CN110308573A - 一种基于硅/plzt混合波导的马赫曾德尔电光调制器 - Google Patents

一种基于硅/plzt混合波导的马赫曾德尔电光调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导的马赫曾德尔电光调制器，包括硅芯层和铁电薄膜下包层，二氧化硅上包层结构的波导；以及基于MMI的马赫曾德尔干涉仪结构；为实现高速电光调制而设计的共面波导电极结构。本调制器从上至下依此为共面波导电极，二氧化硅上包层，硅波导层，PLZT下包层，NST基底。其中共面电极可以加载射频信号，将射频信号加载到光波中，实现电光调制。本发明可以实现高调制深度、低传输损耗、高调制带宽，可以应用在集成高速微波光网络中。

Description

一种基于硅/PLZT混合波导的马赫曾德尔电光调制器
技术领域
本发明涉及一种基于硅/PLZT混合波导的马赫增德尔电光调制技术，属于新型电光材料电光调制器技术领域。
技术背景
光调制器是高速、短距离光通信的关键。目前光调制器向着更高速，更宽带宽，更小的器件尺寸以及集成化的方向发展，传统的调制器已经不能跟上光纤通信发展的步伐。开发新型调制器的研究迫在眉睫。
硅波导具有与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的优点，使其在高速和低成本的光器件中有着广泛的应用前景。典型的硅光调制器结构有马赫增德尔干涉仪型（MZI），微环谐振腔（WRR）等，其中MZI因其结构简单，工艺容差大的特点，被广泛应用在SOI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)光调制器上。目前，大多数SOI光器件都是基于等离子体色散效应实现的电光调制，在损耗和调制效率之间要有所取舍。相比之下，由电光材料制成的电光调制器由更好的表现，电光材料应用泡克尔斯效应可以达到更大的消光比和更好的调制效率，而硅的电光效应很弱，所以硅于电光材料结合的混合波导可以成为电光调制器的新选择。
相比于传统电光材料，如铌酸锂、电光聚合物等，掺镧锆钛酸铅（Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3）材料（以下简称为PLZT材料）具有介电常数大、电光系数高且与现有的集成工艺相兼容等特点。目前PLZT是集成光学领域的研究热点，在制作全光通信网络和光通信器件的应用上有着很好的前景。与传统的电光材料相比，PLZT材料具备很高的电光系数，并且响应时间很短，仅为纳秒量级。可以应用该材料研制高质量的电光开关、电光调制器等光波导器件，在集成光学领域具有很大的潜力。然而PLZT刻蚀波导受刻蚀工艺的影响，具有较高的波导传输损耗，直接影响PLZT光波导器件的工作性能与应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服硅波导电光系数小、PLZT刻蚀带来较大的传输损耗等问题，提出一种一种基于硅/PLZT混合波导的马赫增德尔电光调制，解决现有光调制器无法保证高调制效率和低传输损耗的问题。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，所述的电光调制器从上至下一共分为五层，分别为共面波导型行波电极、二氧化硅上包层、硅条形波导层、PLZT下包层和掺铌钛酸锶（NST）基底；所述的共面波导电极的接口区域连接射频探针，将射频信号耦合到电极上，经相互作用区将射频信号加载到光波上实现电光调制；所述的二氧化硅上包层的用于保护波导层并且与PLZT薄膜形成混合介质；所述的硅条形波导采用MZI结构，两个多模干涉耦合器之间双调制臂的推挽结构；PLZT薄膜层用用于提供较高的电光系数，电极外加电场时折射率变化，进而改变混合波导的有效模式折射率，实现电光调制。
作为本发明的一种优选，所述共面波导型电极由金属金制成。
作为本发明的一种优选，所述共面波导型行波电极的由GSG型的三根电极组成，其中共面波导行波电极的S电极在两个调制臂中间，两个G电极分别在两侧，采用GSG（Ground-Signal-Ground）布局实现良好的波速匹配和阻抗匹配，可以很好地将微波信号调制到光信号上，实现高的调制效率和带宽。
