CN115657393A - 一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器。输入波导区的N条输入波导与N×2输入光耦合器的N个输入端口分别对应连接，N×2输入光耦合器、两个输出端口分别经第一干、第二干涉臂与2×M输出光耦合器的两个输入端口相连，输出波导区的M条输出波导与2×M输出光耦合器的M个输出端口分别对应连接；第一、第二干涉臂为宽波导；N×2输入光耦合器与2×M输出光耦合器完全不同，当N＝1则M＝2；当N＝2则M＝1。本发明无需施加其他控制装置进行工作点的调整与稳定，且工作点不随时间、震动和温度等外界因素影响，可长期稳定在线性工作区中心位置保持不动，方案对加工误差有较大的容忍度，为大规模生产铺平了道路。

Description

一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器

技术领域

本发明涉及了一种平面光波导集成器件，尤其是涉及了一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器。

背景技术

近年来，随着云计算、物联网、媒体视频、5G、游戏和直播等应用的普及，人们对数据的需求量越来越大，对通信系统在通信容量、单通道比特率以及能耗等方面的要求越来越高，片上光互连已经成为信息技术发展的必然趋势。因此，易集成、低功耗高速电光调制器作为片上光电子集成的关键器件，是人们集中攻关的核心技术之一。通常马赫曾德尔调制器需要施加电压将光电调制区域位于线性工作区内，使得电调制信号所携带的信息调制到光信号中后，信息内容与信息前后之间的关系不发生变化与失真。

然而，长时间的施加电压会使得工作点漂移，从而导致输出信号稳定性下降，影响整个光通信系统的传输性能。因此，需要对发生漂移的MZI的工作状态进行矫正补偿，但者将增大器件成本和控制复杂度。此外，对于单边带调制器，或者其它任意的嵌套MZI结构，往往需要设置每个MZI的两臂相位差，如果每一个MZI结构的相位几乎一致，那么将大幅降低控制系统的复杂度和功耗。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，实现MZI调制器在零偏压调控下工作在线性调制区域，解决了传统器件长时间工作易偏离之前设定的偏置工作点、功耗大的问题。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括输入波导区、N×2输入光耦合器、第一干涉臂、第二干涉臂、2×M输出光耦合器、输出波导区和调制电极；输入波导区经N×2输入光耦合器分别和第一干涉臂、第二干涉臂的一端连接，第一干涉臂、第二干涉臂的另一端经2×M输出光耦合器和输出波导区连接，第一干涉臂和第二干涉臂之间以及各自的外侧均设置有调制电极；输入波导区的输入波导数量与N×2输入光耦合器的输入端口数量相同，输入波导区的N条输入波导与N×2输入光耦合器的N个输入端口分别一一对应连接，N×2输入光耦合器的两个输出端口分别经第一干涉臂、第二干涉臂与2×M输出光耦合器的两个输入端口相连，输出波导区的输入波导数量与2×M输出光耦合器的输入端口数量相同，输出波导区的M条输出波导与2×M输出光耦合器的M个输出端口分别一一对应连接；所述的第一干涉臂、第二干涉臂的所有波导均为宽波导。

所述的宽波导是指宽度对制备工艺容差不敏感的波导。具体是指波导宽度大于2.7μm。

所述的第一干涉臂包括依次连接的第一连接波导、第一调制波导、第二连接波导，第二干涉臂包括依次连接的第三连接波导、第二调制波导、第四连接波导，N×2输入光耦合器的两个输出端口分别和第一连接波导、第三连接波导连接，2×M输出光耦合器的两个输入端口分别和第二连接波导、第四连接波导连接。

所述的调制电极包括第一调制电极、第二调制电极、第三调制电极，第二调制电极布置在第一调制波导和第二调制波导之间，第一调制电极和第三调制电极分别布置在第一调制波导和第二调制波导的外侧方。

