CN110879488B - 基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，针对现有的电光调制器存在的插入损耗大、稳定性差的问题，本发明的调制器包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极；利用铌酸锂的电光效应，根据薄膜铌酸锂波导中传播的光场的相位改变，或器件整体模场分布的改变，实现最终输出光信号强度的调制，本发明的在线调制器具备器件体积小、性能稳定的优点。

Description

基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器

技术领域

本发明属于光通信领域，特别涉及一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器的结构及其功能实现。

背景技术

在信息爆炸的时代，大数据、物联网、人工智能等技术逐渐渗透到人们的生活中，信息业务的多样性和复杂性使得对通信系统的传输速度和容量要求越来越高。光纤通信以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信，已成为世界通信中的主要传输方式。光纤通信系统主要由传输和交换两部分组成。光纤因为传输损耗低、抗电磁干扰能力强、成本低和通信容量大等优点，已经成为现阶段通信系统中一种重要的传输媒介；而电光调制器作为高速光纤通信系统中完成电光转换，进而实现信息加载的关键器件，对光通信系统的传输质量起着重要的作用。随着光纤网络的普及以及向高速大容量的方向发展，也要求网络中的关键器件--电光调制器具备紧凑、高速、低插损的高性能特性。但传统的电光调制器体积大、插损偏高、成本昂贵等因素限制了其应用，因而将具有大电光系数的铌酸锂薄膜集成到光纤上，实现全光纤结构的调制装置，进而实现光纤调制器微型化、集成化，对光纤通信系统的进一步发展有着重要的意义。

通常光纤调制器的调制机理可分为两种类型，第一种调制机理是通过端部分离、倾斜偏差、光纤的横向偏移等物理方法中断光路；第二种调制机理是将吸收或者电光材料插入光路构成调制介质，这类材料主要有石墨烯和电光聚合物。这其中，石墨烯因其独特的性能而受到科研工作者的广泛关注。2014年，韩国亚洲大学的Eun Jung Lee等人于在NatureCommunications上报道了制作于D型光纤平台上的采用液态离子浆的石墨烯场效应晶体管电吸收调制器，该器件可实现0.8dB的插入损耗，90％的调制深度，及小于5V的工作电压，但其实验测量的调制带宽仅有30.9MHz。之后，在2019年，中国北京大学的Ke Chen等人在Nature Photonics上报道了石墨烯与光子晶体光纤结合的基于液态离子浆的石墨烯电吸收调制器，该项工作创新性地使用CVD技术直接在光子晶体光纤上制作了半米长的石墨烯，器件的工作电压小于2V，可实现20dB/cm的调制深度，但其传输损耗高达6dB/cm，且开关调制速度仅16Hz。以上报道的两种典型的石墨烯电吸收型光纤在线调制器均存在调制带宽(速度)远远不能满足光通信需求的缺点，这也正是目前光纤调制器普遍存在的问题。

铌酸锂晶体具有高电光系数和优良的光学特性，是实现传统电光调制器的首选材料。而铌酸锂薄膜材料相比于传统体材料型铌酸锂晶片，具有可实现高折射率差的小尺寸光波导，对光子束缚效果好的优点。尽管已有一些平面光波导型铌酸锂薄膜电光调制器的工作报道，但是这些调制器在应用时都存在较大的光纤-铌酸锂薄膜波导端面耦合损耗，不利于器件应用。

目前已报道的电光调制器主要有三个方面的局限：首先，传统的基于铌酸锂晶片的平面光波导型电光调制器存在尺寸较大，不利于多个器件的单片集成，插入损耗偏大的缺点；其次，目前提出的铌酸锂薄膜型电光调制器存在较大的光纤-波导间耦合损耗，导致器件插损过大，不利于应用；最后，目前提出的基于石墨烯的电吸收型光纤调制器存在带宽较小，稳定性差等问题，还不能满足实际系统的应用要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，不仅在结构上更加紧凑，性能稳定，并且其插入损耗低、与光纤系统的兼容性好。

