CN112596276A - 一种偏振不敏感相位调制器及调制方法 - Google Patents

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李淼峰
王磊
陈代高
胡晓
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Wuhan Optical Valley Information Optoelectronic Innovation Center Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种偏振不敏感相位调制器及调制方法，涉及光通信器件技术领域，该偏振不敏感相位调制器包括：脊型波导，包括平板波导和调制波导，平板波导上设有GSG行波电极结构；偏振分束器，用于将输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，并将第一模式偏振光输出至一个调制波导；第一偏振旋转器，用于入射该第二模式偏振光，并输出第一模式偏振光至另一个调制波导；S电极用于对两个调制波导内的偏振光产生相同的相移；第二偏振旋转器，用于入射相移后的一个第一模式偏振光，并输出第二模式偏振光；偏振合束器，用于将第一模式偏振光和第二模式偏振光进行合束。本申请，进行相位调制时，不仅具有偏振不敏感的效果，还具有较高的调制效率。

Description

一种偏振不敏感相位调制器及调制方法
技术领域
本申请涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种偏振不敏感相位调制器及调制方法。
背景技术
目前，硅基光子学平台作为集成光学平台，由于其与CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺兼容，具有高折射率差，使得硅基光子学平台具有易于大规模制作及易于集成两大优势。硅本身是中心对称的晶体结构，因此硅没有线性电光效应，而线性电光效应是目前高性能光调制器所需的。
相关技术中，硅基调制器需要依靠等离子体色散效应，并利用离子注入形成PN结的方式实现，通过改变PN结的载流子浓度来改变硅波导的折射率，进而实现对光波振幅的调制。
但是，由于SOI(Silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)波导的结构特性，横电TE模和横磁TM模在硅波导中的模场分别具有较大的差异，因此，硅基调制器难以实现偏振不敏感的调制效果。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷之一，本申请的目的在于提供一种偏振不敏感相位调制器及调制方法，以解决相关技术中硅基调制器难以实现偏振不敏感的相位调制效果的问题。
本申请第一方面提供一种偏振不敏感相位调制器，其包括：
脊型波导，其包括平板波导和位于平板波导表面的两个互相平行的调制波导，上述平板波导上设有GSG行波电极结构，每组相邻G电极和S电极之间均设置一个上述调制波导；
偏振分束器，用于将输入波导的输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，并将第一模式偏振光输出至一个调制波导；
第一偏振旋转器，其用于入射该第二模式偏振光，并输出第一模式偏振光至另一个调制波导；上述S电极用于加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移；
第二偏振旋转器，其用于入射相移后的一个第一模式偏振光，并输出第二模式偏振光；
偏振合束器，其用于将相移后的另一个第一模式偏振光和第二偏振旋转器输出的第二模式偏振光进行合束。
一些实施例中，两个上述调制波导分别为第一调制波导和第二调制波导，上述第一偏振旋转器设置于上述偏振分束器与第二调制波导之间，上述第二偏振旋转器位于上述第一调制波导与偏振合束器之间。
一些实施例中，两个上述调制波导分别与偏振合束器之间设有热相移器，每个热相移器分别用于补偿一个调制波导上的初始相位。
一些实施例中，上述脊型波导上掺杂形成第一P型重掺区、第一P型轻掺区、第一N型轻掺区、N型重掺区、第二N型轻掺区、第二P型轻掺区和第二P型重掺区；
上述第一P型轻掺区位于第一P型重掺区和第一N型轻掺区之间，且与第一N型轻掺区相接触形成第一PN结；
上述第二P型轻掺区位于第二N型轻掺区和第二P型重掺区之间，且与第二N型轻掺区相接触形成第二PN结；
上述N型重掺区位于第一N型轻掺区和第二N型轻掺区之间，且N型重掺区与S电极形成欧姆接触，两个上述G电极分别与第一P型重掺区和第二P型重掺区形成欧姆接触。
一些实施例中，上述第一PN结和上述第二PN结分别位于两个调制波导的中间位置。
一些实施例中，上述GSG行波电极结构包括相互平行间隔设置的第一金属电极、第二金属电极和第三金属电极，上述第二金属电极为位于中间的S电极。
一些实施例中，上述平板波导远离GSG行波电极结构的一侧设有衬底层，上述衬底层包括靠近平板波导的二氧化硅衬底和远离平板波导的硅衬底。
