CN107290874B - 大带宽电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大带宽电光调制器。所述电光调制器为具有周期结构波导的电光相位调制器、马赫‑曾德型电光强度调制器和微环谐振腔型电光强度调制器，用调制电极向周期结构波导施加电场实现相位或者光强的调制，调制电极不与周期结构波导形成电连接；周期结构波导是沿传输方向以相同周期性或者变化周期布置的波导结构。本发明可用于光通信系统中的电光相位调制和电光强度调制，具有大工作带宽、低工作电压、低工作能耗、小器件尺寸、结构简单、设计简易、工艺简便等优点。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其是涉及了一种采用周期结构波导的大带宽电光调制器，适用于光通信系统中对光的相位和强度进行高速调制。
背景技术
21世纪是信息时代，随着互联网科技的飞速发展，对通信容量的需求日益增长。光通信技术凭借其低损耗、抗干扰、低串扰、高带宽等优点，成为目前通信的主流技术。光电器件是光通信技术中的核心器件，目前，各种光电功能器件性能指标难以满足日益增长的超高速传输需求，正成为超大容量光通信技术发展的瓶颈。硅基光子集成回路为此提供了解决方案，自其概念被提出以来就受到极大关注，并取得了相当显著的进展，特别是近年来硅光子技术的成熟，吸引了全世界相关行业的广泛关注。对于无源光子集成器件，硅光子技术具有先天优势，目前已实现了各类高性能器件。然而，对于有源器件，硅材料由于其自身特性受到限制。作为最重要的有源器件之一，硅基的电光调制器一直是急需突破的关键技术，其功能是实现电信号到光信号的转换，是发射机的核心元件。
实现高速光调制，最有效的一种方法是利用电光材料的电光效应，即在电光材料中，折射率变化与外加电场变化成线性关系。作为一种最常用的电光材料，铌酸锂已被广泛应用于商用的分立电光调制器器件。但硅材料几乎没有这种线性电光效应，因而无法直接用以实现基于电光效应的高速光调制器。方法之一是利用基于等离子体色散效应的技术，即：通过外加电场调控半导体内载流子浓度，从而引起半导体材料折射率实部和虚部变化，由此实现光调制功能。硅材料中载流子浓度调控是一个纳秒-皮秒量级的过程，可实现几十Gbps的高速光调制。对于已报道的基于等离子体色散效应的全硅调制器，其尺寸为10mm2左右，半波电压约8V，偏置电压约5V，同时需要较多热光相移器辅助工作，仍然存在器件尺寸较大、功耗较高、偏压高等缺点。因此，若综合考虑器件尺寸、功耗、驱动电压、插入损耗等指标，全硅调制器与已有的LiNbO3基商用电光调制器仍然有较大差距。
在硅光子集成回路中另一种较具潜力的调制器实现方法，是将电光材料与硅纳米波导相结合。电光聚合物材料是一种常用在硅基集成器件上的电光材料，拥有电光系数大、薄膜工艺简单、与现有工艺基本集成等优点，非常适合制作低工作电压、高调制效率、小器件尺寸的调制器，同时由于电光聚合物材料通常是绝缘的介质，因此可以实现超低功耗的电光调制器。尽管目前已有一些硅-有机物混合型电光调制器相关报道，但仍然只是在调制带宽等单一性能指标的突破，在综合性能上仍存在诸多不足，因此硅基的大调制带宽、低工作电压、高调制效率、低工作能耗和小器件尺寸的电光调制器仍然是一个挑战。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种采用周期结构波导的大带宽电光调制器，可用于光通信系统中的电光相位调制和电光强度调制，可以拥有更大工作带宽、更小的驱动电压、更紧凑的尺寸和更低的工作能耗，同时本发明具有结构简单、设计简易、工艺简便等优点，在硅光子集成回路中，有着重要的作用。
本发明所采用的技术方案是：
所述大带宽电光调制器为具有周期结构波导的相位调制器、马赫-曾德型电光强度调制器和微环谐振腔型电光强度调制器，用调制电极向周期结构波导施加电场实现光的相位或者强度的调制，调制电极不与周期结构波导形成电连接。
所述的周期结构波导是由多个波导结构单元沿传输方向相同周期或者变化周期性布置的波导结构。波导结构单元的尺寸可以相同或者不同。一个周期内的不同波导结构单元或者宽度不等、或者高度不等、或者宽度和高度都不等。
所述具有周期结构波导的相位调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导、周期结构波导、第一调制电极、第二调制电极和输出波导；输入波导、周期结构波导和输出波导依次相连，第一调制电极和第二调制电极分别位于周期结构波导附近的两侧。两侧可以是沿传输方向的左右两侧或上下两侧。
