CN112711146A - 一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，包括一体成型的第一干涉臂(1)、第二干涉臂(2)、第一耦合器(3)及第二耦合器(4)，第一耦合器(3)及第二耦合器(4)分别形成在第一干涉臂(1)、第二干涉臂(2)的两端，第一干涉臂(1)、第二干涉臂(2)沿长度方向均至少包括互易波导、非互易波导和调谐波导，其中：第一干涉臂(1)的互易波导与第二干涉臂(2)的互易波导长度不同；非互易波导包括磁光波导和第一铌酸锂波导，磁光波导和铌酸锂波导沿宽度方向并排形成；调谐波导包括第二铌酸锂波导和金属电极(5)，金属电极(5)形成在铌酸锂波导的两侧。本发明具有隔离度高，波长调谐范围大，驱动电压低等优点。

Description

一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器
技术领域
本发明涉及微纳光电子学集成技术领域，具体涉及一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器。
背景技术
随着信息时代的发展，为了更好地满足其“爆炸式增长”的信息传输需要，对于光纤通信模块、链路和系统的性能要求也在逐步提升。在光路中，由于种种原因会产生与正向传输光方向相反的反射光，例如当光耦合进入光纤时，由于连接器和熔接点的存在，将会在这些端面和点处产生与原传输方向相反的反射光。反射波的光子回到器件之中时，其与半导体材料进行二次作用，干扰了发光材料的正常载流子分布，导致光路系统间产生自耦合效应和自激励效应，造成其他波长和模式光的产生，破坏传输稳定性并给器件带来各种不良影响：对于直调激光器，反射波会给激光带来啁啾，导致光源信号的剧烈波动，从而导致调制带宽下降，十分不利于高速信号的长距离传输，严重时甚至会烧毁激光器；对于光纤放大器，反射波的存在会增加噪声强度，从而使传输信噪比降低；对于模拟信号传输系统，本身抗电磁波干扰能力就较差，反射波会严重影响通信质量；对于相干光通信系统而言，反射波会增加载波信号的光谱宽度并带来频率漂移，使系统无法满足外差法的条件从而不能正常工作。
光隔离器是使光信号只允许沿一个方向传播并能阻挡反射光的器件，又叫光单向器，类似于电路中的“二极管”，能够用来防止光路中由于各种原因产生的反射光给正向传输光带来的不良影响。因此光通信系统需要在这些端口处加入隔离器，这样能够有效地稳定系统的正常工作，从而保证信号的传输质量。衡量光隔离器性能的指标包括插入损耗、反向隔离度、回波损耗、3dB隔离度带宽、通带带宽、偏振相关损耗、温度特性等，为了能够使光隔离器在系统中发挥更好的效果，高反向隔离度、高工作带宽、高回波损耗、高稳定性和可靠性、低插入损耗等特性是光隔离器的主要发展方向。
铌酸锂具有优良的电光系数，当入射光强度较小时，晶体的电极化强度与入射光场强可以用线性关系描述。在强光作用下，介质的电极化强度和入射光场强成幂级数关系，幂级数的高次项不能被忽略，这表示光入射到介质中时会产生新的频率辐射。基于铌酸锂优良的光学特性，可以实现入射光的倍频、和频、差频以及参量振荡等光学效应。目前，用铌酸锂体材料制备的光学器件已经实现了商用，但是这些器件都具有器件尺寸大和集成度低的缺点，迫切需要类似绝缘体上硅薄膜(Silicon on Insulator，SOI)结构的集成光学平台实现多功能器件的片上集成。
近年来随着微纳光电子学的进步，使光电子器件正朝着小型化、集成化的方向发展，更让人们看到了光通讯系统在片上集成方面的发展前景，实现光电融合这一目标指日可待。但由于缺乏一种有效且实用的光隔离器的集成方法，目前复杂的有源器件在光子集成芯片上的集成也受到了阻碍。
