CN111458908A - 基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器及使用方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器及使用方法和应用，包括铌酸锂单晶薄膜，其包括微环结构和光波导，所述微环结构和所述光波导均设置于所述铌酸锂单晶薄膜上设置有铌酸锂的一侧；电极，所述电极分别设置于所述微环结构内侧和所述微环结构外侧。本申请通过在设置微环结构，一方面增加了电光作用的长度，减小了调制器的驱动电压，降低了器件的功耗，并且可以提高射频前端的接收灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及电光调制器领域，具体涉及基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器及使用方法和应用。
背景技术
微波链路是当今无线通信系统的重要组成部分。随着同通信容量需求的增加需要高频微波信号作为载波，然而随着微波信号频率的提高，信号在电缆中衰减非常严重，并且电子元器件受到电子瓶颈严重制约，无法满足高速的欲求。微波光子技术融合了微波技术和光子技术的特点，具有大带宽、高速率、低损耗、低噪声和大动态范围等特点，可以有效克服微波链路中损耗和电子器件的瓶颈问题。
光子射频接收前端技术是利用微波光子技术解决传统射频前端的接收频率低和损耗大等问题的一种新兴的技术。光子射频接收前端将光作为载波，通过电光调制器将射频副载波信号转换到光域，实现低损耗地传输射频信号。但是现有的射频光子接收前端中的用到的调制器大都为MZI型电光调制器，随着调制频率的升高，需要大的驱动电压就会增大，调制效率就会降低，大大限制光子射频接收前端的发展，上述问题是本领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在高频段下有效提高射频信号调制效率的一种基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器。
为了解决上述技术问题，本发明提供的方案是：基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器，其特征在于，包括铌酸锂单晶薄膜，其包括微环结构和光波导，所述微环结构和所述光波导均设置于所述铌酸锂单晶薄膜上设置有铌酸锂的一侧，
所述微环结构的半径
λ为工作波长，λFSR为所述微环结构的自由光谱范围，ng为所述光波导群折射率；以及
电极，所述电极分别设置于所述微环结构内侧和所述微环结构外侧。
进一步的是：所述铌酸锂单晶薄膜包括按层状结构依次设置的半导体衬底、二氧化硅层以及所述铌酸锂。
进一步的是：所述半导体衬底为硅衬底。
进一步的是：所述光波导为脊形波导。
本申请进一步的提供了一种包括上述基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器的使用方法，包括以下步骤：
选择所述微环电光调制器，使所述微环结构的自由光谱范围与所需射频信号的频率匹配；
输入光载波，使其偏置在所述微环结构的传输函数的最大斜率处
本申请进一步的提供了一种光子射频接收前端，包括上述的基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器；以及
天线，用于接收射频信号并反馈至所述微环电光调制器；以及
可调谐稳频激光器，用于对所述微环电光调制器输入光载波；以及
光分路器，用于将微环电光调制器的输出光信号分别传输至与第一光电探测器和第二光电探测器连接；
第一光电探测器，用于将光信号发送至所述反馈控制单元，所述反馈控制单用于输出电压信号使所述可调谐稳频激光器输出光的频率与所述微环的谐振频率匹配；
第二光电探测器，用于将所述微环电光调制器输出的光信号转换为电信号。
进一步的是：所述光分路器对所述第一光电探测器和所述第二光电探测器输出的光功率比为1:9。
本发明的有益效果：本申请通过设置微环结构，一方面增加了电光作用的长度，减小了调制器的驱动电压，降低了器件的功耗，并且可以提高射频前端的接收灵敏度。
另一方面，通过使频率fRF与微环结构的自由光谱范围匹配，从而在调制高频的射频信号时能获得较高的调制速率。
此外，本申请还利用微环谐振器的频率选择特性，可以滤除其他相邻信道信号的干扰，又可以调制所需的信号。