所述第一调制波导、第二调制波导两侧设置有对称调制电极，采用共面波导电极进行调制，包括行波电极、T型行波电极。

所述的N×2输入光耦合器与2×M输出光耦合器完全不同，其中，当N＝1则M＝2；当N＝2则M＝1。N表示N×2输入光耦合器的输入端口有N个，M表示2×M输出光耦合器的输出端口有M个。

所述的2×2光耦合器可采用多模干涉耦合结构、定向耦合结构、微弯耦合结构、绝热耦合结构；1×2光耦合器可采用多模干涉耦合结构或Y分支。

本发明通过干涉臂宽波导的设置以及N、M的数量关系设定，这样情况下马赫曾德尔干涉结构上下臂之间几乎不引入随机相位误差，2×2光耦合器的两个输出端口相位差为π/2，1×2光耦合器的两个输出端口相位差为0，最终薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器在无偏置时输出功率稳定在3dB工作点。

这样的结构下未设置偏置电极，而不需要额外施加偏置电压才能实现稳定工作在3dB工作点，解决了现有的铌酸锂马赫曾德尔电光调制器中通常情况下还需要设置偏置电极、施加偏置电压后需要快速反馈环路进行补偿才能稳定工作的问题。

所述的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器用于输入单模光信号。

所述的输入波导区、N×2输入光耦合器、第一干涉臂、第二干涉臂、2×M输出光耦合器和输出波导区的波导均采用脊形波导。

所述的输入波导区、N×2输入光耦合器、第一干涉臂、第二干涉臂、2×M输出光耦合器和输出波导区的波导为铌酸锂波导。

本发明无需施加其他控制装置进行工作点的调整与稳定，且工作点不随时间、震动和温度等外界因素影响，可长期稳定在线性工作区中心位置保持不动，方案对加工误差有较大的容忍度，为大规模生产铺平了道路。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明实现了简单有效的无偏置调控，结构简洁、设计方便、损耗低。第一连接波导、第二连接波导、第一调制波导、第三连接波导、第四连接波导、第二调制波导均为宽波导，降低了侧壁粗糙度对模场的影响，降低了器件损耗。此外，宽波导的设计也降低了加工误差对模场分布的影响，进而使得两干涉臂相位误差接近零。

(2)本发明具备低功耗、大容差、相位精准的等优点。2×2光耦合器的两个输出端口相位差为π/2，1×2光耦合器的两个输出端口相位差为0，采用宽波导使得马赫曾德尔电光调制器上下两个相移臂几乎不引入随机相位误差，那么薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的输出功率稳定在3dB工作点，而无需施加其他控制装置进行工作点的调整与稳定，大大降低了功耗和器件成本。

附图说明

图1是本发明提出的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的结构示意图和调制区波导截面图；

图2是本发明提出的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的中2×2光耦合器的结构示意图；

图3是本发明提出的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的中1×2光耦合器的结构示意图；

图4是本发明提出的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的调制电极示意图；

图5是本发明提出的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的干涉臂波导宽度与有效折射率的关系和波导宽度与单位误差尺寸下的有效折射率误差dn_eff/dw的关系；

图6是本发明提出的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的干涉臂波导宽度与半波电压长度乘积的关系和干涉臂波导宽度与损耗半波电压长度乘积的关系。

图7为现有薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的常规结构图。

图中：1、输入波导区，2、N×2输入光耦合器，3、第一干涉臂，4、第二干涉臂，5、2×M输出光耦合器，6、输出波导区，7、调制电极区，1a、第一输入波导，1b、第二输入波导，3a、第一连接波导，3b、第二调制波导，3c、第一连接波导，4a、第三连接波导，4b、第四调制波导，4c、第二连接波导，6a、第一输出波导，6b、第二输出波导，7a、第一调制电极，7b、第二调制电极，7c、第三调制电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

现有薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器如图7所示，电光调制器受到漂移效应的影响，在实际应用中，这种漂移必须通过快速反馈环路进行补偿，这增加了控制的复杂度。此外，这限制了它作为没有任何主动片外反馈的静态或低速移相器波导的应用。