作为本发明的一种优选，所述共面波导型行波电极采用GS型，两个电极分别在两个MZI调制臂正上方，减小电极与波导的间距，增大波导区域的电场强度，进而减小半波电压。
作为本发明的一种优选，所述硅条形波导结构的两个调制臂长度与行波电极相互作用区长度相同，以达到最优的调制效率。
作为本发明的一种优选，所述共面波导型行波电极的过渡区为锥形结构，以减少射频传输损耗。
作为本发明的一种优选，所述共面行波电极过渡区为一个1/4圆弧结构。
有益效果：
本发明提供了一种基于硅/PLZT混合波导的马赫曾德尔（MZI）电光调制器，通过共面波导型行波电极和马赫曾德尔（MZI）的两个调制臂将射频信号加载到光波上，通过改变电压，从而改变光波输出功率，达到调制效果。
本发明基于常见的马赫曾德尔（MZI）的结构，采用了创新的波导结构和与之匹配的行波电极，进而达到减小传输损耗，增大调制效率的目的，采用双调制臂的推挽结构，实现了高的调制效率和较低的半波电压，行波电极经过波速匹配和阻抗匹配，达到了较高的调制带宽。
本发明相较于传统的MZI光调制器，更适合应用于在集成高速光通信网络中，具有响应速度快、传输损耗低、半波电压低、半波带宽大的优点。本发明采用硅材料作为波导材料，与CMOS兼容性好；采用成熟的MZI结构，工艺成熟，更适合做大范围应用。
附图说明
图1是本发明硅/PLZT混合波导结构的截面示意图。
图2是本发明波导截面光场能量分布图。
图3是本发明MZI和电极结构俯视示意图。
图4是本发明MZI调制臂和电极相互作用区域截面图。
图5是本发明共面波导型行波电极结构俯视图。
图6是本发明行波电极S参数曲线。
图7是本发明响应曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示本发明设计了一种基于硅/PLZT混合波导的MZI电光调制器，其波导结构由硅芯层、PLZT下包层、二氧化硅上包层组成。硅的折射率为3.42，PLZT的折射率为2.43，由平面波导理论计算得到的硅芯层大小为长800nm、高220nm。单模波导可以保证波导中只有一个模式传世，传输损耗和色散较小，图2光场能量分布图可以看出，光能量大部分被束缚在硅芯层。因下包层是电光材料PLZT，其具有自发计划性，所以具有比较明显的电光效应，在外部交变或者直流电场的作用下，材料对特定波长的折射率会随着电场的大小而发生相应的变化，根据折射率椭球几何法，我们可以得到其不同方向上的折射率变化关系式。对于各向同性的铁电薄膜材料，例如PLZT (8/65/35)薄膜，其电光系数满足：γ 21 = γ 22 =γ 23 ，且γ 14 =γ 53 。那么在Ey方向电场作用下，材料各轴向折射率的变化为：
这里，我们主要利用PLZT电光薄膜的Pockles效应对入射光进行调制。而其电光特性是由晶体结构所决定的，这和薄膜材料内部Pb，La，Zr，及Ti四种不同元素的含量有关。
如图3所示本发明的结构示意图，光能量从input端口耦合进入波导，经过MMI光能量被均匀的分为两份分别在两个调制臂传输，此时两束光波是同相位传输的，共面波导行波电极的S电极在两个调制臂中间，两个G电极分别在两侧，当S电极施加正向直流电压时，两调制臂处的电场方向相反，分别为Ey和-Ey如图4所示，根据以上公式可以得到两调制臂处的折射率变化也是相反的，光波经过两个调制臂以后，相位发生变化，一束超前、一束滞后。经过调制臂的两束光经过MMI合束器进行干涉并合为一束光，从output端口输出。改变S电极施加的正向偏压可以改变光经过两调制臂之后的相位差，当相位差为π时，两束光干涉相消为关状态，当两束光相位差为0时，两束光干涉相长为开状态，使S电极的偏压周期性变化，output端口输出的光功率也会相应的周期性变化从而达到调制效果。
射频信号在行波电极中传输时会产生损耗，在共面行波电极结构中，传输的电磁场主要束缚在平板电极周围，因此色散较小，采用共面行波电极的光波导调制器往往能够实现光波与微波之间相速度的良好匹配。行波电极的性能可以用S参数来表征，本发明为提高光调制器的带宽，对行波电极进行了优化设计。如图5所示为了更好地将微波信号接入电极，设计了接口区，为三块边长为100 μm方形电极，间距为150μm。因为二氧化硅和PLZT混合介质的有效介电常数为500左右，经过阻抗匹配设计得到相互作用区电极厚度为4μm，电极间距为15μm，中心电极宽度为7μm。在此参数下行波电极电极具有良好的阻抗匹配和波速匹配。因此能够保证良好的调制效率和调制带宽。