附图说明
图1为微环电光调制器的结构示意图；
图2为微环电光调制器的工作原理示意图；
图3为光子射频接收前端的工作流程图；
附图标记如下：铌酸锂单晶薄膜 1、铌酸锂 11、二氧化硅层 12、半导体衬底 13、微环结构 2、电极 3、光波导 4。
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，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施。
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或实施例。为简化公开内容，下面描述了各特征存在的一个或多个排列的具体实施例，但所举实施例不作为对本发明的限定,在说明书中随后记载的第一特征与第二特征连接，即可以包括直接联系的实施方式，也可以包括形成附加特征的实施方式，进一步的，也包括采用一个或多个其他介入特征使第一特征和第二特征彼此间接连接或结合，从而第一特征和第二特征可以不直接联系。
所应理解的是，本申请中出现的以下缩写均为本领域的专有名词，本领域技术人员可以毫无疑义的确认以下缩写的含义。
FSR：自由光谱范围；
LNOI：铌酸锂单晶薄膜。
如图1所示，一种基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器的实施例，包括铌酸锂单晶薄膜1，该铌酸锂单晶薄膜1上设置有微环结构2和光波导4，所述微环结构2和所述光波导4均设置于所述铌酸锂单晶薄膜1上设置有铌酸锂11的一侧。
上述所述微环结构2的半径满足以下公式：
其中，λ为工作波长，FSR为所述微环结构的自由光谱范围，ng为所述光波导群折射率。
上述所述电极3分别设置于所述微环结构2内侧和所述微环结构2外侧。
本申请采用上述铌酸锂单晶薄膜1作为制备微环电光调制的材料。与传统的LN体材料制备的波导相比，LNOI材料具有折射率差大，传输损耗小，限光能力强、集成度高等优点。LNOI波导在光学约束方面提高了一个数量级，并且在波导弯曲半径方面降低了两个数量级。
采用的LNOI的折射率差高达0.7，而传统的离子扩散型铌酸锂11的光波导4折射率差小于0.02。因此利用LNOI制备出的光波导4具有更强的限光能力，可以拥有更小的尺寸和弯曲半径，可大幅度提高光电器件的集成度，降低体积、功耗和阈值。
在一种实施例中，所采用的所述铌酸锂单晶薄膜1包括依次设置的半导体衬底13、二氧化硅层12以及所述铌酸锂11，其中微环结构2和波导均生长于铌酸锂11远离SiO2的一侧。上述所述半导体衬底13可以是但不限于硅衬底。
其中，所述光波导4优选采用为脊形波导，脊形光波导4结构可以将射频场从铌酸锂11中拉出来，放入周围低折射率的介质中，降低射频场的有效折射率(铌酸锂11材料对于光波的折射率为2.2，而对于射频信号高达9.2)，从而使光波和射频场的速度达到匹配，此外，进一步的还可以设计行波电极3为高频的调制器提供高频的电信号调制频率。
本申请还提供了一种基于铌酸锂单晶薄膜1的微环电光调制器的使用方法，该方法作为上述微环电光调制器的一种工作模式，本申请将该工作模式定义为FSR调制模式，基于该工作模式，使得本申请可以有效地在高频段下有效提高射频信号的调制效率，其中包括以下步骤：
选择所述微环电光调制器，使所述微环结构2的自由光谱范围与所需射频信号的频率匹配；
输入的光载波，使其偏置在所述微环传输函数的最大斜率处，即图2中f0处。
本申请的工作原理如图2所示，满足微环谐振条件的光被限制在低损耗的微环中，光在微环中停留的平均时间称为光子寿命，光子寿命越长，光在微环中的传输的总长度就越长，将其称为谐振器的有效长度，本申请利用微环谐振器中光波的谐振效应，以增加电光调制的电光相互作用的长度，以此来降低调制的电压，提高高频信号电光调制效率。
根据自由光谱区的公式可知，当微环结构2的半径满足以下公式：
时，使射频副载波的频率fRF等于λFSR，此时，边带信号的频率将正好位于相邻的谐振模式中，从而实现边带信号的谐振增强，提高调制器的调制效率。
这种调制模式非常适合用于高频窄带的模拟信号的调制系统和微波光子系统。
并且在本申请中，由于微环结构2的半径满足公式
而在上述工作模式中，由于fRF等于λFSR，因此随着射频频率的增加，微环结构2的半径将会进一步减小。由此可见，本申请相较于现有的MZI型的电光调制器，更适用于调制高频段的射频信号。
