CN109507812A - 一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器 - Google Patents

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Abstract

一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器，属于光电子、光通信、微波光子学等应用领域。包括输入光纤、铌酸锂波导芯片和输出光纤，其中铌酸锂波导芯片由分束耦合区、强度调制区、相位调制区构成，分束耦合区采用加入特定长度直波导的级联Y分支结构，将一路光分为多路光后进入强度调制区；强度调制区采用马赫增德尔干涉仪结构，强度调制区后的相位调制区采用直波导和共面电极阵列实现每个通道的相位调制。本发明将分束器、强度调制器以及相位调制器有机地集成到一片芯片上，不仅克服了独立器件复杂连接导致的系统体积大、性能差、成本高等不足，而且可以实现光的分束耦合、选择性光开关、相位调制、边带调制等多种功能，是未来集成光学发展的趋势。

Description

一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器
技术领域
本发明是一种集光的分束耦合、相位调制、强度调制等多功能复用的集成电光调制器件，属于光电子、光通信和微波光子学应用领域。
背景技术
随着半导体工艺不断成熟，半导体光电器件的性能得到较大的提升，体积也越来越小，推进了集成光学的快速发展。铌酸锂晶体具有较好的电光效应，是电光调制器的优选材料之一，近年来基于铌酸锂波导的电光调制器被广泛用于光通信中的信号调制和编码、微波光子学中的微波变频以及激光相干合成和激光相控阵中的相位控制等技术。
目前商用的铌酸锂波导电光调制器主要有两大类：强度调制器和相位调制器。前者基于马赫增德尔干涉，可以实现光开关、载波抑制调制、信号编码等；后者多用来做移相器等。无论是在光通信系统中，还是在微波光子学变频等系统中，一个铌酸锂波导调制器是远远不能满足系统要求的，经常要混合使用多个强度调制器和多个相位调制器实现更多的功能。例如，为了满足大容量高速光通信的需求，通常使用多个强度调制器和相位调制器对信号进行编码；在微波光子学中经常混合使用强度调制器和相位调制器以实现微波变频以及模拟信号调制；在激光相干合成和激光相控阵系统中需要多个铌酸锂波导相位调制器实现多路光束的相位控制等。
然而，大量分立器件的使用增加了系统的复杂度和成本，由于各器件之间通过光纤连接，甚至对系统的稳定性和预期效果产生影响。为了克服分立器件复杂链接产生的影响，一些集成的铌酸锂波导调制器被提出，如双平行马赫曾德尔强度调制器，集成了两个马赫曾德尔强度调制器和一个相位调制器，可以实现光差分正交相移键控调制、微波混频以及载波抑制单边带调制等功能，性能较分立器件有较大提升。因此高度集成的功能复用电光调制器不仅可以提升系统的性能，降低系统成本，而且还扩展了器件的功能，是未来光通信、微波光子学等技术领域的迫切需求。
发明内容
为了克服了光电系统中多个器件复杂链接所增加的系统复杂度、不稳定性以及高成本等不利影响，本发明的目的是提供一种将多个分束耦合器、强度调制器以及相位调制器有序集成制作到一块铌酸锂波导芯片上，实现光的分束耦合、多路强度调制以及多路相位调制功能。
为了实现上述目的，本发明设计了一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器，由一路输入光纤、铌酸锂波导芯片、两路以上的输出光纤构成，其中铌酸锂波导芯片包括分束耦合区，强度调制区，相位调制区，所述铌酸锂波导芯片采用X切Y传型，在所述分束耦合区采用退火质子交换铌酸锂制作单模波导，该波导由可将一路光等分成偶数倍的多路光的一级以上的Y分支波导级联构成；所述输入光纤与所述波导的第一级Y分支波导的输入端定轴对准，所述输入光纤的慢轴与铌酸锂波导芯片的Z轴对准；所述分束耦合区输出的光路各接一个强度调制器单元，该强度调制器单元由马赫曾德尔干涉仪和由三个电极构成的电极组构成，该电极组的电极与马赫曾德尔干涉仪的两臂平行且等间隔设置，中间的电极为火线，两侧的电极接地，各强度调制器单元组成所述强度调制区；各所述强度调制器单元的输出各接一个相位调制单元，该相位调制单元由直波导和位于该直波导两侧的电极构成，其中一个电极为火线，另一个电极接地，各相位调制单元组成所述相位调制区；各相位调制单元的输出接所述输出光纤。
所述Y分支波导总长度为5000μm，由Y分支段和直波导段构成，其中直波导段长度为1930μm。
所述输入光纤采用U型槽对准，所述输出光纤采用等间距排列的V型槽阵列对准。保证输入光纤和输出光纤的慢轴与铌酸锂波导芯片的Z轴对准，以实现器件的高保偏性能。
本发明的有益效果是：利用铌酸锂晶体的优良电光效应，并结合现有半导体工艺，将多个电光调制器件和分束耦合器件有机地集成到一块芯片上，大大扩展了器件的功能，一个器件可满足不同系统需求，除了实现光的分束耦合、多路强度调制以及多路相位调制功能，还可以实现多通道选择光开关、光差分正交相移键控调制等功能。工艺上设计合理的退火质子交换铌酸锂光波导折射率分布和共面电极排列可以实现器件的高偏振消光比和低半波电压，克服了独立器件复杂连接造成的系统性能受限、体积大以及成本高等缺点，是集成光学发展的趋势。
附图说明
图1为本发明功能复用集成铌酸锂波导电光调制器一个实施例的结构示意图；
图2为本发明中V型槽和U型槽示意图；
图3为本发明优化级联Y分支波导结构图。
图中：1.输入光纤，2.U型槽光纤固定装置，3.铌酸锂波导芯片,4.波导，5.电极，6.V型槽光纤固定装置，7.输出光纤，8.一级Y分支波导,9.直波导，10.二级Y分支波导，Ⅰ.分束耦合区，Ⅱ.强度调制区，Ⅲ.相位调制区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不限于这些实施例。
如图1所示，本实施例包括沿光束传输方向依次排列的输入光纤1，U型槽光纤固定装置2，铌酸锂芯片3,波导4，电极5，V型槽光纤固定装置6，输出光纤7。输入光纤1为熊猫型保偏光纤，经U型槽光纤固定装置2与波导4定轴对准，波导4采用退火质子交换铌酸锂单模波导，铌酸锂波导芯片3采用X切Y传型，因此在输入光纤1与波导4定轴对准时，保证输入光纤1的慢轴(即两个猫眼的连线方向)和铌酸锂波导芯片3的Z轴(光轴)对准。光场在波导4的传输过程中，保持偏振方向不变，经过分束耦合区Ⅰ、强度调制区Ⅱ、相位调制区Ⅲ后，最终通过V型槽光纤固定装置6定轴耦合进输出光纤7，定轴原则和输入耦合相同。
光纤与波导耦合对接时，考虑到输入光纤只有一根，因此采用U型槽对准，输出光纤为等间距排列的四根光纤，采用V型槽阵列对准，如图2图所示，分别为V型槽和U型槽示意图。
分束耦合区Ⅰ由一级Y分支波导8、直波导9以及二级Y分支波导10组成，可以将一束光等分成四束，如图3所示。Y分支波导的弯曲过渡段采用上升余弦曲线弯曲，可以减小波导的弯曲损耗。光场从一级Y分支波导8进入二级Y分支波导10中时，由于弯曲段的模场耦合，会造成光场的不均匀分布，此时在两者之间加入直波导，可以改善分束比，直波导的长度根据Y分支结构的长度和高度而定，本实施例中一级或二级Y分支波导总长度为5000μm，由Y分支段和直波导段构成，其中直波导段长度为1930μm。优化选择直波导的长度可以实现分束耦合各路输出光功率均匀分束。
输入光经过分束耦合区Ⅰ分束后，进入强度调制区Ⅱ，强度调制区Ⅱ由四个马赫曾德尔干涉仪和四组电极组成，电极组的电极与马赫曾德尔干涉仪的两臂平行且等间隔设置。每组电极控制一个强度调制器单元，分别对四个通道光束进行强度调制，每组电极包括三个电极5：中间的电极5火线，两侧的电极5为接地，当在火线上施加不同电压时其中一个强度调制单元的输出光功率变化，因此可以通过控制火线电极上的电压来改变每一个通道上的光强，理论上每个通道的光强均可实现完全抑制，所以该器件可以实现选择性光开关功能。
经过强度调制后的每束光分别进入相位调制区Ⅲ中的相位调制单元，每个相位调制单元包括直波导和其两侧的两个电极5，其中一个电极5为火线，另一个电极5接地。为了减小器件的长度又保证器件具有较低的半波电压，尽量设计小的电极间距，相位调制量与火线加载电压的关系如式(1)所示。
其中V为火线电极上加载的电压，Vπ为半波电压，与电极间距成正比，与电极长度成反比。
综上所述，本发明可以实现光的均匀分束、通道选择性光开关、多通道幅度/相位调制等功能，而且器件具有保偏性，在相干光通信、激光相控阵一级激光相干合成等系统中具有重要的应用价值。此外，将发明的两个输出通道连接可以实现双平行马赫曾德尔调制器的功能。可见该发明具有多功能复用的优点，对未来通信等系统的集成化具有重要意义。

