CN113050309A - 一种具有弯曲臂的电光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有弯曲臂的电光调制器，通过弯曲臂环绕电极的设计，缩小了调制器长度，减小电光调制器横纵尺寸比，有利于大规模集成；在不增加器件整体长度的前提下，有效的增长了电光作用区长度，降低了电光调制器半波电压，减小了器件功耗；同时，电极与光波导的长度更易于调节，可有效补偿电极中传输的微波与光波导中传输的光波的群速度失配，提高调制效率。

Description

一种具有弯曲臂的电光调制器
技术领域
本发明涉及现代光通信和集成光学的器件，特别涉及具有弯曲臂的电光调制器。
背景技术
电光调制器是现代光通信和集成光学中的重要器件，其作用是将载有调制信息的电信号转换为光波信号进行传输。铌酸锂材料具有电光系数大、光学透明性好、物理化学性质稳定的特点，是制作电光调制器理想的衬底材料。铌酸锂电光调制器主要由铌酸锂光波导与电极两部分组成，其中光波导包含输入光波导、输出光波导、耦合结构、干涉臂等结构。电极位于干涉臂两侧，电极上施加的电压可改变干涉臂中传输光波的相位，实现对输出光信号的调制，如图1所示。
对于铌酸锂电光调制器来说，半波电压是衡量电光作用效率的一个重要参数，它是指传输光波相位变化为π时对应的电极电压值。半波电压值越低，系统的功耗越低，电光作用效率越高。在其他条件不变的情况下，半波电压值与电光作用区长度成反比，所以降低半波电压的方法是增长电光作用区的长度，最直接的措施是增长电极的长度D及对应的光波导的长度。但是直接增长电极长度D会造成两点不利影响：一是器件的长度L增加，不利于器件的小型化与集成；二是电极长度越长，电极中传输的微波与光波导中传输的光波之间的群速度失配越严重，导致调制效率显著降低。一种常见的改进方案是在电光调制器的一端增加反射结构，光在传播单程后并不会马上输出，而是由反射结构反射向回进行第二次传输。通过这样的方式，在不增加器件尺寸的情况下，电光作用区域的长度增加为原来的两倍，电光调制器的半波电压降为原来的一半。使用该方法可降低的半波电压值有限，且无法解决微波与光波之间的群速度失配问题。
发明内容
本发明提出一种具有弯曲臂的电光调制器，不同于现有电光调制器通过直接增加电极长度或增加二次传输的方式，通过引入弯曲臂的方式来间接增加电极总长度，在不增加器件尺寸的同时有效降低了半波电压，通过弯曲臂的尺寸可调设计，还解决了微波与光波之间的群速度失配问题。
本发明目的通过采用以下技术方案实现：
一种具有弯曲臂的电光调制器，如图2-4所示，包括光波导部分和电极部分，光波导部分包括输入光波导1、耦合器2、波导干涉臂3、4、输出光波导5；输入光波导1通过耦合器2与波导干涉臂的一端相连，输出光波导5通过耦合器2与波导干涉臂的另一端相连；所述电极部分包括信号极6和接地极7，信号极用于传输调制信号，信号极6与接地极7之间形成调制电场；所述波导干涉臂3、4具有至少一个弯曲臂部分，所述电极部分以沿所述弯曲臂环绕或被所述弯曲臂环绕的方式进行设置。
更进一步的，耦合器2为3dB耦合器或多模干涉耦合器。
更进一步的，所述波导干涉臂为多个，其中每个波导干涉臂均具有至少一个弯曲臂部分，波导干涉臂光程相同或者不同；优选的，多个波导干涉臂中的至少两个为交叉或者不交叉；更优选的，所述波导干涉臂包括第一波导干涉臂(3)和第二波导干涉臂(4)，其中两个波导干涉臂光程相同，第一波导干涉臂(3)和第二波导干涉臂为交叉或者不交叉。如图2、4所示，第一波导干涉臂(3)和第二波导干涉臂为不交叉的形式；如图3所示，第一波导干涉臂(3)和第二波导干涉臂为交叉的形式。
波导干涉臂的弯曲臂部分整体上呈现弧形、扇形、锯齿形、方形、抛物线形或其他二次曲线形状。
如图2-4所示，每个波导干涉臂包括多个平坦臂部分和弯曲臂部分，所述弯曲臂部分和平坦臂部分通过依次首尾相连的方式形成波导干涉臂。
如图2、3所示，信号极6包括多个弯曲极与多个平坦极部分，所述弯曲极部分和平坦极部分依次首尾相连，所述多个平坦极部分与多个平坦臂部分平行间隔设置，多个弯曲极部分沿多个弯曲臂部分环绕分布设置；优选的，平坦臂部分光波的传输方向始终与平坦极部分微波的传输方向一致。
如图4所示，所述信号极6为多个平坦极，所述多个平坦极与多个平坦臂部分平行间隔设置，采用梳形排布以被多个弯曲臂环绕的方式进行设置；优选的，平坦臂部分光波的传输方向始终与平坦极微波的传输方向一致。
