CN112327518A - 基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅 - Google Patents

基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其主要结构包括输入波导、输入端自由传输区、直线型阵列波导、输出端自由传输区、输出波导以及错位分布于阵列波导之间的正负电极。相较于传统含弯曲波导的阵列波导结构，本发明主要结合直线型阵列波导和铌酸锂薄膜的电光效应进行器件结构简化；一方面通过电极加载电压值实现阵列波导光栅的波分复用功能，另一方面通过改变电压值实现输出中心波长可调谐；整个器件占片面积小且结构规整，适用于大规模集成。

Description

基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅
技术领域
本发明涉及光子集成器件领域，特别涉及一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅。
背景技术
阵列波导光栅作为一种集成光波导器件，具有优异的波分复用/解复用功能，在光通信领域WDM传输网络中起到非常关键的作用。其主要结构包含输入波导、输入端自由传输区、阵列波导、输出端自由传输区、输出波导。传统阵列波导光栅结构较为庞大，阵列波导之间为实现等相位差，须设计成等长度差的结构，因而不可避免的存在大量不同半径和不同角度的弯曲波导，以促成输入端自由传输区与输出端自由传输区的连接，导致设计与版图绘制难度增加，整个阵列波导光栅占片面积较大，同时也增加了器件制作时的工艺难度。
铌酸锂薄膜相对于传统铌酸锂体材料，有利于实现光通信器件小型化大规模集成，特别是应用于体材料方面已经较为成熟的调制器、波分复用器等。铌酸锂薄膜材料兼容现今成熟的CMOS工艺，良好的导光性能可以带来较小的光波导的传输损耗。特别对于铌酸锂薄膜自身显著的电光效应，可以通过控制电场强度实现折射率的变化，具有响应速度快，功耗低等优势。但是由于其存在晶体双折射效应以及折射率较低，不利于片上弯曲波导处的光传输，同时弯曲半径基本须在百微米量级，因此该点也成为影响器件整体尺寸大小的不利因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，利用直线型阵列波导结合正负电极，以代替占片面积庞大的传统阵列波导，通过电光效应实现直线型阵列波导间等相位差，不仅满足阵列波导光栅基本功能，同时可以实现输出中心波长可调谐。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，包括输入波导、输入端自由传输区、直线型阵列波导、输出端自由传输区、输出波导，以及限制光在铌酸锂薄膜波导中稳定传输的下包层和上包层；直线型阵列波导的一侧设置负电极，各阵列波导之间错位分布正电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，采用直线型阵列波导设计与铌酸锂薄膜电光效应结合，简化了传统阵列波导结构，减小了器件占片面积；
2)本发明所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，通过控制电极上加载的电压值变化，改变直线型阵列波导之间的等相位差，从而改变从而实现输出中心波长可调谐。
附图说明
图1为本发明所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅俯视图。图中各标号含义为：1是输入波导，2是输入端自由传输区，3是直线型阵列波导，4是输出端自由传输区，5是输出波导，6是负电极，7是正电极。其中，x(y)方向为阵列波导和正负电极分布方向，z方向为电场方向；x(y)表示x方向或者y方向，当x、z方向确定后，y方向即可确定。
图2为本发明所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅中直线型阵列波导与电极的截面图，以脊形波导结构为基础。图中各标号含义为：31、32、33…为以负电极位置为基准依次排列的直线型阵列波导，71、72、73…为以负电极位置为基准依次排列的正电极，8是下包层，9是上包层。其中，y(x)方向为阵列波导和正负电极分布方向，z方向为电场方向。
图3为本发明所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅中直线型阵列波导与电极的截面图，以矩形波导结构为基础。图中各标号含义为：31、32、33…为以负电极位置为基准依次排列的直线型阵列波导，71、72、73…为以负电极位置为基准依次排列的正电极，8是下包层，9是上包层。其中，y(x)方向为阵列波导和正负电极分布方向，z方向为电场方向。
具体实施方式
本发明提供一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅的设计方案，以及介绍该新型阵列波导光栅输出中心波长调谐方法。
如图1所示，一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，包括依次相连的输入波导1、输入端自由传输区2、直线型阵列波导3、输出端自由传输区4、输出波导5，以及限制光在铌酸锂薄膜波导中稳定传输的下包层8和上包层9；直线型阵列波导3的一侧设置负电极6，各阵列波导之间错位分布正电极7。
进一步的，铌酸锂薄膜波导横截面结构为脊形波导或矩形波导。
进一步的，所有正负电极高度大于等于脊形波导脊高或矩形波导高度。
进一步的，连接输入端自由传输区2和输出端自由传输区4的所有阵列波导呈相互平行的直线型。
进一步的，负电极6的长度等于所有正电极7长度之和。
进一步的，各正电极7长度与负电极6的间距成正比关系，且由近及远等差递增。
