CN114660835A - Mz电光调制器电极设计与优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种针对MZ电光调制器电极设计与优化方法，所述的设计方法是通过给定调制器性能，来进行电极材料的选择、电极尺寸的计算、电极相对位置的计算，并结合调制器的尺寸最终得到符合调制器要求的电极参数。在电极设计之前应保证不含电极的调制器内部波导结构能正常实现导波的功能。首先给定调制器理论上的稳态，通过稳态参数确定调制器内部所需的电场强度，然后得到电场建立所需的条件，从而确定满足上述要求的电极板各尺寸参数之间的关系方程。根据波导结构的自身特征从方程中确定符合波导要求的解，然后根据瞬态参数去缩小解的范围。若解不存在，则需要修改波导结构修正电极的解。当得到解以后，将确定的波导参数及电极参数在有限元仿真软件中建模仿真，查看设计好的调制器效果。本发明为电光调制器电极的设计提供了解决思路，能有效的提高电极对物质的极化效率，从而缩小光电调制器的尺寸，使光器件更利于被集成。
Description
技术领域
本发明涉及的是硅基光子芯片集成器件领域,具体涉及一种针对MZ电光调制器电极的设计思路及优化方法。
背景技术
电光调制器技术就是将一个携带信息的电信号叠加到载波光波上的一种调制技术。光调制能够使光波的某些参数如振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间等按一定的规律发生变化。电光调制器是用过物质的电光效应实现的，包括泡克耳斯效应(PockelsEffect)和克尔效应(Kerr Effect)。物质折射率与电场的关系可表示为
其中γ是一阶光电系数，ξ是二阶光电系数。
MZ结构的调制器是电光调制器中最成熟，也是实际应用最广泛的。MZ调制器是基于马赫曾德干涉原理的电光调制器。它由两个电光相位调制器、两个Y分支波导和相应的驱动电极组成。两个相位调制器借助晶体的电光效应实现光的相位调制，两个Y分支波导完成分合光功能，驱动电极提供实现电光效应所需的驱动电压。
学者们已经研发了许多MZ电光调制器，但是现在的MZ调制器的结构存在缺陷，缺少对电极参数的深度分析，没有对电极的参数进行优化处理，电极形成的电场不能被有效的利用，会使得调制器器件尺寸过大。
发明公开的是一种针对MZ电光调制器电极的设计思路及优化方法。从光学电磁学理论层面分析，得到给定MZ调制器对应的最佳电极结构，从而缩小电光调制器的尺寸。光器件尺寸的缩小使得同一个硅基可集成更多的光器件，对于集成光学发展非常有价值。
发明内容
本发明是一种针对MZ电光调制器电极设计与优化方法，所述的设计方法是通过给定调制器性能，来进行电极材料的选择、电极尺寸的计算、电极相对位置的计算，并结合调制器的尺寸最终得到符合调制器要求的电极参数。
本发明的技术方案是这样实现的:
步骤一：根据光波导原理设计一个MZ电光调制器的波导结构。设计时要确定入射波波长、波导材料、包层材料的、导波尺寸。可以根据线性光学中全反射相关理论进行初步设计将该结构在有限元仿真软件进行仿真，若结构可形成导模则进行下一步，若不能形成导模一般是只修改波导的尺寸，而材料和包层不改变。再次仿真，直到形成导模。
步骤二：根据第一步中所设计调制器的电光材料特性及材料尺寸求解电光材料内部所需的电场强度。由于弱光条件下物质的二阶及二阶以上的电光效应非常微弱，故省略，可得到电光材料中折射率与电场强度的关系
式中n为不加电场时物质的折射率。要注意折射率是具有各向异性的，而且电场也是有方向的，只有满足该物质电光效应的电场才能对折射率起作用，具体需参照物质的特性。设所需调制的相位为
光调制单元的长度为L，入射波长为λ0，物质的电光系数为γ，则材料内部所需电场
正负代表电场方向。
步骤三：根据导波光学模型求解最小包层宽度作为电极板尺寸的约束条件，以保证设计的电极不会影响调制器的性能。光波在波导中传播时会产生隐逝波，其穿透深度
式中λ0为入射波波长，n1是电光材料的折射率，n2是包层材料的折射率。电极间的距离应比电光材料稍大一些，避开波导的穿透深度。也可以通过麦克斯韦方程推得光波在包层的电场分布情，根据光波电场的分布选择电极的位置。根据干涉条件可得方程
求出κ，再根据波导电场分布方程
得到光波在包层的电场分布情。式中
也可使用有限元仿真软件对波导进行仿真，直接查看光波在光器件中的分布情况，并选着合适的位置放置电极。
步骤四：根据电极电场模型确定能建立第二步所诉电场的电极板的约束条件。电极电场模型涉及两个关系式，一个是极板电场分布模型
