在该第二表面上以该SPP的模式传输，该第二表面位于该PLC的芯层中。
该金属波导13具体用于，在该金属波导的末端将该第一高电平信号和该第二高电平信号合并，将该第一低电平信号和该第二低电平信号合并，以根据折射率的调整得到调整后的调制光信号，并将该SPP的传输模式转换为该波导模式在所述PLC的芯层中传输。
该电光材料层14具体用于，根据施加的电压调整该折射率，以调整该第一高电平信号和该第一低电平信号的相位，使得该第一高电平信号与该第二高电平信号之间的相位差得到调整并在该金属波导末端合并时根据该相位差进行相长干涉，以根据该相长干涉的结果保持该高电平信号的发射功率；使得该第一低电平信号与该第二低电平信号之间的相位差得到调整并在该金属波导末端合并时根据该相位差进行相消干涉，以根据该相消干涉结果减小该低电平信号的发射功率，使得该调制光信号的消光比增大，其中，该消光比为该高电平信号的发射功率与该低电平信号的发射功率之比。
示例的，调制光信号中的高电平信号和低电平信号从PLC的芯层平行于该PLC入射，在接触到该金属波导时，该高电平信号分为第一高电平信号和第二高电平信号，其中，该第一高电平信号与该第二高电平信号的功率均为该高电平信号功率的一半，该第一高电平信号在该金属波导的上表面以该SPP的模式传输，该第二高电平信号在该金属波导的下表面以该SPP的模式传输,通过施加在电光材料层的电压调整该电光材料层的折射率，使得该第一高电平信号与该第二高电平信号之间的相位差得到调整并在金属波导末端合并时根据该相位差进行相长干涉，则功率均为原高电平信号一半的第一高电平信号与第二高电平信号由于相长干涉合并后的信号的发射功率依然为该高电平信号的发射功率，以保持该调制光信号中高电平信号的发射功率；该低电平信号分为第一低电平信号和第二低电平信号，其中，该第一低电平信号在该金属波导的上表面以该SPP的模式传输，该第二低电平信号在该金属波导的下表面以该SPP的模式传输，此时，通过施加在电光材料层的电压调整该电光材料层的折射率，使得该第一低电平信号与该第二低电平信号之间的相位差得到调整并在金属波导末端合并时根据该相位差进行相消干涉，以根据该相消干涉结果减小该调制光信号中低电平信号的发射功率，使得该调整后的调制光信号的消光比增大，其中，该调整后的调制光信号以该波导模式在该PLC的芯层中传输。
这样，当采用DML发射调制光信号时，本发明实施例提供的光调制器能够增大该调制光信号的消光比，从而消除色散引起的信号畸变。
本发明实施例提供一种光信号发射装置30，如图3所示，包括：光信号发射器31和光调制器10。
该光信号发射器31，用于向该光调制器10发送直流光信号。
该光调制器10包括上述用于对光信号进行调制时的光调制器，其具体的描述可以参照上一实施例中用于对光信号进行调制时的光调制器的对应描述，此处不再赘述。
需要说明的是，该光信号发射器可以为DML，此时，该DML发射直流光信号，该光调制器10作为外调制器对该直流光信号进行调制得到调制光信号，由于该光调制器在调制的过程中可获得很高的工作速率，调制信号的频率啁啾非常小，调制性能对波长的依赖性很小，因此，不会对光信号产生色散，从而能够抑制色散引起的信号畸变。
这样，采用本发明实施例提供的光信号发射装置，该光信号发射装置中的光调制器通过金属波导将直流光信号分为第一直流光信号和第二直流光信号，其中，该第一直流光信号在该金属波导的第一表面上传输，该第二直流光信号在该第二表面上传输，该第二表面位于该PLC的芯层中，并通过施加在电极和金属波导上电压的调整而调整电光材料层的折射率，并最终通过折射率的调整实现对直流光信号的调制，该光调制器中的PLC所涉及的材料广泛，因此成本较低，且不需要设置分光器件，实现工艺简单且插损较小。
本发明实施例提供一种光信号发射装置40，如图4所示，包括：光信号发射器41和光调制器10。
该光信号发射器41，用于向该光调制器10发送调制光信号。
该光调制器10包括上述用于增强光信号的消光比时的光调制器，其具体的描述可以参照上一实施例中用于增加光信号的消光比时的光调制器的对应描述，此处不再赘述。
需要说明的是，该光信号发射器可以为DML，此时，该DML发射调制光信号，该光调制器10用于增强该调制光信号的消光比，从而消除色散引起的信号畸变。
这样，采用本发明实施例提供的光信号发射装置，能够增大调制光信号的消光比，从而消除色散引起的信号畸变。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种光调制器，应用于光通信系统中，其特征在于，包括：平面光波导PLC、电极、金属波导和电光材料层，其中，所述电极与所述电光材料层的一表面相接触，所述金属波导位于所述PLC的芯层中，所述金属波导的第一表面与所述电光材料层的另一表面相接触，所述金属波导的第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述PLC用于通过所述PLC的芯层传输光信号；