所述的具有周期结构波导的马赫-曾德型电光强度调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导、功率分配器、第一连接波导、第二连接波导、第一周期结构波导、第二周期结构波导、第一调制电极、第二调制电极、第三调制电极、第三连接波导、第四连接波导、功率合束器和输出波导；输入波导和功率分配器的输入端口相连，功率分配器的两个输出端口分别和第一连接波导、第二连接波导输入端相连，第一连接波导输出端经第一周期结构波导和第三连接波导输入端连接，第二连接波导输出端经第二周期结构波导和第四连接波导输入端连接，第三连接波导、第四连接波导输出端分别和功率合束器的两个输入端口相连，功率合束器输出端口和输出波导相连；第一调制电极和第三调制电极分别位于第一周期结构波导和第二周期结构波导的两外侧，第二调制电极位于第一周期结构波导和第二周期结构波导之间，从而使得第一调制电极和第二调制电极分别位于第一周期结构波导附近的两侧，并且第二调制电极和第三调制电极分别位于第二周期结构波导附近的两侧。两侧可以是沿传输方向的左右两侧或上下两侧。
所述的具有周期结构波导的微环谐振腔型电光强度调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导、第一耦合波导、第二耦合波导、周期结构波导、第一调制电极、第二调制电极和输出波导；输入波导、第一耦合波导和输出波导依次相连，第一耦合波导和第二耦合波导相耦合布置，第二耦合波导和周期结构波导首尾相连形成一个微环谐振腔；第一调制电极和第二调制电极分别布置在周期结构波导附近的两侧。两侧可以是沿传输方向的左右两侧或上下两侧。
所述包层结构为具有对称或者非对称波导截面(传输截面)的包层结构。具体来说是，波导作为芯层被上包层和下包层包覆，上包层和下包层可以采用同种电光材料或者不同电光材料，折射率、电光系数可相同或者不同。
所述包层结构主要由上包层和下包层构成，波导作为芯层，上包层覆盖于芯层之上，下包层位于芯层之下，上包层和下包层折射率相等。
所述包层结构在沿传输方向的截面上以芯层为中心上下不对称或者左右不对称，不对称是指折射率、厚度和宽度中至少有一个不相同。
所述包层结构沿传输方向的截面上下不对称是指作为芯层的波导上下两侧的上包层和下包层的折射率、厚度和宽度中至少有一个不相同。
所述包层结构沿传输方向的截面左右不对称是指作为芯层的波导左右两侧的包层的折射率、宽度和高度中至少有一个不相同。
各个所述波导作为芯层，为非脊型波导或者脊型波导；当为脊型波导时，脊型的两侧或者一侧被刻蚀，脊两侧刻蚀深度相同或不同，脊的层数为一层或多层，两侧脊的层数相同或不同。
所述包层结构主要由覆盖于芯层之上的上包层和位于芯层之下的下包层构成，波导作为芯层；各个所述调制电极同时位于上包层上部、上包层内部、下包层内部或者下包层下部，或者各个所述调制电极分别位于上包层上部、上包层内部、下包层内部和下包层下部中的多个不同位置。(优选在两侧对称位置)
本发明所述的上下包层材料中，至少有一种采用电光材料，其电光系数r33可高达～192pm/V，普通商用电光材料的电光系数一般不超过100pm/V。
本发明具有的有益效果是：
本发明结构简单、设计简易、工艺简便，与成熟的CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺基本兼容。在性能方面，本发明的周期结构波导的结构中，光与电光材料的作用得到明显增强，波导中模式的等效折射率变化与电光材料折射率变化比值大于1，即Δneff/ΔnEOP>1，普通波导中，该系数一般为0.5左右。
同时得益于电光聚合物材料高电光系数，本发明电光调制器可以实现极低的工作电压和极小的器件尺寸(半波电压-长度系数VπL＝1.7V·mm)，远优于背景介绍中的铌酸锂分立调制器和基于硅的等离子体色散效应电光调制器，以及大部分以及报道的硅-有机混合型电光调制器。
本发明中电极结构具有很小的RC常数，配合电光聚合物材料极快的响应速度，可以实现非常大的调制带宽，其3dB带宽大约300GHz，主要受限于电光材料的响应速度。同时由于电光聚合物材料为绝缘的介质材料，在工作过程中几乎不产生电流，因此本发明的电光调制器具有极低的工作能耗，大约为～4.4pJ/bit，小于现有已经报道或者商用的硅基电光调制器，一般为几十到几百pJ/bit。
综上，与背景介绍中现有电光调制器相比，本发明可以实现更大调制带宽、更高调制效率、更低工作电压、更小器件尺寸、更低工作能耗、同时具备结构简单、设计简易、工艺简便等优点。
附图说明
图1是本发明采用周期结构波导的电光相位调制器结构示意图。
图2是本发明采用周期结构波导的马赫-曾德电光强度调制器结构示意图。
图3是本发明采用周期结构波导的微环谐振腔电光强度调制器结构示意图。
图4是本发明第一种具有对称包层结构和全刻蚀波导结构的截面示意图。
图5是本发明第一种具有对称包层结构和脊型波导结构的截面示意图。
