CN110441928A - 一种折叠式电光调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种折叠式电光调制器及其制备方法，包括至少一根用于电光调制的波导、调制电极，所述的用于调制的波导有至少两段直波导和至少一段弯曲波导结构组成；所述的用于构成调制波导的相邻两段直波导由弯曲波导结构相连接；所述的调制波导经过极化反转处理使得弯曲波导相连接的两段直波导的光轴方向相反，实现对信号光相位或者强度的调制。本发明调制器通过弯曲结构和极化技术实现电光调制，同时减小了器件的长度，结构更加紧凑。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术和集成光学中调制技术领域，涉及一种折叠式集成电光调制器及其制备方法。
背景技术
电光调制器是高速光通信的关键器件之一，利用晶体的电光效应将外电场的电信号转换为光信号，常见的可用于电光调制器的材料有III-V族材料、具有电光效应的聚合物、磷酸氧钛钾(KTP)、钽酸锂(LiTaO3)以及铌酸锂(LiNbO3)等。电光调制器其原理是通过引入外部电场，利用电光效应来实现材料折射率的改变，从而改变波导中光的相位。利用马赫曾德干涉仪、微环等结构可以将相位调制转化为强度调制。在外部电场作用下，相对介电常数∈及其分量∈ij是所施加的电场强度的函数：
其中，E＝Eii+Ejj+Ekk表示所施加的外电场，γijk表示线性电光系数，sijkl表示二阶电光系数。
考虑一阶电光效应(Pockels effect，泡克尔斯效应)，上式可简写为：
为了简化折射率和外加电场的关系，上式中假设折射率的变化很小，利用导数近似得到折射率的变化与外加电场的关系，同时考虑到电光系数对称特性，其下标可做进一步简化，从而有：
其展开形式为：
在众多的调制器材料中，铌酸锂材料因其突出的线性光电效应、损耗小等优势而成为电光调制器的主要材料，基于铌酸锂材料的调制器已成功的得到商业应用。近几年随着铌酸锂薄膜的出现，使得基于铌酸锂薄膜的调制器具有更小的尺寸、更低的驱动电压。本发明以铌酸锂材料为例来进行阐明，在铌酸锂晶体中，由于铌酸锂晶体的对称性，γ中大多数元素为0，其非0的元素为：γ13＝γ23＝9pm/V；γ33＝γ51＝γ42＝30pm/V；γ22＝-γ12＝-γ61＝6.6pm/V。在铌酸锂电光调制器中，常利用较大的电光系数γ33来实现电光调制。基于铌酸锂薄膜型的电光调制器常采用马赫曾德干涉仪结构，其典型结构(以X切Y传的铌酸锂薄膜为例)如图1所示，马赫曾德干涉仪有输入波导10、分路器件20、第一波导臂30、第二波导臂31、合路器件21以及输出波导11组成。调制电压通过常见的GSG行波电极施加于两波导臂30和31上，使其工作于推挽方式，以便有效地降低调制电压。在该工作方式下，第一电极40和电极第二地电极42是地电极，电极41是信号电极。某一时刻，其电场方向如图2所示，波导臂30所加电场的方向沿晶轴的-Z方向，而波导臂31上所加电场方向沿晶轴的+Z方向，外部电场对波导臂30和31折射率变化Δn的绝对值是一样的，但变化方向是相反的，即如果电场的作用使波导臂30的折射率变大，则该电场使得波导臂31的折射率变小。在该种结构中，通过施加调制电压来改变波导臂的折射率，进而改变两束光的相位差，最终在输出端实现相消或相长输出即实现对光强度的调制。可以选取合适的初始条件，使得当调制电压为0时，两波导臂中光束的相位差为π的偶数倍时，两束光经合路器件21在输出波导11处发生相长干涉；当在第一、第二波导臂上分别施加+Vπ/2、-Vπ/2，或者相反的电压时，两波导臂中的光束相位差为π的奇数倍，此时两束光经合路器件21在输出波导11处发生相消干涉。在推挽工作方式下，其驱动电压比单臂驱动电压要低，理论上可降低一半。
马赫曾德干涉仪的结构特点是细长型，其长度在毫米甚至厘米量级，而其宽度通常在几百微米量级，不能很好地利用宽度方向的空间来减小器件尺寸。此外，为进一步降低驱动电压，简单有效的方法是增加马赫曾德干涉仪的两臂长度，进一步增加器件的尺寸，不利用实现器件的小型化。