一些实施例中，上述平板波导远离衬底层的一侧设有二氧化硅覆盖层，上述GSG行波电极结构伸出上述二氧化硅覆盖层。
一些实施例中，上述第一模式偏振光为TE偏振光，上述第二模式偏振光为TM偏振光。
本申请第二方面提供一种基于上述的偏振不敏感相位调制器的调制方法，其包括步骤：
偏振分束器将输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，并将第一模式偏振光输出至一个调制波导；
第一偏振旋转器将偏振分束器入射的第二模式偏振光旋转，输出第一模式偏振光至另一个调制波导；
平板波导上的GSG行波电极结构的S电极加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移；
第二偏振旋转器将相移后的一个第一模式偏振光旋转，并输出第二模式偏振光；
偏振合束器将相移后的另一个第一模式偏振光和第二偏振旋转器输出的第二模式偏振光进行合束。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请的偏振不敏感相位调制器及调制方法，偏振分束器可将输入波导的输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，第一偏振旋转器可将偏振分束器输出的第二模式偏振光旋转并输出第一模式偏振光，使两个调制波导同时入射第一模式偏振光，并在S电极加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移，然后将相移后一个第一模式偏振光通过第二偏振旋转器旋转并输出第二模式偏振光，与相移后的另一个第一模式偏振光合束，完成调制过程，使得该调制器获得偏振不敏感的效果，且两个调制波导为并联结构，不会对射频信号产生分压效果，具有较高的调制效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中偏振不敏感相位调制器的结构示意图；
图2为图1中A-A截面示意图；
图3为本申请实施例中调制方法的流程图。
附图标记：
1、输入波导；2、偏振分束器；3、第一偏振旋转器；
4、脊型波导；40、平板波导；411、第一P型重掺区；412、第一P型轻掺区；413、第一N型轻掺区；414、N型重掺区；415、第二N型轻掺区；416、第二P型轻掺区；417、第二P型重掺区；421、第一金属电极；422、第二金属电极；423、第三金属电极；431、二氧化硅衬底；432、硅衬底；433、二氧化硅覆盖层；44、第一调制波导；45、第二调制波导；
5、第二偏振旋转器；6、偏振合束器；7、第一热相移器；8、第二热相移器；9、输出波导。
具体实施方式
为了使本申请的目的、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。应当理解，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请实施例提供了一种偏振不敏感相位调制器及调制方法，其能解决相关技术中硅基调制器难以实现偏振不敏感的相位调制效果问题。
如图1和图2所示，本申请实施例的偏振不敏感相位调制器，其包括输入波导1、偏振分束器2、第一偏振旋转器3、脊型波导4、第二偏振旋转器5和偏振合束器6。
脊型波导4包括平板波导40和位于平板波导40表面的两个互相平行的调制波导，平板波导40上设有GSG(Ground-Signal-Ground，地-信号-地)行波电极结构，每组相邻G电极和S电极之间均设置一个上述调制波导，且两个上述调制波导对称位于S电极的两侧。
偏振分束器2用于将输入波导1的输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，并将第一模式偏振光输出至其中一个调制波导。
第一偏振旋转器3设置在偏振分束器2与平板波导40之间，该第一偏振旋转器3用于入射偏振分束器2输出的第二模式偏振光，并对第二模式偏振光旋转后输出第一模式偏振光至另一个调制波导。
上述S电极用于加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移。
第二偏振旋转器5设置在平板波导40与偏振合束器6之间，该第二偏振旋转器5用于入射相移后的一个第一模式偏振光，并对该第一模式偏振光旋转后输出第二模式偏振光至偏振合束器6。
偏振合束器6用于将相移后的另一个第一模式偏振光和第二偏振旋转器5输出的第二模式偏振光进行合束，然后输出至输出波导9。
本实施例的偏振不敏感相位调制器，第一偏振旋转器可将偏振分束器输出的第二模式偏振光旋转并输出第一模式偏振光，使两个调制波导同时入射第一模式偏振光，并在S电极加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移，然后将相移后一个第一模式偏振光通过第二偏振旋转器旋转并输出第二模式偏振光，与相移后的另一个第一模式偏振光合束，完成调制过程，使得该调制器获得偏振不敏感的效果，且两个调制波导为并联结构，不会对射频信号产生分压效果，具有较高的调制效率。