图6是本发明第二种具有对称包层结构和脊型波导结构的截面示意图。
图7是本发明第三种具有对称包层结构和脊型波导结构的截面示意图。
图8是本发明第四种具有对称包层结构和脊型波导结构的截面示意图。
图9是本发明第五种具有对称包层结构和脊型波导结构的截面示意图。
图10是本发明第六种具有对称包层结构和脊型波导结构的截面示意图。
图11是本发明第七种具有对称包层结构和脊型波导结构的截面示意图。
图12是本发明第一种具有非对称包层结构和全刻蚀波导结构截面示意图。
图13是本发明第一种具有非对称包层结构和脊型波导结构截面示意图。
图14是本发明第二种具有非对称包层结构和脊型波导结构截面示意图。
图15是本发明第三种具有非对称包层结构和脊型波导结构截面示意图。
图16是本发明第四种具有非对称包层结构和脊型波导结构截面示意图。
图17是本发明第五种具有非对称包层结构和脊型波导结构截面示意图。
图18是本发明第六种具有非对称包层结构和脊型波导结构截面示意图。
图19是本发明第七种具有非对称包层结构和脊型波导结构截面示意图。
图20是本发明第一种电极位置的截面示意图。
图21是本发明第二种电极位置的截面示意图。
图22是本发明第三种电极位置的截面示意图。
图23是本发明第四种电极位置的截面示意图。
图24是本发明第五种电极位置的截面示意图。
图25是本发明第六种电极位置的截面示意图。
图26是本发明第七种电极位置的截面示意图。
图27是本发明第八种电极位置的截面示意图。
图28是本发明第九种电极位置的截面示意图。
图29是本发明第一种周期结构波导在沿传输方向的侧视截面图。
图30是本发明第二种周期结构波导在沿传输方向的侧视截面图。
图31是本发明第三种周期结构波导在沿传输方向的侧视截面图。
图32是本发明第四种周期结构波导在沿传输方向的侧视截面图。
图33是本发明第五种周期结构波导在沿传输方向的俯视截面图。
图34是本发明第六种周期结构波导在沿传输方向的俯视截面图。
图35是本发明第七种周期结构波导在沿传输方向的俯视截面图。
图36是本发明周期结构波导在沿传输方向的模场分布。
图37是本发明周期结构波导模式等效折射率随电光材料折射变化曲线。
图38是本发明采用周期结构波导电光相位调制器调制原理示意图。
图39是本发明采用周期结构波导电光相位调制器电路示意图。
图40是本发明采用周期结构波导电光相位调制器等效电路示意图。
图41是本发明采用周期结构波导电光相位调制器的频率响应曲线。
图42是本发明采用周期结构波导的马赫-曾德电光强度调制器的原理示意图。
图43是本发明采用周期结构波导的马赫-曾德电光强度调制器的电路示意图。
图44是本发明采用周期结构波导的马赫-曾德电光强度调制器的等效电路图。
图45是本发明采用周期结构波导的马赫-曾德电光强度调制器频率响应曲线。
图1中：1-输入波导，4-周期结构波导，5a-第一调制电极，5b-第二调制电极，8-输出波导。
图2中：1-输入波导，2-功率分配器，3a-第一连接波导，3b-第二连接波导，4a-第一周期结构波导，4b-第二周期结构波导，5a-第一调制电极，5b-第二调制电极，5c-第三调制电极，6a-第三连接波导，6b-第四连接波导，7-功率合束器，8输出波导。
图3中：1-输入波导，9a-第一耦合波导，9b-第二耦合波导，4-周期结构波导，5a-第一调制电极，5b-第二调制电极，8-输出波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，采用周期结构波导的相位调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导1、周期结构波导2、第一调制电极3a、第二调制电极3b和输出波导4；输入波导1、周期结构波导2和输出波导4依次相连，第一调制电极5a和第二调制电极5b分别位列周期结构波导4左右两侧或上下两侧。
如图2所示，采用周期结构波导的马赫-曾德强度调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导1、功率分配器2、第一连接波导3a、第二连接波导3b、第一周期结构波导4a、第二周期结构波导4b、第一调制电极5a、第二调制电极5b、第三调制电极5c、第三连接波导6a、第四连接波导6b、功率合束器7和输出波导8；输入波导1和功率分配器2的输入端口相连，功率分配器2的两个输出端口分别和第一连接波导3a、第二连接波导3b输入端相连，第一连接波导3a输出端经第一周期结构波导4a和第三连接波导6a输入端连接，第二连接波导3b输出端经第二周期结构波导4b和第四连接波导6b输入端连接，第三连接波导6a、第四连接波导6b输出端分别和功率合束器7的两个输入端口相连，功率合束器7输出端口和输出波导8相连。第一调制电极5a和第三调制电极5c分别位于第一周期结构波导4a和第二周期结构波导4b的两外侧，第二调制电极5b位于第一周期结构波导4a和第二周期结构波导4b之间，从而使得第一调制电极5a和第二调制电极5b分列第一周期结构波导4a左右两侧或上下两侧，第二调制电极5b和第三调制电极5c分列第二周期结构波导4b左右两侧或上下两侧。
