CN109298550A - 一种高开关消光比的m-z型铌酸锂强度调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成光学领域，涉及一种铌酸锂强度调制器，特别涉及一种高开关消光比的M‑Z型铌酸锂强度调制器，所述调制器包括铌酸锂基底以及形成于其表面的缓冲层、行波电极和光波导，所述行波电极包括中心电极和地电极，所述光波导包括输入端直波导、输出端直波导、两个3dB耦合器和两个波导干涉臂。输入端直波导与第一个3dB耦合器输入端连接，输出端直波导与第二个3dB耦合器输出端连接，两个波导干涉臂的两端分别与第一个3dB耦合器的输出端和第二个3dB耦合器的输入端连接。两个波导干涉臂设计为三段式非对称结构，由一个长方形和两个相同梯形组成。本发明通过对波导干涉臂特殊结构的设计，以提高M‑Z型铌酸锂强度调制器的开关消光比，效果显著。

Description

一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器
技术领域
本发明属于集成光学领域，涉及一种铌酸锂强度调制器，特别涉及一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器。
背景技术
铌酸锂强度调制器具有线性动弹范围大、频率响应宽、保密性能好、灵敏度高等优势，可广泛应用于高速光纤通信、量子保密通信、光学传感、雷达、电子对抗、测控和侦查识别等领域。
铌酸锂强度调制器采用M-Z型光波导干涉器结构，如图1所示，输入光信号在第一个3dB耦合器处被分成相等的两束，在调制电信号作用下，干涉臂中两束光波的折射率发生变化，从而导致两路光信号到达第二个3dB耦合器时相位延迟不同，进而转换成两调相波的相干合成，从而实现电光信号的转换，完成调制过程。
在实际应用中，通常器件灵敏度要求较高，而器件的开关消光是影响器件灵敏度的重要因素，尤其是在脉冲调制数字编码通信与脉冲信号整形变换时，要求调制输出脉冲信号具有低的脉冲底部与高的脉冲顶部，即具有较高的开关消光比。
调制器的开关消光比Em为经过电光调制后，光强度调制器输出能达到的最大光功率与最小光功率的比值。其表达式为：
两干涉臂光相位差为0时，输出最大光功率Pmax；两干涉臂光相位差为π时，输出最小光功率Pmin，如图2所示。为了提高调制器的开关消光比，保证两干涉臂光程相等，目前普遍采用的方法是将铌酸锂调制器的光波导设计为镜像对称的M-Z干涉仪结构。在波导的结构设计上，为了降低波导的分支损耗，通常设计两波导干涉臂之间分支角小于1°，因此两干涉臂之间距离仅为十几至二十几微米，导致两干涉臂波导模场之间相互耦合，两束光信号经合束端不能完全干涉相消，影响调制器的开关消光比。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，如图3-5，所述M-Z型强度调制器包括：铌酸锂基底1、以及形成于其表面的缓冲层6、行波电极和光波导5，所述行波电极包括中心电极4和地电极3，所述光波导5包括输入端直波导、输出端直波导、两个3dB耦合器7和两个波导干涉臂2，输入端直波导与第一个3dB耦合器7输入端连接，输出端直波导与第二个3dB耦合器7输出端连接，波导干涉臂2的两端分别与第一个3dB耦合器7的输出端和第二个3dB耦合器7的输入端连接。
优选的，所述输入端直波导与输出端直波导宽度相同。
优选的，所述3dB耦合器7输入端、输出端的宽度与直波导宽度相同。
优选的，所述两个波导干涉臂2输入端、输出端宽度与3dB耦合器7输入端、输出端宽度相同。
优选的，如图5，所述波导干涉臂2为三段式非对称结构，每个波导干涉臂(2)由一个长方形a和两个相同梯形b和c组成，长方形的宽与梯形的上底相等，长方形的一端与其中一个梯形的上底边连接，此梯形的下底边与另一个梯形的下底边连接，图中可以看出一个3dB耦合器的输出端分别与一个波导干涉臂2的长方形的一端连接、另一个波导干涉臂2的梯形的上底边连接，另一个3dB耦合器的输入端分别与一个波导干涉臂2的长方形的一端连接、另一个波导干涉臂2的梯形的上底边连接，此为本发明所述的非对称结构。
优选的，所述两个波导干涉臂2的光程相等。
优选的，所述铌酸锂基底1为X切铌酸锂基底或Z切铌酸锂基底。
优选的，所述波导干涉臂2的三段式结构，并不仅限于长方形和两个梯形结构，垂直于传输方向波导宽度变化的其它结构同样适用。
优选的，本发明所述调制器并不仅限于铌酸锂基底材料。
本发明的有益技术效果是：在保证M-Z型铌酸锂调制器两干涉臂波导光程相等的条件下，非对称结构可有效抑制两干涉臂波导的模场之间相互耦合，进而提高调制器的开关消光比。
