CN114077071B - 用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，包括铌酸锂薄膜调制器芯片、起偏片、输入光纤、输出光纤、光纤固定块、光电探测器和偏置控制电路；所述铌酸锂薄膜调制器芯片上制作有波导结构、射频电极结构和偏置电极结构；所述波导结构包括第一主波导、第一分束结构、第一分支波导、第二分支波导、第二分束结构、第三分支波导和第四分支波导。本发明通过用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置实现了降低引起较大幅度或者频率的直流工作点漂移的可能性，提高了调制线性度，降低了误码率，从而提高系统的整体性能，使得薄膜器件有更加广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电调制器监测技术领域，尤其涉及一种用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置。
背景技术
电光调制器作为现代光通信产业的核心器件，能将电信号转化为光信号，使其能够在光纤中实现远距离高速传输。其中，基于铌酸锂晶体的电光调制器，因带宽高、啁啾可调、非线性失真小，是目前应用最为成熟的外调制器。
然而，基于铌酸锂晶体的电光调制器具有半波电压高、体积大、不易集成等特点，使其在光通信系统特别是相干光通信系统中的应用受到了极大的制约。近年来，由于对铌酸锂薄膜微结构的加工技术取得了较大的突破，对铌酸锂薄膜电光调制器的研究成为关注热点，关于铌酸锂薄膜芯片波导的制备，已有多篇文献报道。由于高的折射率差和微、纳米量级的薄膜厚度，光波导可以把光限制在微米量级的微小区域中，使光以导模形式在其中传播，由于波导弯曲损耗较小，较之铌酸锂体晶体调制器，芯片体积可以大幅度减小。同时，由于电极间距较小、电光重叠因子较高、无需采用较厚缓冲层结构等，较之铌酸锂晶体的电光调制器，铌酸锂薄膜电光调制器可以实现较小的半波电压。另外，通过对薄膜厚度、衬底材料及厚度进行调整，可以实现极高的调制带宽。
铌酸锂薄膜电光调制器在实际工作中，都需要一个合适的偏置工作点，即施加合适的偏置相位给器件使其正常工作，例如当铌酸锂薄膜强度调制器被应用于微波光子链路时，需根据系统要求工作在线性工作点(即偏置相位为π/2)、功率最小点(即偏置相位为π)或者功率最大点(即偏置相位为0)。但是，在实际的应用当中，一些内外界因素，例如晶体缺陷、杂质、温度等均会对调制相位的稳定性产生非常大的影响，从而使器件的偏置工作点发生漂移，导致调制线性度降低或者误码率升高，影响整体系统性能。由于铌酸锂薄膜材料在制作过程中采用粒子注入工艺，铌酸锂薄膜电光调制器在光波导制作过程中亦采用干法刻蚀工艺，因此晶体晶格损伤较大，极易引起较大幅度或者频率的直流工作点漂移，不利于薄膜器件的推广应用。因此，需要一种用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测结构，来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，包括铌酸锂薄膜调制器芯片、起偏片、输入光纤、输出光纤、光纤固定块、光电探测器和偏置控制电路；所述铌酸锂薄膜调制器芯片上制作有波导结构、射频电极结构和偏置电极结构；所述波导结构包括第一主波导、第一分束结构、第一分支波导、第二分支波导、第二分束结构、第三分支波导和第四分支波导；其中，
输入光纤固定块末端与芯片连接处设置一起偏片，然后与所述第一主波导相连接，输出光纤与所述第三分支波导连接；或者，所述输入光纤与所述第一主波导相连接，输出光纤固定块与芯片连接处设置一起偏片，然后与所述第三分支波导连接；或者，采用无起偏片结构，输入光纤固定块末端与所述第一主波导相连接，输出光纤与所述第三分支波导连接；
光信号通过所述输入光纤进入第一主波导后接着进入第一分束结构，然后分成两束光波信号，第一束光波信号通过第一分支波导，第二束光波信号通过第二分支波导，两束光波信号的相位分别被铌酸锂薄膜调制器芯片上的射频电极结构和偏置电极结构上所加的电信号进行调制，两束光波信号在第二分束结构会聚后再分别进入第三分支波导和第四分支波导，第三分支波导的光进入所述输出光纤，第四分支波导中的的光穿出芯片后入射到光电探测器，定义为第一实施方式；或者，光信号通过所述输入光纤进入第一主波导后接着进入第一分束结构，然后分成两束光波信号，第一束光波信号通过第一分支波导，第二束光波信号通过第二分支波导，两束光波信号的相位分别被芯片上的射频电极结构和偏置电极结构上所加的电信号进行调制，两束光波信号在第二分束结构会聚后再进入第三分支波导，光电探测器固定在第三分支波导上方，用来检测第三分支波导上方的泄漏光强，定义为第二实施方式；
