CN105137621A - 能实现双向调制的铌酸锂强度调制器及光收发模块 - Google Patents
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Abstract
一种能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，由铌酸锂衬底、MZI型波导、两组行波电极、偏置电极和缓冲层组成；本发明的有益技术效果是：提供了一种能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，与现有技术的双向调制手段相比，本发明集成度更高、体积更小、成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种铌酸锂强度调制器，尤其涉及一种能实现双向调制的铌酸锂强度调制器及光收发模块。
背景技术
铌酸锂强度调制器具有传输容量大、传输质量高、中继距离长、抗电磁干扰性能好、保密性能好等优异性能，广泛应用于高速网络计算机的互连、传感器融合、数据融合、图像融合、综合探测、光控相控阵雷达、电子战等领域的光收发系统中。
现有的铌酸锂强度调制器芯片结构如图1所示，该器件能够将高速电信号调制到光信号，其调制原理为：在行波电极上加载微波信号后，行波电极区域内的光波导的折射率就会随之发生变化，进而使得在光波导内穿行的光信号的相位发生改变，从而实现电光信号的转换，起到调制作用。
在调制时，只有当行波电极中的微波传输方向与光波导中的光波传输方向相同时（即电信号从射频输入端进入，光信号从C端进入向D端传输），才能起到调制作用，如果微波与光波的传输方向相反（即电信号从射频输入端进入，光信号从D端进入向C端传输），则不能起到调制作用，因此，现有的的铌酸锂强度调制器仅能对单一方向的光信号进行调制。
随着技术的进步，在很多光收发系统中往往需要同时将发射信号和接收信号都调制到光路上再进行传输，为了满足这种需求，较为理想的手段是通过一套调制系统来同时对两个方向传输的光进行调制，图2给出了一种现有的、能同时对两个方向传输的光进行调制的器件方案，该方案中采用两只铌酸锂强度调制器来分别搭建两个独立的光路，其中一路（靠下侧那路）用于将电信号调制到光路经由光电探测器转换为电信号再通过天线发射出去，另一路（靠上侧那路）则将从天线接收到的电信号调制到光路中并经光电探测器转换为电信号进行接收，虽然该方案实现了对两个方向传输的光进行同时调制的目的，但由于需要用两只铌酸锂强度调制器来搭建两个独立的光路，导致系统体积较大、不利于小型化，而且成本也较高。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，其结构为：所述铌酸锂强度调制器由铌酸锂衬底、MZI型波导、两组行波电极、偏置电极和缓冲层组成；所述缓冲层覆盖在铌酸锂衬底的波导面上（此处所指“波导面”即铌酸锂衬底上用于设置MZI型波导的那侧端面），所述MZI型波导设置于缓冲层下方的铌酸锂衬底表层；所述MZI型波导中部由两根互相平行的波导段所形成的区段记为调制段，两根互相平行的波导段分别记为第一分支波导和第二分支波导；所述偏置电极设置于缓冲层表面，偏置电极所覆盖的区域与调制段的一端重叠（偏置电极是调制器上的必备元件，其作用是使强度调制器工作于线性区、保证其输出光信号的动态范围最大）；两组行波电极设置在缓冲层表面，两组行波电极之间留有间隙，两组行波电极所覆盖的区域分别形成两个调制区，第一分支波导从第一调制区穿过，第二分支波导从第二调制区穿过；对应第一调制区的行波电极记为第一行波电极，第一行波电极的左端为射频输入端、右端连接电阻；对应第二调制区的行波电极记为第二行波电极，第二行波电极的右端为射频输入端，第二行波电极的左端连接电阻。
参见图3，采用本发明方案后，由于单组行波电极对应的调制区内只有一根分支波导穿过，再加上行波电极只对传输方向与微波信号相同的光信号具有调制作用，因此，第一行波电极只对第一分支波导内从A端传向B端的光信号具有调制作用，第二行波电极只对第二分支波导内从B端传向A端的光信号具有调制作用，这就在只采用了一只铌酸锂强度调制器的条件下实现了双向调制，与现有技术相比，本发明的集成度更高、体积更小、成本更低。