本发明采用的技术方案为：一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极。

进一步地，所述调谐电极包括第一电极、第二电极，所述薄膜铌酸锂波导在去除部分包层的平面上沿与纤芯纵轴平行的方向布置，所述第一电极与第二电极分别位于薄膜铌酸锂波导两侧。

更进一步地，所述薄膜铌酸锂波导位于纤芯正上方。

进一步地，所述薄膜铌酸锂波导布置于偏离纤芯正上方轴线一定距离的位置。

进一步地，所述薄膜铌酸锂波导为马赫-曾德尔干涉仪(MZI，Mach–Zehnderinterferometer)结构，MZI结构的上臂与下臂在去除部分包层的平面上对称分布于纤芯正上方轴线两侧，所述调谐电极包括第一电极、第二电极以及第三电极，所述第一电极布置于MZI结构的上臂与下臂内侧，所述第二电极布置于MZI结构的上臂外侧，所述第三电极布置于MZI结构的下臂外侧。

在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极的方法，包括：

S1、对调制区的传输光纤通过打磨抛光的方式去除一定厚度的包层，得到抛光面；

S2、在抛光面上键合铌酸锂薄膜；

S3、采用光刻工艺制作出薄膜铌酸锂波导图案；

S4、根据步骤S3的波导图案利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成矩形波导；

S5、在波导两边制备出调谐电极。

在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极的方法，包括：

M1、对调制区的传输光纤通过打磨抛光的方式去除一定厚度的包层，得到抛光面；

M2、在抛光面上键合铌酸锂薄膜；

M3、采用光刻工艺制作出薄膜铌酸锂波导图案；

M4、根据步骤S3的波导图案利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成MZI结构波导；

M5、在MZI结构波导两臂内侧及两臂各自的外侧制备出调谐电极。

本发明的有益效果：本发明通过将一根传输光纤分为三个部分，依次作为输入光纤、调制区以及输出光纤；并将调制区的传输光纤去除部分包层，在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极，构造了一种新型的光纤调制器，该器件不仅体积小、性能稳定，并且避免了传统电光调制器尤其是平面光波导型薄膜调制器面临的光纤与波导间较大的端面耦合损耗，从而降低了器件的插入损耗，便于应用到微波光子系统与光通信系统中；本发明具备以下优点：

1、位于纤芯正上方的薄膜铌酸锂波导，利用铌酸锂的电光效应，通过调节电极上施加的电压，控制薄膜铌酸锂波导的折射率，从而控制进入薄膜铌酸锂波导中的光信号量，达到调制输出光信号强度的效果；

2、通过设计的薄膜铌酸锂波导具有不同的几何尺寸，使得在输入端纤芯中的光场能量按照特定的比例耦合进入薄膜铌酸锂波导中，通过调节电极上所施加的电压，控制薄膜铌酸锂波导中传播光场的相位，利用干涉的原理，达到调制输出光信号强度的效果；

3、通过将薄膜铌酸锂波导制做为MZI结构，两支路中传输的光场的相位分别受到调谐电极的调控，两支路中的光场在MZI结构的末端发生干涉，达到调制输出光信号强度的效果。

附图说明

图1为本发明中基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器的第一种基本结构示意图。

图2为本发明中调制区域的简单横切面图。

图3是未施加调制电压时，光纤中光信号的传输模拟结果。

图4是施加调制电压时，光纤中光信号的传输模拟结果。

图5为本发明中基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器的第二种基本结构示意图。

图6是基于图5结构的调制器在调制区域的简单横切面图。

图7为本发明中基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器的第三种基本结构示意图。

图8是基于图7结构的调制器在调制区域的简单横切面图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-8对本发明内容进一步阐释。

