CN112526773A - 一种电光调制器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种电光调制器，包括：射频电极和光波导；其中，所述射频电极包括第一电极和第二电极，所述光波导位于所述第一电极和所述第二电极之间；所述射频电极用于对所述光波导中的光波进行调制；所述光波导相对于所述射频电极具有第一结构关系，以使所述光波导和所述射频电极的群折射率相匹配；其中，所述第一结构关系基于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率确定。

Description

一种电光调制器

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种电光调制器。

背景技术

高速电光调制有非常广泛和重要的应用，比如光通信、微波光电子、激光束偏转、波前调制等。电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体(LiNbO₃)、砷化稼晶体(GaAs)和钽酸锂晶体(LiTaO₃)的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。

然而，在对光调制过程中，难以同时实现低驱动电压和高调制带宽调制。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种电光调制器。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请实施例提供一种电光调制器，包括：射频电极和光波导；其中，

所述射频电极包括第一电极和第二电极，所述光波导位于所述第一电极和所述第二电极之间；所述射频电极用于对所述光波导中的光波进行调制；

所述光波导相对于所述射频电极具有第一结构关系，以使所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率相匹配；其中，所述第一结构关系基于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率确定。

在一种可选的实施方式中，所述第一结构关系，包括以下至少之一：

所述光波导的物理长度与所述射频电极的轴向长度的比值等于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率比值的平方；

所述光波导在所述射频电极的轴向的投影长度与所述射频电极的轴向长度相等；

所述光波导的物理长度大于所述光波导在所述射频电极的轴向的投影长度。

在一种可选的实施方式中，还包括：

位于所述第一电极和所述第二电极之间的有源区；

所述有源区和所述射频电极共同用于对所述光波导中的光波进行调制。

在一种可选的实施方式中，所述光波导的群折射率小于所述射频电极的群折射率。

在一种可选的实施方式中，所述光波导相对于所述射频电极的第一结构关系满足阻抗匹配的要求。

在一种可选的实施方式中，所述光波导为连续且不交叠的折线形波导；或者，

所述光波导为连续且不交叠的曲线形波导。

在一种可选的实施方式中，所述射频电极为连续的直线电极。

在一种可选的实施方式中，所述射频电极为行波电极或分布式电极。

在一种可选的实施方式中，所述光波导包括以下至少之一：条波导、脊波导和平板波导。

在一种可选的实施方式中，所述光波导的输入端和输出端位于所述电光调制器的同一侧；或者，

所述光波导的输入端和输出端位于所述电光调制器的不同侧。

本申请实施例在不改变电光调制器的组分的前提下，基于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率确定第一结构关系，并基于第一结构关系对所述光波导和所述射频电极进行调整，从而使得光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率相匹配。如此，能够同时实现低驱动电压和高调制带宽调制。

附图说明

图1为一种电光调制器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种电光调制器的一种实施方式的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种电光调制器的另一种实施方式的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种电光调制器的另一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

如背景技术所述，驱动电压和调制带宽之间往往需要取舍。电光效应在电光介质中通常较弱，所以低驱动电压需要足够长的光波导来累计产生足够电光效应。经研究发现，光波和微波信号之间存在群速度失配，经过长距离传输会产生严重的光波-微波信号走离(walk-off)现象，严重限制了调制带宽。此外，长的光波导还需要长的驱动电极，由于电极材料的电阻损耗，导致了较大的微波信号传播损失，最终也限制了进一步降低驱动电压的可能。这一严重的设计上的取舍问题几乎存在于所有基于行波的光电调制器，严重限制了器件的性能。

在基于行波的电光调制器中驱动电极中电信号的群折射率一般都比较大，例如硅光调制器中驱动电极的折射率会达到6；而光波导的群折射率一般比较低，例如常规的硅光波导的群折射率一般在4左右。这样就会导致在调制器的驱动电极上传播的微波信号的群速度和在波导中的光波信号的群速度不同，这里微波信号和光波信号的群速度等于光速除以群折射率，进而降低调制器整体的调制效率。因此，需要对调制器进行特殊的设计，来保证驱动电极和波导之间的群速度匹配或者群折射率匹配。

如图1所示，主流的匹配方案是在光波导上增加一段具有慢波特性的光波导，即现有的电光调制器的波导包括两部分，一部分是调制器的光波导110，另一部分是具有慢波特性的光波导120，该具有慢波特性的光波导120的群折射率大于所述调制器的光波导110的群折射率，通过增加具有慢波特性的光波导120，使得光波导整体的群折射率和电极的群折射率匹配，即光波导整体的等效长度和电极的等效长度相等。其中，等效长度等于物理长度乘以群折射率。