目前采用马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)结构的非互易相移型片上波导光隔离器在Si、SiN等平台已被验证具有较好的效果，因此可在铌酸锂平台采用类似的结构进行光隔离器的设计。同时铌酸锂和磁光材料(Ce：YIG)具有非常相近的折射率，可以实现波导之间的高效耦合。但由于MZI结构的器件具有比较窄的工作带宽，同时为了实现相位匹配，需要极高的加工精度。因此，带有波长调谐功能的光隔离器，既可以改变器件工作的中心波长，同时可以弥补器件制造过程中的加工误差，具有更广泛的实用性和易用性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，用于至少部分解决传统光隔离器反向隔离度低、中心波长不可调谐等技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，包括一体成型的第一干涉臂1、第二干涉臂2、第一耦合器3及第二耦合器4，第一耦合器3及第二耦合器4分别形成在第一干涉臂1、第二干涉臂2的两端，第一干涉臂1、第二干涉臂2沿长度方向均至少包括互易波导、非互易波导和调谐波导，其中：第一干涉臂1的互易波导与第二干涉臂2的互易波导长度不同；非互易波导包括磁光波导和第一铌酸锂波导，磁光波导和铌酸锂波导沿宽度方向并排形成；调谐波导包括第二铌酸锂波导和金属电极5，金属电极5形成在铌酸锂波导的两侧。
进一步地，第一干涉臂1与第二干涉臂2中互易波导的长度之差使两束光产生π/2+2mπ相移，其中m为整数。
进一步地，磁光波导的磁光材料为具有大法拉第系数的磁致旋光材料，包括掺杂型稀土铁石榴石材料。
进一步地，磁光材料为铈掺杂钇铁石榴石。
进一步地，光隔离器的下包层为氧化硅材料，衬底为铌酸锂材料，上包层为空气、氧化硅材料或其他折射率小于铌酸锂的半导体材料。
进一步地，第一耦合器3和第二耦合器4为铌酸锂条形波导，其中第一耦合器3将正向传输的光分成两路相同的两束光，第二耦合器4将两束光合成一束光，并经过其输出端输出。
进一步地，第一耦合器3和第二耦合器4包括1×2定向耦合器、Y型波导耦合器、1×2多模干涉耦合器。
进一步地，调谐波导的长度大于200μm。
进一步地，金属电极5位于铌酸锂波导的两侧，与铌酸锂波导间隔开。
进一步地，金属电极5的材料包括Ni、Ag、Al、Cu、Pt、Au、Ti、Pt-Au、Pt-Al、Ti-Al。
(三)有益效果
本发明提供的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，通过在铌酸锂波导上利用磁光材料实现了较大程度的光隔离；通过给调谐波导加载驱动电压，可以改变铌酸锂波导的折射率，从而实现改变光的传输相位，从而改变器件反向光干涉相消点的位置，实现中心波长的调谐，同时也可以用于补偿加工过程中的产生制造误差，实现更加精确的相位匹配。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器的结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器中互易波导结构图；
图3示意性示出了根据本发明实施例具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器中非互易波导结构截面图；
图4示意性示出了根据本发明实施例具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器中调谐波导结构截面图；
图5示意性示出了根据本发明实施例具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器中正反向光透过率的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本公开的实施例提供了一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，请参见图1，包括一体成型的第一干涉臂1、第二干涉臂2、第一耦合器3及第二耦合器4，第一耦合器3及第二耦合器4分别形成在第一干涉臂1、第二干涉臂2的两端，第一干涉臂1、第二干涉臂2沿长度方向均至少包括互易波导、非互易波导和调谐波导，其中：第一干涉臂1的互易波导与第二干涉臂2的互易波导长度不同；非互易波导包括磁光波导和第一铌酸锂波导，磁光波导和铌酸锂波导沿宽度方向并排形成；调谐波导包括第二铌酸锂波导和金属电极5，金属电极5形成在铌酸锂波导的两侧。
