CN115236881A - 一种基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,包括依次连接的第一单模光纤、输入光耦合器、电光调制移相区、输出双波导垂直接收耦合器,以及第二单模光纤,待调制光从第一单模光纤进入,经过输入光耦合器被耦合进入电光调制相移区,在电光调制移相区受到调制后,经过输出双波导垂直接收耦合器耦合进入第二单模光纤,并从第二单模光纤离开。本申请基于X切或Y切薄膜铌酸锂,电光调制区电场沿Z轴方向,有效利用铌酸锂材料优异的电光效应,使所述电光偏振调制器具有响应速度快、驱动电压低、功耗低等优势。相比引入长度为数百微米的偏振复用器件,极大提升了结构紧凑性,有利于实现器件小型化。
Description
技术领域
本申请涉及光电子技术和光通信领域,尤其涉及一种基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器。
背景技术
作为电磁场的基本属性之一,偏振态可用于计算、处理和存储光中的信息,并在光学感知和操控中有大量应用前景。对光偏振态的有效调制在广泛的科学和工业应用中发挥了卓越的能力,偏振调制器是一种重要的光器件,在光纤通信和光纤传感系统中发挥着非常重要的作用。然而,传统的偏振操控方式往往依赖于大体积的光学元件,如波片型和光纤环型偏振控制器等,因此快速驱动难度较大、控制性也较差。相比之下,在微尺度上实现偏振态的有效操控,形成具有紧凑性、轻量化和集成化偏振调控器件,对于进一步拓展各个领域的技术和演进具有重要意义。
近年来薄膜铌酸锂的发展引起了学术界和工业界的广泛关注,得益于薄膜结构的高折射率对比度带来的强光限制和铌酸锂材料的强电光效应,薄膜铌酸锂在实现高密度集成和超高速响应方面表现出巨大的潜力,这些特性使其成为下一代光子集成平台的关键候选者之一,在光通信和光子集成技术等领域均具有广阔的前景。典型的光子器件体积庞大、带宽有限、驱动电压高、功耗在pJ/bit量级甚至更多。与之相比,基于薄膜铌酸锂的电光调制器已被证明可以实现几十fJ/bit甚至更低的能耗。然而由于双折射效应,基于薄膜铌酸锂的器件普遍存在的强偏振依赖性直接制约了光学系统的性能。鉴于薄膜铌酸锂材料的优越性和对偏振态调控的必要性,实现基于薄膜铌酸锂的偏振调制器件刻不容缓。目前大多数基于薄膜铌酸锂的偏振控制装置都高度依赖于偏振复用器件的性能,需要对结构参数进行精心设计及对制备技术进行高精度把控,加剧了实际工艺制造的难度;偏振复用器件长度为数百微米,对实现紧凑型片上调控器件也是十分不利的。
因此,本领域的技术人员致力于开发一种基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,期望能够摆脱对偏振复用器件的依赖。
发明内容
为实现上述目的,本申请提供了一种基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,包括依次连接的第一单模光纤、输入光耦合器、电光调制移相区、输出双波导垂直接收耦合器,以及第二单模光纤,待调制光从所述第一单模光纤进入,经过所述输入光耦合器被耦合进入所述电光调制相移区,在所述电光调制移相区受到调制后,经过所述输出双波导垂直接收耦合器耦合进入所述第二单模光纤,并从所述第二单模光纤离开。
进一步地,所述电光调制移相区包括输入光波导、分束器、调制信号输入区、行波电极以及电光调制波导臂;
电调制信号经过所述调制信号输入区进入所述行波电极,在所述电光调制移相区对所述待调制光进行电光调制。
进一步地,所述行波电极包括一个金属信号电极与两个金属接地电极,所述金属信号电极与所述金属接地电极平行设置,所述金属接地电极设置于所述金属信号电极的两侧。
进一步地,包括两个所述电光调制相移区,即第一电光调制相移区与第二电光调制相移区,所述第一电光调制相移区与所述第二电光调制相移区之间通过2×2多模干涉仪连接。
进一步地,所述输入光耦合器具有偏振敏感性,是只允许TE偏振或TM偏振耦合进光的波导。
进一步地,所述输入光波导与所述电光调制波导臂为单模波导,只允许TE0模或TM0模传输。
进一步地,所述分束器为多模干涉器,可将输入光分为两束强度相等偏振相同的光。
进一步地,所述电光偏振调制器基于X切或Y切薄膜铌酸锂,在所述电光调制移相区产生的电场沿铌酸锂光轴方向。
进一步地,包括从下到上依次布置的:衬底层、光学隔离层、铌酸锂单晶薄膜基板、铌酸锂光波导层、低折射率上包覆层、以及行波电极,其中,
所述输入光耦合器、所述电光调制相移区以及所述输出双波导垂直接收耦合器均位于所述铌酸锂光波导层。
进一步地,
所述衬底层的材料为硅或铌酸锂晶体,其厚度为0.1mm至2mm;
所述光学隔离层为二氧化硅薄膜,设置于所述衬底层和所述铌酸锂单晶薄膜基板之间,其厚度为2μm至5μm;
所述铌酸锂单晶薄膜基板,为铌酸锂单晶薄膜的刻蚀余留部分,其厚度为0至0.4μm;
所述铌酸锂光波导层,为铌酸锂单晶薄膜的未被刻蚀部分,结构是刻蚀倾角为60度至75度的脊型波导,其厚度为0.2μm至0.6μm;
所述低折射率上包覆层,为二氧化硅保护层,厚度为0至2μm。
与现有技术相比,本申请的技术方案至少具有以下有益技术效果:
一、本申请基于X切或Y切薄膜铌酸锂,电光调制区电场沿Z轴方向,有效利用铌酸锂材料优异的电光效应,使所述电光偏振调制器具有响应速度快、驱动电压低、功耗低等优势。