对此，如图1所示，具体实施包括输入波导区1、N×2输入光耦合器2、第一干涉臂3、第二干涉臂4、2×M输出光耦合器5、输出波导区6和调制电极7；输入波导区1经N×2输入光耦合器2分别和第一干涉臂3、第二干涉臂4的一端连接，第一干涉臂3、第二干涉臂4的另一端经2×M输出光耦合器5和输出波导区6连接，第一干涉臂3和第二干涉臂4之间以及各自的外侧均设置有调制电极7。

输入波导区1的输入波导数量与N×2输入光耦合器2的输入端口数量相同，输入波导区1的N条输入波导与N×2输入光耦合器2的N个输入端口分别一一对应连接，N×2输入光耦合器2的两个输出端口分别经第一干涉臂3、第二干涉臂4与2×M输出光耦合器5的两个输入端口相连，输出波导区6的输入波导数量与2×M输出光耦合器6的输入端口数量相同，输出波导区6的M条输出波导与2×M输出光耦合器6的M个输出端口分别一一对应连接；且第一干涉臂3、第二干涉臂4的所有波导均为宽波导，具有大的工艺容差和低损耗的特性。

第一干涉臂3包括依次连接的第一连接波导3a、第一调制波导3b、第二连接波导3c，第二干涉臂4包括依次连接的第三连接波导4a、第二调制波导4b、第四连接波导4c，N×2输入光耦合器2的两个输出端口分别和第一连接波导3a、第三连接波导4a连接，2×M输出光耦合器6的两个输入端口分别和第二连接波导3c、第四连接波导4c连接。

第一调制波导3b、第二调制波导4b均为宽波导且长度相同、宽度相等，两侧设置有对称调制电极。

调制电极包括第一调制电极7a、第二调制电极7b、第三调制电极7c，第二调制电极7b布置在第一调制波导3b和第二调制波导4b之间，第一调制电极7a和第三调制电极7c分别布置在第一调制波导3b和第二调制波导4b的外侧方。

N×2输入光耦合器2与2×M输出光耦合器5完全不同，其中，当N＝1则M＝2；当N＝2则M＝1。

如图2所示，2×2光耦合器可采用多模干涉耦合结构、定向耦合结构、微弯耦合结构、绝热耦合结构。基于任意原理的2×2光耦合器的两个输出端口相位差均为π/2。

如图3所示，1×2光耦合器可采用采用多模干涉耦合结构或Y分支。基于任意原理的1×2光耦合器的两个输出端口相位差为0。

如图4所示，第一调制波导、第二调制波导两侧设置有对称调制电极，采用共面波导电极进行调制，包括行波电极、T型行波电极。

具体实施中，本发明选用基于薄膜铌酸锂(Lithium niobate on Insulator，LNOI)材料的脊型波导结构，LNOI材料包括薄膜铌酸锂层、二氧化硅埋覆层和硅基底层，其芯层为400nm厚的薄膜铌酸锂材料层；埋覆层为厚度2μm的二氧化硅层，折射率为1.444；上包层为空气，折射率为1；基底层为硅，折射率为3.45。

基于任意原理的2×2光耦合器的两个输出端口相位差均为π/2，基于任意原理的1×2光耦合器的两个输出端口相位差为0。因此，输入光经过马赫曾德调制器，在不施加任何偏压时，输出端口光强处在3dB工作点，大大降低了器件功耗。

第一干涉臂3、第二干涉臂4均采用宽波导，也就是第一连接波导3a、第一调制波导3b、第二连接波导3c、第三连接波导4a、第二调制波导4b、第四连接波导4c采用宽波导且长度相同，这样采用宽波导一方面降低了侧壁粗糙度对模场的影响，进而降低器件损耗，另一方面降低了加工误差对模场分布的影响，进而使得两干涉臂相位误差接近零。