为了便于理解，本申请提供了一种具体的微环电光调制器的实施例，该实施例中波导为脊形波导，其工作波长为1550nm，射频频率为35GHz，波导群折射率为2.2，则可以得到，需要设置的微环半径为621um。
本申请通过在设置微环结构，一方面增加了电光作用的长度，减小了调制器的驱动电压，降低了器件的功耗，并且可以提高射频前端的接收灵敏度。
另一方面，工作在FSR调制模式的微环电光调制器，通过使频率fRF与微环结构的FSR匹配，从而在调制高频的射频信号时也能获得较高的调制速率。
此外，本申请还利用微环谐振器的频率选择特性，可以滤除其他相邻信道信号的干扰，又可以调制所需的信号。
在上述基础上，本申请进一步的提供了一种光子射频接收前端的实施例，具体包括：天线、可调谐稳频激光器、微环电光调制器、光分路器、第二光电探测器和反馈控制组件。上述反馈控制组件包括第一光电探测器和反馈控制单元。
其中，所述的天线接收射频信号，并通过电极反馈到电光调制器上，为调制器提供射频信号fRF。
所述的可调谐稳频激光器输出光载波的频率为fo，输出的激光满足微环的谐振条件，激光从微环电光调制器In端口输入以提供稳定的光源。
所述的微环电光调制器可将射频线信号调制到光载波上，产生包含射频的信息的左右边带信号fo±fRF，并且和光载波一同从输出端口输出。
所述的光分路器将调制器输出的光功率按照10％：90％分为两路，分别输入不同的光电探测器。
其中，上述第一光电探测器接收由光分路器输出的10％的光功率，并将检测到的信号输入到反馈控制单元。
所述反馈控制单元输出电压信号使稳频激光器输出光的频率与微环的谐振频率匹配。
其中，所述第二光电探测器接收光分路器输出的90％的光功率，并将光信号转换为电信号进行输出。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器，其特征在于，包括铌酸锂单晶薄膜，其包括微环结构和光波导，所述微环结构和所述光波导均设置于所述铌酸锂单晶薄膜上设置有铌酸锂的一侧，
电极，所述电极分别设置于所述微环结构内侧和所述微环结构外侧。
2.如权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器，其特征在于，所述微环结构的半径
λ为工作波长，λFSR为所述微环结构的自由光谱范围，ng为所述光波导群折射率。
3.如权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器，其特征在于，所述铌酸锂单晶薄膜包括按层状结构依次设置的半导体衬底、二氧化硅层以及所述铌酸锂。
4.如权利要求3所述的基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器，其特征在于，所述半导体衬底为硅衬底。
5.如权利要求1所述的基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器，其特征在于，所述光波导为脊形波导。
6.一种包括权利要求1至4中任一项所述的基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器的使用方法，包括以下步骤：
选择所述微环电光调制器，使所述微环结构的自由光谱范围与所需射频信号的频率匹配；
输入光载波，使其偏置在所述微环结构的传输函数的最大斜率处。
7.一种光子射频接收前端，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的基于铌酸锂单晶薄膜的微环电光调制器；以及
天线，用于接收射频信号并反馈至所述微环电光调制器；以及
可调谐稳频激光器，用于对所述微环电光调制器输入光载波；以及
光分路器，用于将微环电光调制器的输出光信号分别传输至与第一光电探测器和第二光电探测器连接；
第一光电探测器，用于将光信号发送至所述反馈控制单元，所述反馈控制单用于输出电压信号使所述可调谐稳频激光器输出光的频率与所述微环的谐振频率匹配；
第二光电探测器，用于将所述微环电光调制器输出的光信号转换为电信号。
8.如权利要求7所述的光子射频接收前端，其特征在于，所述光分路器对所述第一光电探测器和所述第二光电探测器输出的光功率比为1:9。
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