发明内容
1、本发明的目的
本发明针对电光调制器相对于器件宽度，其长度过长不利于实现器件的小型化的问题，提出了一种折叠式的电光调制器，该调制器通过弯曲结构来减小器件的长度，实现更加紧凑的小型化电光调制器。
2、本发明所采用的技术方案
本发明提出了一种折叠式电光调制器，包括至少一根用于电光调制的波导、调制电极，所述的用于调制的波导有至少两段直波导和至少一段弯曲波导结构组成；所述的用于构成调制波导的相邻两段直波导由弯曲波导结构相连接；所述的调制波导经过极化反转处理使得弯曲波导相连接的两段直波导的光轴方向相反，调制电光调制波导相位差从而实现电光调制功能。
更进一步，极化反转处理使得一个波导臂的i个直线波导光轴方向与电场方向的相对关系(同向或反向)一致，i≥2，该波导臂总体相位变化为Δφ1＝(Δn11L+Δn12L+…+Δn1iL)×2π/λ＝iΔn11L×2π/λ，Δn1i为该波导臂第i个折射率变化值，L为直线波导长度，λ是工作波长；
更进一步，对于强度电光调制，另一波导臂的i个直线波导光轴方向与电场方向一致，且且与上一个波导臂的相反，该波导臂直线波导段数与上一个波导臂相同，该波导臂总体相位变化为Δφ2＝(Δn21L+Δn22L+…+Δn1i)×2π/λ＝iΔn21L×2π/λ；且有Δφ1＝-Δφ2；两波导臂，在外加电场作用下相位差为Δφ＝Δφ1-Δφ2+Δφ0＝2Δφ1+Δφ0，Δφ0是两波导臂初始的相位差，当Δφ为π的偶数倍时两束光发生相消干涉，为π的奇数倍时两束光发生相长干涉，调节Δφ实现电光调制。
更进一步，所述波导的材料为III-V族材料、具有电光效应的聚合物和具有电光效应且可实现光轴反转的电光材料包括磷酸氧钛钾、钽酸锂以及铌酸锂。
更进一步，所述的极化反转，采用技术包括外加电场、激光诱导实现光轴反转。
本发明提出了一种折叠式电光调制器制备方法：
S1.通过常规光刻和刻蚀技术制造用于调制的波导结构；
S2.在用于实现电光调制波导上根据所采用的材料制造用于极化的电极；
S3.通过外加高压电场极化技术对波导做极化处理；
S4.采用包括光刻、溅射方法制造调制电极。
更进一步，所述的S4步骤之前还包括去除用于极化的电极步骤。
更进一步，所述光刻采用的方法包括步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写、激光直写。
更进一步，所述的刻蚀方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀。
更进一步，所述的溅射的方法包括磁控溅射、电子束蒸镀、电镀。
3、本发明所采用的有益效果
(1)本发明通过极化反转技术实现基于电光材料的波导的晶畴反转，从而使得用于电光调制的基于电光材料的波导结构可以通过弯曲结构实现折叠式布局，进而有效地缩短器件地长度；
(2)本发明所实现的折叠式电光调制器，若波导实现转弯次数为奇数次，可使得输入输出端位于同一侧，可简化后期与光纤的封装工艺。
附图说明
图1为X切铌酸锂调制器常见的结构形式。
图2是图1中AB截面处电场分布示意图。
图3是本发明折叠一次的铌酸锂强度调制器示意图。
图4是本发明折叠两次铌酸锂强度调制器示意图。
图5是本发明制作工艺流程图。
附图标记说明：
输入波导10、输出波导11、分路器件20、合路器件21、第一波导臂30、第二波导臂31、波导结构50；第一直波导301、第一弯曲波导302、第二直波导303、第二弯曲波导304；第三直波导311、第三弯曲波导312、第四直波导313；第一地电极40、信号电极41、第二地电极42。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
本发明提供了一种折叠式电光调制器，包括至少一根用于实现电光调制的波导，该调制波导有至少两段直波导和至少一端弯曲波导结构组成；用于实现电光调制的相邻两段直波导由弯曲波导结构相连接；通过极化反转技术使得弯曲波导相连接的用于实现电光调制的两直波导的光轴方向相反；实现电光调制的波导材料包括III-V族材料、具有电光效应的聚合物、磷酸氧钛钾(KTP)、钽酸锂(LiTaO3)以及铌酸锂(LiNbO3)等具有电光效应的材料。