Claims (3)

1.一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器，由一路输入光纤(1)、铌酸锂波导芯片(3)、两路以上的输出光纤(7)构成，其中铌酸锂波导芯片(3)包括分束耦合区(Ⅰ)，强度调制区(Ⅱ)，相位调制区(Ⅲ)，其特征在于：所述铌酸锂波导芯片采用X切Y传型，在所述分束耦合区(Ⅰ)采用退火质子交换铌酸锂制作单模波导(4)，该波导(4)由可将一路光等分成偶数倍的多路光的一级以上的Y分支波导级联构成；所述输入光纤(1)与所述波导(4)的第一级Y分支波导的输入端定轴对准，所述输入光纤(1)的慢轴与铌酸锂波导芯片(3)的Z轴对准；所述分束耦合区(Ⅰ)输出的光路各接一个强度调制器单元，该强度调制器单元由马赫曾德尔干涉仪和由三个电极(5)构成的电极组构成，该电极组的电极与马赫曾德尔干涉仪的两臂平行且等间隔设置，中间的电极(5)为火线，两侧的电极(5)接地，各强度调制器单元组成所述强度调制区(Ⅱ)；各所述强度调制器单元的输出各接一个相位调制单元，该相位调制单元由直波导和位于该直波导两侧的电极(5)构成，其中一个电极(5)为火线，另一个电极(5)接地，各相位调制单元组成所述相位调制区(Ⅲ)；各相位调制单元的输出接所述输出光纤(7)。
2.如权利要求1所述的一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器其特征在于：所述Y分支波导总长度为5000μm，由Y分支段和直波导段构成，其中直波导段长度为1930μm。
3.如权利要求1或2所述的一种功能复用集成铌酸锂波导电光调制器其特征在于：所述输入光纤(1)采用U型槽对准，所述输出光纤(7)采用等间距排列的V型槽阵列对准。
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