如图3所示，采用周期结构波导的微环谐振腔强度调制器结构包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导1、第一耦合波导2a、第二耦合波导2b、周期结构波导3、第一调制电极4a、第二调制电极4b和输出波导5；输入波导1、第一耦合波导2a和输出波导5依次相连，第一耦合波导2a和第二耦合波导2b相耦合布置，第二耦合波导2b和周期结构波导3首尾相连形成一个微环谐振腔；第一调制电极5a和第二调制电极5b分列周期结构波导4左右两侧或上下两侧。
如图16、17、18和19所示，具体实施的周期结构波导是沿传输方向周期不变或者周期变化的周期性布置的周期波导结构。其中间隙和单元尺寸为可以相同或者不同，其间隙波导的高度可以相同或者不同，或者都为0。
如图4～图19，包层结构为具有对称或者非对称波导截面(沿传输方向的截面)的包层结构。包层结构主要由上包层100和下包层102构成，波导作为芯层101，上包层100覆盖于芯层101之上，下包层102位于芯层101之下。芯层101为非脊型波导或者脊型波导。
如图4所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为全刻蚀波导。
如图5所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为脊型波导，脊型的两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度相同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图6所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为脊型波导，脊型的两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图7所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为脊型波导，脊型两侧未全刻蚀，基两侧刻蚀深度相同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图8所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为脊型波导，脊型两侧未全刻蚀，基两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图9所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为脊型波导，脊型的一侧被完全刻蚀，两侧脊高度相同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图10所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为脊型波导，脊型的一侧被完全刻蚀，两侧脊高度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图11所示，上包层100和下包层102采用同种电光材料，折射率相等。芯层101为脊型波导，两侧脊高度不同，两侧脊的层数不同。
如图12所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为全刻蚀波导。
如图13所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型的两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度相同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图14所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型的两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图15所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型两侧未全刻蚀，基两侧刻蚀深度相同