CN115857201A - 一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,包括衬底硅层、埋氧层、铌酸锂层和位于铌酸锂层上的金属电阻与电极。铌酸锂层包括了输入和输出直波导、输入和输出端模式转换器、1*3分束器、1*2分束器、双波导相移臂、2*1合束器、3*1合束器。当TE0模式从输入直波导输入,经过输入端模式转换器保持不变,经过1*3分束器和1*2分束器将其分成相等两束光置于内侧波导的两个通道;当TM0模式输入时,经过输入端模式转换器转换为一阶横电模即TE1模,经过1*3分束器分为两TE0模式置于外侧波导的两个通道,最后转为TM0模输出,TE0模保持不变输出。本发明为偏振无关的电光调制器的实现提供了新的方案,有效的扩大了电光调制器的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域,具体涉及一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器。
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。电光调制器是通过材料的电光效应实现的,其中基于泡克耳斯效应(PockelsEffect)的材料折射率变化与电场成正比,其系数与材料的电光系数有关。
马赫曾德尔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。马赫曾德尔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。
铌酸锂材料具有高电光系数、C波段低损耗的优点,是电光调制器的首选材料。同时,铌酸锂薄膜的出现和刻蚀技术的突破解决了传统铌酸锂体材料波导折射率差偏小的问题,能实现更强的模式限制,是下一代光子集成电路的解决方案。基于薄膜铌酸锂材料的调制器作为下一代低调制电压、高调制带宽、低插入损耗的调制器在未来的光通信领域有巨大的应用价值。
目前的电光调制器基本都是对TE基模进行调制,从光波通过光栅输入器件开始就需要对光波的偏振态进行严格控制,以防止其他偏振态模式的光对所需的TE偏振光造成干扰,影响调制效率和调制信号质量,故对于其他偏振态的光波无法进行有效利用。
发明内容
为了克服现有技术的不足,发明的目的是提供一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器。通过从光学电磁学理论层面分析,对调制器结构进行设计优化,使得输入TM或TE偏振态的光波都可以被有效利用,进行调制,解决了偏振控制的问题,扩大了电光调制器的应用范围。
为实现上述目的,本发明采用如下结构设计:
基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,包括从下到上依次层叠布置的硅衬底层、埋氧层、铌酸锂层和位于铌酸锂层上的金属电阻与电极,通过刻蚀技术在X切铌酸锂层形成薄膜铌酸锂光波导,薄膜铌酸锂光波导包含了依次连接的输入直波导、输入端模式转换器、1*3分束器,1*2分束器、S弯曲波导、双波导相移臂、S弯曲波导、2*1合束器,3*1合束器、输出端模式转换器与输出直波导。在双波导相移臂两侧设置有加热电阻和金属行波电极,所述金属行波电极包括:两侧各连接一组周期性排布的T结构金属电极的金属行波信号电极、单侧连接一组周期性排布的T结构金属电极的金属行波接地电极,并通过铌酸锂层处的小孔将硅衬底层部分刻蚀形成一个空腔。具体而言两侧各连接一组周期性排布的T结构金属电极的金属行波信号电极位于双波导相移臂两臂之间,而单侧连接一组周期性排布的T结构金属电极的两个金属行波接地电极和位于双波导相移臂两臂之外。输入直波导、输入端模式转换器、1*3分束器以及1*2分束器与输出直波导、输出端模式转换器、3*1合束器以及2*1合束器在结构上对称放置。
更进一步具体实施方式中,所述输入端和输出端模式转换器的结构完全相同,能够实现较窄端TM0模与较宽端TE1模的相互转换,同时TE0模保持不变。所述模式转换器的较窄端波导宽度W1小于TM0模与TE1模的模式杂化宽度,并且支持TE0,TM0模式。所述模式转换器的较宽端波导宽度W2大于TM0模与TE1模模式杂化宽度。模式转换器的长度L1由模式演化理论决定,以实现较窄端TM0模与较宽端TE1模的完全耦合。
更进一步具体实施方式中,所述的1*3分束器、1*2分束器与3*1合束器、2*1合束器结构完全相同,但放置位置不同。1*3分束器包含输入波导、多模干涉结构和对称的三根输出波导,TE0模输入时能够实现自成像从中间波导低损耗输出,而TE1模输入时分为相等两束光从两侧波导的TE0模式输出。所述1*3分束器输出的中间波导与1*2分束器的输入端连接,从1*3分束器中间波导输出的TE0模式由1*2分束器完成3dB分束,最后通过两对称的渐变锥输出。