所述波导干涉臂的弯曲臂部分和/或所述信号极6中的弯曲极部分的尺寸可灵活调节；优选的，通过调整弯曲臂部分和/或弯曲极部分的曲率来实现尺寸的调节。更优选的，电极部分相对波导干涉臂的位置为可调整的设计。
如图2、3所示，所述接地极7也具有平坦接地极部分，其位于所述波导干涉臂相对信号极6的平坦极部分的另一侧；优选的，多个接地极7为独立的或通过任意方式共同接地。更优选的，位于同一侧波导干涉臂的多个接地极7通过共同的公共电极相连。
如图4所示，接地极7均为平坦形状，接地极7位于所述波导干涉臂相对信号极6的另一侧；优选的，多个接地极7为独立的或通过任意方式共同接地。更优选的，位于同一侧波导干涉臂的多个接地极7均为独立设置。
优选的，如图5-7所示，电光调制器还包括衬底，衬底材料可以为硅、铌酸锂或者二氧化硅材料；如图5、6所示，光波导部分设置于衬底上方；如图7所示，光波导部分设置于衬底内部；如图5所示，在所述光波导部分的下方和上方均镀其他材料的薄膜，如图6所示，仅在所述光波导部分的下方镀其他材料的薄膜，其他材料可以为硅、铌酸锂或者二氧化硅材料但不限于此，只要其他材料的薄膜可以调节光波导中传输的光波模场大小。
光波导部分设置在衬底上方时，电极部分可设置在波导干涉臂两侧的同一高度或者不同高度上：如图5所示，电极部分设置在波导干涉臂两侧不同高度上，如图6所示，电极部分设置在波导干涉臂两侧的同一高度上；光波导部分设置在衬底内部时，如图7所示，电极部分设置在衬底表面上与波导干涉臂两侧的不同高度上。
本发明具有如下优点：
1)传统电光调制器结构横纵尺寸比例差过大，空间利用率低。本发明通过弯曲干涉臂的设计，缩小了调制器长度，减小电光调制器横纵尺寸比，有利于大规模集成；
2)在不增加器件整体长度的前提下，有效的增长了电光作用区长度，降低了电光调制器半波电压，减小了器件功耗；
3)微波与光波之间的群速度失配需要通过传输过程中调节电极或者波导的长度来实现，传统的直波导直电极结构无法在中间进行调控长度，而弯曲臂或者电极弯曲部分可在每次转弯的地方对长度尺寸进行调节，可有效补偿电极中传输的微波与光波导中传输的光波的群速度失配，提高调制效率。
4)信号极沿着光波导排布，保证了信号极中信号的传输方向与光波导中信号的传输方向一致；为了更进一步避免信号极与光波导产生交叉，也采用了光波导位于下层平面，电极位于上层平面，避免两者同层接触的设计。
附图说明
图1为现有的电光调制器结构；
图2为本发明具有弯曲臂的电光调制器的第一实施方案；
图3为本发明具有弯曲臂的电光调制器的第二实施方案；
图4为本发明具有弯曲臂的电光调制器的第三实施方案；
图5-7为本发明电光调制器的横截面示意图。
图中示出：1-输入光波导、2-耦合器、3-第一波导干涉臂、4-第二波导干涉臂、5-输出光波导、6-信号极、7-接地极、8-衬底、9-薄膜。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
第一实施例，如图2所示，使用硅作为电光调制器的衬底，厚度为500μm。在衬底上方镀二氧化硅薄膜，厚度为4.7μm，用以调节光波导中传输的光波模场大小。在二氧化硅薄膜上制备电光调制器的光波导部分，光波导部分包括输入光波导、3dB耦合器、第一波导干涉臂、第二波导干涉臂、输出光波导；由输入光波导传输的光波通过3dB耦合器分为能量相同的两束，分别进入第一波导干涉臂与第二波导干涉臂；第一波导干涉臂、第二波导干涉臂的光程相同，两者不交叉，从而使得波导干涉臂整体上在不同侧分布设置。每条干涉臂包含20条平坦臂及10条半圆形弯曲臂，它们依次首尾连接。平坦臂的长度为3mm，两条平坦臂间的间隔为2mm；弯曲臂的转弯半径为1mm。在光波导上方再镀一层厚度为3μm的二氧化硅薄膜，在此薄膜上方制作材料为金的电极部分，电极部分包含信号极与接地极，信号极具有多个弯曲极和平坦极部分，接地极具有平坦极部分；信号极与接地极的平坦极分别位于光波导两侧，在平坦部分的间距为10μm。
弯曲极和平坦极部分依次首尾连接；平坦极部分与平坦臂部分平行间隔设置，平坦臂部分光波的传输方向始终与信号极平坦极部分微波的传输方向一致；弯曲极部分沿弯曲臂部分环绕分布设置，从而在整体上使得信号极沿着波导干涉臂环绕设置。接地极的平坦接地极部分位于波导干涉臂相对信号极平坦极部分的另一侧，形成调制电场。接地极通过共同的公共电极相连。每个波导干涉臂单独设置有对应的信号极与接地极。