图3显示的是基于X切Y传的铌酸锂材料的电光调制器，该电光调制器是基于马赫曾德干涉仪的，有输入波导10、分路器件20、第一波导臂30、第二波导臂31、合路器件21、输出波导11以及用于补偿第一波导臂30和第二波导臂31长度差的波导结构50组成，其中第一波导臂30有第一直波导301、第一弯曲波导302以及第二直波导303组成，且第一直波导301和第二直波导303通过第一弯曲波导302相连接；第二波导臂31有第三直波导311、第三弯曲波导312以及第四直波导313组成，且第三直波导311和第四直波导313通过第三弯曲波导312相连接。外加调制电场通过GSG行波电极施加给第一波导臂30和第二波导臂31，行波电极有第一地电极40和第二地电极42以及信号电极41组成；用于长度补偿第一波导臂30和第二波导臂31的波导结构50可根据实际需求来确定。
图3(a)是未使用本发明的电光调制器，在某一时刻，信号电极41上所施加电压为正时，其电场方向如图中虚线箭头所示。对于第一波导臂30，在第一直波导301处其外加电场的方向沿铌酸锂波导的光轴+Z轴，引起折射率的变化为Δn11，经过第一弯曲波导302后，在第二直波导303处，外加电场的方向沿铌酸锂波导光轴-Z轴，引起折射率的变化为Δn12，对于第一波导臂30而言，外加电场的方向由沿铌酸锂光轴的+Z轴变化为-Z轴。为叙述方便，忽略工艺造成的波导宽度等误差，应有Δn11＝-Δn12。假设铌酸锂波导第一直波导301和第二直波导303长度一样均为L，并忽略弯曲处的电光效应造成的折射率变化，则对于第一波导臂30而言，相位的变化Δφ1＝(Δn11L+Δn12L)×2π/λ＝0，同样对于第二波导臂31而言，外加电场在第三直波导311处沿-Z轴，在第四直波导313处沿+Z轴，其相位变化Δφ2＝(Δn21L+Δn22L)×2π/λ＝0，两波导臂的相位差Δφ＝Δφ1-Δφ2+Δφ0＝Δφ0，其中Δφ0是两波导臂初始的相位差，通常其值为0。此时，未能实现对波导折射率的有效调制。
图3(b)是本发明所述的折叠式电光调制器的一种实现方式，通过极化反转技术使第一波导臂30的第二直波导303和第二波导臂31中的第四直波导313发生极化反转即光轴Z方向发生变化，此时针对第一波导臂30而言，在第一直波导301和第二直波导303处，外加电场的方向均沿+Z轴，第一波导臂30总体相位变化为Δφ1＝(Δn11L+Δn12L)×2π/λ＝2Δn11L×2π/λ，同样在第二波导臂31的第三直波导311和第四直波导313处，外加电场均沿-Z轴，其总体相位变化为中Δφ2＝(Δn21L+Δn22L)×2π/λ＝2Δn21L×2π/λ，且有Δφ1＝-Δφ2。两波导臂30和31，在外加电场作用下相位差为Δφ＝Δφ1-Δφ2+Δφ0＝2Δφ1+Δφ0，可以实现调制。
实施例2
图4显示的是基于X切Y传的铌酸锂材料的电光调制器，该调制器是相位调制器，有输入波导10、第一波导臂30、输出波导11以及第一地电极40和信号电极41构成，其中第一波导臂30有三段第一直波导301、第二直波导303和第三直波导311以及第一弯曲波导302、第二弯曲波导304构成，其中第一直波导301、第二直波导303通过第一弯曲波导302连接，第二直波导303、第三直波导311通过第二弯曲波导304连接。某时刻，外加调制电场方向如图中虚线箭头所示。图4(a)显示的是未使用本发明的电光相位调制器，此时，第一直波导301处的电场方向沿铌酸锂光轴的+Z轴，引起折射率的变化为Δn1，经过第一弯曲波导302后，在第二直波导303处电场方向沿铌酸锂光轴的-Z轴，引起折射率的变化为Δn2，再经过第二弯曲波导304后，在第三直波导311处，电场方向沿铌酸锂光轴的+Z轴,引起折射率的变化为Δn3。忽略工艺造成的波导宽度等误差外，应有Δn1＝-Δn2＝Δn3，则调制波导臂30的相位变化为Δφ＝Δφ1+Δφ2+Δφ3＝(Δn1L+Δn2L+Δn3L)×2π/λ＝Δn1L×2π/λ，即三段第一直波导301、第二直波导303、第三直波导311中，有两段折射率改变的方向相反，其调制效果相抵消。