CN115903284A - 电光调制器 - Google Patents

Abstract

提供一种电光调制器，包括：第一波导臂和第二波导臂；以及，射频电极，包括第一地电极、第一信号电极、第二信号电极和第二地电极，其中，第一信号电极和第二信号电极配置为接收差分信号，在垂直于电光调制器的衬底的方向上，第一地电极、第一信号电极、第二信号电极和第二地电极依次排列，第一波导臂位于第一地电极和第一信号电极之间，第二波导臂位于第一信号电极和第二信号电极之间。本公开实施例可在满足器件性能需求的前提下，实现器件的小型化设计。

Description

电光调制器

技术领域

本公开涉及光通信技术领域，特别是涉及一种电光调制器。

背景技术

近年来，随着物联网、无人驾驶、远程医疗、远程教育等新兴网络应用业务的飞速发展，对于高速大容量通信技术提出了更高的要求。光通信因其带宽大、可靠性高、成本低、抗干扰能力强等特点，在高速、大容量通信方向取得了飞速的发展。如何将高速电信号加载到光载波上是一项核心研究内容。

电光调制器是基于电光材料(Electro-optic materials)的电光效应制成的一种调制器。电光效应是指，当对例如铌酸锂晶体、砷化稼晶体或钽酸锂晶体等电光材料施加电压时，电光材料的折射率会发生变化，进而引起通过该电光材料的光波的特性发生变化。利用电光效应，可以实现对光信号相位、幅度、强度以及偏振状态等参数的调制。

马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator)是电光调制器的一种，其是将输入光信号等分成两个分支光信号，使之分别进入两个波导臂，这两个波导臂采用电光材料，其折射率随外加调制电压的变化而变化。波导臂的折射率变化会引起分支光信号的相位变化，因此，两个分支光信号汇合后输出的是一个强度随调制电压变化的干涉信号。简而言之，马赫曾德尔调制器通过控制施加在两个波导臂上的调制电压，可以实现不同边带的调制。马赫曾德尔调制器作为将电信号转换成光信号的器件，是光互连、光计算、光通信系统中常见的核心器件之一。

随着人们对于高速、大容量通信技术的需求日益迫切，对于电光调制器的器件性能和器件尺寸均提出了更高的要求。

发明内容

本公开实施例提供了一种电光调制器，以在满足器件性能需求的前提下，实现器件的小型化设计。

本公开实施例提供的电光调制器，包括：第一波导臂和第二波导臂；以及，射频电极，包括第一地电极、第一信号电极、第二信号电极和第二地电极，其中，所述第一信号电极和所述第二信号电极配置为接收差分信号，在垂直于所述电光调制器的衬底的方向上，所述第一地电极、所述第一信号电极、所述第二信号电极和所述第二地电极依次排列，所述第一波导臂位于所述第一地电极和所述第一信号电极之间，所述第二波导臂位于所述第一信号电极和所述第二信号电极之间。

在一些实施例中，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一信号电极和所述第二信号电极相对于所述第二波导臂轴对称布置。

在一些实施例中，所述电光调制器包括依次设置的所述衬底、隔离层、波导层和第一电极层，其中，所述第一波导臂和所述第二波导臂位于所述波导层；所述第一地电极、所述第一信号电极、所述第二信号电极和所述第二地电极位于所述第一电极层。

在一些实施例中，所述射频电极还包括第三地电极，在垂直于所述衬底的方向上，所述第三地电极的至少一部分位于所述第一信号电极和所述第二信号电极之间，并且，所述第三地电极与所述第一信号电极、所述第二波导臂和所述第二信号电极通过绝缘层隔离。

在一些实施例中，所述电光调制器包括依次设置的所述衬底、隔离层、波导层、第一电极层、绝缘层和第二电极层，其中，所述第一波导臂和所述第二波导臂位于所述波导层；所述第一地电极、所述第一信号电极、所述第二信号电极和所述第二地电极位于所述第一电极层；所述第三地电极位于所述第二电极层。

在一些实施例中，在垂直于所述衬底的方向上，所述绝缘层与所述衬底相重合。

在一些实施例中，在垂直于所述衬底的方向上，所述绝缘层曝露出所述第一地电极、所述第一波导臂、所述第一信号电极的至少一部分、所述第二信号电极的至少一部分以及所述第二地电极。

在一些实施例中，所述波导层为脊凸图案层；或者，所述波导层为脊波导层，包括平板层和位于所述平板层的远离所述衬底的一侧的脊凸图案层，所述第一波导臂和所述第二波导臂位于所述脊凸图案层。