本发明不仅限于铌酸锂衬底材料的强度调制器。
基于前述方案，本发明还提出了一种能实现双向调制的光收发模块，其结构为：所述光收发模块由铌酸锂强度调制器、两个光电探测器、两个光源、三端口环形器、天线和两个耦合器组成；所述铌酸锂强度调制器由铌酸锂衬底、MZI型波导、两组行波电极、偏置电极和缓冲层组成；所述缓冲层覆盖在铌酸锂衬底的波导面上，所述MZI型波导设置于缓冲层下方的铌酸锂衬底表层；所述MZI型波导中部由两根互相平行的波导段所形成的区段记为调制段，两根互相平行的波导段分别记为第一分支波导和第二分支波导；所述偏置电极设置于缓冲层表面，偏置电极所覆盖的区域与调制段的一端重叠；两组行波电极设置在缓冲层表面，两组行波电极之间留有间隙，两组行波电极所覆盖的区域分别形成两个调制区，第一分支波导从第一调制区穿过，第二分支波导从第二调制区穿过；对应第一调制区的行波电极记为第一行波电极，第一行波电极的左端为射频输入端、右端连接电阻；对应第二调制区的行波电极记为第二行波电极，第二行波电极的右端为射频输入端，第二行波电极的左端连接电阻；MZI型波导上的两个集束端中，靠近第一行波电极左端的那个集束端记为A端，靠近第二行波电极右端的那个集束端记为B端；所述耦合器为1×2耦合器；第一耦合器的收发复用端与A端连接，第一耦合器的输入端与第一光源连接，第一耦合器的输出端与第一光电探测器连接；第二耦合器的收发复用端与B端连接，第二耦合器的输入端与第二光源连接，第二耦合器的输出端与第二光电探测器连接；第二光电探测器的输出端与三端口环形器的第一输入端连接，三端口环形器的第二输入端与天线连接，三端口环形器的输出端与第二行波电极的射频输入端连接；从天线接收到的信号从第二行波电极的射频输入端进入后，最终从第一光电探测器的输出端向外输出；待发送的信号从第一行波电极的射频输入端进入后，通过第二光电探测器的输出端进入三端口环形器内，并最终通过天线向外发送。
前述光收发模块中，各个组成部分的功能分别为：
所述铌酸锂强度调制器的原理如前所述；当待发送的信号从第一行波电极的射频输入端进入后，第一行波电极就将其调制到在第一分支波导内传输的光信号中，调制好的光信号从B端输出至第二耦合器中，被第二光电探测器采集后，通过三端口环形器传输至天线并向外发送；由天线接收到的信号，经三端口环形器传输后进入第二行波电极的射频输入端，第二行波电极就将其调制到在第二分支波导内传输的光信号中，调制好的光信号从A端输出至第一耦合器中，被第一光电探测器采集后向外输出；
所述耦合器用于连接铌酸锂强度调制器、光电探测器和光源；
所述光电探测器用于将光信号转换为电信号；
所述三端口环形器的作用是：使电信号单向环形传输；
所述天线用于接收和发送相应的信号；本领域技术人员应该清楚，天线和三端口环形器之间还设置有用于对接收和发射信号进行处理的相关电路（比如放大电路等），由于他们与本发明的改进点相关性不大，故本文中未作阐述；
为了改善本发明的性能，发明人还提出了如下优选方案：所述铌酸锂衬底采用Z切铌酸锂晶体制作。铌酸锂晶体的Z方向具有最大的调制电光系数。
另外，发明人还对行波电极和分支波导的相对位置作了如下优化设计：所述行波电极由一根中心电极和两根地电极组成，两根地电极分别位于中心电极的两侧；所述分支波导位于相应中心电极的正下方。将分支波导设置在中心电极的正下方，可以使光场与电场最大限度地重叠在一起，提高调制效率。
本发明的有益技术效果是：提供了一种能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，与现有技术的双向调制手段相比，本发明集成度更高、体积更小、成本更低。
附图说明
图1、现有技术中用于对单向光信号进行调制的铌酸锂强度调制器结构示意图；
图2、现有技术中能对双向光信号进行调制的器件原理示意图；
图3、本发明的铌酸锂强度调制器结构示意图；
图4、本发明的光收发模块原理示意图；
图5、铌酸锂衬底上行波电极中部断面示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：铌酸锂衬底1、MZI型波导2、第一分支波导2-1、第二分支波导2-2、行波电极3、中心电极3-1、地电极3-2、射频输入端3-3、电阻3-4、偏置电极4、缓冲层5、光电探测器6、光源7、三端口环形器8、天线9、铌酸锂强度调制器10、耦合器11。