然而，上述匹配方案需要引入与调制器的光波导性质不同的其他光波导，而不同性质的光波导之间的连接工艺会增加电光调制器的工艺难度和时间，且选择何种性质的光波导还需要根据电光调制器的实际工艺参数确定。由此，上述匹配方案适用性较差。

为此，提出了本申请实施例的以下技术方案。

图2为本申请实施例提供的一种电光调制器的一种实施方式的结构示意图，如图2所示，所述电光调制器包括：射频电极210和光波导220；其中，

所述射频电极210包括第一电极211和第二电极212，所述光波导220位于所述第一电极211和所述第二电极212之间；所述射频电极210用于对所述光波导220中的光波进行调制；

所述光波导220相对于所述射频电极210具有第一结构关系，以使所述光波导220的群折射率和所述射频电极210的群折射率匹配；其中，所述第一结构关系基于所述光波导220的群折射率和所述射频电极210的群折射率确定。

在本申请实施例中，在所述第一结构关系的约束下，光波导220的群折射率和所述射频电极210的群折射率匹配。本申请实施例在不改变电光调制器的组分的前提下，通过第一结构关系调整所述光波导220的物理长度，从而使得光波导220的群折射率和所述射频电极210的群折射率相匹配。其结构简单，易于实现，成本较低，且适用性范围大。需要说明的是，本申请实施例中所提及的光波导的群折射率意为光波信号在光波导中的群折射率；射频电极的群折射率意为微波信号在射频电极中的折射率。

在本申请实施例中，所述射频电极210用于对所述光波导220中的光波进行调制，具体的，输入光波信号在所述光波导220中传输，第一电极211和第二电极212是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，第一电极211和第二电极212上的电压不同，从而使光波信号产生相位差。因此通过控制射频电极上的电信号的电压就能对光波进行调制。

在本申请实施例中，所述第一结构关系，包括以下至少之一：

所述光波导220的物理长度与所述射频电极210的轴向长度的比值等于所述光波导220的群折射率和所述射频电极210的群折射率比值的平方；

所述光波导220在所述射频电极210的轴向的投影长度与所述射频电极210的轴向长度相等；

所述光波导220的物理长度大于所述光波导220在所述射频电极210的轴向的投影长度。

本申请实施例中通过增加所述光波导220的物理长度以使所述光波导220的等效长度与所述射频电极210的等效长度相等。然而增加所述光波导220的物理长度也会对所述射频电极210的群折射率造成影响，所述射频电极210的群折射率的增加量和所述光波导220的物理长度增加量的开方成正比，即所述光波导220的物理长度增加至Y倍，而所述射频电极210的群折射率会增加至

倍。设所述射频电极210内传播的微波信号的群折射率为N_e，所述光波导220的内传播的光波的群折射率为N_o，等效长度为L，则根据等效长度的计算公式可得到

由此可以计算得到

换言之，将所述光波导220的物理长度调整至

即可使得所述射频电极210和所述光波导220的等效长度相等，从而实现所述射频电极210和所述光波导220的群折射率匹配。需要说明的是，等效长度等于物理长度乘以群折射率。由于光波信号的群折射率低于微波信号的群折射率，从而光波信号的群速度大于微波信号的群速度，若是光波信号和微波信号走过的路程相等，则会出现光波信号和微波信号的群速度失配的问题。因此，本申请实施例中通过第一结构关系使得所述射频电极和所述光波导的群折射率匹配，即使得光波信号和微波信号走过的等效长度一致，也就不会出现光波信号和微波信号的群速度失配的问题。

在本申请实施例中，所述射频电极210内传播的微波信号的群折射率为N_e，所述射频电极210的物理长度为L_e，所述光波导220的内传播的光波的群折射率为N_o，所述光波导220的物理长度为L_o；则根据

可以得到所述光波导220的物理长度L_o需要调整为

即得到所述光波导220的物理长度和所述射频电极210的物理长度之间的关系。在实际应用时，只需根据所述第一结构关系，将所述光波导220的物理长度调整为

即可使得所述射频电极210和所述光波导220的等效长度相等，从而实现所述射频电极210和所述光波导220的群折射率匹配。需要说明的是，所述射频电极210的物理长度即为所述射频电极210的轴向长度。

