CN110927995A - 一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于金属‑介质‑金属波导的电光调制器，包括衬底、第一金属块、第二金属块、电光晶体、电极，电光晶体设置在金属‑介质‑金属波导内，电极通电后，会给金属‑介质‑金属波导施加一个外加电场，改变电光晶体的折射率，也就是改变了第一金属块与第二金属块之间的折射率，从而改变金属‑介质‑金属波导的传播特性，完成了对电磁波传播模式的调制。该设备不用将光波导制成电光材料，制作成本低；另外，电光晶体的位置、个数灵活，可以根据电光晶体的位置、个数实现特定的光波模式的调制。

Description

一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器
技术领域
本发明涉及光调制器领域，具体涉及一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器。
背景技术
电光调制器是利用某些晶体的电光效应制成的调制器，是光通信和微波光子技术中重要的器件。根据电光晶体的折射率变化量和外加电场强度的关系，电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)。因为线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此实际中多用线性电光调制器对光波进行调制。
但是传统的电光调制器，比如M-Z干涉仪式调制器，是直接将光波导制成电光材料，不可避免带来制备上的困难，且制作成本高，另一方面这些电光调制器对光波的调制能力有限，只能调制其强度、相位，无法调节其模式。
发明内容
本发明提供了一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器以解决金属-介质-金属波导模式无法调节的问题。该基于金属-介质-金属波导的电光调制器包括衬底、第一金属块、第二金属块、电光晶体、电极，第一金属块和第二金属块的相对面平行的设置在衬底的一侧，第一金属块和第二金属块之间形成空隙，空隙内设置有电光晶体，第一金属块、电光晶体和第二金属块之间形成金属-介质-金属波导，电极为两个，分别连接所述第一金属块和所述第二金属块。
更进一步地，电光晶体的截面为矩形，矩形的两条相对的边分别平行于第一金属块和第二金属块的相对面。
更进一步地，电光晶体的侧面与所述第一金属块和所述第二金属块接触。
更进一步地，电光晶体的个数为两个。
更进一步地，两电光晶体分别与所述第一金属块和所述第二金属块接触。
更进一步地，两电光晶体的底部设置有联通部。
更进一步地，联通部的上面设置有填充部。
更进一步地，填充部的材料为金属。
更进一步地，填充部的高度小于所述电光晶体的高度。
更进一步地，第一金属块和第二金属块的材料为金，电光晶体的材料为硫化锌、碳化铜、砷化镓、磷化镓中的任一种，衬底为绝缘材料。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器，电光晶体设置在金属-介质-金属波导内，电极通电后，会给金属-介质-金属波导施加一个外加电场后，改变电光晶体的折射率，也就是改变了第一金属块与第二金属块之间的折射率，从而改变金属-介质-金属波导的传播特性，完成了对电磁波传播模式的调制。
该设备不用将光波导制成电光材料，制作成本低；另外，电光晶体的位置、个数灵活，可以根据电光晶体的位置、个数实现特定的光波模式的传播。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图一。
图2是在不同电光晶体折射率时，金属-介质-金属波导截面的电场分布图。
图3是另一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图二。
图4是在不同电光晶体折射率时，金属-介质-金属波导截面的电场分布图。
图5是又一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图三。
图6是在不同电光晶体折射率时，金属-介质-金属波导截面的电场分布图。
图7是再一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图四。
图8是在不同电光晶体折射率时，金属-介质-金属波导截面的电场分布图。
图中：1、衬底；2、第一金属块；3、第二金属块；4、电极；5、电光晶体；6、填充部。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
图1是一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图一。图1为该波导的截面图。如图1所示，该波导包括衬底1、第一金属块2、第二金属块3、电极4、电光晶体5。其中，衬底1为二氧化硅材料，第一金属块2、第二金属块3为金材料，电光晶体5为硫化锌、碳化铜、砷化镓、磷化镓中的任一种，电极4连接第一金属块2和第二金属块3。作为金属-介质-金属波导，电磁波的能量主要聚集在第一金属块2与第二金属块3之间的介质层，该波导具有模式面积小、传播特性不易受外界影响等特性。电极4通电后，在第一金属块2和第二金属块3件建立电场，该电场改变电光晶体5的折射率，从而改变金属-介质-金属波导的模式。
图2是在不同电光晶体折射率时，图1所示金属-介质-金属波导截面的电场分布图。图2a为电光晶体5的折射率为1.4时的电场分布图，此时模式的有效折射率为1.2201-0.0080*i，图2b为电光晶体5的折射率为1.5时的电场分布图，此时模式的有效折射率为1.2349-0.0081*i。其他参数为：衬底1截面的宽度为800纳米，高度为200纳米；第一金属块2和第二金属块3截面的宽度为300纳米，高度为300纳米；电光晶体5截面的宽度为100纳米,高度为200纳米。所以，当电光晶体5的折射率发生变化时，金属-介质-金属波导的传播特性发生了明显的变化。
在图2中，电光晶体5位于由第一金属块2和第二金属块3构成的缝隙的中部，电场对称地聚集在电光晶体5的侧面。在应用中，电光晶体5还可以设置在缝隙的非中心位置，以便于在缝隙中产生非对称的模式分布及非对称的电场分布。这些非对称电场可以被用以非对称分子探测。也就是说，在波导中设置不同方向的非对称分子时，波导的透射系数不同，用以实现非对称分子探测。
实施例2
图3是另一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图二。在实施例1的基础上，如图3所示，电光晶体5的个数为两个,而且两电光晶体5分别与第一金属块2和第二金属块3接触。此时，电场会集中在两电光晶体5之间的小范围内，减小了波导的模式面积。当电光晶体5的折射率变化时，对波导有效折射率的改变更大，也就是调节幅度更大。