具体实施方式
一种能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，其结构为：所述铌酸锂强度调制器由铌酸锂衬底1、MZI型波导2、两组行波电极3、偏置电极4和缓冲层5组成；所述缓冲层5覆盖在铌酸锂衬底1的波导面上，所述MZI型波导2设置于缓冲层5下方的铌酸锂衬底1表层；所述MZI型波导2中部由两根互相平行的波导段所形成的区段记为调制段，两根互相平行的波导段分别记为第一分支波导2-1和第二分支波导2-2；所述偏置电极4设置于缓冲层5表面，偏置电极4所覆盖的区域与调制段的一端重叠；两组行波电极3设置在缓冲层5表面，两组行波电极3之间留有间隙，两组行波电极3所覆盖的区域分别形成两个调制区，第一分支波导2-1从第一调制区穿过，第二分支波导2-2从第二调制区穿过；对应第一调制区的行波电极3记为第一行波电极3，第一行波电极3的左端为射频输入端、右端连接电阻；对应第二调制区的行波电极3记为第二行波电极3，第二行波电极3的右端为射频输入端，第二行波电极3的左端连接电阻。
进一步地，所述铌酸锂衬底1采用Z切铌酸锂晶体制作。
进一步地，所述行波电极3由一根中心电极3-1和两根地电极3-2组成，两根地电极3-2分别位于中心电极3-1的两侧；所述分支波导位于相应中心电极3-1的正下方。
一种能实现双向调制的光收发模块，其结构为：所述光收发模块由铌酸锂强度调制器、两个光电探测器6、两个光源7、三端口环形器8、天线9和两个耦合器11组成；
所述铌酸锂强度调制器由铌酸锂衬底1、MZI型波导2、两组行波电极3、偏置电极4和缓冲层5组成；所述缓冲层5覆盖在铌酸锂衬底1的波导面上，所述MZI型波导2设置于缓冲层5下方的铌酸锂衬底1表层；所述MZI型波导2中部由两根互相平行的波导段所形成的区段记为调制段，两根互相平行的波导段分别记为第一分支波导2-1和第二分支波导2-2；所述偏置电极4设置于缓冲层5表面，偏置电极4所覆盖的区域与调制段的一端重叠；两组行波电极3设置在缓冲层5表面，两组行波电极3之间留有间隙，两组行波电极3所覆盖的区域分别形成两个调制区，第一分支波导2-1从第一调制区穿过，第二分支波导2-2从第二调制区穿过；对应第一调制区的行波电极3记为第一行波电极3，第一行波电极3的左端为射频输入端、右端连接电阻；对应第二调制区的行波电极3记为第二行波电极3，第二行波电极3的右端为射频输入端，第二行波电极3的左端连接电阻；
MZI型波导2上的两个集束端中，靠近第一行波电极3左端的那个集束端记为A端，靠近第二行波电极3右端的那个集束端记为B端；
所述耦合器11为1×2耦合器；第一耦合器11的收发复用端与A端连接，第一耦合器11的输入端与第一光源7连接，第一耦合器11的输出端与第一光电探测器6连接；第二耦合器11的收发复用端与B端连接，第二耦合器11的输入端与第二光源7连接，第二耦合器11的输出端与第二光电探测器6连接；
第二光电探测器6的输出端与三端口环形器8的第一输入端连接，三端口环形器8的第二输入端与天线9连接，三端口环形器8的输出端与第二行波电极3的射频输入端连接；
从天线9接收到的信号从第二行波电极3的射频输入端进入后，最终从第一光电探测器6的输出端向外输出；待发送的信号从第一行波电极3的射频输入端进入后，通过第二光电探测器6的输出端进入三端口环形器8内，并最终通过天线9向外发送。
进一步地，所述铌酸锂衬底1采用Z切铌酸锂晶体制作。
进一步地，所述行波电极3由一根中心电极3-1和两根地电极3-2组成，两根地电极3-2分别位于中心电极3-1的两侧；所述分支波导位于相应中心电极3-1的正下方。
Claims (6)