更进一步具体实施方式中,所述的调制器材料选择为绝缘体上的X切薄膜铌酸锂,包括高折射率的脊型芯层、低折射率的埋氧层和上包层,上包层可选择折射率较小的材料,如空气。
更进一步具体实施方式中,所述包含T结构金属电极的金属行波接地-信号-接地电极材料均为金。所述的加热电阻的材料为钛和金,钛厚度为175nm,金厚度5nm,加热电阻长500µm,宽4µm。
更进一步具体实施方式中,所述的金属信号电极两侧的双波导相移臂是脊型波导,双波导相移臂两端通过S弯曲波导连接,S弯曲波导宽度是逐渐变化,以适应分束器输出波导或合束器输入波导宽度与双波导相移臂的连接,并且内侧和外侧相邻两个S波导之间的间距往双波导相移臂连接的地方逐渐变小,使得S波导TE0模到对应波导实现绝热传输。所述双波导相移臂两侧的电极下方的铌酸锂未被刻蚀,减小了金属吸收损耗。
更进一步具体实施方式中,在调制区域部分,所述的金属信号电极两侧分别存在两根都传输TE0模式的密集放置的直波导,外侧直波导的宽度W10与内侧直波导的宽度W11不同,其等效折射率不同,两波导之间距离W14可以设置较小不会发生耦合。双波导相移臂的长度的一半位置处通过两段渐变锥完成波导宽度互换,以保证对于内侧和外侧两波导通道内TE0模式的光平均群速度相等。另外,外侧直波导和T结构金属电极间的距离W12以及内侧直波导和TT结构金属电极间的距离W13需要计算优化,以实现内侧和外侧两波导通道相等的半波电压调制。
更进一步具体实施方式中,在调制区域部分,通过使用基于电磁场有限元法分析微波工程问题的全波三维电磁仿真软件,对含T结构金属电极的行波电极和双波导相移臂结构参数进行优化,使密集双波导相移臂实现较低微波和光波损耗,较低半波电压。通过采用硅衬底部分刻蚀,实现微波和光波的折射率匹配,提升调制器的电光带宽。所述行波电极为金电极,包含两种厚度,第一种为T结构金属电极厚度为200nm,第二种为金属行波接地以及信号主电极,厚度为1.1μm。
区别于现有技术,本发明具有如下有益效果:本发明利用铌酸锂晶体的电光效应,以及两个密集波导的光可以同时被调制的原理,提出的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器。当横电基模即TE0模式从输入直波导输入,经过输入端模式转换器保持不变,经过1*3分束器和1*2分束器将其分成相等两束光置于内侧波导的两个通道;当横磁基模即TM0模式输入时,经过输入端模式转换器转换为一阶横电模即TE1模,经过1*3分束器分为两TE0模式置于外侧波导的两个通道,这样对内侧和外侧两个波导通道同时调制,然后通过3*1合束器和2*1合束器干涉输出,最后TE1模由输出端模式转换器转为TM0模输出,TE0模保持不变输出。
本发明为偏振无关的电光调制器的实现提供了新的方案,有效的扩大了电光调制器的应用范围,解决了不同偏振模式光的调制问题。
附图说明
图1为本发明的一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器的整体结构示意图。
图2为随波导宽度变化不同模式的等效折射率变化图。
图3为本发明中模式转换器较窄端波长为1.55μm的TE0模输入时的光场传输图。
图4为本发明中模式转换器较窄端波长为1.55μm的TM0模输入时的光场传输图。
图5为波长1.55μm的TE0模式在本发明1*3分束器和1*2分束器中传输的光场图。
图6为波长1.55μm的TE0模式在本发明中经过1*3分束器和1*2分束器后输出的光谱图。
图7为波长1.55μm的TM0模式在本发明中经过模式转换器转化TE1模式后在1*3分束器传输的光场图。
图8为波长1.55μm的TE1模式经过本发明中从1*3分束器输出的光谱图。
图9为本发明中调制区域的切面图。
图10为通过COMSOL仿真计算的静态电压下光场分布图,并标注了每个模式的Vπ*L值与群折射率值。
图11为本发明中仿真计算的行波电极特征阻抗结果图。
图12为本发明中仿真计算的调制器微波群折射率结果图,虚线分别代表双波导内两TE0模光波的群折射率。
图13为本发明中仿真计算的调制器电光带宽结果图。
图中1. 输入直波导,2. 输入端模式转换器,3. 1*3分束器,4. 1*2分束器,5. 第一S弯曲波导,6. 第二S弯曲波导,7. 加热电阻,8. 第三S弯曲波导,9. 第四S弯曲波导,10.内侧波导,11. 外侧波导,12. 双波导相移臂,13. 金属行波信号电极,14. 金属行波接地电极,15. T结构金属电极,16. 小孔,17. 第五S弯曲波导,18. 第六S弯曲波导,19. 2*1合束器,20. 3*1合束器,21. 输出端模式转换器,22. 输出直波导,23. 铌酸锂层,24. 埋氧层,25. 硅衬底层,26. 空腔。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