Ecenter＝f(x，y，E′)
表示电极周围各个点的场强的关系。可以通过一点的电场推出附近各点的电场。该模型可以由均匀带电有限长细直棒模型推出，使用库仑定律对电荷的作用进行积分得到各点的场强关系。也可通过有限元仿真建模软件进行仿真直接得到极板电场分布模型。令一个是平板电容电场模型
U是电极施加电压，d是极板间距。首先通过晶体与电极的相对位置，使用极板电场分布模型令E′＝E0得到极板间的电场强度，然后再由平板电容电场模型得到电极板的电压。若电压不满足设计要求，返回上一波重新放置电极或修改电极参数。
步骤五：从第四步所诉约束条件的解中，根据波导结构确定合适的解作为电极的参数。约束条件下的解是一片连续的域，而非独立唯一的解。综合考虑波导的结构、者外形、其他外部等因素，从域中选择一组解，并进行下一步。解大多数时候不是最优的，后续步骤会对解进行优化。
步骤六：有限元仿真软件中建立步骤一所设计的光波导模型与步骤五所确定的电极模型，给电极3-1施加一个驱动电压U，通过有限元仿真软件计算出所述波导1与电极3-1、3-2对光波的调制情况。所施加的驱动电压U一般先用上一步解出的电压，若调制效果不理想，可微调电压。如果调制效果不满足要求，则返回上一步选取新的解进行仿真验证。
步骤七：步骤六中的模型，将其抽象成阻容电路模型，对所述光调制器施加阶跃信号，通过电路基本定理计算出响应时间，若调制时间过长不满足设计需求，根据步骤五中的解集寻找合适的解。电路模型的建立可以通过有限元仿真软件求出波导结构的阻容特性，也可通过简化模型，使用平板电容器模型计算所诉电极的容值，通过物质方程求得电极的电阻值。
附图说明
图1是一种MZ电光调制的结构图。
图2是一种MZ电光调制的切面图。
图3是MZ电光调制器电极设计与优化方法的流程图。
图4是通过COMSOL仿真的某电极电场分布图。
图5是通过COMSOL仿真的某电极电流随时间的关系。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来说明本发明。
步骤一：根据光波导原理设计一个MZ电光调制器的波导结构。入射光波选择1.55um，波导材料选用铌酸锂(LiNbO3)，波导高度为1.5um波导宽度为10um；包层材料选用二氧化硅(SiO2)，包层宽度为60um，包层高度为10um，调制区波导长度为200um。使用使用COMSOL软件的“电磁波，频域(ewfd)”接口进行仿真。材料可以从COMSOL材料库中添加，也可查找相关文献建立符合自己特殊需求的材料。为了缩减仿真时间，使用二维模型进行仿真，即假设波导宽度为无限宽进行仿真。得到波导可形成导模，进行下一步。
步骤二：根据第一步中所设计调制器的电光材料特性及材料尺寸求解电光材料内部所需的电场强度。根据铌酸锂(LiNbO3)的物质特性，n＝2.297，γ＝30.8pm/V，带入方程
得到铌酸锂折射率与电场的关系。所需调制的相位
光调制单元的长度L＝200um，入射波长λ0＝1.5um，物质的电光系数γ＝30.8pm/V，则材料内部所需电场
步骤三：根据导波光学模型求解最小包层宽度作为电极板尺寸的约束条件使用步骤一中的模型COMSOL仿真计算的结果绘制出光波的场强分布0.5um处场强衰减一半，2um处几乎无光场。故电极摆放位置与波导的水平间距为2um，此时电极间距d＝64um。
步骤四：根据电极电场模型确定能建立第二步所诉电场的电极板的约束条件。假设置电极的高度h＝20um，使用COMSOL软件仿真两电极间距d，高度he＝20um，宽度无限宽的场分布情况，并得到空间内各点场强E′与极板中心场强Ecenter的关系Ecenter＝f(x，y，E′)，平板电容电场模型
U是电极施加电压，d是极板间距。得到极板电压与某点电场的关系U＝dEcenter
步骤五：从第四步所诉约束条件的解中，根据波导结构确定合适的解作为电极的参数。设电极位于波导上方h＝10um处，极板间距d＝64um,从COMSOL仿真中可知Ecenter＝1.37E′，极板电压U＝dEcenter＝87.68E′，由第二步可知E′＝E0＝0.2V/um.求得极板电压U＝17.536V。如果电压过高不满足要求，重新确定极板间距和位置参数。
步骤六：有限元仿真软件中建立步骤一所设计的光波导模型与步骤五所确定的电极模型，给电极3-1施加一个驱动电压U＝17.536V，通过有限元仿真软件计算出所述波导1与电极3-1、3-2对光波的调制情况。如果调制效果不好通过微调电压查看调制情况，如果找不到合适的电压则返回上一步选取新的解进行仿真验证。