光电探测器的检测电流作为输入信号进入偏置控制电路，经过电路运算后，所述电路运算包括基于运算放大器的功率检测方案和基于导频信号的谐波分析方案，产生输出电信号，然后将偏置控制电路的输出电信号加载到偏置电极结构上，实现对所述第一分支波导与第二分支波导内的传输光进行调制。
其中，所述铌酸锂薄膜调制器芯片采用铌酸锂薄膜材料，铌酸锂薄膜为单晶结构且厚度范围为500nm～10um。
其中，当设置有起偏片时，所述波导结构为脊波导，采用刻蚀工艺进行制作，当无起偏片时，所述波导结构为平面波导，采用质子交换工艺进行制作，单模传输；
作为优选，所述波导结构的第一主波导、第一分束结构、第一分支波导、第二分支波导、第二分束结构、第三分支波导组成了一个马赫-增德干涉光路。
作为优选，所述波导结构的第三分支波导与第四分支波导相交呈锐角。
其中，所述第一分束结构采用1×2耦合结构，进入第一分支波导、第二分支波导的光功率比值为40：60～60：40。
其中，当采用第一实施方式时，所述第二分束结构采用2×2耦合结构，进入第三分支波导和第四分支波导的光功率比值为99：1～90：10；当采用第二实施方式时，所述第二分束结构采用1×2耦合结构，即第一分支波导、第二分支波导中的光信号在第二分束结构处汇聚至第三波导中。
其中，所述射频电极结构采用行波电极结构，制作材料为金属或低阻值导电材料。
其中，所述偏置电极结构采用推挽结构，制作材料为金属或低阻值导电材料。
其中，所述输入光纤和输出光纤采用锥形透镜光纤或者小芯径光纤，模场直径为2um～5um；
其中，所述光纤固定块采用铌酸锂小块或者石英小块，与铌酸锂薄膜调制器芯片底面的夹角为0°～10°。
其中，当采用第一实施方式时，所述光电探测器选用正照式结构，当采用第二实施方式时，所述光电探测器采用背照式结构。
基于上述技术方案可知，本发明的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
本发明通过用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置实现了降低引起较大幅度或者频率的直流工作点漂移的可能性，提高了调制线性度，降低了误码率，从而提高系统的整体性能，使得薄膜器件有更加广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例中铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案1的结构示意图；
图2是本发明实施例中铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案2的结构示意图；
图3是本发明实施例中铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案3的结构示意图；
图4是本发明实施例中铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案4的结构示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、输入光纤；2、光纤固定块；3、起偏片；4、第一主波导；
5、第一分束结构；6、第一分支波导；7、第二分支波导；
8、第二分束结构；9、第三分支波导；10、第四分支波导；
11、输出光纤；12、射频电极结构；13、偏置电极结构；
14、光电探测器；15、偏置控制电路。
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，包括铌酸锂薄膜调制器芯片、起偏片、输入光纤、输出光纤、光纤固定块、光电探测器和偏置控制电路；所述铌酸锂薄膜调制器芯片上制作有波导结构、射频电极结构和偏置电极结构；所述波导结构包括第一主波导、第一分束结构、第一分支波导、第二分支波导、第二分束结构、第三分支波导和第四分支波导；其中，