此实施例中，电光调制器器件的总长度约为30mm。对于传统的电光调制器结构来说，此器件总长度对应的电光作用区长度约为20mm，经过计算其半波电压值约为3.9V。使用本实施例中的具有弯曲臂的电光调制器结构，器件总长度为30mm时，电光作用区长度为60mm，经过计算半波电压值约为1.3V。
第二实施例，如图3所示，使用硅作为电光调制器的衬底，厚度为500μm。在衬底上方镀二氧化硅薄膜，厚度为4.7μm，用以调节光波导中传输的光波模场大小。在二氧化硅薄膜上制备电光调制器的光波导部分，光波导部分包括输入光波导、3dB耦合器、第一波导干涉臂、第二波导干涉臂、输出光波导；由输入光波导传输的光波通过3dB耦合器分为能量相同的两束，分别进入第一波导干涉臂与第二波导干涉臂；第一波导干涉臂、第二波导干涉臂的光程相同。每条干涉臂包含20条平坦臂及10条半圆形弯曲臂，它们依次首尾连接。两条波导干涉臂的平坦臂互相平行，弯曲臂互相交叉连接，从而使得波导干涉臂整体上在同一侧交叉分布设置。平坦臂的长度为3mm，同一条波导干涉臂的平坦臂间的间隔为2mm，相邻波导干涉臂的平坦臂间的间隔为1mm；弯曲臂的转弯半径为1mm。在光波导上方再镀一层厚度为3μm的二氧化硅薄膜，在此薄膜上方制作材料为金的电极部分，电极部分包含信号极与接地极，信号极具有多个弯曲极和平坦极部分，弯曲极和平坦极部分依次首尾连接；接地极具有平坦极部分；信号极与接地极的平坦极分别位于光波导两侧，在平坦部分的间距为10μm。
其中，具体如图3所示：接地极平坦极部分、第一波导干涉臂的平坦臂部分、信号极平坦极部分、信号极第一平坦极部分、第二波导干涉臂的平坦臂部分依次平行间隔设置，平坦臂部分光波的传输方向始终与信号极平坦极部分微波的传输方向一致；第一波导干涉臂的弯曲臂部分和第二波导干涉臂的弯曲臂部分交叉连接，从而在整体上使共用的信号极均沿着第一、第二波导干涉臂环绕设置。接地极平坦接地极部分、信号极平坦极部分分别位于第一、第二波导干涉臂平坦臂两侧，形成调制电场。接地极通过共同的公共电极相连。两个波导干涉臂共有共同的信号极与接地极。
此实施例中，电光调制器器件的总长度约为30mm。对于传统的电光调制器结构来说，此器件总长度对应的电光作用区长度约为20mm，经过计算其半波电压值约为3.9V。使用本实施例中的具有弯曲臂的电光调制器结构，器件总长度为30mm时，电光作用区长度为60mm，经过计算半波电压值约为1.3V。
第三实施例，使用硅作为电光调制器的衬底，厚度为500μm。在衬底上方镀二氧化硅薄膜，厚度为4.7μm，用以调节光波导中传输的光波模场大小。在二氧化硅薄膜上制备电光调制器的光波导部分，光波导部分包括输入光波导、3dB耦合器、第一波导干涉臂、第二波导干涉臂、输出光波导；由输入光波导传输的光波通过3dB耦合器分为能量相同的两束，分别进入第一波导干涉臂与第二波导干涉臂；第一波导干涉臂、第二波导干涉臂的光程相同，每条干涉臂包含20条平坦臂及10条半圆形弯曲臂，它们依次首尾连接。平坦臂的长度为3mm，两条平坦臂间的间隔为2mm；弯曲臂的转弯半径为1mm。在衬底上方的二氧化硅薄膜上方，即波导干涉臂同一高度的两侧制作材料为金的电极部分，电极部分包含信号极与接地极，信号极与接地极均为梳形电极，分别位于光波导的平坦臂部分两侧平行设置，在平坦部分的间距为10μm，从而使得电极部分整体上被弯曲臂环绕的方式进行设置。信号极与接地极两两之间形成调制电场。平坦臂部分光波的传输方向始终与信号极微波的传输方向一致。接地极各自独立设置。
此外，作为第三实施例的另一变形例，主要区别在于光波导部分形成在衬底内部：使用硅作为电光调制器的衬底，厚度为500μm。直接在衬底内部刻蚀电光调制器的光波导部分，光波导部分包括输入光波导、3dB耦合器、第一波导干涉臂、第二波导干涉臂、输出光波导；由输入光波导传输的光波通过3dB耦合器分为能量相同的两束，分别进入第一波导干涉臂与第二波导干涉臂；第一波导干涉臂、第二波导干涉臂的光程相同，每条干涉臂包含20条平坦臂及10条半圆形弯曲臂，它们依次首尾连接。平坦臂的长度为3mm，两条平坦臂间的间隔为2mm；弯曲臂的转弯半径为1mm。在衬底的上方，即波导干涉臂不同高度的两侧制作材料为金的电极部分，电极部分包含信号极与接地极，信号极与接地极均为梳形电极，分别位于光波导的平坦臂部分两侧平行设置，在平坦部分的间距为10μm，从而使得电极部分整体上被弯曲臂环绕的方式进行设置。信号极与接地极两两之间形成调制电场。平坦臂部分光波的传输方向始终与信号极微波的传输方向一致。接地极各自独立设置。