二、本申请采用的输入光耦合器及输出双波导垂直接收耦合器尺寸分别为10×15μm2、15×15μm2,分束器为多模干涉分束器,尺寸为2.8×5.3μm2,相比引入长度为数百微米的偏振复用器件,极大提升了结构紧凑性,有利于实现器件小型化。
三、本申请采用的多模干涉分束器,经计算,在保证性能的前提下,在长度±2μm、宽度±0.4μm范围内均能达到>96.8%的透过率,相比偏振复用器件,极大提升了工艺容差。
四、本申请所述电光调制移相器所包含的2条铌酸锂光波导形成马赫增德尔结构,因此可采用“推挽式”调制设计,具有调制长度短、驱动电压低等优势。
以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本申请的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本申请的一个实施例的顶部视图结构示意图;
图2是本申请的一个实施例的截面视图结构示意图;
图3是本申请的另一个实施例的顶部视图结构示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本申请的多个优选实施例,使其技术内容更加清楚和便于理解。本申请可以通过许多不同形式的实施例来得以体现,本申请的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中,结构相同的部件以相同数字标号表示,各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的,本申请并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰,附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示,本实施例所描述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器包括依次连接的第一单模光纤1、输入光耦合器2、电光调制移相区3、输出双波导垂直接收耦合器4及第二单模光纤5。具体地,电光调制移相区3包含输入光波导31、分束器32、调制信号输入区33、行波电极34和电光调制波导臂35。待调制光从第一单模光纤1进入,经过输入光耦合器2被耦合进入电光调制相移区3,在电光调制移相区3受到调制后,经过输出双波导垂直接收耦合器4耦合进入第二单模光纤5,并从所述第二单模光纤5离开电光偏振调制器。电调制信号经过调制信号输入区33进入行波电极34,在电光调制移相区3对所述待调制光进行电光调制。优选地,行波电极34包括一个金属信号电极342与两个金属接地电极341、343,金属信号电极342与两个金属接地电极341、343平行设置,且两个金属接地电极341、343设置于金属信号电极342的两侧。
优选地,输入光耦合器2具有偏振敏感性,是只允许TE偏振或TM偏振耦合进光的波导。
优选地,输入光波导31与所述电光调制波导臂35为单模波导,只允许TE0模或TM0模传输。
优选地,分束器32为多模干涉器,可将输入光分为两束强度相等偏振相同的光。
如下是本实施例描述的电光偏振调制器工作原理的详细说明。
信号光从第一单模光纤1耦合进输入光耦合器后,在光波导中只保留一种线偏振光,经过分束器32分为两束振幅相等的光,两个分量在光波导中传输并在电光调制移相区调制产生任意相位差,经两个电光调制波导臂35弯曲后传输为两束正交分量传输为两束正交分量,并被输出双波导垂直接收耦合器4采集,最后耦合至第二单模光纤5。在电光效应的作用下,两支路光的相位差发生变化,通过调节电压,可以实现电信号对偏振态的调制。当第二单模光纤5与输出双波导垂直接收耦合器4的对称轴共线时,耦合进第二单模光纤的两束分量功率占比为1:1,此时当相位差分别0,π时,可得到45°线偏振光和135°线偏振光;当相位差为π/2,3π/2时,可得到右旋圆偏振光和左旋圆偏振光;当相位差为0到2π范围的其他值时,可得到椭圆偏振光。
电光偏振调制器基于X切Z传或Y切Z传薄膜铌酸锂,以有效利用铌酸锂晶体的高电光系数(γ33=32.2pm/V)。采用共面波导GSG双驱动结构的电光调制移相区的截面结构示意图如图2所示,包括从下到上依次布置的:衬底层6、光学隔离层7、铌酸锂单晶薄膜8、低折射率上包覆层9、行波电极34,具体地,铌酸锂单晶薄膜包括铌酸锂单晶薄膜基板81和铌酸锂光波导层82。行波电极34包含金属信号电极342与两个金属接地电极341、343,金属信号电极342位于电光调制移相器的两个臂之间,金属接地电极341、343位于金属信号电极342的两侧。
进一步地,本申请所包含的输入光耦合器3及输出双波导垂直接收耦合器5尺寸分别为10×15μm2、15×15μm2,所包含分束器32为多模干涉分束器,尺寸为2.8×5.3μm2,相比引入长度为数百微米的偏振复用器件,极大提升了结构紧凑性,有利于实现器件小型化。经计算,在保证性能的前提下,在长度±2μm、宽度±0.4μm范围内均能达到>96.8%的透过率,相比偏振复用器件,极大提升了工艺容差。
因此,本申请所描述的基于薄膜铌酸锂的电光调制器件可以获得线偏振、圆偏振及椭圆偏振光,同时避免了偏振复用器件的引入,减小了器件尺寸,有效地改善了高精度工艺要求及紧凑性问题。