图1所示为本发明所提出的基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器的一种基本结构图。

光信号从传输光纤第一部分的输入光纤后耦合进入薄膜铌酸锂波导。当光信号经第一部分的输入光纤后，进入到调制区域。调制区的传输光纤通过打磨抛光的方式去除一定厚度的包层，形成抛光面，在抛光面上键合铌酸锂薄膜，然后采用常规的光刻工艺制作出预先设计的薄膜铌酸锂波导图案，利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成矩形波导，最后在波导两边制备出调谐电极。

利用铌酸锂的电光效应，通过调节电极上施加的电压，可实现薄膜铌酸锂折射率的改变。薄膜铌酸锂折射率的改变可造成两方面的影响：一是在薄膜铌酸锂波导中传播的光场的相位改变，二是器件整体模场分布的改变。对这两方面的影响分别加以利用，可以实现两种调制原理不同的在线调制器。

实施例一

如图1所示为本发明实施例提供所述调制器的第一种实现方式，如图2所示，薄膜铌酸锂波导位于纤芯正上方；如图3所示，通过控制薄膜铌酸锂波导距离纤芯的垂直距离、以及薄膜铌酸锂波导的截面尺寸，可以实现当电极未施加电压时，绝大部分的输入光经纤芯传输至输出端，少量输入光进入薄膜铌酸锂波导中最终被损耗；如图4所示，当电极施加一定电压时，薄膜铌酸锂波导的折射率增大，传输光场将被更多地耦合进入薄膜铌酸锂波导内。耦合进入薄膜铌酸锂波导内的光场最终将在其末端以辐射模的方式耗散掉。显然，未施加电压时的输出能量会明显高于施加电压时的输出能量，即实现了对光信号的强度调制。图3、图4中Pathway表示路径，Monitor Value监视值，Mode0表示模式0，a.u.(arbitraryunit)是无量纲单位。

采用实施例一的薄膜铌酸锂波导进行光信号强度调制的过程为：

A1、光信号通过输入光纤进入调制区域；

A2、输入光纤中的光信号分为两部分，一部分进入薄膜铌酸锂波导；另一部分继续沿调制区域的纤芯传输；

A3、未施加电压时，绝大部分的输入光经纤芯传输至输出端，少量输入光进入薄膜铌酸锂波导中最终被损耗

A4、通过调节施加在调谐电极上的电压，控制薄膜铌酸锂波导的折射率，进而调控耦合计入薄膜铌酸锂中的光波能量；

A5、进入薄膜铌酸锂波导的这部分光信号被损耗掉，沿调制区域的纤芯传输的这部分光信号经输出光纤输出。

实施例二

除采用上述图1的结构外，本发明所提出的基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器还可以采用图5所示第二种实现方式，如图6所示，薄膜铌酸锂波导布置于偏离纤芯正上方轴线一定距离的位置。

在图5所示意的结构中，通过控制输入端薄膜铌酸锂波导的波导截面尺寸与波导长度，使得在输入端纤芯中的光场能量按照特定的比例耦合进入薄膜铌酸锂波导中。通过调节电极上所施加的电压，控制薄膜铌酸锂波导中传播光场的相位，利用干涉的原理，同样可以实现光信号的强度调制。

这一结构需控制输入端纤芯中部分的光场能量耦合进入薄膜铌酸锂波导中。在薄膜铌酸锂波导中传输光场的相位受调谐电极的调控后，在波导输出端耦合回纤芯中，与纤芯中传输的光场发生干涉。干涉可将相位的改变转化为强度的改变，即实现了光信号的强度调制。