图5是给出了薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器的干涉臂波导宽度与有效折射率的关系和波导宽度与单位误差尺寸下的有效折射率误差dn_eff/dw的关系。由图可见，随着波导宽度增宽，单位误差尺寸下的有效折射率误差dn_eff/dw显著减小，当波导宽度大于2.7μm，dn_eff/dw＝1e-6nm^-1，因此，随机相位误差

也显著降低。

如图6所示，当金属与波导间距固定为1.6μm时，计算了干涉臂波导宽度与半波电压长度乘积(Vπ·L)的关系，以及当长度干涉臂波导宽度与损耗半波电压长度乘积的关系。随着波导宽度增加，半波电压长度乘积也随之增加，但模式更好的束缚在铌酸锂波导中，其模式损耗大幅降低，因此，损耗半波电压长度乘积随着波导宽度的增加而降低。当波导宽度大于2.7μm，损耗半波电压长度乘积约为0.017dB·V·cm。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，包括输入波导区(1)、N×2输入光耦合器(2)、第一干涉臂(3)、第二干涉臂(4)、2×M输出光耦合器(5)、输出波导区(6)和调制电极(7)；输入波导区(1)经N×2输入光耦合器(2)分别和第一干涉臂(3)、第二干涉臂(4)的一端连接，第一干涉臂(3)、第二干涉臂(4)的另一端经2×M输出光耦合器(5)和输出波导区(6)连接，第一干涉臂(3)和第二干涉臂(4)之间以及各自的外侧均设置有调制电极(7)；其特征在于：输入波导区(1)的输入波导数量与N×2输入光耦合器(2)的输入端口数量相同，输入波导区(1)的N条输入波导与N×2输入光耦合器(2)的N个输入端口分别一一对应连接，N×2输入光耦合器(2)的两个输出端口分别经第一干涉臂(3)、第二干涉臂(4)与2×M输出光耦合器(5)的两个输入端口相连，输出波导区(6)的输入波导数量与2×M输出光耦合器(6)的输入端口数量相同，输出波导区(6)的M条输出波导与2×M输出光耦合器(6)的M个输出端口分别一一对应连接；所述的第一干涉臂(3)、第二干涉臂(4)的所有波导均为宽波导。

2.根据权利要求1所述的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的宽波导是指宽度对制备工艺容差不敏感的波导。

3.根据权利要求1所述的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的第一干涉臂(3)包括依次连接的第一连接波导(3a)、第一调制波导(3b)、第二连接波导(3c)，第二干涉臂(4)包括依次连接的第三连接波导(4a)、第二调制波导(4b)、第四连接波导(4c)，N×2输入光耦合器(2)的两个输出端口分别和第一连接波导(3a)、第三连接波导(4a)连接，2×M输出光耦合器(6)的两个输入端口分别和第二连接波导(3c)、第四连接波导(4c)连接。

4.根据权利要求3所述的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的调制电极包括第一调制电极(7a)、第二调制电极(7b)、第三调制电极(7c)，第二调制电极(7b)布置在第一调制波导(3b)和第二调制波导(4b)之间，第一调制电极(7a)和第三调制电极(7c)分别布置在第一调制波导(3b)和第二调制波导(4b)的外侧方。

5.根据权利要求1所述的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的N×2输入光耦合器(2)与2×M输出光耦合器(5)完全不同，其中，当N＝1则M＝2；当N＝2则M＝1。

6.根据权利要求1所述的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的输入波导区(1)、N×2输入光耦合器(2)、第一干涉臂(3)、第二干涉臂(4)、2×M输出光耦合器(5)和输出波导区(6)的波导均采用脊形波导。

7.根据权利要求1所述的一种无偏置调控的薄膜铌酸锂马赫曾德尔电光调制器，其特征在于：所述的输入波导区(1)、N×2输入光耦合器(2)、第一干涉臂(3)、第二干涉臂(4)、2×M输出光耦合器(5)和输出波导区(6)的波导为铌酸锂波导。

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