本实施例中，两个上述调制波导分别为第一调制波导44和第二调制波导45，上述第一偏振旋转器3设置于上述偏振分束器2与第二调制波导45之间，上述第二偏振旋转器5位于上述第一调制波导44与偏振合束器6之间。
上述第一模式偏振光为横电TE偏振光，上述第二模式偏振光为横磁TM偏振光。
通过将第一偏振旋转器3和第二偏振旋转器5分别置于第二调制波导45的入射端和第一调制波导44的出射端，可以使得两个偏振态经过第一偏振旋转器3和第二偏振旋转器5产生的光学损耗相互抵消，实现损耗均衡的效果。
进一步地，两个上述调制波导分别与偏振合束器6之间设有热相移器，每个热相移器分别用于补偿一个调制波导上的初始相位。
本实施例中，由于波导的制备工艺等原因导致两个调制波导的初始相位可能会有差异，因此，可根据实际情况通过热相移器对调制波导的初始相位进行补偿，一方面可弥补工艺上的误差，另一方面还可使调制波导工作于特定的工作点。
其中，两个热相移器分别为第一热相移器7和第二热相移器8，上述第一热相移器7位于上述第一调制波导44与第二偏振旋转器5之间，上述第二热相移器8位于上述第二调制波导45与偏振合束器6之间，因此，第一热相移器7用于补偿第一调制波导44上的初始相位，第二热相移器8用于补偿第二调制波导45上的初始相位。
本实施例中，上述脊型波导4上掺杂形成第一P型重掺区411、第一P型轻掺区412、第一N型轻掺区413、N型重掺区414、第二N型轻掺区415、第二P型轻掺区416和第二P型重掺区417。
上述第一P型轻掺区412位于第一P型重掺区411和第一N型轻掺区413之间，且第一P型轻掺区412与第一N型轻掺区413相接触形成第一PN结。
上述第二P型轻掺区416位于第二N型轻掺区415和第二P型重掺区417之间，且第二P型轻掺区416与第二N型轻掺区415相接触形成第二PN结。
上述N型重掺区414位于第一N型轻掺区413和第二N型轻掺区415之间，且N型重掺区414与S电极形成欧姆接触，两个上述G电极分别与第一P型重掺区411和第二P型重掺区417形成欧姆接触。
本实施例中，上述第一PN结和上述第二PN结分别位于两个调制波导的中间位置。
其中，第一调制波导44包括部分第一P型轻掺区412与部分第一N型轻掺区413，第一调制波导44的中间位置形成上述第一PN结；第二调制波导45包括部分第二P型轻掺区416与部分第二N型轻掺区415，第二调制波导45的中间位置形成上述第二PN结。
可选地，上述脊型波导4由波导层刻蚀形成，即波导层的厚度为平板波导40下表面至调制波导上表面的距离。波导层通过表面刻蚀后形成调制波导和平板波导40，然后通过掺杂工艺形成各掺杂区。
进一步地，上述GSG行波电极结构包括相互平行间隔设置的第一金属电极421、第二金属电极422和第三金属电极423。其中，第一金属电极421和第三金属电极423之间通过导线连接，且第一金属电极与第一P型重掺区411形成欧姆接触，第三金属电极与第二P型重掺区417形成欧姆接触。
上述第二金属电极422为位于中间的S电极，上述第二金属电极422上施加一定正电压后，使第一PN结和第二PN结处于反偏状态。然后，在第二金属电极422上加载射频信号，即可对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移。
本实施例中，上述平板波导40远离GSG行波电极结构的一侧设有衬底层，上述衬底层包括靠近平板波导40的二氧化硅衬底431和远离平板波导40的硅衬底432。其中，硅衬底432的厚度远大于二氧化硅衬底431的厚度。
进一步地，上述平板波导40远离衬底层的一侧设有二氧化硅覆盖层433，上述GSG行波电极结构伸出上述二氧化硅覆盖层433。
如图3所示，本实施例的基于上述偏振不敏感相位调制器的调制方法，其包括步骤：
S1.偏振分束器2将输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，并将第一模式偏振光输出至一个调制波导。
S2.第一偏振旋转器3将偏振分束器2入射的第二模式偏振光旋转，输出第一模式偏振光至另一个调制波导。
S3.平板波导40上的GSG行波电极结构的S电极加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移。
S4.第二偏振旋转器5将相移后的一个第一模式偏振光旋转，并输出第二模式偏振光。
S5.上述偏振合束器6将相移后的另一个第一模式偏振光和第二偏振旋转器5输出的第二模式偏振光进行合束，然后即可输出至输出波导9。
其中，偏振分束器2、第一偏振旋转器3、平板波导40、第二偏振旋转器5和偏振合束器6之间的光路均通过连接波导形成光连接通道。
本实施例中，两个上述调制波导分别为第一调制波导44和第二调制波导45，第一模式偏振光为TE偏振光，第二模式偏振光为TM偏振光。
其中，偏振分束器2输出的TE偏振光输入至第一调制波导44，第一偏振旋转器3将偏振分束器2输出的TM偏振光旋转，并输出TE偏振光输入至第二调制波导45。两个调制波导内的TE偏振光经过相同的相移后，第一调制波导44输出的TE偏振光经过第二偏振旋转器5旋转并输出TM偏振光，随后即可与第二调制波导45输出的TE偏振光进行合束。