进一步的，各正电极7长度相同，通过控制不同正电极7上加载电压，实现阵列波导之间等相位差。
进一步的，阵列波导走向沿x轴或y轴方向，减小晶体双折射效应的负面影响；
所有正负电极走向沿x轴或y轴方向，正负电极间的电场方向沿z轴，充分利用铌酸锂薄膜z轴方向电光系数较大的优势。
负电极长度与阵列波导长度基本一致，以尽可能与所有正电极形成电场。
进一步的，每个阵列波导所受电场等于该阵列波导外侧所有正负电极间电场的叠加，且相邻阵列波导的相位差在各自叠加电场的作用下为定值。
进一步的，同时改变所有正电极上加载的电压值，可改变相邻阵列波导相位差，进而实现输出中心波长的可调谐。
本发明输入端自由传输区与输出端自由传输区的尺寸结构一致。
宽谱光从输入波导1进入输入端自由传输区2发生衍射，光能量呈高斯型分布进入各直线型阵列波导3中。各正电极7加载电压值，每个阵列波导受到电场为其一侧所有正电极产生的电场叠加。基于铌酸锂薄膜的电光效应，每个阵列波导产生对应叠加电场引起的折射率变化，进而相邻波导之间形成等相位差。不同波长的光在输出端自由传输区汇集，相同波长的光由于相位相同，在对应输出波导端口处形成衍射极大，从而实现各输出波导单波长光的输出，实现波分复用功能。
另一方面，所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅可通过控制正电极7上加载电压值的变化，改变相邻直线型阵列波导等相位差，变化的等相位差可以改变输出端自由传输区衍射极大的位置，从而实现输出中心波长可调谐。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明实施例提供一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，如图1和图2所示，该器件结构依次包括输入波导1、输入端自由传输区2、直线型阵列波导3、输出端自由传输区4、输出波导5、负电极6、正电极7、以及限制光稳定传输的下包层8和上包层9。
本实施例中所述的直线型阵列波导3为铌酸锂薄膜波导，其横截面结构为脊形波导结构，上包层与下包层材料均为二氧化硅，正负电极材料为金，且电极厚度与波导脊高一致。宽谱光从输入波导1进入输入端自由传输区2发生衍射，光能量通过各个端口耦合进入直线型阵列波导3中，其强弱呈高斯型分布。利用铌酸锂薄膜的电光效应，使各阵列波导之间产生等相位差。当光传输至输出端自由传输区时，不同波长的光在对应的输出波导耦合处形成衍射极大，最后输出波导不同端口实现单色光波分输出。
本发明实施例中所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅沿x(y)轴方向传输，主要避免传输光受到铌酸锂薄膜晶体双折射的影响。同时，所有正负电极沿x(y)轴方向分布，保证电场沿z轴分布，充分利用铌酸锂薄膜在z轴方向电光系数较大的特性，保证电光调制效果最优化。
本发明实施例中，基于图2所示，负电极6设置于直线型阵列波导3的左侧，不同长度的正电极7错位分布于直线型阵列波导之间，但是各正电极在z轴方向不存在重叠。最靠近负电极6的阵列波导为31，阵列波导31的另一侧为正电极为71，依次类推。由图1可以看出阵列波导31不仅仅受到正电极71的电场影响，而是同时受所有正电极(71、72、73…)产生电场影响的叠加。则其相位变化量
Figure BDA0002805142450000041
与正电极加载固定电压U的关系为：
Figure BDA0002805142450000042
其中，λ0为阵列波导光栅的中心波长，ne为铌酸锂薄膜沿z轴方向的折射率，γ33为铌酸锂薄膜沿z轴方向的电光系数，d为负电极与相邻正电极间距，同时也是任意两相邻正电极间距，l1、l2、l3…为正电极长度。
同理，对于阵列波导32，其受到除正电极71外所有正电极(72、73、74…)产生电场的影响，而阵列波导33受到正电极(73、74…)产生电场的影响。因此，阵列波导32和阵列波导33在固定电压U下的相位变化量
Figure BDA0002805142450000043
和
Figure BDA0002805142450000044
分别为：
Figure BDA0002805142450000051
Figure BDA0002805142450000052
进而得出阵列波导31与阵列波导32之间的相位差，以及阵列波导32与阵列波导33之间的相位差分别为：
Figure BDA0002805142450000053
Figure BDA0002805142450000054
因此，为保证相邻阵列波导中传输光等相位差，则正电极72的长度l2须等于2倍的正电极71的长度l1。依次类推，其他正电极的长度分别为2l1、3l1、4l1…此时，负电极6为满足与正电极间形成对应范围的电场，其总长度等于各正电极长度之和。通过加载固定电压U，使各直线型阵列波导中传输光形成等相位差，当所有传输光汇聚至输出端自由传输区域时，不同波长的光刚好在与对应输出波导耦合处形成衍射极大，从而实现波分复用功能。
实施例2
如实施例1所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其区别在于，所采用的波导横截面结构为矩形结构，且正负电极厚度与矩形波导高度一致，如图3所示，其他部分与实施例1一致。
实施例3
如实施例1和实施例2所述一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其通过正电极加载固定电压，得到阵列波导间固定的相位差，从而实现固定中心波长的波分输出。
基于实施例1和实施例2所述新型铌酸锂薄膜可调谐阵列波导光栅，实施例3区别在于，通过改变加载在所有正电极上的电压值U′，可以改变相邻直线型阵列波导中传输光的固定相位差，从而改变输出端自由传输区中衍射极大的位置，实现输出中心波长可调谐。