为了验证本发明能够实现该功能，特列举验证例进行说明。
本验证例是采用时域有限元差分法进行计算分析，仿真中用到的主要参数有：波导截面宽度800μm、高度220μm；硅的折射率为3.42、PLZT的折射率为2.43、二氧化硅的折射率为1.446、介电常数为3.9；PLZT薄膜的有效电光系数为45 pm/V、介电常数为600、；MZI调制臂长度为1mm；共面行波电极厚度为4μm；中心电极宽度为7μm；电极间距为15μm；过渡区半径为150μm；接口区电极边长为100μm、间距为150μm；如图5所示。
如图6所示为按照上文数据建模完成的共面行波电极的S参数，从图中可以看出随着频率的增加S(2,1)在减小，S(1,1)在增大。说明随着频率的增加传输损耗在变大，回波损耗也在变大，当频率为11.75GHz时，S(2,1)为-3dB，频率大于11.75GHz时，S(2,1)小于-3dB，所以设计得到的电极3dB带宽为11.75GHz。
当波长为1550nm的光从input端口输入，直流信号加载到共面行波电极上时，可以在output端口检测光功率，得到输出光功率随电压变化的曲线如图7所示。从图中可以看出调制器从开状态到关状态所需的电压为10.2V，所以调制器的半波电压为10.2V。调制深度为关状态光功率与开状态光功率的差值，从图中可以得到开状态时光功率为-0.6dB、关状态的光功率为-28.8dB，所以得到的调制器的片上损耗为0.6dB、调制深度为28.2dB。本发明设计的调制器满足了调制深度大、带款大、损耗小的要求。
综上，本发明提供的基于硅/PLZT混合波导的MZI电光调制器，结合了硅材料和PLZT材料的特点，有效的将光限制在硅波导区域，实现的低的传输损耗；经过设计的行波电极实现了较好的波速匹配和阻抗匹配，实现了高效的调制。并且本发明制作工艺与CMOS兼容，具有良好的实用性，可以在集成光网络中得到应用。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，其特征在于：所述的电光调制器从上至下一共分为五层，分别为共面波导型行波电极、二氧化硅上包层、硅条形波导层、PLZT下包层和NST基底；所述的共面波导电极的接口区域连接射频探针，将射频信号耦合到电极上，经相互作用区将射频信号加载到光波上实现电光调制；所述的二氧化硅上包层的用于保护波导层并且与PLZT薄膜形成混合介质；所述的硅条形波导采用MZI结构，两个多模干涉耦合器之间双调制臂的推挽结构；PLZT薄膜层用于提供较高的电光系数，电极外加电场时折射率变化，进而改变混合波导的有效模式折射率，实现电光调制。
2.根据权利要求1所述的基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，其特征在于：所述共面波导型电极由金属金制成。
3.根据权利要求2所述的基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，其特征在于：所述共面波导型行波电极的由GSG型的三根电极组成，其中共面波导行波电极的S电极在两个调制臂中间，两个G电极分别在两侧。
4.根据权利要求2所述的基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，其特征在于：所述共面波导型行波电极采用GS型，两个电极分别在两个MZI调制臂正上方。
5.根据权利要求3或4所述的基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，其特征在于：所述硅条形波导结构的两个调制臂长度与行波电极相互作用区长度相同。
6.根据权利要求1所述的基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，其特征在于：所述共面波导型行波电极的过渡区为锥形结构。
7.根据权利要求1所述的基于加载条形结构的硅/PLZT混合波导马赫增德尔电光调制器，其特征在于：所述共面行波电极过渡区为一个1/4圆弧结构。
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