CN113031316A - 一种基于谷光子晶体波导的电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于谷光子晶体波导的电光调制器。本发明的电光调制器光学结构通过采用谷光子晶体波导将入射波导、3‑dB分光器、合束器、参考臂波导、调制臂波导和出射波导集成在同一个平台上面。得益于谷光子晶体的拓扑保护性质，采用蜂窝状空气柱结构的全介质谷光子晶体波导，具有单向传输特性和对扰动、缺陷、尖锐转角的鲁棒性，既能实现高效率、低损耗的光传输，又能避免制作加工带来的缺陷、误差的影响。调制器采用行波电极电学结构。整个调制器结构紧凑，具有调制带宽高、损耗低、高消光比等特性，可以适应现代光通信和光集成、光互连系统的发展需求。
Description
技术领域
本发明设计光通信、光电子技术领域，具体涉及一种基于谷光子晶体的电光调制器。
背景技术
电光调制器是完成电信号转换成光信号的器件，它的结构主要包括光学结构和电学结构两部分。光学结构主要负责光信号的传输，电学结构主要负责将电信号的变化反应到光信号通路上，引起介质材料的物理特性发生变化，进一步使得光信号发生特定的变化，以此达到电信号到光信号的转换的目的。电光调制器在通信网络和光集成互连系统得到广泛应用。
早期的调制器大多采用传统条形波导组成，但是光波在传统条形波导种的传播常数变化太小，为了使调制器得到足够的相位变化，往往需要增大波导的长度。同时，为了减少光波在弯曲波导处的辐射损耗，往往也需要增大波导的尺寸。这些固有缺陷使得电光调制器很难在一小块芯片上集成。
普通光子晶体具有慢光效应，可以增强光与物质的相互作用。采用普通光子晶体的电光调制器可以极大地调制区域的长度，可以进一步减少传输过程中的损耗。但是光子晶体具有侧向散射，使得光波在弯曲处仍然会产生严重的辐射损耗。其次，在器件的制备加工过程中，不可避免地会出现误差，形成结构缺陷，这将使得光在传输过程中产生严重的后向散射，最终将导致调制器性能的降低。目前，绝大多数基于普通光子晶体的电光调制器主要在调制臂和参考臂处使用光子晶体波导代替，而对于分束器、合束器等其他部分仍然采用普通条形波导实现，器件整体尺寸依然较大。尽管Zhang[文献1.A Y Z,A H T,A D Y,etal.Ultra-compact low-voltage and slow-light MZI electro-optic modulator basedon monolithically integrated photonic crystal[J].Optics Communications,2014,315(6):138-146.]在2014年提出了基于普通光子晶体的分束器和合束器，需要在转角处调整空气柱的尺寸或位移等，在一定程度提高了分光和合光的透射率。但是，这种调整不仅增加了结构设计的复杂度，还提高了加工误差带来缺陷的可能性。
发明内容
本发明在于解决上述存在的技术缺点，提供了一种基于谷光子晶体波导的电光调制器，该调整器既能实现高效率的光传输行为，又能免于加工误差等固有缺陷的影响。
本发明在光学谷霍尔效应的理论基础下，采用二维谷光子晶体设计了入射波导、分束器、合束器、参考臂波导、调制臂波导和出射波导，最终提出了将这六部分集成在一起构成的高性能电光调制器。其中，分束器和合束器通过参考臂波导和调制器波导连接在一起，光波通过分束器分成两束相同的光分别进入参考臂和调制臂波导，基于等离子色散效应，两束光产生相位差，然后通过合束器后干涉合成一束光。
所述的谷光子晶体有空气柱在硅板上呈蜂窝状晶格方式周期性排列而成，原胞由两个直径不同的圆柱孔组成。通过调节光子谷光子晶体原胞中两个空气柱的直径大小，破缺六方晶格的空间对称性，可以打开能带结构中的狄拉克点，实现拓扑相变。将具有不同拓扑性质的谷光子晶体拼接在一起就构成了所述的拓扑光波导。
所述的谷光子晶体分束器结构是由两条倾斜波导与一条水平波导呈60°集成而成，分束器整体呈“→”型结构。水平波导是为实现光波的输入，两条倾斜波导是为了将入射光波分离成两束光，分别进入参考臂和调制臂波导中。
所述的谷光子晶体分束器结构是由两条倾斜波导与一条水平波导呈60°集成而成，分束器整体呈“←”型结构。两条倾斜波导是为了实现两路光束的输入，水平波导是为将两束光合在一起。
相比于传统波导构成的电光调制器，所述的基于谷光子晶体波导的电光调制器具有以下有点：
1)光传输效率高：基于谷光子晶体波导的电光调制器受到拓扑保护，其边界态可以沿着界面单向传输，无后向散射损耗。