实施例2
如图3所示,本实施实例二在实施实例一的基础上,引入基于电光效应的分光比控制功能。本实施例包括两个所述电光调制相移区,即第一电光调制相移区3与第二电光调制相移区11。第一电光调制相移区3与第二电光调制相移区11之间通过2×2多模干涉仪10连接。
具体地,本实施例包括依次连接的第一单模光纤1、输入光耦合器2、第一电光调制移相区3、2×2多模干涉仪10、第二电光调制移相区11、输出双波导垂直接收耦合器4及第二单模光纤5。第一电光调制移相区3包含输入光波导31、分束器32、第一调制信号输入区33、第一调制区行波电极34和第一电光调制波导臂35。第二电光调制移相区11包含第二调制信号输入区111、第二调制区行波电极112和第二电光调制波导臂113。信号光从第一单模光纤1耦合进输入光耦合器后,在光波导中只保留一种线偏振光,经分束器32分为两束振幅相等的光,利用电光效应,在第一电光调制移相区3进行电光调制使两分量产生任意相位差,使2×2多模干涉仪10的两个输入信号实现任意相位差,从而控制2×2多模干涉仪10的输出分光比。接着,功率占比可调的两个分量经由第二电光调制移相区11产生任意相位差,经两个第二电光调制波导臂113弯曲后传输为两束正交分量,并被输出双波导垂直接收耦合器4采集,最后耦合至第二单模光纤5。利用本实施实例二可获得任意线偏振、圆偏振及椭圆偏振光。
以上详细描述了本申请的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本申请的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本申请的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,包括依次连接的第一单模光纤、输入光耦合器、电光调制移相区、输出双波导垂直接收耦合器,以及第二单模光纤,待调制光从所述第一单模光纤进入,经过所述输入光耦合器被耦合进入所述电光调制相移区,在所述电光调制移相区受到调制后,经过所述输出双波导垂直接收耦合器耦合进入所述第二单模光纤,并从所述第二单模光纤离开。
2.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,所述电光调制移相区包括输入光波导、分束器、调制信号输入区、行波电极以及电光调制波导臂;
电调制信号经过所述调制信号输入区进入所述行波电极,在所述电光调制移相区对所述待调制光进行电光调制。
3.如权利要求2所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,所述行波电极包括一个金属信号电极与两个金属接地电极,所述金属信号电极与所述金属接地电极平行设置,所述金属接地电极设置于所述金属信号电极的两侧。
4.如权利要求3所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,包括两个所述电光调制相移区,即第一电光调制相移区与第二电光调制相移区,所述第一电光调制相移区与所述第二电光调制相移区之间通过2×2多模干涉仪连接。
5.如权利要求4所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,所述输入光耦合器具有偏振敏感性,是只允许TE偏振或TM偏振耦合进光的波导。
6.如权利要求5所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,所述输入光波导与所述电光调制波导臂为单模波导,只允许TE0模或TM0模传输。
7.如权利要求6所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,所述分束器为多模干涉器,可将输入光分为两束强度相等偏振相同的光。
8.如权利要求7所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,所述电光偏振调制器基于X切或Y切薄膜铌酸锂,在所述电光调制移相区产生的电场沿铌酸锂光轴方向。
9.如权利要求8所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,包括从下到上依次布置的:衬底层、光学隔离层、铌酸锂单晶薄膜基板、铌酸锂光波导层、低折射率上包覆层、以及行波电极,其中,
所述输入光耦合器、所述电光调制相移区以及所述输出双波导垂直接收耦合器均位于所述铌酸锂光波导层。
10.如权利要求9所述的基于薄膜铌酸锂的电光偏振调制器,其特征在于,
所述衬底层的材料为硅或铌酸锂晶体,其厚度为0.1mm至2mm;
所述光学隔离层为二氧化硅薄膜,设置于所述衬底层和所述铌酸锂单晶薄膜基板之间,其厚度为2μm至5μm;
所述铌酸锂单晶薄膜基板,为铌酸锂单晶薄膜的刻蚀余留部分,其厚度为0至0.4μm;
所述铌酸锂光波导层,为铌酸锂单晶薄膜的未被刻蚀部分,结构是刻蚀倾角为60度至75度的脊型波导,其厚度为0.2μm至0.6μm;
所述低折射率上包覆层,为二氧化硅保护层,厚度为0至2μm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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