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图16所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型两侧未全刻蚀，基两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图17所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型的一侧被完全刻蚀，两侧脊高度相同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图18所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型的一侧被完全刻蚀，两侧脊高度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。
如图19所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，两侧脊高度不同，两侧脊的层数不同。
如图20所示，上包层100和下包层102采用不同电光材料，折射率不相等。芯层101为脊型波导，脊型的两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。两个调制电极103同时位于上包层100内部，并分别位于芯层101左右两侧。
如图21所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。两个调制电极103同时位于上包层100上部并分别位于芯层101左右两侧。
如图22所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。两个调制电极103同时位于下包层100内部并分别位于芯层101左右两侧。
如图23所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。两个调制电极103同时位于下包层100下部并分别位于芯层101左右两侧。
如图24所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。两个调制电极103一个位于上包层100上部，一个位于上包层100内部。
如图25所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。两个调制电极103一个位于上包层100上部，一个位于下包层102内部。
如图26所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。两个调制电极103一个位于上包层100上部，一个位于下包层102下部。
如图27所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。调制电极103和调制电极104采用不同的材料，同时位于上包层100内部，并分别位于芯层101左右两侧。
如图28所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101为脊型波导，脊型波导两侧均被刻蚀，脊两侧刻蚀深度不同，脊的层数为一层，两侧脊的层数相同。调制电极103同时位于上包层100内部，并分别位于芯层101左右两侧，并通过另一种导电材料104施加电场于波导芯层101周围。
如图29所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101具有周期不变的周期性的结构，被刻蚀部分深度相同。
如图30所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101具有周期变化的周期性结构，被刻蚀部分深度相同。
如图31所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101具有周期变化的周期性结构，被刻蚀部分深度不相同。
如图32所示，上包层100和下包层102采用不同种材料，其中至少一种为电光材料。芯层101具有周期变化的周期性结构，非波导部分被完全刻蚀。
如图33所示，上包层100为电光材料，芯层101为周期不变的周期性结构，同一周期内不同波导结构的高度相等，宽度不等。
如图34所示，上包层100为电光材料，芯层101为周期不变的周期性结构，同一周期内不同波导结构的高度不等，宽度不等。
如图35所示，上包层100为电光材料，芯层101为周期变化的周期性结构，同一周期内不同波导结构的高度不等，宽度不等。