2)具有鲁棒性：基于谷光子晶体波导的电光调制器，对加工缺陷、尖锐转角等具有鲁棒性。
3)高效的分光、合光能力：基于谷光子晶体的分束器和合束器具有天然的分光和合光能力，分光和合光的效率接近50％和100％。
4)宽带宽：本发明的电光调制器可以稳定地工作在以通信波长1550nm为中心的138nm波长范围内。
5)结构紧凑：基于谷光子晶体波导的电光调制器将入射波导、分束器、合束器、参考臂波导、调制臂波导、出射波导全部集成在一起，整体尺寸只有微米级别。
6)实用范围广：基于麦克斯韦方程和尺寸伸缩效应，通过调节结构尺寸参数，可以使得调制器工作在任意波长。
附图说明
图1为谷光子晶体调制器结构示意图。
图2为谷光子晶体调制器透射率随调制电压的关系曲线。
图3为谷光子晶体调制器在无调制电压(U＝0V)下的场分布图。
图4为谷光子晶体调制器在半波电压(U＝1.11V)下的场分布图。
具体实施方式
如图1所示，基于谷光子晶体波导的电光调制器将入射波导、分束器、合束器、参考臂波导、调制臂波导和出射波导集成在一起来实现的。
拓扑光波导由两种具有不同拓扑性质的谷光子晶体拼接在一起构成，拼接方式不同而存在两种不同的边界，分别记为DWS和DWL，两种波导支持的模式也不相同。本发明的基于谷光子晶体的电光调制器在分束器和合束器附近同时存在DWS和DWL两种边界，为了避免DWL边界对调制器功能的影响，我们需要选择合适的工作频段范围。为了增大调制器的工作频段范围，通过增大菱形原胞中两个空气柱的半径差Δδ＝|r1-r2|，可以使得DWS和DWL支持的边界态模式尽可能的分离。晶格常数a＝430nm，原胞中小空气柱半径r1＝0.11a，大空气柱半径r2＝0.32a。背景材料采用常见的硅材料，介电常数为11.7。本发明的电光调制器选择工作在0.261～0.292c/a频段范围内，在该波段范围内，只有DWS边界态可以通过，而DWL边界态不能通过。
本发明采用反向pn结结构，黄色区域表示施加电信号的电极，一端接高电位，一端接低电位。在电极附近的区域，对硅材料进行重掺杂，保证硅与金属电极之间形成良好的欧姆接触。以中心拓扑波导为界分别进行P型和N型掺杂，均为轻掺杂且P区掺杂载流子浓度高于N区。
本文采用时域有限差分方法仿真分析了在施加不同偏置电压时参考臂和调制臂的相位变化情况。仿真分析过程中，采用中心频率为1550nm的高斯光信号，通过检测调制器参考臂和调制臂干涉后的电场变化来观察相位的变化趋势。如图2为谷光子晶体电光调制器输出端口输出光波透射率随调制电压的变化关系，当施加的调制电压为0V、1.11V时，相应的参考臂和调制臂之间的相位差
为0、π。图3为调制电压等于0V时，谷光子晶体电光调制器的场分布图，可以看出：(一)光波在急剧转角处可以高效地通过，无后向散射和侧向散射；(2)谷光子晶体分束器和合束器实现了非常理想的分光和合光效果。图4为调制电压为1.11V时，谷光子晶体调制器的场分布图。此时，参考臂与调制臂之间的相位变化为π，两束光经合束器后发生干涉相消。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于谷光子晶体波导的电光调制器，组成该调制器的所有部分均是在介质背景空气孔中采用谷光子晶体构成，其中包括谷光子晶体波导分束器、谷光子晶体波导合束器、谷光子晶体参考臂波导、谷光子晶体调制臂波导。
2.根据权力要求1所述的一种基于谷光子晶体波导的电光调制器，其特征在于：所述的分束器和合束器均采用多条谷光子晶体波导成60°集成而成，分束器和合束器呈箭头“→”和“←”型结构。
3.根据权力要求1所述的一种基于谷光子晶体波导的电光调制器，其特征在于：所述的谷光子晶体波导采用蜂窝状晶格结构，背景材料采用介质材料，圆柱材料为空气。
4.根据权力要求1所述的一种基于谷光子晶体波导的电光调制器，其特征在于：所述的拓扑光波导是基于光学谷霍尔效应，由两个具有不同拓扑性质的谷光子晶体拼接组合而成。第一种谷光子晶体其特征是单元内空气柱差Δδ＝r1-r2<0，第二种谷光子晶体其特征是单元内空气柱差Δδ>0，分别记为VPC_和VPC+。
5.根据权力要求1或4所述的一种基于谷光子晶体波导的电光调制器，其特征在于：由于拼接方式的不同，存在两种不同的拓扑光波导。第一种拓扑波导是VPC_在上，VPC+在下；第二种拓扑波导是VPC+在上，VPC_在下。
6.根据权力要求1所述的一种基于谷光子晶体波导的电光调制器，其特征在于：电光调制器的电学结构采用行波电极。
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