Claims (10)

1.一种基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，包括输入波导(1)、输入端自由传输区(2)、直线型阵列波导(3)、输出端自由传输区(4)、输出波导(5)，以及限制光在铌酸锂薄膜波导中稳定传输的下包层(8)和上包层(9)；直线型阵列波导(3)的一侧设置负电极(6)，各阵列波导之间错位分布正电极(7)。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，直线型阵列波导(3)为铌酸锂薄膜波导，其横截面结构为脊形波导或矩形波导。
3.根据权利要求2所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，所有正负电极高度大于等于脊形波导脊高或矩形波导高度。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，连接输入端自由传输区(2)和输出端自由传输区(4)的所有阵列波导呈相互平行的直线型。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，负电极(6)的长度等于所有正电极(7)长度之和。
6.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，各正电极(7)长度与负电极(6)的间距成正比关系，且由近及远等差递增。
7.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，各正电极(7)长度相同，通过控制不同正电极(7)上加载电压，实现阵列波导之间等相位差。
8.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，直线型阵列波导走向沿x轴或y轴方向，正负电极之间的电场方向沿z轴方向。
9.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，每个阵列波导所受电场等于该阵列波导外侧所有正负电极间电场的叠加，且相邻阵列波导的相位差在各自叠加电场的作用下为定值。
10.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜的新型阵列波导光栅，其特征在于，同时改变所有正电极上加载的电压值，可改变相邻阵列波导相位差，进而实现输出中心波长的可调谐。
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