在一些实施例中，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一信号电极和所述第二信号电极中的至少一个与所述第三地电极存在重叠。

在一些实施例中，所述第一信号电极和所述第二信号电极中的至少一个具有如下结构：包括电极本体以及分布在所述电极本体的一个或两个长边侧的多个子电极结构，每个所述子电极结构包括连接臂以及通过所述连接臂与所述电极本体连接的子电极。

根据本公开的一个或多个实施例，可以通过第一信号电极和第二信号电极的差分信号输入，使第二波导臂中传输的分支光信号取得更大的相位变化，进而使得，两个分支光信号经过更短的传输路径便可以取得目标相位差，这样，便可以减小电光调制器的长度尺寸，在满足器件性能需求的前提下，实现器件的小型化设计。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1是传统型马赫曾德尔调制器的俯视结构示意图；

图2是根据本公开一些示例性实施例的电光调制器的俯视结构示意图；

图3是根据本公开一些示例性实施例的电光调制器沿图2中A-A向的剖视结构示意图；

图4是根据本公开一些示例性实施例的电光调制器的俯视结构示意图；

图5是根据本公开一些示例性实施例的电光调制器沿图4中B-B向的剖视结构示意图；

图6是根据本公开另一些示例性实施例的电光调制器沿图4中B-B向的剖视结构示意图；及

图7是根据本公开又一些示例性实施例的电光调制器的截面结构示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

如图1所示，为一种传统型马赫曾德尔调制器的结构示意图。在理想状态下，马赫曾德尔调制器001的两个波导臂02绝对相同。马赫曾德尔调制器001不工作时，两个波导臂02均不发生电光效应，输入光经过分光元件01后被等分为两个分支光信号，两个分支光信号在各自经过一个波导臂02后相位仍然相同，因此，会从合光元件05输出两个分支光信号的相干加强信号。马赫曾德尔调制器001工作时，调制电极04(例如包括信号电极040、第一地电极041和第二地电极042)接收电信号，从而对两个波导臂02施加调制电压，两个分支光信号在各自经过一个波导臂02后相位可以相差Π的奇数倍或偶数倍，当相位相差Π的偶数倍时，合光元件05输出两个分支光信号的相干加强信号，当相位相差Π的奇数倍时，合光元件05输出两个分支光信号的相干抵消信号。

从图中可以看出，这种传统型马赫曾德尔调制器的结构特点是细长型，其长度通常在毫米或者厘米量级，而其宽度通常在几百微米量级，此外，为了尽量降低驱动电压，也会考虑增加两个波导臂的长度。虽然马赫曾德尔调制器的宽度尺寸较小，但其整体尺寸仍主要由长度尺寸决定，因此，如何在不影响器件性能的前提下，实现器件的小型化设计，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

本公开实施例提供了一种电光调制器，其可以在满足器件性能需求的前提下，实现器件的小型化设计。

如图2所示，本公开一些实施例提供了一种电光调制器1，包括第一波导臂30、第二波导臂40和射频电极50，其中，射频电极50包括第一地电极501、第一信号电极502、第二信号电极504和第二地电极505。第一信号电极502和第二信号电极504配置为接收差分信号，即第一信号电极502和第二信号电极504所分别接收的射频电压信号S1、S2的振幅相同、相位相反，射频电压信号S1、S2为差分信号。在垂直于电光调制器1的衬底(如图3中衬底810)的方向上，第一地电极501、第一信号电极502、第二信号电极504和第二地电极505依次排列，第一波导臂30位于第一地电极501和第一信号电极502之间，第二波导臂40位于第一信号电极502和第二信号电极504之间。

该实施例的电光调制器例如为马赫曾德尔调制器，除上述基本结构外，还包括作为输入元件的分光元件10以及作为输出元件的合光元件20。分光元件10例如包括第一输入端101、第一输出端102和第二输出端103，合光元件20例如包括第二输入端201、第三输入端202和第三输出端203，该实施例中，第一波导臂30连接第一输出端102和第二输入端201，第二波导臂40连接第二输出端103和第三输入端202。需要说明的是，输入元件和输出元件的结构不限制为图中所示的三端口元件，可以根据电光调制器1的实际功能需求选择设计。