本申请实施例中的电光调制器，在维持当前组分不变的情况下，通过第一结构关系确定所述光波导的长度，从而实现射频电极和光波导的群折射率匹配。其结构简单，易于实现，成本较低，且适用性范围大。

本申请实施例中通过定量的添加光波导的物理长度，从而实现电光调制器的射频电极和光波导的群折射率匹配，该方式简单可行且易于实现，在不增加芯片设计和版图布局的复杂度的前提下，即可有效的实现电光调制器的射频电极和光波导的群折射率匹配。

在本申请实施例中，在确定所述电光调制器的射频电极的群折射率和长度后，根据公式

即可计算得到所需的所述光波导220的物理长度。

在本申请实施例中，所述光波导220的群折射率小于所述射频电极210的群折射率。由此，所述光波导220的物理长度需大于所述射频电极210的物理长度才可以满足群折射率匹配。基于上述公式计算得到所述光波导的物理长度，由于所述光波导的物理长度大于所述射频电极的物理长度，因此在所述射频电极的物理长度内，需要对光波导进行弯折或弯曲。如图2所示，本申请实施例提供了一种光波导的弯曲方式。需要说明的是，所述光波导可以以任意不重叠的形式设置在所述射频电极之间，图2仅以一种弯曲的方式进行说明，并非用于限定本申请实施例中光波导的弯曲方式。

在本申请实施例中，所述电光调制器可以为差分驱动的硅光调制器。由于硅光调制器的工作频率一般在100G波特率以下，根据等效介质理论，硅光调制器的结构在500um以下重复均匀的出现即可认为是均匀结构。因此，一个电光调制单元的结构可以以500um为重复周期来进行设计，将500um作为电光调制器的一个周期长度。

例如，所述电光调制器的周期长度为500um，即所述射频电极210的物理长度为500um，所述射频电极210的群折射率为5.2，所述光波导220的群折射率为4，根据公式

计算得到所述光波导220的长度L_o为845um。由此，只需在500um的周期长度中采用弯折或弯曲的方式使得所述光波导220长度达到845um即可以实现所述射频电极和所述光波导的群折射率匹配。所述电光调制器的其余重复周期均可以按照该光波导的长度值进行设置。

在本申请实施例中，所述光波导220为连续且不交叠的折线形波导；或者，所述光波导220为连续且不交叠的曲线形波导。图3为本申请实施例提供的一种电光调制器的另一种实施方式的结构示意图，如图3所示，所述光波导220形成的形状为大致为“S”形或往复延伸的“蛇形”。示例性的，所述第一电极211指向所述第二电极212的方向可以为光波导的“往”的方向，所述第二电极212指向所述第一电极211的方向可以为光波导的“复”方向。需要说明的是，所述光波导可以以任意不重叠的形式设置在所述射频电极之间，图3仅以一种弯曲的方式进行说明，并非用于限定本申请实施例中光波导的弯曲方式。

在本申请实施例中，所述光波导220的输入端和输出端位于所述电光调制器的同一侧；或者，所述光波导220的输入端和输出端位于所述电光调制器的不同侧。在实际应用时，若基于公式

计算得到的所述光波导220的物理长度小于所述射频电极210的物理长度的两倍，则可以对所述光波导220进行弯折或弯曲在所述射频电极210之间，此时所述光波导220的输入端和输出端可以位于所述电光调制器的不同侧，具体如图2至图3所示；若基于公式

计算得到的所述光波导220的物理长度大于或等于所述射频电极210的物理长度的两倍，则可以将所述光波导220往复盘绕在所述射频电极210之间，此时所述光波导220的输入端和输出端可以位于所述电光调制器的同一侧，具体如图4所示。需要说明的是，所述光波导可以以任意不重叠的形式设置在所述射频电极之间，图4仅以一种弯曲的方式进行说明，并非用于限定本申请实施例中光波导的弯曲方式。

在本申请实施例中，所述电光调制器还包括：位于所述第一电极211和所述第二电极212之间的有源区(图中未示出)；所述有源区和所述射频电极210共同用于对所述光波导220中的光波进行调制。