请参阅图1所示,为基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器的整体结构示意图,该调制器所用平台为薄膜铌酸锂,所述的输入直波导1、输入端模式转换器2、1*3分束器(3)、1*2分束器4、S弯曲波导(第三S弯曲波导8,第四S弯曲波导9、第五S弯曲波导17,第六S弯曲波导18)、双波导相移臂12、3*1合束器20、2*1合束器19、输出端模式转换器21和输出直波导22可通过电感耦合等离子体刻蚀技术在薄膜铌酸锂平台上直接刻蚀出来,所述的加热电阻7与金属电极可通过热蒸镀的方式镀膜得到。金属电极位于波导臂两侧,当加载电压时,根据铌酸锂的电光效应,通过改变电极上的电压,可以改变铌酸锂晶体的折射率,进而对所传输的光波信号进行有效调制。
本发明所述的所有刻蚀所得的波导结构均以高折射率材料薄膜铌酸锂为芯层,薄膜铌酸锂层23厚度为400nm,刻蚀深度为200nm,采用空气这个低折射率上包层和3µm厚的埋氧层24,衬底为硅衬底25,切面结构如图9所示。所选用的薄膜铌酸锂为X切的铌酸锂,波导方向为铌酸锂的Y轴方向。
TE0或TM0模式的光从宽度为w1=0.8µm的输入直波导1输入,传输至输入端模式转换器2,TE0模式在输入端模式转换器2里保持不变且低损耗传输,而TM0模式的光由输入端模式转换器2转化为TE1模式再传输至1*3分束器3。根据图2随波导宽度变化不同模式的等效折射率变化可知,在宽度w0=1.25µm附近,TM0模和TE1模发生杂化,在该位置左右选取输入端模式转换器2的输入端宽度为w1=0.8µm,输出端宽度为w2=2.5µm,选取长度为L1=300µm满足TM0模和TE1模高效率的转换。TE0和TE1模式经过宽度为w3=2.5µm,长度为L2=50µm的波导输入1*3分束器3,此时,TE1模式经过1*3分束器3传输后分为两路TE0模式分别从外侧两端口输出,而TE0模式低损耗的从1*3分束器3的中间端口输出,1*3分束器3多模干涉结构宽度为w4=8µm,而长度为L3=88.5µm,两外侧的输出端口的宽度为w5=1µm,中间输出端口的宽度为w6=1.8µm。而TE0模式低损耗的从1*3分束器3的中间端口输出,从1*3分束器3中间端口输出的TE0模式通过宽w6=1.8µm的波导传输至1*2分束器4后进行3dB分束,1*2分束器4多模干涉结构的宽度为w7=5µm,长度为L4=17.8µm,1*2分束器4的两输出端口的宽度为w8=1.8µm,其后接一段长50µm且输出宽度为w9=1.2µm的渐变锥。1*3分束器3外侧两端口输出的TE0模式与1*2分束器4输出的两TE0模式经过第一S弯曲波导5和第二S弯曲波导6传输至两加热电阻7之间,对金属电阻施加电流使得周围波导温度升高,以对两个通道的静态工作点分别进行调节,而后光波经由第三S弯曲波导8和第四S弯曲波导9传输至调制区域两金属电极之间的内侧波导10与外侧波导11。在金属行波接地电极14和金属行波信号电极13之间有两根密集排列的波导,靠近金属行波接地电极的外侧波导11宽为w10=0.6µm,且与金属行波接地电极所连接的周期性排布的T结构金属电极15之间的距离为w12=1.5µm,而另一根内侧直波10导宽为w11=1.2µm,其与金属行波接地电极所连接的周期性排布的T结构金属电极15之间的距离为w13=2.8µm,两根波导之间的距离为w14=0.7µm。为保证调制时两根波导内TE0模的半波电压能够相等,在这两根直波导的中间位置处通过两段长为L5=6µm的渐变锥完成两波导的宽度互换。金属行波接地电极14的宽度为223µm,金属行波信号电极13宽73µm,金属行波电极的长度为1cm, 金属行波主电极的高度为1.1µm,其中T结构金属电级15的高度为200nm,且从T结构金属电极15之间的小孔16处进行刻蚀去除深度w15=29µm的硅衬底,以实现折射率的匹配。金属行波接地和信号电极分别所连接的T结构金属电极的间距为6.8µm,T结构金属电极15到主电极这一部分的长度为h=19µm,宽度为t=5µm,而与直波导处于平行状态的T结构金属电极15的长度为r=47µm,宽度为s=3µm,位于同一侧两T结构金属电极15之间的距离为c=3µm,在T结构金属电极之间的小孔16长度为L=36µm,宽度为w=13µm。调制后的外侧波导11内的TE0模式光经过宽度从1.2µm 渐变到1µm 的第五S弯曲波导17传输至3*1合束器20的两外侧端口并合束为TE1模式,而内侧波导10内的TE0模式光经过宽度从0.6µm渐变到1.2µm 的第六S弯曲波导18传输至2*1合束器19的两端口并合束为TE0模式,而后通过3*1合束器20输出。3*1合束器20与2*1合束器19的结构和1*3分束器3与1*2分束器4的结构完全相同。从3*1合束器20输出的TE0模式经过输出端模式转换器21以及输出直波导22低损耗的输出,而从3*1合束器20输出的TE1模式经过输出端模式转换器21后转化为TM0模式再由输出直波导22完成输出。