本实施例的调制方法，适用于上述各偏振不敏感相位调制器，通过在S电极上施加一定强度的正电压后，使得两个调制波导中的PN都处于反偏状态，进而可对两个调制波导内的偏振态产生相同的相移，实现两个偏振态的调制均衡、损耗均衡和调制效率高的优势。
本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种偏振不敏感相位调制器，其特征在于，其包括：
脊型波导(4)，其包括平板波导(40)和位于平板波导(40)表面的两个互相平行的调制波导，所述平板波导(40)上设有GSG行波电极结构，每组相邻G电极和S电极之间均设置一个所述调制波导；
偏振分束器(2)，用于将输入波导(1)的输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，并将第一模式偏振光输出至一个调制波导；
第一偏振旋转器(3)，其用于入射该第二模式偏振光，并输出第一模式偏振光至另一个调制波导；所述S电极用于加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移；
第二偏振旋转器(5)，其用于入射相移后的一个第一模式偏振光，并输出第二模式偏振光；
偏振合束器(6)，其用于将相移后的另一个第一模式偏振光和第二偏振旋转器(5)输出的第二模式偏振光进行合束。
2.如权利要求1所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：两个所述调制波导分别为第一调制波导(44)和第二调制波导(45)，所述第一偏振旋转器(3)设置于所述偏振分束器(2)与第二调制波导(45)之间，所述第二偏振旋转器(5)位于所述第一调制波导(44)与偏振合束器(6)之间。
3.如权利要求2所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：两个所述调制波导分别与偏振合束器(6)之间设有热相移器，每个热相移器分别用于补偿一个调制波导上的初始相位。
4.如权利要求1所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：
所述脊型波导上掺杂形成第一P型重掺区(411)、第一P型轻掺区(412)、第一N型轻掺区(413)、N型重掺区(414)、第二N型轻掺区(415)、第二P型轻掺区(416)和第二P型重掺区(417)；
所述第一P型轻掺区(412)位于第一P型重掺区(411)和第一N型轻掺区(413)之间，且与第一N型轻掺区(413)相接触形成第一PN结；
所述第二P型轻掺区(416)位于第二N型轻掺区(415)和第二P型重掺区(417)之间，且与第二N型轻掺区(415)相接触形成第二PN结；
所述N型重掺区(414)位于第一N型轻掺区(413)和第二N型轻掺区(415)之间，且N型重掺区(414)与S电极形成欧姆接触，两个所述G电极分别与第一P型重掺区(411)和第二P型重掺区(417)形成欧姆接触。
5.如权利要求4所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：所述第一PN结和所述第二PN结分别位于两个调制波导的中间位置。
6.如权利要求5所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：所述GSG行波电极结构包括相互平行间隔设置的第一金属电极(421)、第二金属电极(422)和第三金属电极(423)，所述第二金属电极(422)为位于中间的S电极。
7.如权利要求1所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：所述平板波导(40)远离GSG行波电极结构的一侧设有衬底层，所述衬底层包括靠近平板波导(40)的二氧化硅衬底(431)和远离平板波导(40)的硅衬底(432)。
8.如权利要求7所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：所述平板波导(40)远离衬底层的一侧设有二氧化硅覆盖层(433)，所述GSG行波电极结构伸出所述二氧化硅覆盖层(433)。
9.如权利要求1所述的偏振不敏感相位调制器，其特征在于：
所述第一模式偏振光为TE偏振光，所述第二模式偏振光为TM偏振光。
10.一种基于权利要求1所述的偏振不敏感相位调制器的调制方法，其特征在于，其包括步骤：
偏振分束器(2)将输入光波分成第一模式偏振光和第二模式偏振光，并将第一模式偏振光输出至一个调制波导；
第一偏振旋转器(3)将偏振分束器(2)入射的第二模式偏振光旋转，输出第一模式偏振光至另一个调制波导；
平板波导(40)上的GSG行波电极结构的S电极加载射频信号后，对两个调制波导内的第一模式偏振光产生相同的相移；
第二偏振旋转器(5)将相移后的一个第一模式偏振光旋转，并输出第二模式偏振光；
偏振合束器(6)将相移后的另一个第一模式偏振光和第二偏振旋转器(5)输出的第二模式偏振光进行合束。
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