输入光纤固定块末端与芯片连接处设置一起偏片，然后与所述第一主波导相连接，输出光纤与所述第三分支波导连接；或者，所述输入光纤与所述第一主波导相连接，输出光纤固定块与芯片连接处设置一起偏片，然后与所述第三分支波导连接；或者，采用无起偏片结构，输入光纤固定块末端与所述第一主波导相连接，输出光纤与所述第三分支波导连接；
光信号通过所述输入光纤进入第一主波导后接着进入第一分束结构，然后分成两束光波信号，第一束光波信号通过第一分支波导，第二束光波信号通过第二分支波导，两束光波信号的相位分别被铌酸锂薄膜调制器芯片上的射频电极结构和偏置电极结构上所加的电信号进行调制，两束光波信号在第二分束结构会聚后再分别进入第三分支波导和第四分支波导，第三分支波导的光进入所述输出光纤，第四分支波导中的的光穿出芯片后入射到光电探测器，定义为第一实施方式；或者，光信号通过所述输入光纤进入第一主波导后接着进入第一分束结构，然后分成两束光波信号，第一束光波信号通过第一分支波导，第二束光波信号通过第二分支波导，两束光波信号的相位分别被芯片上的射频电极结构和偏置电极结构上所加的电信号进行调制，两束光波信号在第二分束结构会聚后再进入第三分支波导，光电探测器固定在第三分支波导上方，用来检测第三分支波导上方的泄漏光强，定义为第二实施方式；
光电探测器的检测电流作为输入信号进入偏置控制电路，经过电路运算后，所述电路运算包括基于运算放大器的功率检测方案和基于导频信号的谐波分析方案，产生输出电信号，然后将偏置控制电路的输出电信号加载到偏置电极结构上，实现对所述第一分支波导与第二分支波导内的传输光进行调制。
其中，所述铌酸锂薄膜调制器芯片采用铌酸锂薄膜材料，铌酸锂薄膜为单晶结构且厚度范围为500nm～10um。当设置有起偏片时，所述波导结构为脊波导，采用刻蚀工艺进行制作，当无起偏片时，所述波导结构为平面波导，采用质子交换工艺进行制作，单模传输；所述波导结构的第一主波导、第一分束结构、第一分支波导、第二分支波导、第二分束结构、第三分支波导组成了一个马赫-增德干涉光路。所述波导结构的第三分支波导与第四分支波导相交呈锐角。所述第一分束结构采用1×2耦合结构，进入第一分支波导、第二分支波导的光功率比值为40：60～60：40。
其中，当采用第一实施方式时，所述第二分束结构采用2×2耦合结构，进入第三分支波导和第四分支波导的光功率比值为99：1～90：10；当采用第二实施方式时，所述第二分束结构采用1×2耦合结构，即第一分支波导、第二分支波导中的光信号在第二分束结构处汇聚至第三波导中。
其中，所述射频电极结构采用行波电极结构，制作材料为金属或低阻值导电材料。所述偏置电极结构采用推挽结构，制作材料为金属或低阻值导电材料。所述输入光纤和输出光纤采用锥形透镜光纤或者小芯径光纤，模场直径为2um～5um；所述光纤固定块采用铌酸锂小块或者石英小块，与铌酸锂薄膜调制器芯片底面的夹角为0°～10°。当采用第一实施方式时，所述光电探测器选用正照式结构，当采用第二实施方式时，所述光电探测器采用背照式结构。
下面将整体监测装置的结构分为光路部分和电路部分两部分去进行介绍。
光路部分
当采用脊形波导方案时，需在整体光路中加入起偏片，起偏片的作用是约束输入光在光路内的传播模式。由于铌酸锂晶体z轴方向的电光系数γ33是铌酸锂的电光张量矩阵中取值最大的元素，因此，为保证芯片的电光调制效率最大化，从而降低芯片整体功耗，需要跟据晶片的不同切向对波导内传输光的传播模式进行选择：选择z切的铌酸锂薄膜晶片，光传输模是TM模，选择x切的铌酸锂薄膜晶片，光传输模是TE模。
如图1所示，铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案1的结构示意图；其中，光信号从左端的输入光纤1进入铌酸锂薄膜芯片，光纤尾端固定在光纤固定块2上，光纤固定块2末端与铌酸锂薄膜芯片连接处与起偏片3黏贴，光信号先进入第一主波导4进行传输，然后通过第一分束结构5，按照40：60～60：40的比例进入第一分支波导6和第二分支波导7，随后在第二分束结构8处进行会合，再按照99：1～90：10的比例进入第三分支波导9和第四分支波导10,第三分支波导9和第四分支波导10之间的夹角为锐角。其中，第一主波导4、第一分束结构5、第一分支波导6、第二分支波导7、第二分束结构8、第三分支波导9组成了一个马赫-增德干涉光路。进入第三分支波导9的光随后通过与其相连的输出光纤11输出，输出光纤11尾端固定在光纤固定块2上。进入第四分支波导10的光通过芯片端面输出后入射到光电探测器14上。