通过时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain,FDTD)对光波进行数值仿真。图3显示该设计在TE0模式和波长为1.55μm的光输入时,在输入端模式转换器(2)中光传输的电场幅度分布情况,传输效率为99.97%。图4显示该设计在TM0模式和波长为1.55μm的光输入时,在输入端模式转换器(2)中光传输的电场幅度分布情况,传输效率为99.91%。图5显示该设计在TE0模式和波长为1.55μm的光输入时,在1*3分束器(3)和1*2分束器(4)传输的电场幅度分布情况。图6显示波长1.55μm的TE0模式从1*3分束器(3)传输至1*2分束器(4)后并从两端口输出的光谱响应,峰值插入损耗为-3.221dB。图7显示该设计在TM0模式和波长为1.55μm的光输入时,从输入端模式转换器(2)转化为TE1模式再传输至1*3分束器(3)后光传输的电场幅度分布情况。图8显示该设计TE1模的光输入到1*3分束器(3)时从外侧两端口输出的光谱响应,峰值插入损耗为-3.179dB。
本发明使用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。根据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,进而求得电极与波导的相关位置,计算出不同尺寸的波导在不同位置的调制所需的半波电压。通过使用HFSS软件进行器件结构建模,优化设计电极结构参数和器件整体结构模型,提升特征阻抗与群折射率的匹配程度,扩大调制器的电光带宽。如图10所示,仿真结果表明当取调制器长度为1cm时,两个偏振态的平均半波电压值均为3.72V。模斑位于宽度为w10=0.6µm的窄波导内TE0模的有效折射率为1.704,群折射率为2.23,模斑位于位于宽度为w11=1.2µm的宽波导内TE0模的有效折射率为1.78,群折射率为2.25。图11表明仿真所得的特征阻抗的匹配值为53欧姆左右。图12表明了仿真计算的调制器微波折射率与光波的群折射率的匹配结果,图13则表明调制器两个偏振态3dB电光带宽相等,均大于110GHz。
尽管已经对上述各实施例进行了描述,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例做出另外的变更和修改,所以以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利保护范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,包括从下到上依次层叠布置的硅衬底层(25)、埋氧层(24)、铌酸锂层(23),在铌酸锂层(23)上方布置了加热电阻(7)、T结构金属电极(15)、金属行波信号电极(13)以及金属行波接地电极(14);通过刻蚀技术在X切铌酸锂层形成薄膜铌酸锂光波导,薄膜铌酸锂光波导包含了依次连接的输入直波导(1)、输入端模式转换器(2)、1*3分束器(3),1*2分束器(4)、第一S弯曲波导(5)、第二S弯曲波导(6)、第三S弯曲波导(8)、第四S弯曲波导(9)、双波导相移臂(12)、第五S弯曲波导(17)、第六S弯曲波导(18)、2*1合束器(19),3*1合束器(20)、输出端模式转换器(21)与输出直波导(22),双波导相移臂(12)处设置有金属行波电极,所述金属行波电极包括:两侧各连接一组周期性排布的T结构金属电极(15)的金属行波信号电极(13)、单侧连接一组周期性排布的T结构金属电极(15)的金属行波接地电极(14),并通过铌酸锂层(23)处的小孔(16)将硅衬底层(25)部分刻蚀形成一个空腔(26),两侧各连接一组周期性排布的T结构金属电极(15)的金属行波信号电极(13)位于双波导相移臂(12)两臂之间,而单侧连接一组周期性排布的T结构金属电极(15)的两个金属行波接地电极(14)位于双波导相移臂(12)两臂之外;输入直波导(1)、输入端模式转换器(2)、1*3分束器(3)以及1*2分束器(4)与输出直波导(22)、输出端模式转换器(21)、3*1合束器(20)以及2*1合束器(19)在结构上对称放置。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,所述输入端模式转换器(2)和输出端模式转换器(21)的结构相同,用于实现较窄端TM0模与较宽端TE1模的相互转换,同时TE0模保持不变;所述模式转换器的较窄端波导宽度W1小于TM0模与TE1模的模式杂化宽度,并且支持TE0,TM0模式;所述输入端模式转换器(2)的较宽端波导宽度W2大于TM0模与TE1模模式杂化宽度;输入端模式转换器(2)的长度L1由模式演化理论决定,以实现较窄端TM0模与较宽端TE1模的完全耦合。