如图38所示，本发明的电光相位调制原理是，周期结构波导处于电光材料的包层中，在其两侧分别有一正一负的调制电极，在两个调制电极之间加一定电压，则在两个调制电极中间会形成从电极正极指向电极负极的电场分布，根据电光效应，处于电场中电光材料的折射率会随电场强度的改变而变化；因此，通过改变施加在两个电极间的电压，就可以改变位于两个电极间电场中电光材料的折射率，从而也改变了经过这一段周期结构波导光的相位，实现了电光相位调制的功能本发明的微环谐振腔电光强度调制器工作原理与电光相位调制器类似，通过微环谐振腔中的电光调制波导进行相位的调制，进一步实现微环谐振腔的谐振波长的改变，当输入光的波长在微环谐振腔内的谐振状态发生变化时(从谐振变为不谐振或者从不谐振变为谐振)，输出光的强度也发生相应的变化，谐振时输出光强很小，不谐振时输出光强很大，约为输入光功率。
如图42所示，本发明的马赫-曾德电光强度调制原理视，同上述电光相位调制器原理相似，当施加电场于周期结构波导时，通过波导的光相位发生变化，由于马赫曾德两个干涉臂施加的电场方向相反，因此光相位变化符号相反，两束经过不同相位变化的光在功率合束器发生干涉，根据相位差不同，干涉输出的光强度也不同，因此通过改变施加在调制电极之间的电压，改变两束光的相位差，实现光强度的调制。
本发明的具体实施例子及其实施过程为：
实施例1
如图1所示，采用周期结构波导的相位调制器，输入波导1左侧作为输入端口，输出波导8右侧为输出端口。第一调制电极5a和第二调制电极5b间施加电压有两种VOff和Von使得本实施例器件对应有的两种工作状态Off和On；当第一调制电极5a和第二调制电极5b间施加电压时，调制电极之间的电场方向如图38所示，根据施加电压的不同，电场强度不同，电光材料的折射率也不同。
本实施例包层结构采用如图4所示，调制电极布置采用如图20所示，上包层采用一种电光系数为192pm/V的电光材料。光从输入波导1左侧输入，从左侧进入周期结构波导4：
当工作状态为Off时，第一调制电极5a和第二调制电极5b间电压为VOff，周期结构波导4的等效折射率为neff，长度为L，则光经过周期结构波导4的相位增加k为真空中的波数，L为周期结构波导4的长度；
当工作状态为On时，第一调制电极5a和第二调制电极5b间电压为Von。由于电光材料的电光效应，位于第一调制电极5a和第二调制电极5b之间的电光材料折射率改变
其中n是电光材料的原始折射率，r33是电光材料的电光系数，d是第一调制电极与第二调制电极的间距。由于电光材料折射率的改变，因此周期结构波导4中模式的等效折射率发生变化，
Δneff＝SΔn
其中，Δn表示电光材料的折射率改变量，Δneff表示电光调制波导中模式的等效折射率改变量，S是模式的等效折射率变化随电光材料折射率变化的系数，在普通波导中一般S＝0.5，由于在周期结构波导中，模场分布如图36所示，在电光材料中的能量分布增加，根据图37中的计算结果，在周期结构波导中S＝1.04。因此，光经过周期结构波导4的相位增加也发生变化，可以表示为：
其中，k为真空中的波数，L为周期性结构的长度。由此，该结构的半波电压-长度可以表示为：
其中，Vπ表示电光相位调制器的半波电压，λ为工作波长。在此，给出本发明采用周期结构波导电光相位调制的一组典型参数：d＝2μm，λ＝1.55μm，S＝1，n＝1.66，r33＝192pm/V，经计算可得，半波电压-长度VπL＝3.4V·mm，远小于已经报道的基于等离子体色散效应的集成全硅调制器。
如图39所示，是采用周期结构波导的电光相位调制器的电路图，其形式可以等效为图40中的电路图，经过计算，本发明的电光相位调制器，其加载在第一调制电极5a和第二调制电极5b之间的电压Veff可以表示为：
其中，Vin为输入电压，Zsource为电源阻抗，Zsource＝50欧姆，Zload为调制电路阻抗，可以表示为：
其中，j表示虚数，C1表示两调制电极穿过周期结构被刻蚀部分的电容，C2表示调制电极与周期结构未被刻蚀波导结构之间的电容，ω表示调制信号的角频率，R2表示周期结构未被刻蚀部分的电阻，N表示调制波导中所包含的周期性结构个数。
经化简，Veff与输入电压Vin的关系可以表示为：
其中，RS表示调制信号源的电阻，一般为50Ω。
Veff/Vin与调制信号频率f的关系，如图41所示，本发明采用周期结构波导的电光相位调制器RC电路3dB带宽为3.55THz，因此，在本发明的电光相位调制器中，RC常数不再是调制带宽的限制因素，电光材料的响应速度决定了调制器的调制带宽，电光材料的响应带宽上限一般为300GHz，远大于现有的硅基集成调制器带宽。
电光调制器的能耗计算公式为：
其中，Vpp为调制电压峰峰值，C为调制器总电容，根据上述公式计算得到，本发明的电光相位调制器的能耗为8.77fJ/bit，优于已经报道的几十至几百fJ/bit的功耗。
实施例2