该波长调谐铌酸锂光隔离器包括第一3dB耦合器3，第一干涉臂1，第二干涉臂2和第二3dB耦合器4，第一干涉臂1，第二干涉臂2均包括互易波导11、21，非互易波导12、22，以及调谐波导13、23，第一干涉臂1与第二干涉臂2相互隔离。器件主体大致呈纺锤棒形，第一3dB耦合器3和第二3dB耦合器4分别位于纺锤棒型的两端，第一干涉臂1和第二干涉臂2分别位于纺锤棒型的两侧。该器件整体设置于二氧化硅或其他材料形成的下包层上。正向传输的横电场模光从输入端进入第一3dB耦合器3，被分为功率和相位相等的两束光，分别进入第一干涉臂1和第二干涉臂2，最后经过第二3dB耦合器4的输出端输出。互易波导会产生互易相移，非互易波导产生非互易相移。设计两种波导的长度使第一干涉臂1和第二干涉臂2的相移在经过3dB耦合器合束时满足正向传输的光干涉相长，反向传输的光干涉相消的条件，就实现了对反向传输光的隔离。
需要说明的是，第一干涉臂1和第二干涉臂2中互易波导的长度不同的实现方式可以是第一干涉臂1中的第一互易波导11呈向外弯曲的曲线状，第二干涉臂2中的第二互易波导21呈直线状，互易波导向外弯曲是指向远离第二干涉臂2的方向弯曲，互易波导向外弯曲而不向内弯曲有利于减少两干涉臂之间的串扰，同时便于对两干涉臂加载反向磁场。当然，也可以是第二互易波导21呈向外弯曲的曲线状，第一互易波导11呈直线状。
调谐波导13、23包括第二铌酸锂波导和3个金属电极5，金属电极5位于第二铌酸锂波导的两侧，与第二铌酸锂波导间隔一定距离，第二铌酸锂波导包括位于第一干涉臂1上的铌酸锂波导和第二干涉臂2上的铌酸锂波导，整体顺序为金属电极5-铌酸锂波导-金属电极5-铌酸锂波导-金属电极5，通过调节电极的偏置电压，可以改变第二铌酸锂波导的折射率，从而实现改变光的传输相位，从而改变器件反向光干涉相消点的位置，实现中心波长的调谐。这一特点也可以用于补偿加工过程中的产生制造误差，实现更加精确的相位匹配。
这里非互易相移是指光在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的相移的特性，同理，互易相移是指光在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现相同的相移的特性。该铌酸锂波导磁光隔离器中不同方向的传输光经过磁光波导会产生不可逆的非互易相移，经过不等长的铌酸锂干涉臂会产生可逆的互易相移，利用相干光的干涉原理，两种光的互易与非互易相移使正向光相互叠加增强，反向光相互抵消减弱。
在上述实施例的基础上，第一干涉臂1与第二干涉臂2中互易波导的长度之差使两束光产生π/2+2mπ相移，其中m为整数。
这里详细介绍下正向传输的光与反向传输的光经过互易波导与非互易波导的相位具体变化过程。
正向传输的光经过第一3dB耦合器3平均分为相位和强度相等的两束光1，2分别进入第一干涉臂1、第二干涉臂2(假设初始相位均为0)：
经过干涉臂的不等长互易波导后，第一干涉臂1中光的相位变成π/2，第二干涉臂2中光的相位还是0；
经过干涉臂的等长的非互易波导后，第一干涉臂1中光的相位变成π/4，第二干涉臂2中光的相位变成π/4；
第一干涉臂1、第二干涉臂2中正向光的相位差为0，达到光干涉相长的条件，从第二3dB耦合器4高透过率出输出。
反向传输的光经过第二3dB耦合器4平均分为相位和强度相等的两束光1，2分别进入第一干涉臂1、第二干涉臂2(假设初始相位均为0)：
经过干涉臂的等长非互易波导后，第一干涉臂1中光的相位变成π/4，第二干涉臂2中光的相位变成-π/4；
经过干涉臂的非等长的互易波导后，第一干涉臂1中光的相位变成3π/4，第二干涉臂2中光的相位变成-π/4；
第一干涉臂1、第二干涉臂2中反向光的相位差为π，达到光干涉相消的条件，从第一3dB耦合器3低透过率出输出。
当然，这里并不限定于正向传输的光与反向传输的光经过互易波导后只能产生π/2的相移，π/2+2mπ相移均可，其中m为整数。正向传输的光经过互易波导产生不同的相移，经过非互易波导产生相反的相移；反向传输的光经过非互易波导产生相反的相移，经过互易波导产生不同的相移，通过对两段波导相移的设计，使得同时实现正向传输的光相互叠加增强，反向传输的光相互抵消减弱，达到光隔离的效果。