3.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,所述的1*3分束器(3)以及1*2分束器(4)与3*1合束器(20)以及2*1合束器(19)结构相同,但放置位置不同;1*3分束器(3)包含输入波导、多模干涉结构和对称的三根输出波导,TE0模输入时能够实现自成像从中间波导低损耗输出,而TE1模输入时分为相等两束TE0模式光从两侧波导输出,所述1*3分束器(3)输出的中间波导与1*2分束器(4)的输入端连接,从1*3分束器(3)中间波导输出的TE0模式由1*2分束器(4)完成3dB分束,最后通过两对称的渐变锥输出。
4.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,所述的调制器材料选择为绝缘体上的X切薄膜铌酸锂,包括高折射率的脊型铌酸锂芯层(23)、低折射率的埋氧层(24)和折射率较小的空气上包层。
5.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,所述的金属行波信号电极(13)两侧的双波导相移臂(12)是脊型波导,双波导相移臂(12)两端通过S弯曲波导连接,第三S弯曲波导 (8)、第四S弯曲波导 (9)和第五S弯曲波导(17)、第五六S弯曲波导(18)的宽度是逐渐变化,以适应分束器输出波导或合束器输入波导宽度与双波导相移臂(12)的连接,并且内侧和外侧相邻两个S弯曲波导之间的间距往双波导相移臂(12)连接的地方逐渐变小,使得S弯曲波导TE0模到对应波导实现绝热传输,所述双波导相移臂(12)两侧的电极下方的铌酸锂未被刻蚀,减小了金属吸收损耗。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,在调制区域部分,所述的金属信号电极(13)两侧分别存在两根都传输TE0模式的密集放置的直波导,外侧直波导(11)的宽度W10与内侧直波导(10)的宽度W11不同,其等效折射率不同,两波导之间距离W14设置较小不会发生耦合,双波导相移臂(12)的长度的一半位置处通过两段渐变锥完成波导宽度互换,以保证对于内侧和外侧两波导通道内TE0模式的光平均群速度相等;另外,外侧直波导(11)和T结构金属电极(15)间的距离W12以及内侧直波导(10)和T结构金属电极(15)间的距离W13优化后,以实现内侧和外侧两波导通道相等的半波电压调制。
7.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,在调制区域部分,通过使用基于电磁场有限元法分析微波工程问题的全波三维电磁仿真软件,对含T结构金属电极(15)的金属行波电极和双波导相移臂(12)结构参数进行优化,使密集双波导相移臂(12)实现较低微波和光波损耗,较低半波电压;通过采用硅衬底部分刻蚀,实现微波和光波的折射率匹配,提升调制器的电光带宽;所述金属行波电极材料为金,包含两种厚度,第一种为T结构金属电极(15)厚度为200nm,第二种为金属行波接地电极(14)以及金属行波信号电极(13),厚度为1.1μm。
8.根据权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器,其特征在于,内侧和外侧两通道波导附近分别设置有加热电阻(7),实现对不同通道静态工作点的调节,使得TE和TM模输入时的静态工作点一致。
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CN202211638060.7A CN115857201A (zh) | 2022-12-20 | 2022-12-20 | 一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器 |
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CN116560119B (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-19 | 华中科技大学 | 基于行波电极结构的硅基薄膜铌酸锂宽带电光调制器芯片 |
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