如图2所示，采用周期结构波导的马赫-曾德电光强度调制器，输入波导1左侧为输入端口，输出波导8右侧为输出端口。第一调制电极5a和第二调制电极5b间施加电压有两种VOff1和VOn1，同时，第三调制电极5c和第二调制电极5b间施加电压有两种VOff2和VOn2，使得本实施例器件对应有的两种工作状态Off和On。
本实施例包层结构采用如图4所示，调制电极布置采用如图20所示，上包层采用一种电光系数为192pm/V的电光材料。
光从输入波导1左侧输入，进入功率分配器2，光被分成能量相同的两束，光束A和光束B，分别进入第一连接波导3a和第二连接波导3b：
工作状态为Off时，第一调制电极5a和第二调制电极5b间电压为VOff1，第三调制电极5c和第二调制电极5b间电压为VOff2，光束A经过第一周期结构波导4a，相位增加为光束B经过第二周期结构波导4b，相位增加为/>光束A和光束B分别经第三连接波导6a和第四连接波导6b进入功率合束器7，当光束A和光束B合束时，相位差为/>
工作状态为On时，第一调制电极5a和第二调制电极5b间电压为VOn1，第三调制电极5c和第二调制电极5b间电压为VOn2。光束A经过第一周期结构波导4a，相位增加为光束B经过第二周期结构波导4b，相位增加为/>光束A和光束B分别经第三连接波导6a和第四连接波导6b进入功率合束器7，当光束A和光束B合束时，相位差为/>
根据马赫-曾德干涉仪的工作原理，从功率合束器7进入输出波导8的光功率和光束A与光束B相位差之间的关系为：
其中，Iin为从输入端口输入的光功率，Iout为从输出端口输出的光功率，当取和/>不同值时，输出端口输出的光功率Iout也不同。
根据上述实施例1中相位调制器的工作原理，处于On状态下和Off状态下光束A和光束B经过周期结构波导产生的相位差可以表示为：
如图42所示，当在第一调制电极5a与第二调制电极5b间和第二调制电极5b与第三调制电极5c间施加电压时，第一调制电极5a与第二调制电极5b间的电场方向和第二调制电极5b与第三调制电极5c间的电场方向相反，故因此采用周期结构波导的马赫-曾德电光强度调制器半波电压-长度可以表示为：
在此，给出本发明采用周期结构波导马赫-曾德型电光强度调制器的一组典型参数：d＝2μm,λ＝1.55μm，S＝1，n＝1.66，r33＝192pm/V，经计算可得，半波电压-长度VπL＝1.7V·mm，远小于已经报道的基于等离子体色散效应的集成全硅调制器。
如图43所示，是采用周期结构波导马赫-曾德型电光强度调制器的电路图，其形式可以等效为图44中的电路图，经过计算，本发明的电光相位调制器，其加载在第一调制电极5a和第二调制电极5b之间的电压Veff可以表示为：
其中，Vin为输入电压，Zsource为电源阻抗，Zsource＝50欧姆，Zload为调制电路阻抗，可以表示为：
经化简，Veff与输入电压Vin的关系可以表示为：
Veff/Vin与调制信号频率ω的关系，如图45所示，本发明采用周期结构波导的电光相位调制器的3dB带宽为1.78THz，因此，在本发明的电光相位调制器中，RC常数不再是调制带宽的限制因素，电光材料的响应速度决定了调制器的带宽，电光材料的带宽上限一般为300GHz，远大于现有的硅基集成调制器带宽。
根据能耗计算公式：
其中，Vpp为调制电压峰峰值，C为调制器总电容，根据上述公式计算得到，本发明的电光相位调制器的能耗为4.4fJ/bit，优于已经报道的几十至几百fJ/bit的功耗。
实施例3
如图3所示，采用周期结构波导的微环谐振腔强度调制器，输入波导1左侧为输入端口，输出波段5右侧为输入端口，输入光为波长为λ的单波长光。第一调制电极5a和第二调制电极5b间施加电压有两种VOff和Von，使得本实施例器件对应有的两种工作状态Off和On。
本实施例包层结构采用如图4所示，调制电极布置采用如图20所示，上包层采用一种电光系数为192pm/V的电光材料。
光从输入波导1左侧输入，通过第一耦合波导9a和第二耦合波导9b组成的耦合区域：
当工作在Off状态时，第一调制电极5a和第二调制电极5b间电压为VOff，此时微环谐振腔的谐振波长λOff与输入光波长λ相等，因此输入光在微环谐振腔中谐振，输入波导5右端没有光输出。
当工作在On状态时，第一调制电极5a和第二调制电极5b间电压为VOn，周期结构波导的等效折射率neff发生变化，微环谐振腔的谐振波长λOn与输入光波长λ不相等，因此输入光在微环谐振腔中不发生谐振，将从输出波导8右端输出。综上，通过第一调制电极5a和第二调制电极5b间电压由VOff变化为VOn，输出波导8右侧从无光输出变化为有光输出，从而实现了光强度的调制。
本实施例中采用周期结构波导的微环谐振腔强度强度调制器，其调制结构与实施例1中采用周期结构波导的电光相位调制器的结构相似，故其半波电压-长度、调制速率的3dB带宽和能耗的计算与实施例1类似，不再赘述。