Claims (10)

1.一种具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述电光调制器包括光波导部分和电极部分，所述光波导部分包括输入光波导(1)、耦合器(2)、波导干涉臂(3、4)、输出光波导(5)；输入光波导(1)通过耦合器(2)与波导干涉臂的一端相连，输出光波导(5)通过耦合器(2)与波导干涉臂的另一端相连；所述电极部分包括信号极(6)和接地极(7)，信号极(6)用于传输调制信号，信号极(6)与接地极(7)之间形成调制电场；所述波导干涉臂(3、4)具有至少一个弯曲臂部分，所述电极部分以沿所述弯曲臂环绕或被所述弯曲臂环绕的方式进行设置。
2.根据权利要求1所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述波导干涉臂为多个，其中每个波导干涉臂均具有至少一个弯曲臂部分，波导干涉臂光程相同或者不同；优选的，多个波导干涉臂中的至少两个为交叉或者不交叉；更优选的，所述波导干涉臂包括第一波导干涉臂(3)和第二波导干涉臂(4)，其中两个波导干涉臂光程相同，第一波导干涉臂(3)和第二波导干涉臂为交叉或者不交叉。
3.根据权利要求1-2之一所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述波导干涉臂的弯曲臂部分整体上呈现弧形、扇形、锯齿形、方形、抛物线形或其他二次曲线形状。
4.根据权利要求1-3之一所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述波导干涉臂还包括多个平坦臂部分，所述弯曲臂部分和平坦臂部分依次首尾相连。
5.根据权利要求4所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述信号极(6)为多个平坦极，所述多个平坦极与多个平坦臂部分平行间隔设置，采用梳形排布以被多个弯曲臂环绕的方式进行设置；优选的，平坦臂部分光波的传输方向始终与平坦极微波的传输方向一致。
6.根据权利要求4所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述信号极(6)包括多个弯曲极与多个平坦极部分，所述弯曲极部分和平坦极部分依次首尾相连，所述多个平坦极部分与多个平坦臂部分平行间隔设置，多个弯曲极部分沿多个弯曲臂部分环绕分布设置；优选的，平坦臂部分光波的传输方向始终与平坦极部分微波的传输方向一致。
7.根据权利要求1-6之一所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述波导干涉臂的弯曲臂部分和/或所述信号极(6)中的弯曲极部分的尺寸可灵活调节；优选的，通过调整弯曲臂部分和/或弯曲极部分的曲率来实现尺寸的调节；更优选的，所述电极部分相对波导干涉臂的位置为可调整的设计。
8.根据权利要求5-7之一所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，所述接地极(7)也具有平坦接地极部分，其位于所述波导干涉臂相对信号极(6)或信号极(6)的平坦极部分的另一侧；优选的，多个接地极(7)为独立的或通过任意方式共同接地。
9.根据权利要求1-8之一所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于，电光调制器还包括衬底，衬底材料可以为硅、铌酸锂或者二氧化硅材料；光波导部分设置于衬底上方或者衬底内部；优选的，在所述光波导部分的下方和/或上方可镀其他材料的薄膜，以调节光波导中传输的光波模场大小。
10.根据权利要求9所述的具有弯曲臂的电光调制器，其特征在于：光波导部分设置在衬底上方时，电极部分可设置在波导干涉臂两侧的同一高度或者不同高度上；光波导部分设置在衬底内部时，电极部分可设置在衬底表面上与波导干涉臂两侧的不同高度上。
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