图4是在不同电光晶体折射率时，图3所示金属-介质-金属波导截面的电场分布图。图4a为电光晶体5的折射率为1.4时的电场分布图，此时模式的有效折射率为1.2709-0.0087*i，图4b为电光晶体5的折射率为1.5时的电场分布图，此时模式的有效折射率为1.2963-0.0089*i。其他参数为：衬底1截面的宽度为800纳米，高度为200纳米；第一金属块2和第二金属块3截面的宽度为300纳米，高度为300纳米；电光晶体5截面的宽度为50纳米,高度为300纳米。所以，当电光晶体5的折射率发生变化时，金属-介质-金属波导的传播特性发生了明显的变化。
在应用时，两电光晶体5的高度还可以设置为不同，以便于在波导内形成不对称电场分布，用于实现非对称分子探测。
实施例3
图5是又一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图三。在实施例2的基础上，如图5所示，两电光晶体5的底部还设有联通部。这样两电光晶体5通过联通部连接起来。连接起来的电光晶体5与衬底构成包围区域，将电磁波聚集其中，对电磁波形成限制区域，进一步减小了波导的模式面积。当电光晶体5的折射率变化时，对波导有效折射率的改变更大，也就是调节幅度更大。
图6是在不同电光晶体折射率时，图5所示金属-介质-金属波导截面的电场分布图。图6a为电光晶体5的折射率为1.4时的电场分布图，此时模式的有效折射率为1.3070-0.0089*i，图6b为电光晶体5的折射率为1.5时的电场分布图，此时模式的有效折射率为1.3458-0.0093*i。其他参数为：衬底1截面的宽度为800纳米，高度为200纳米；第一金属块2和第二金属块3截面的宽度为300纳米，高度为300纳米；电光晶体5截面的宽度为50纳米,高度为300纳米，电光晶体联通部截面的宽度为200纳米,高度为50纳米。所以，当电光晶体5的折射率发生变化时，金属-介质-金属波导的传播特性发生了明显的变化。
在两电光晶体5的底部设置联通部，形成封闭区域，一般有在封闭区域内设置其他物质，进一步提高波导模式的可调性。
实施例4
图7是再一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器的示意图四。在实施例3的基础上，如图7所示，联通部的上面设置有填充部6，填充部6的材料为金，这样形成了金属-介质-金属-介质-金属波导，将电磁波限制在两电光晶体5区域，在电光晶体5处形成了更强的电场，当电光晶体5的折射率变化时，对波导有效折射率的改变更大，也就是调节幅度更大。
图8是在不同电光晶体折射率时，图7所示金属-介质-金属波导截面的电场分布图。图8a为电光晶体5的折射率为1.4时的电场分布图，此时模式的有效折射率为1.9535-0.0290*i，图8b为电光晶体5的折射率为1.5时的电场分布图，此时模式的有效折射率为2.0867-0.0313*i。其他参数为：衬底1截面的宽度为800纳米，高度为200纳米；第一金属块2和第二金属块3截面的宽度为300纳米，高度为300纳米；电光晶体5截面的宽度为50纳米,高度为300纳米，电光晶体联通部截面的宽度为200纳米,高度为50纳米；填充部截面宽度为100纳米,高度为200纳米；所以，当电光晶体5的折射率发生变化时，金属-介质-金属波导的传播特性发生了明显的变化。
相对于常规的金属-介质-金属波导，本实施例将波导的强电场分布调控到波导的两侧，对波导传播特性的改变更大。当进一步改变电光晶体5的折射率时，实现了更大程度上的模式调控。
该电光调制器包括衬底1、第一金属块2、第二金属块3、电光晶体5、电极4，第一金属块2和第二金属块3的相对面平行，构成金属-介质-金属波导，电光晶体5设置在金属-介质-金属波导内，电极分别连接第一金属块2和第二金属块3。电极4通电后，会给金属-介质-金属波导施加一个外加电场后，改变电光晶体5的折射率，也就是改变了第一金属块2与第二金属块3之间的折射率，从而改变金属-介质-金属波导的传播特性。不仅制作成本低，且电光晶体的位置灵活方便，可实现对传播的光波模式的调制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于金属-介质-金属波导的电光调制器，包括衬底、第一金属块、第二金属块、电光晶体、电极，其特征在于，所述第一金属块和所述第二金属块的相对面平行的设置在所述衬底的一侧，所述第一金属块和所述第二金属块之间形成空隙，所述空隙内设置有所述电光晶体，所述第一金属块、所述电光晶体和所述第二金属块之间构成金属-介质-金属波导，所述电极为两个，分别连接所述第一金属块和所述第二金属块。
2.利要求1所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：所述电光晶体的截面为矩形，矩形的两条相对的边分别平行于所述第一金属块和所述第二金属块的相对面。
3.利要求2所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：所述电光晶体的侧面与所述第一金属块和所述第二金属块接触。
4.利要求2所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：所述电光晶体的个数为两个。
5.利要求4所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：所述两电光晶体分别与所述第一金属块和所述第二金属块接触。
6.利要求5所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：在所述两电光晶体的底部还设有联通部。
7.利要求6所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：在所述联通部的上面设置有填充部。
8.利要求7所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：所述填充部的材料为金属。
9.利要求8所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：所述填充部的高度小于所述电光晶体的高度。
10.利要求1-9中任一项所述的基于金属-介质-金属波导的电光调制器，其特征在于：所述第一金属块和所述第二金属块的材料为金，所述电光晶体的材料为硫化锌、碳化铜、砷化镓、磷化镓中的任一种，所述衬底为绝缘材料。
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