1.一种能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，其特征在于：所述铌酸锂强度调制器由铌酸锂衬底（1）、MZI型波导（2）、两组行波电极（3）、偏置电极（4）和缓冲层（5）组成；所述缓冲层（5）覆盖在铌酸锂衬底（1）的波导面上，所述MZI型波导（2）设置于缓冲层（5）下方的铌酸锂衬底（1）表层；所述MZI型波导（2）中部由两根互相平行的波导段所形成的区段记为调制段，两根互相平行的波导段分别记为第一分支波导（2-1）和第二分支波导（2-2）；所述偏置电极（4）设置于缓冲层（5）表面，偏置电极（4）所覆盖的区域与调制段的一端重叠；两组行波电极（3）设置在缓冲层（5）表面，两组行波电极（3）之间留有间隙，两组行波电极（3）所覆盖的区域分别形成两个调制区，第一分支波导（2-1）从第一调制区穿过，第二分支波导（2-2）从第二调制区穿过；对应第一调制区的行波电极（3）记为第一行波电极（3），第一行波电极（3）的左端为射频输入端、右端连接电阻；对应第二调制区的行波电极（3）记为第二行波电极（3），第二行波电极（3）的右端为射频输入端，第二行波电极（3）的左端连接电阻。
2.根据权利要求1所述的能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，其特征在于：所述铌酸锂衬底（1）采用Z切铌酸锂晶体制作。
3.根据权利要求1所述的能实现双向调制的铌酸锂强度调制器，其特征在于：所述行波电极（3）由一根中心电极（3-1）和两根地电极（3-2）组成，两根地电极（3-2）分别位于中心电极（3-1）的两侧；所述分支波导位于相应中心电极（3-1）的正下方。
4.一种能实现双向调制的光收发模块，其特征在于：所述光收发模块由铌酸锂强度调制器、两个光电探测器（6）、两个光源（7）、三端口环形器（8）、天线（9）和两个耦合器（11）组成；
所述铌酸锂强度调制器由铌酸锂衬底（1）、MZI型波导（2）、两组行波电极（3）、偏置电极（4）和缓冲层（5）组成；所述缓冲层（5）覆盖在铌酸锂衬底（1）的波导面上，所述MZI型波导（2）设置于缓冲层（5）下方的铌酸锂衬底（1）表层；所述MZI型波导（2）中部由两根互相平行的波导段所形成的区段记为调制段，两根互相平行的波导段分别记为第一分支波导（2-1）和第二分支波导（2-2）；所述偏置电极（4）设置于缓冲层（5）表面，偏置电极（4）所覆盖的区域与调制段的一端重叠；两组行波电极（3）设置在缓冲层（5）表面，两组行波电极（3）之间留有间隙，两组行波电极（3）所覆盖的区域分别形成两个调制区，第一分支波导（2-1）从第一调制区穿过，第二分支波导（2-2）从第二调制区穿过；对应第一调制区的行波电极（3）记为第一行波电极（3），第一行波电极（3）的左端为射频输入端、右端连接电阻；对应第二调制区的行波电极（3）记为第二行波电极（3），第二行波电极（3）的右端为射频输入端，第二行波电极（3）的左端连接电阻；
MZI型波导（2）上的两个集束端中，靠近第一行波电极（3）左端的那个集束端记为A端，靠近第二行波电极（3）右端的那个集束端记为B端；
所述耦合器（11）为1×2耦合器；第一耦合器（11）的收发复用端与A端连接，第一耦合器（11）的输入端与第一光源（7）连接，第一耦合器（11）的输出端与第一光电探测器（6）连接；第二耦合器（11）的收发复用端与B端连接，第二耦合器（11）的输入端与第二光源（7）连接，第二耦合器（11）的输出端与第二光电探测器（6）连接；
第二光电探测器（6）的输出端与三端口环形器（8）的第一输入端连接，三端口环形器（8）的第二输入端与天线（9）连接，三端口环形器（8）的输出端与第二行波电极（3）的射频输入端连接；
从天线（9）接收到的信号从第二行波电极（3）的射频输入端进入后，最终从第一光电探测器（6）的输出端向外输出；待发送的信号从第一行波电极（3）的射频输入端进入后，通过第二光电探测器（6）的输出端进入三端口环形器（8）内，并最终通过天线（9）向外发送。
5.根据权利要求4所述的能实现双向调制的光收发模块，其特征在于：所述铌酸锂衬底（1）采用Z切铌酸锂晶体制作。
6.根据权利要求4所述的能实现双向调制的光收发模块，其特征在于：所述行波电极（3）由一根中心电极（3-1）和两根地电极（3-2）组成，两根地电极（3-2）分别位于中心电极（3-1）的两侧；所述分支波导位于相应中心电极（3-1）的正下方。
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