步骤七：步骤六中的模型，将其抽象成阻容电路模型，对所述光调制器施加阶跃信号，通过电路基本定理计算出响应时间。使用COMSOL中的“电流(ec)”“电路(cir)”接口，通过设置时间切片查看不同时刻的电磁场分布情况确定器件的动态特性。生成“时间与电场强度”曲线及“时间与电流”曲线，得t＝1×10-10s时，电流几乎为0，电极完成充电，进入稳态。T＝1/t＝10Ghz，所设计电光调制器最高可达到10Ghz的调制频率。
Claims (8)
1.一种针对MZ电光调制器电极的设计思路及优化方法，其特征在于，该方法及思路具体包括以下步骤：
S1:根据光学理论设计MZ电光调制器的波导结构，包括波导1材料、包层2材料的选择，波导1尺寸的确定，调制器尺寸的初步确定。波导1的宽和高一般选择入射波长的5至10倍，长度的范围较广，一般大于波长的100倍，需根据系统对器件的要求而定。包层2厚度一般选波导厚度的三倍，宽度选波导总宽度的三倍，长度等于波导1的长度。波导材料选择电光系数高且折射率较大的物质，如铌酸锂、有机混合物等。包层选折射率较小的物质，空气、二氧化硅等。
S2:求解权利要求1所述步骤S1中所设计调制器的波导2内部所需的电场强度。给定需要调制的相位，根据权利要求1所述步骤S1中波导1的长度，使用电光效应公式计算电场强度。该场强由电极3-1、3-2施加电压提供。
S3:根据导波光学隐逝波理论求解包层2最小宽度，该宽度是保证电极3-1、3-2不会影响波导自身性能的最小距离，。最小宽度与入射波长即波导1材料、包层2材料及入射波长有关。
S4:根据电极电场模型建立权利要求1中S2求得电场与电极3-1、3-2间距d、电极3-1、3-2高度h、驱动电压U的关系。
S5:从满足权利要求1所述步骤S3中最小间距约束条件与满足权利要求1所述步骤S4中电场建立约束条件的域中，根据波导结构确定合适的解作为电极的间距d、高度h及驱动电压。具体先确定哪个参数需具体问题具体分析。
S6:在有限元仿真软件中建立权利要求1所述步骤S1所设计的光波导模型与权利要求1所述步骤S5所确定的电极模型，给电极3-1施加一个驱动电压U，通过有限元仿真软件计算出所述波导1与电极3-1、3-2对光波的调制情况。
S7:使用权利要求1所述步骤S6中的模型，将其抽象成阻容电路模型，对所述光调制器施加阶跃信号，通过电路基本定理计算出响应时间，若调制时间过长不满足设计需求，根据权利要求1所述步骤S5中的解集寻找合适的解。也可通过电路仿真软件帮助求解。
2.根据权利要求1中所述的步骤S1中，调制器中必须含有电光效应材料，且材料的光轴方向已知。为保证所设计的MZ调制器能够正常工作，务必要在有限元仿真软件中进行仿真，保证在给定波长的情况下可在调制器中形成稳定的波导，且光波在波导中的衰减在可接受范围内。
3.根据权利要求1中所述的步骤S2中，电光材料特性就是物质折射率与施加电场的关系，由于电光材料的不同这种关系可能是一次、二次或是高次函数关系，由于电光效应对电场方向敏感，施加的电场用矢量去表示。
4.根据权利要求1中所述的步骤S3中，包层2最小宽度除了使用隐逝波方程，也可使用麦克斯韦方程推出芯层1、包层2中的电磁场分布情况，根据电磁场的强弱决定电极之间的距离。
5.根据权利要求1中所述的步骤S4中，电极电场模型通过两步求得，第一步是求解电极附近的电场分布情况，利用麦克斯韦方程或是有限元仿真软件求得。第二步是根据波导1与电极3-1、3-2的相对位置确定简化电容模型的电场强度，利用电容公式求得电极3-1、3-2之间的电压与电极3-1、3-2高度h、电极3-1、3-2间距d的关系。
6.根据权利要求1中所述的步骤S5中，约束条件下的解是一片连续的域，而非独立唯一的解。综合考虑波导的结构、者外形、其他外部因素等，从域中选择一组解，并进行下一步。解大多数时候不是最优的，后续步骤会对解进行优化。
7.根据权利要求1中所述的步骤S6中，由于包层2和电极3-1、3-2的相互作用，或影响原有波导的性能。所施加的驱动电压一般先用上一步解出的电压，若调制效果不理想，可微调电压。如果调制效果不满足要求，则返回上一步选取新的解进行仿真验证。
8.根据权利要求1中所述的步骤S7中，电路模型的建立可以通过有限元仿真软件求出波导结构的阻容特性，也可通过简化模型，使用平板电容器模型计算所诉电极的容值，通过物质方程求得电极的电阻值。
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