附图说明
图1为常规X切铌酸锂强度调制器芯片结构示意图；
图2为铌酸锂强度调制器开关消光比原理图；
图3为本发明所述铌酸锂强度调制器芯片结构示意图；
图4为本发明所述铌酸锂强度调制器芯片剖面结构示意图；
图5为本发明所述铌酸锂强度调制器波导结构示意图；
其中，1、铌酸锂基底，2、波导干涉臂，3、地电极，4、中心电极，5、光波导，6、缓冲层，7、3dB耦合器。
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。
本发明提出一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，如图3-5，所述M-Z型铌酸锂调制器包括：铌酸锂基底1以及形成于其表面的缓冲层6、行波电极和光波导5，所述行波电极包括中心电极4和地电极3，所述光波导5包括输入端直波导、输出端直波导、两个3dB耦合器7和两个波导干涉臂2，输入端直波导与第一个3dB耦合器7输入端连接，输出端直波导与第二个3dB耦合器7输出端连接，波导干涉臂2的两端分别与第一个3dB耦合器7的输出端和第二个3dB耦合器7的输入端连接。输入端直波导与输出端直波导宽度相同；3dB耦合器7输入端、输出端的宽度与直波导宽度相同；两个波导干涉臂2输入端、输出端宽度与3dB耦合器7输入端、输出端宽度相同。
如图5，其创新在于：所述两波导干涉臂2为三段式非对称结构，由一个长方形a和两个相同梯形b和c组成，长方形的宽与梯形上底相等，长方形a与梯形b的上底边(即较短的边)连接，两个梯形的下底边(即较长的边)连接，3dB耦合器7的两端分别与一个波导干涉臂2的长方形a的一端连接、与另一个波导干涉臂2的梯形c下底边连接。两个波导干涉臂2光程相等，且其非对称结构可有效抑制M-Z型铌酸锂调制器两波导干涉臂的模场之间相互耦合，进而提高调制器的开关消光比。
优选的，所述铌酸锂基底1为X切铌酸锂基底或Z切铌酸锂基底。
优选的，本实施例中所述波导干涉臂2的三段式结构，并不仅限于长方形和两个梯形结构，垂直于传输方向波导宽度变化的其它结构同样适用。
优选的，本实施例中调制器基底并不仅限于铌酸锂材料。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述调制器包括铌酸锂基底(1)以及形成于其表面的缓冲层(6)、行波电极和光波导(5)，所述行波电极包括中心电极(4)和地电极(3)，所述光波导(5)包括输入端直波导、输出端直波导、两个3dB耦合器(7)和两个波导干涉臂(2)，输入端直波导与第一个3dB耦合器(7)输入端连接，输出端直波导与第二个3dB耦合器(7)输出端连接，波导干涉臂(2)的两端分别与第一个3dB耦合器(7)的输出端和第二个3dB耦合器(7)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述输入端直波导与输出端直波导宽度相同。
3.根据权利要求1所述的一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述3dB耦合器(7)输入端、输出端与直波导宽度相同。
4.根据权利要求1所述的一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述两个波导干涉臂(2)输入端、输出端宽度与3dB耦合器(7)输入端、输出端宽度相同。
5.根据权利要求4所述的一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述两个波导干涉臂(2)为非对称结构。
6.根据权利要求5述的一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述波导干涉臂(2)为三段式结构，每个波导干涉臂(2)由一个长方形和两个相同的梯形组成，长方形的宽与梯形的上底相等，长方形的一端与其中一个梯形的上底边连接，此梯形的下底边与另一个梯形的下底边连接。
7.根据权利要求4所述的一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述两个波导干涉臂(2)光程相等。
8.根据权利要求1所述的一种高开关消光比的M-Z型铌酸锂强度调制器，其特征在于，所述铌酸锂基底为X切铌酸锂基底或Z切铌酸锂基底。
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