在图4(b)中，经过极化反转处理后，第一直波导301、第三直波导311处铌酸锂光轴方向发生反转，其电场方向从沿铌酸锂光轴的+Z轴转变为沿-Z轴，此时，三段第一直波导301、第二直波导303、第三直波导311的折射率变化为Δn1＝Δn2＝Δn3，第一波导臂30的相位变化为Δφ＝Δφ1+Δφ2+Δφ3＝(Δn1L+Δn2L+Δn3L)×2π/λ＝3Δn1L×2π/λ。同样，可以使第二直波导303处铌酸锂光轴发生反转，此时三段第一直波导301、第二直波导303、第三直波导311处电场方向均沿铌酸锂光轴的+Z轴，如图4(c)所示。
制备示例
图5所示的流程图是实现折叠式电光调制器的典型方法：
1.在电光材料上通过光刻刻蚀技术制备波导结构，如图5(a)所示；
2.通过光刻溅射技术制备用于极化反转的电极，如图5(b)所示；
3.通过高压脉冲反转至少一根波导的晶畴，实现相邻两直波导的晶向相反，如图5(c)；
4.完成调制器调制电极等其它结构的制备，如图5(d)所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种折叠式电光调制器，包括至少一根用于电光调制的波导、调制电极，其特征在于，所述的用于调制的波导有至少两段直波导和至少一段弯曲波导结构组成；所述的用于构成调制波导的相邻两段直波导由弯曲波导结构相连接；所述的调制波导经过极化反转处理使得弯曲波导相连接的两段直波导的光轴方向相反，实现对信号光相位或者强度的调制。
2.根据权利要求1所述的折叠式电光调制器，其特征在于：通过极化反转工艺处理后，用于实现调制的波导在经过弯曲波导前后其波导光轴方向与所施加的电场方向的相对关系始终保持一致。
3.根据权利要求2所述的折叠式电光调制器，其特征在于：每段用于调制的直波导尺寸相同，极化反转处理使得一个波导臂的i个直线波导光轴方向与所施加电场方向的相对关系一致，该波导臂总体相位变化为iΔnL×2π/λ，Δn为该直波导臂折射率变化值，L为直线波导长度，λ为工作波长。
4.根据权利要求2所述的折叠式电光调制器，其特征在于：对于强度电光调制，两条波导臂各有i个用于调制的直波导，每条波导臂经过极化处理后，用于调制的波导其光轴方向与所施加电场方向的相对关系一致，且对于两条波导臂中，其相对关系相反；在外加电场作用下，两波导臂的相位差Δφ＝2iΔnL×2π/λ+Δφ0，Δφ0是两波导臂初始的相位差，当Δφ为π的偶数倍时两束光发生相消干涉，为π的奇数倍时两束光发生相长干涉，实现电光强度调制。
5.根据权利要求3或4所述的折叠式电光调制器，其特征在于：所述波导的材料为III-V族材料、具有电光效应的聚合物和具有电光效应且可实现光轴反转的电光材料包括磷酸氧钛钾、钽酸锂以及铌酸锂。
6.根据权利要求3或4所述的折叠式电光调制器，其特征在于所述的极化反转包括外加电场、激光诱导实现光轴反转。
7.一种制备如权利要求1-6任一所述的折叠式电光调制器的制备方法，其特征在于：
S1.通过常规光刻和刻蚀技术制造用于调制的波导结构；
S2.在用于实现电光调制波导上根据所采用的材料制造用于极化的电极；
S3.通过外加高压电场极化技术对波导做极化处理；
S4.采用包括光刻、溅射方法制造调制电极。
8.根据权利要求7所述的折叠式电光调制器的制备方法，其特征在于：所述光刻采用的方法包括步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写、激光直写。
9.根据权利要求7所述的折叠式电光调制器的制备方法，其特征在于：所述的刻蚀方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀。
10.根据权利要求7所述的折叠式电光调制器的制备方法，其特征在于：所述的溅射的方法包括磁控溅射、电子束蒸镀、电镀。
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