在上述实施例的基础上，磁光波导的磁光材料为具有大法拉第系数的磁致旋光材料，包括掺杂型稀土铁石榴石材料。
法拉第系数代表着磁光材料的旋光性能，系数越大，代表旋光性能，非互易特性越好。掺杂型稀土铁石榴石材料具有低介电损耗，密度高，法拉第系数高的特性。
在上述实施例的基础上，磁光材料为铈掺杂钇铁石榴石。
铌酸锂材料与Ce：YIG材料具有极为相近的折射率，在同样尺寸下两种波导中传输光的模场几乎相同，模场可以进行几乎无损耗的对接，耦合效率高。
在上述实施例的基础上，光隔离器的下包层为氧化硅材料，衬底为铌酸锂材料，上包层为空气、氧化硅材料或其他折射率小于铌酸锂的半导体材料。
该器件上方可以直接为空气，也可以覆盖一层折射率小于铌酸锂的半导体材料，一方面起保护器件的作用，一方面还防止光直接散射到空气中造成部分功率的泄露，提高传输效率。
在上述实施例的基础上，第一耦合器3和第二耦合器4为铌酸锂条形波导，其中第一耦合器3将正向传输的光分成两路相同的两束光，第二耦合器4将两束光合成一束光，并经过其输出端输出。
铌酸锂材料具有较高的电光系数，可以在较短的波导长度下实现低驱动电压且大范围的调谐，调谐性能好。第一3dB耦合器3将正向传输的光分成两路相同的两束光，第二3dB耦合器4将两束光合成一束光，并经过其输出端输出；第二3dB耦合器4将反向传输的光分成两路相同的两束光，第一3dB耦合器3将两束光合成一束光，并经过其输出端输出。
在上述实施例的基础上，第一耦合器3和第二耦合器4包括1×2定向耦合器、Y型波导耦合器、1×2多模干涉耦合器。
耦合器同时起合束和分束的作用，1×2定向耦合器有着极低的插入损耗，但对波长和偏振都有着较高的敏感性，常用于对器件低损耗有较高要求，同时确定传输光的偏振状态，以及稳定波长传输的情形；Y型波导耦合器设计简单、带宽较大，但取决于制作工艺精度，精度不足时锥形区域末端尖角将导致与输出波导之间的模式失配，导致损耗较大，常用于制备工艺精度高，同时需要实现宽带传输的横模情形；1×2多模干涉耦合器性能受结构参数的影响很小，工艺容差大，易于制备，同时偏振相关性小，通过合适的设计能够实现偏振不敏感的光功分器，其缺点是损耗略高，常用于多偏振共同传输或偏振不确定的情形。
在上述实施例的基础上，调谐波导的长度大于200μm。
调谐波导13、23用于调谐隔离器的中心波长，长度根据所需调谐波长和相位决定，通常长度大于200μm有利于实现足够大范围的波长调谐，使器件在更宽的工作波长内的起到高反向隔离的效果。
在上述实施例的基础上，金属电极5位于铌酸锂波导的两侧，与铌酸锂波导间隔开。
金属电极5位于铌酸锂波导的两侧，铌酸锂波导位于两个电极的间距中心，整体顺序为金属电极5-铌酸锂波导-金属电极5-铌酸锂波导-金属电极5，两侧的电极接直流偏置电压，中间的电极接地。
在上述实施例的基础上，金属电极5的材料包括Ni、Ag、Al、Cu、Pt、Au、Ti、Pt-Au、Pt-Al、Ti-Al。
金属电极5的材料可以是单金属材料，也可以是合金材料，常见的导电性能良好的材料均可用作电极材料。
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为该实施例的结构示意图，器件的下包层为氧化硅材料，衬底为X切铌酸锂材料，即异常轴Z方向垂直与光的传播方向，位于波导截面内，并与晶片表面平行。第一3dB耦合器3、第二3dB耦合4器均采用1×2多模干涉耦合器结构。对第一干涉臂1、第二干涉臂2中的非互易波导12、22，分别加载垂直于传播方向，平行于波导平面的相反方向的磁场，可使其产生不同的非互易相移。
实施例工作的中心波长为1550nm，模式为横模基模。
互易波导结构截面如图2所示，互易波导高度为600nm，宽度为800nm。第一干涉臂1、第二干涉臂2中互易波导11、21长度差为4.7μm，产生10.5π的互易相移。