采用实施例二的薄膜铌酸锂波导进行光信号强度调制的过程为：

B1、光信号通过输入光纤进入调制区域；

B2、输入光纤中的光场能量按比例耦合进入薄膜铌酸锂波导；

B3、通过调节施加在调谐电极上的电压，调控薄膜铌酸锂波导中所传输光场的相位；

B4、在薄膜铌酸锂波导中所传播光场的相位经调控后，在薄膜铌酸锂波导输出端耦合回纤芯中，与纤芯中传输的光场发生干涉，然后经输出光纤输出。

实施例三

本发明所提出的基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器也可以采用图7所示第三种实现方式。

如图8所示，将薄膜铌酸锂波导制作为MZI结构，通过控制输入端薄膜铌酸锂波导的波导截面尺寸与波导长度，使输入端纤芯中全部的光场能量耦合进入薄膜铌酸锂波导中。MZI结构拥有两个支路，在两支路中传输的光场的相位分别受到调谐电极的调控。两支路在MZI结构的末端汇成一路，此时两支路中的光场发生干涉，干涉可将相位的改变转化为强度的改变。最后波导中的光耦合回纤芯中，经输出端输出，同样实现了光信号的强度调制。

MZI结构的薄膜铌酸锂波导制备：在抛光面上键合铌酸锂薄膜，然后采用常规的光刻工艺制作出预先设计的MZI结构薄膜铌酸锂波导图案，利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成MZI结构波导，最后在MZI结构波导两臂内侧及两臂各自的外侧制备出调谐电极。

采用实施例三的薄膜铌酸锂波导进行光信号强度调制的过程为：

C1、光信号通过输入光纤进入调制区域；

C2、输入光纤中的全部光场能量耦合进入薄膜铌酸锂波导；

C3、通过调节施加在调谐电极上的电压，调控薄膜铌酸锂波导上臂与下臂中所传输光场的相位；

C4、在薄膜铌酸锂波导上臂与下臂中所传播光场的相位经调控后，在MZI结构末端发生干涉后耦合回纤芯中，经输出光纤输出。

综上，本发明通过薄膜铌酸锂波导和光纤结构的巧妙结合，构造了一种新型光纤调制器的平台，并基于此平台给出了多种实现调制的方案。该发明不仅在结构上更加紧凑、性能更加稳定，并且铌酸锂薄膜与光纤的结合，避免了传统电光调制器尤其是平面光波导型薄膜调制器面临的光纤与波导间较大的端面耦合损耗，从而降低了器件的插入损耗，便于应用到微波光子系统与光通信系统中。因此本发明具有很好的实际应用价值。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极；通过控制输入端薄膜铌酸锂波导的波导截面尺寸与波导长度，控制输入端纤芯中的光场能量耦合进入薄膜铌酸锂波导中的比例。

2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述调谐电极包括第一电极、第二电极，所述薄膜铌酸锂波导在去除部分包层的平面上沿与纤芯纵轴平行的方向布置，所述第一电极与第二电极分别位于薄膜铌酸锂波导两侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导位于纤芯正上方。

4.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导布置于偏离纤芯正上方轴线一定距离的位置。

5.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导为MZI结构，MZI结构的上臂与下臂在去除部分包层的平面上对称分布于纤芯正上方轴线两侧，所述调谐电极包括第一电极、第二电极以及第三电极，所述第一电极布置于MZI结构的上臂与下臂内侧，所述第二电极布置于MZI结构的上臂外侧，所述第三电极布置于MZI结构的下臂外侧。

6.在去除部分包层的平面上制作权利要求1或3所述薄膜铌酸锂波导和调谐电极的方法，其特征在于，包括：

S1、对调制区的传输光纤通过打磨抛光的方式去除一定厚度的包层，得到抛光面；

S2、在抛光面上键合铌酸锂薄膜；

S3、采用光刻工艺制作出薄膜铌酸锂波导图案；

S4、根据步骤S3的波导图案利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成矩形波导；

S5、在波导两边制备出调谐电极。

7.在去除部分包层的平面上制作权利要求4所述薄膜铌酸锂波导和调谐电极的方法，其特征在于，包括：

M1、对调制区的传输光纤通过打磨抛光的方式去除一定厚度的包层，得到抛光面；

M2、在抛光面上键合铌酸锂薄膜；

M3、采用光刻工艺制作出薄膜铌酸锂波导图案；

M4、根据步骤S3的波导图案利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成MZI结构波导；

M5、在MZI结构波导两臂内侧及两臂各自的外侧制备出调谐电极。

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