第一波导臂30和第二波导臂40的材料包括电光材料，电光材料例如为铌酸锂、钽酸锂或者磷酸氧钛钾等等。当对第一信号电极502和第二信号电极504输入差分信号(如上述射频电压信号S1、S2)，并且，将第一地电极501和第二地电极505接地时，第一地电极501与第一信号电极502之间形成电场E1、第一信号电极502和第二信号电极504之间形成电场E2、第二地电极505与第二信号电极504之间形成电场E3。第一波导臂30的至少一部分位于电场E1中，该部分波导臂的折射率随第一信号电极502所接收射频电压信号S1的变化而变化，从而实现对其中传输的分支光信号的相位调制。第二波导臂40的至少一部分位于电场E2中，该部分波导臂的折射率随第一信号电极502和第二信号电极504所接收差分信号S1、S2的变化而变化，从而实现对其中传输的分支光信号的相位调制。

如上所述，第二波导臂40的至少一部分位于电场E2中，该部分波导臂的折射率随第一信号电极502和第二信号电极504所接收差分信号S1、S2的变化而变化。由于S1、S2为差分信号，因此，电场E2的强度大致为电场E1强度的两倍，从而使得，经第二波导臂40传输的分支光信号的相位变化速率大致为经第一波导臂30传输的分支光信号的相位变化速率的两倍，进而使得，两个分支光信号经过更短的传输路径便可以取得目标相位差，这样，便可以减小电光调制器1的长度尺寸，在满足器件性能需求的前提下，实现器件的小型化设计。其中，目标相位差例如为Π的奇数倍或偶数倍。

如图2和图3所示，在本公开的一些实施例中，在垂直于衬底810的方向上，第一信号电极502和第二信号电极504相对于第二波导臂40轴对称布置。对称的结构设计，可以获得更加均匀、理想的电场，使得信号输入简单、调制性好，从而可以获得更加理想的调制效果。此外，对称的结构设计使得加工工艺也比较简便。当然，本公开实施例不限制为上述对称结构设计。

电光调制器的一些层结构可以通过掩膜构图工艺制作，各层所采用的材料以及具体工艺不限，可以根据实际需求进行选择。第一地电极、第一信号电极、第二信号电极和第二地电极可以同层设置，这样，便可以在一次掩膜构图工艺中形成这些结构。

如图3所示，在一些实施例中，前述电光调制器1包括依次设置的衬底810、隔离层820、波导层830和第一电极层840，其中，第一波导臂30和第二波导臂40位于波导层830，第一地电极501、第一信号电极502、第二信号电极504和第二地电极505位于第一电极层840。

波导层830可以为脊波导层，包括平板层831和位于平板层831的远离衬底810的一侧的脊凸图案层832，第一波导臂30和第二波导臂40位于脊凸图案层832。在本公开的另一些实施例中，波导层也可以只包括脊凸图案层而不包括平板层，第一波导臂和第二波导臂为该脊凸图案层的至少一部分。

如图4和图5所示，为根据本公开另一些示例性实施例的电光调制器的结构示意。在这些实施例中，射频电极50还包括第三地电极503，在垂直于衬底810的方向上，该第三地电极503的至少一部分位于第一信号电极502和第二信号电极504之间，并且，该第三地电极503与第一信号电极502、第二波导臂40和第二信号电极504通过绝缘层850隔离。具体的，该实施例电光调制器的层结构可以包括：依次设置的衬底810、隔离层820、波导层830、第一电极层840、绝缘层850和第二电极层860，其中，第一波导臂30和第二波导臂40位于波导层830，第一地电极501、第一信号电极502、第二信号电极504和第二地电极505位于第一电极层840，第三地电极503位于第二电极层860。

第三地电极503的一部分或者全部设在第一信号电极502和第二信号电极504之间，可以减少第一信号电极502与第二信号电极504之间可能产生的串扰，提高电信号传输的稳定性，降低电信号的传输损耗，进而提高电光调制器调制输出的准确性和稳定性。

在该实施例中，类似的，波导层830可以包括平板层831和脊凸图案层832，也可以只包括脊凸图案层而不包括平板层。

如图5所示，在该实施例中，在垂直于衬底810的方向上，绝缘层850与衬底810相重合，即，绝缘层850覆盖了整个波导层830，绝缘层850可以不进行图案化设计。

如图6所示，在另一些实施例中，绝缘层850采用了图案化设计，曝露出第一地电极501、第一波导臂30、第一信号电极502的至少一部分(例如曝露出全部第一信号电极502)、第二信号电极504的至少一部分(例如曝露出全部第一信号电极504)，以及第二地电极505。该实施例中，第三地电极503的宽度小于第一信号电极502和第二信号电极504之间的间距，绝缘层850可以如图中所示那样只覆盖第二波导臂40，而将第一信号电极502和第二信号电极504全部曝露。如图7所示，在另一些实施例中，第三地电极503的宽度也可以大于第一信号电极502和第二信号电极504之间的间距，绝缘层850采用图案化设计，其覆盖了第二波导臂40、第一信号电极502的一部分和第二信号电极504的一部分(也即绝缘层850除曝露出第一地电极501、第一波导臂30和第二地电极505外，还曝露出第一信号电极502的一部分和第二信号电极504的一部分)。