如图2所示，铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案2的结构示意图；其中，光信号从左端的输入光纤1进入铌酸锂薄膜芯片，光纤尾端固定在光纤固定块2上，光纤固定块2末端与铌酸锂薄膜芯片第一主波导4连接，光信号先进入第一主波导4进行传输，然后通过第一分束结构5，按照40：60～60：40的比例进入第一分支波导6和第二分支波导7，随后在第二分束结构8处进行会合，再按照99：1～90：10的比例进入第三分支波导9和第四分支波导10,第三分支波导9和第四分支波导10之间的夹角为锐角。其中，第一主波导4、第一分束结构5、第一分支波导6、第二分支波导7、第二分束结构8、第三分支波导9组成了一个马赫-增德干涉光路。进入第三分支波导9的光随后通过与其相连的输出光纤11输出，输出光纤尾端固定在光纤固定块2上，输出光纤固定块2与芯片连接处与起偏片3黏贴，进入第四分支波导10的光通过芯片端面输出后入射到光电探测器14上。
当采用平面波导方案时，由于铌酸锂薄膜晶片加工温度无法达到钛扩散波导制作的加工温度，因此，只能采用质子交换工艺进行波导制作。由于，质子交换波导只能传输TE模，因此，无需在整体光路中加入起偏片。
如图3所示，铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案3的结构示意图；其中，光信号从左端的输入光纤1进入铌酸锂薄膜芯片，光纤尾端固定在光纤固定块2上，光纤固定块2末端与铌酸锂薄膜芯片第一主波导4连接，光信号先进入第一主波导4进行传输，然后通过第一分束结构5，按照40：60～60：40的比例进入第一分支波导6和第二分支波导7，随后在第二分束结构8处进行会合，再按照99：1～90：10的比例进入第三分支波导9和第四分支波导10,第三分支波导9和第四分支波导10之间的夹角为锐角。其中，第一主波导4、第一分束结构5、第一分支波导6、第二分支波导7、第二分束结构8、第三分支波导9组成了一个马赫-增德干涉光路。进入第三分支波导9的光随后通过与其相连的输出光纤11输出，输出光纤11尾端固定在光纤固定块2上。进入第四分支波导10的光通过芯片端面输出后入射到光电探测器14上。
如图4所示，铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制方案4的结构示意图；其中，光信号从左端的输入光纤1进入铌酸锂薄膜芯片，光纤尾端固定在光纤固定块2上，光纤固定块2末端与铌酸锂薄膜芯片第一主波导连接，光信号进入第一主波导4进行传输，然后通过第一分束结构5，按照40：60～60：40的比例进入第一分支波导6和第二分支波导7，随后在第二分束结构8处进行会合，光电探测器14固定在第三分支波导9上方，通过检测第三分支波导9泄露光强实现对波导内传输光波信号的监测。其中，第一主波导4、第一分束结构5、第一分支波导6、第二分支波导7、第二分束结构8、第三分支波导9组成了一个马赫-增德干涉光路。进入第三分支波导9的光随后通过与其相连的输出光纤11输出，输出光纤尾端固定在光纤固定块2上。
电路部分
电路部分主要包括芯片上的射频电极结构12、偏置电极结构13和偏置控制电路结构15。
通过在铌酸锂薄膜芯片上的偏置控制电极上加上直流电压，可以施加合适的相位差给第一分支波导和第二分支波导中的传输光，从而控制铌酸锂薄膜电光调制器的工作点，使其工作在线性工作点(即偏置相位为π/2)、功率最小点(即偏置相位为π)或者功率最大点(即偏置相位为0)上。
由于在实际工作中，铌酸锂薄膜调制器的偏置工作点会随带电时间、环境温度变化等产生漂移，因此，需要利用控制电路对偏置电极上施加的直流电压大小进行调整控制。具体工作原理如下：利用光电探测器14的检测电流作为偏置点控制的输入信号，通过自动调节电路实现调制器输出端平均光功率的长期稳定，包括对光电探测器14检测电流进行基于运算放大器的功率检测方案和基于导频信号的谐波分析方案等。
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，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)
1.一种用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，包括铌酸锂薄膜调制器芯片、起偏片、输入光纤、输出光纤、光纤固定块、光电探测器和偏置控制电路；所述铌酸锂薄膜调制器芯片上制作有波导结构、射频电极结构和偏置电极结构；所述波导结构包括第一主波导、第一分束结构、第一分支波导、第二分支波导、第二分束结构、第三分支波导和第四分支波导；其中，