所述金属波导用于在起始端将在所述PLC的芯层中以波导模式传输的所述光信号分为以SPP模式传输的第一光信号和第二光信号，其中，所述第一光信号在所述金属波导的第一表面上传输，所述第二光信号在所述第二表面上传输，所述第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述电光材料层用于通过施加在所述电极和所述金属波导上电压的调整而调整折射率；
所述金属波导还用于，在所述金属波导的末端将所述第一光信号和所述第二光信号合并，以根据折射率的调整得到调制光信号。
2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述PLC具体用于，通过所述PLC的芯层传输直流光信号；
所述金属波导具体用于，在起始端将在所述PLC的芯层中以波导模式传输的所述直流光信号分为第一直流光信号和第二直流光信号，其中，所述第一直流光信号在所述金属波导的第一表面上以表面等离子体振子SPP的模式传输，所述第二直流光信号在所述第二表面上以所述SPP的模式传输，所述第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述金属波导还用于，在所述金属波导的末端将所述第一直流光信号和所述第二直流光信号合并，以根据折射率的调整得到调制光信号，并将所述SPP的传输模式转换为所述波导模式在所述PLC的芯层中传输。
3.根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于，所述电光材料层具体用于，根据在所述电极和所述金属波导上施加的电压调整所述折射率，以调整所述第一直流光信号的相位，使得所述第一直流光信号与所述第二直流光信号之间的相位差得到调整并在金属波导的末端合并时根据所述相位差进行干涉，以根据所述干涉结果得到所述调制光信号。
4.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述PLC具体用于，通过所述PLC的芯层传输调制光信号，其中，所述调制光信号包括高电平信号和低电平信号；
所述金属波导具体用于，在起始端将以波导模式传输的所述调制光信号中的高电平信号分为第一高电平信号和第二高电平信号，将所述调制光信号中的低电平信号分为第一低电平信号和第二低电平信号，其中，所述第一高电平信号和所述第一低电平信号在所述金属波导的第一表面上以所述SPP的模式传输，所述第二高电平信号和所述第二低电平信号在所述第二表面上以所述SPP的模式传输，所述第二表面位于所述PLC的芯层中；
所述金属波导具体用于，在所述金属波导的末端将所述第一高电平信号和所述第二高电平信号合并，将所述第一低电平信号和所述第二低电平信号合并，以根据折射率的调整得到调整后的调制光信号，并将所述SPP的传输模式转换为所述波导模式在所述PLC的芯层中传输；
所述电光材料层具体用于，根据施加的电压调整所述折射率，以调整所述第一高电平信号和所述第一低电平信号的相位，使得所述第一高电平信号与所述第二高电平信号之间的相位差得到调整并在金属波导的末端合并时根据所述相位差进行相长干涉，以根据所述干涉结果保持所述高电平信号的发射功率；使得所述第一低电平信号与所述第二低电平信号之间的相位差得到调整并在金属波导的末端合并时根据所述相位差进行相消干涉，以根据所述干涉结果减小所述低电平信号的发射功率，使得所述调制光信号的消光比增大，其中，所述消光比为所述高电平信号的发射功率与所述低电平信号的发射功率之比。
5.一种光信号发射装置，应用于光通信系统中，其特征在于，包括光信号发射器和光调制器；
所述光信号发射器，用于向所述光调制器发送直流光信号；
所述光调制器包括上述权利要求1至3任一项所述的光调制器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光信号发射器包括直调激光器DML。
7.一种光信号发射装置，应用于光通信系统中，其特征在于，包括光信号发射器和光调制器，
所述光信号发射器，用于向所述光调制器发送调制光信号；
所述光调制器包括上述权利要求4所述的光调制器。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光信号发射器包括直调激光器DML。
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