非互易波导12、22结构截面如图3所示，铌酸锂波导宽度为400nm，高度为600nm，Ce：YIG波导在铌酸锂波导旁侧与铌酸锂波导并排放置，宽度为400nm，高度为600nm，两种材料波导共同构成非互易波导。当磁光材料的法拉第旋转角为4500°/cm时，非互易波导的长度为410μm。
调谐波导结构截面如图4所示，铌酸锂波导高度为600nm，宽度为800nm。电极为金材料，高度为900nm，长度为500μm，电极之间的间距均为7μm，铌酸锂波导位于电极间距中心，电极ac接直流偏置电压，b接地。
图5为波长调谐下的正反向光透过率的仿真结果图。可以看到最中间的反向传输曲线为在器件在没有加载波长调谐时的透过率，在中心波长1550nm附近4nm的范围内均能够实现＞30dB隔离度。其余4条反向传输曲线从左到右依次为加载电压为①a：-2V，c：2V；②a：-1V，c：1V；③a：1V，c：-1V；④a：2V，c：-2V；之后的透过率曲线，可以看到曲线的中心波长随加载的偏置电压不同而变化，范围为10nm，实现了低驱动电压的大范围的调谐。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，包括一体成型的第一干涉臂(1)、第二干涉臂(2)、第一耦合器(3)及第二耦合器(4)，所述第一耦合器(3)及第二耦合器(4)分别形成在所述第一干涉臂(1)、第二干涉臂(2)的两端，所述第一干涉臂(1)、第二干涉臂(2)沿长度方向均至少包括互易波导、非互易波导和调谐波导，其中：
所述第一干涉臂(1)的互易波导与第二干涉臂(2)的互易波导长度不同；
所述非互易波导包括磁光波导和第一铌酸锂波导，所述磁光波导和铌酸锂波导沿宽度方向并排形成；
所述调谐波导包括第二铌酸锂波导和金属电极(5)，所述金属电极(5)形成在所述铌酸锂波导的两侧。
2.根据权利要求1所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述第一干涉臂(1)与第二干涉臂(2)中互易波导的长度之差使两束光产生π/2+2mπ相移，其中m为整数。
3.根据权利要求1所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述磁光波导的磁光材料为具有大法拉第系数的磁致旋光材料，包括掺杂型稀土铁石榴石材料。
4.根据权利要求3所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述磁光材料为铈掺杂钇铁石榴石。
5.根据权利要求1所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述光隔离器的下包层为氧化硅材料，衬底为铌酸锂材料，上包层为空气、氧化硅材料或其他折射率小于铌酸锂的半导体材料。
6.根据权利要求1所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述第一耦合器(3)和第二耦合器(4)为铌酸锂条形波导，其中第一耦合器(3)将正向传输的光分成两路相同的两束光，第二耦合器(4)将两束光合成一束光，并经过其输出端输出。
7.根据权利要求6所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述第一耦合器(3)和第二耦合器(4)包括1×2定向耦合器、Y型波导耦合器、1×2多模干涉耦合器。
8.根据权利要求1所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述调谐波导的长度大于200μm。
9.根据权利要求8所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述金属电极(5)位于所述铌酸锂波导的两侧，与铌酸锂波导间隔开。
10.根据权利要求9所述的具有波长调谐功能的铌酸锂光隔离器，其特征在于，所述金属电极(5)的材料包括Ni、Ag、Al、Cu、Pt、Au、Ti、Pt-Au、Pt-Al、Ti-Al。
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