在本申请实施例中，所述光波导220相对于所述射频电极210的第一结构关系满足阻抗匹配的要求。这里，所述射频电极210的驱动形式包括单端驱动形式和差分驱动形式。所述射频电极210为单端驱动形式的情况下，所述光波导220相对于所述射频电极210的第一结构关系满足50欧姆的阻抗匹配需求，具体地：所述光波导220与所述射频电极210之间的距离需满足50欧姆的阻抗匹配需求。所述射频电极210为差分驱动形式的情况下，所述光波导220相对于所述射频电极210的第一结构关系满足100欧姆的阻抗匹配需求，具体地：所述光波导220与所述射频电极210之间的距离需满足100欧姆的阻抗匹配需求。

这里，所述射频电极210为单端驱动形式的情况下，所述第一电极211接地，第二电极212接电信号；所述射频电极210为差分驱动形式的情况下，所述第一电极211和所述第二电极212接电信号，所述第一电极211的电信号和所述第二电极212的电信号为差分电信号。

在本申请实施例中，所述射频电极210可以由金属微波信号波导构成，也可以由非金属导体材料构成。在实际应用时，金属微波信号波导可以是单端的形式，如GSG(地-信号-地)、GS(地-信号)、SG(信号-地)等波导结构；金属微波信号波导也可以是差分的形式，如SS(信号-信号)、GSGSG(地-信号-地-信号-地)等差分电极结构。在一些实施例中，所述射频电极210的结构也可以是一些变种结构，如在SS差分电极结构上添加轨道部分形成带轨道的差分电极结构，同样也可以添加各种派生结构。

在实际应用时，不同的调制器中的波导结构不同，所述电光调制器的光波导220的结构为条波导结构、脊波导结构或平板波导结构。

在本申请实施例中，所述光波导220可以是单根波导，也可以是推挽结构形式的双波导。本申请实施例中以所述光波导为单根波导为例进行说明。

在本申请实施例中，如图2至图4所示，所述射频电极210为连续的直线电极。

在本申请实施例中，所述射频电极210为行波电极或分布式电极。

需要说明的是，本申请实施例提供的射频电极和光波导的群折射率匹配方法，既可适用于硅光调制器，也可以适用于三五族光调制器等电光调制器，其适用范围广，具有较大的灵活性。

本申请实施例公开了一种电光调制器，包括：射频电极和光波导；其中，所述射频电极包括第一电极和第二电极，所述光波导位于所述第一电极和所述第二电极之间；所述射频电极用于对所述光波导中的光波进行调制；所述光波导相对于所述射频电极具有第一结构关系，以使所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率相匹配；其中，所述第一结构关系基于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率确定。本申请实施例在不改变电光调制器的组分的前提下，基于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率确定第一结构关系，并基于第一结构关系对所述光波导和所述射频电极进行调整，从而使得光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率相匹配。如此，能够同时实现低驱动电压和高调制带宽调制。

应理解，说明书通篇中提到的“本实施例”或“一些实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“本实施例”或“一些实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电光调制器，其特征在于，包括：射频电极和光波导；其中，

所述射频电极包括第一电极和第二电极，所述光波导位于所述第一电极和所述第二电极之间；所述射频电极用于对所述光波导中的光波进行调制；

所述光波导相对于所述射频电极具有第一结构关系，以使所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率相匹配；其中，所述第一结构关系基于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率确定。

2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述第一结构关系，包括以下至少之一：

所述光波导的物理长度与所述射频电极的轴向长度的比值等于所述光波导的群折射率和所述射频电极的群折射率比值的平方；

所述光波导在所述射频电极的轴向的投影长度与所述射频电极的轴向长度相等；

所述光波导的物理长度大于所述光波导在所述射频电极的轴向的投影长度。

3.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，还包括：

位于所述第一电极和所述第二电极之间的有源区；

所述有源区和所述射频电极共同用于对所述光波导中的光波进行调制。

4.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，

所述光波导的群折射率小于所述射频电极的群折射率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电光调制器，其特征在于，

所述光波导相对于所述射频电极的第一结构关系满足阻抗匹配的要求。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的电光调制器，其特征在于，

所述光波导为连续且不交叠的折线形波导；或者，

所述光波导为连续且不交叠的曲线形波导。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的电光调制器，其特征在于，

所述射频电极为连续的直线电极。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的电光调制器，其特征在于，

所述射频电极为行波电极或分布式电极。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的电光调制器，其特征在于，

所述光波导包括以下至少之一：条波导、脊波导和平板波导。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的电光调制器，其特征在于，

所述光波导的输入端和输出端位于所述电光调制器的同一侧；或者，

所述光波导的输入端和输出端位于所述电光调制器的不同侧。

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