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所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种大带宽电光调制器，其特征在于：所述电光调制器为具有周期结构波导的相位调制器或马赫−曾德型电光强度调制器或微环谐振腔型电光强度调制器，用调制电极向周期结构波导周围的电光材料施加电场实现光相位或者强度的调制，调制电极不与周期结构波导形成电连接；
所述具有周期结构波导的相位调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导（1）、周期结构波导（4）、第一调制电极（5a）、第二调制电极（5b）和输出波导（8）；输入波导（1）、周期结构波导（4）和输出波导（8）依次相连，第一调制电极（5a）和第二调制电极（5b）分别位于周期结构波导（4）附近；
所述的具有周期结构波导的马赫−曾德型电光强度调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导（1）、功率分配器（2）、第一连接波导（3a）、第二连接波导（3b）、第一周期结构波导（4a）、第二周期结构波导（4b）、第一调制电极（5a）、第二调制电极（5b）、第三调制电极（5c）、第三连接波导（6a）、第四连接波导（6b）、功率合束器（7）和输出波导（8）；输入波导（1）和功率分配器（2）的输入端口相连，功率分配器（2）的两个输出端口分别和第一连接波导（3a）、第二连接波导（3b）输入端相连，第一连接波导（3a）输出端经第一周期结构波导（4a）和第三连接波导（6a）输入端连接，第二连接波导（3b）输出端经第二周期结构波导（4b）和第四连接波导（6b）输入端连接，第三连接波导（6a）、第四连接波导（6b）输出端分别和功率合束器（7）的两个输入端口相连，功率合束器（7）输出端口和输出波导（8）相连；第一调制电极（5a）和第二调制电极（5b）分别位于第一周期结构波导（4a）附近的两侧，并且第二调制电极（5b）和第三调制电极（5c）分别位于第二周期结构波导（4b）附近；
所述的具有周期结构波导的微环谐振腔型电光强度调制器包括包层结构及其被包覆在包层结构内的输入波导（1）、第一耦合波导（9a）、第二耦合波导（9b）、周期结构波导（4）、第一调制电极（5a）、第二调制电极（5b）和输出波导（8）；输入波导（1）、第一耦合波导（9a）和输出波导（8）依次相连，第一耦合波导（9a）和第二耦合波导（9b）相耦合布置，第二耦合波导（9b）和周期结构波导（4）首尾相连形成一个微环谐振腔；第一调制电极（5a）和第二调制电极（5b）分别布置在周期结构波导（4）附近；
所述的周期结构波导是由波导结构单元沿传输方向以相同周期或者变化周期布置的波导结构，波导结构单元的尺寸为可以相同或者不同；并且，一个周期单元内的不同波导结构单元或者宽度不等、或者高度不等、或者宽度和高度都不等。
2.根据权利要求1所述的一种大带宽电光调制器，其特征在于：所述包层结构为具有对称或者非对称波导截面的包层结构。
3.根据权利要求2所述的一种大带宽电光调制器，其特征在于：所述包层结构主要由上包层（100）和下包层（102）构成，上包层（100）和下包层（102）折射率相等。
4.根据权利要求2所述的一种大带宽电光调制器，其特征在于：所述包层结构在传输截面上以芯层（101）为中心上下不对称或者左右不对称，不对称是指折射率不同，或者厚度和宽度中至少有一个不相同。
5.根据权利要求1所述的一种大带宽电光调制器，其特征在于：各个所述波导作为芯层（101），为非脊型波导或者脊型波导；当为脊型波导时，脊型的两侧或者一侧被刻蚀，两侧脊的刻蚀深度相同或不同，脊的层数为一层或多层，两侧脊的层数相同或不同。
6.根据权利要求1所述的一种大带宽电光调制器，其特征在于：所述包层结构主要由覆盖于芯层（101）之上的上包层（100）和位于芯层（101）之下的下包层（102）构成，以波导为芯层（101）；所述的调制电极施加的电场穿过波导区域，调制电极同时位于上包层（100）上部、上包层（100）内部、下包层（102）内部或者下包层（102）下部，或者各个所述调制电极分别位于上包层（100）上部、上包层（100）内部、下包层（102）内部和下包层（102）下部中的多个不同位置；所述的各个调制电极由同种导电材料或者不同种导电材料组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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