输入光纤固定块末端与芯片连接处设置一起偏片，然后与所述第一主波导相连接，输出光纤与所述第三分支波导连接；或者，所述输入光纤与所述第一主波导相连接，输出光纤固定块与芯片连接处设置一起偏片，然后与所述第三分支波导连接；或者，采用无起偏片结构，输入光纤固定块末端与所述第一主波导相连接，输出光纤与所述第三分支波导连接；
光信号通过所述输入光纤进入第一主波导后接着进入第一分束结构，然后分成两束光波信号，第一束光波信号通过第一分支波导，第二束光波信号通过第二分支波导，两束光波信号的相位分别被铌酸锂薄膜调制器芯片上的射频电极结构和偏置电极结构上所加的电信号进行调制，两束光波信号在第二分束结构会聚后再分别进入第三分支波导和第四分支波导，第三分支波导的光进入所述输出光纤，第四分支波导中的光穿出芯片后入射到光电探测器，定义为第一实施方式；或者，光信号通过所述输入光纤进入第一主波导后接着进入第一分束结构，然后分成两束光波信号，第一束光波信号通过第一分支波导，第二束光波信号通过第二分支波导，两束光波信号的相位分别被芯片上的射频电极结构和偏置电极结构上所加的电信号进行调制，两束光波信号在第二分束结构会聚后再进入第三分支波导，光电探测器固定在第三分支波导上方，用来检测第三分支波导上方的泄漏光强，定义为第二实施方式；
光电探测器的检测电流作为输入信号进入偏置控制电路，经过电路运算后，所述电路运算包括基于运算放大器的功率检测方案和基于导频信号的谐波分析方案，产生输出电信号，然后将偏置控制电路的输出电信号加载到偏置电极结构上，实现对所述第一分支波导与第二分支波导内的传输光进行调制。
2.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，所述铌酸锂薄膜调制器芯片采用铌酸锂薄膜材料，铌酸锂薄膜为单晶结构且厚度范围为500nm～10um。
3.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，当设置有起偏片时，所述波导结构为脊波导，采用刻蚀工艺进行制作，当无起偏片时，所述波导结构为平面波导，采用质子交换工艺进行制作，单模传输；和/或
所述波导结构的第一主波导、第一分束结构、第一分支波导、第二分支波导、第二分束结构、第三分支波导组成了一个马赫-增德干涉光路；和/或
所述波导结构的第三分支波导与第四分支波导相交呈锐角。
4.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，所述第一分束结构采用1×2耦合结构，进入第一分支波导、第二分支波导的光功率比值为40：60～60：40。
5.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，当采用第一实施方式时，所述第二分束结构采用2×2耦合结构，进入第三分支波导和第四分支波导的光功率比值为99：1～90：10；当采用第二实施方式时，所述第二分束结构采用1×2耦合结构，即第一分支波导、第二分支波导中的光信号在第二分束结构处汇聚至第三波导中。
6.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，所述射频电极结构采用行波电极结构，制作材料为金属或低阻值导电材料。
7.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，所述偏置电极结构采用推挽结构，制作材料为金属或低阻值导电材料。
8.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，所述输入光纤和输出光纤采用锥形透镜光纤或者小芯径光纤，模场直径为2um～5um。
9.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，所述光纤固定块采用铌酸锂小块或者石英小块，与铌酸锂薄膜调制器芯片底面的夹角为0°～10°。
10.根据权利要求1所述的用于铌酸锂薄膜电光调制器偏置电压控制的监测装置，其特征在于，当采用第一实施方式时，所述光电探测器选用正照式结构，当采用第二实施方式时，所述光电探测器采用背照式结构。
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