如图7所示，在垂直于衬底810的方向上，第一信号电极502和第二信号电极504中的至少一个可以与第三地电极503存在重叠。此外，第一信号电极502和第二信号电极504也可以与第三地电极503不相重叠。

继续参照图4所示，第一信号电极502和第二信号电极504中的至少一个具有如下结构：包括电极本体以及分布在电极本体的一个或两个长边侧的多个子电极结构70，每个子电极结构70包括连接臂71以及通过连接臂71与电极本体连接的子电极72。子电极结构70的形状、数量、位置可以根据需要选择设置，其具体形状不限，例如，子电极结构70可以呈L形或T形。通过这些子电极结构70的选择设置，可以改善射频电极50在不同区域可能存在的阻抗不匹配，减少电信号的微波反射，从而有利于进一步提升器件的性能。另外，由于通常情况下，光传输的速度大于电传输速度，通过这些子电极结构70的补偿设计，可以在一定程度上补偿光信号和电信号传输速度的差异，使光场和电场的传输尽量匹配，从而进一步提高电光调制器1的器件性能。

在本公开一些实施例中，如图4所示，电光调制器1还包括：设于射频电极50与作为输出元件的合光元件20之间的相位补偿调制模块60。相位补偿调制模块60可以根据需要对第一波导臂30和第二波导臂40进行调制，从而补偿两个波导臂的固有相位差，进一步提高电光调制器1的调制输出的准确性。相位补偿调制模块60不限于设在上述位置，例如也可以设于作为输入元件的分光元件10与前述射频电极50之间。

相位补偿调制模块60的具体类型不限，例如可以为基于电光效应的电光型相位补偿调制模块，或者基于热光效应的热光型相位补偿调制模块，等等。当相位补偿调制模块60为基于电光效应的电光型相位补偿调制模块时，其一些层结构可以与前述电光调制器1的一些层结构同层制作，以简化工艺，降低制作成本。

在一些实施例中，也可以根据需要不选择布置相位补偿调制模块。

综上，本公开实施例提供的电光调制器1，可以在满足器件性能需求的前提下，实现器件的小型化设计，从而更易集成在硬件系统中。

应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本公开的保护范围的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电光调制器，包括：

第一波导臂和第二波导臂；以及

射频电极，包括第一地电极、第一信号电极、第二信号电极和第二地电极，其中，所述第一信号电极和所述第二信号电极配置为接收差分信号，在垂直于所述电光调制器的衬底的方向上，所述第一地电极、所述第一信号电极、所述第二信号电极和所述第二地电极依次排列，所述第一波导臂位于所述第一地电极和所述第一信号电极之间，所述第二波导臂位于所述第一信号电极和所述第二信号电极之间。

2.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，在垂直于所述衬底的方向上，所述第一信号电极和所述第二信号电极相对于所述第二波导臂轴对称布置。

3.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，所述电光调制器包括依次设置的所述衬底、隔离层、波导层和第一电极层，其中，

所述第一波导臂和所述第二波导臂位于所述波导层；

所述第一地电极、所述第一信号电极、所述第二信号电极和所述第二地电极位于所述第一电极层。

4.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，

所述射频电极还包括第三地电极，在垂直于所述衬底的方向上，所述第三地电极的至少一部分位于所述第一信号电极和所述第二信号电极之间，并且，所述第三地电极与所述第一信号电极、所述第二波导臂和所述第二信号电极通过绝缘层隔离。

5.根据权利要求4所述的电光调制器，其中，所述电光调制器包括依次设置的所述衬底、隔离层、波导层、第一电极层、所述绝缘层和第二电极层，其中，

所述第一波导臂和所述第二波导臂位于所述波导层；

所述第一地电极、所述第一信号电极、所述第二信号电极和所述第二地电极位于所述第一电极层；

所述第三地电极位于所述第二电极层。

6.根据权利要求5所述的电光调制器，其中，在垂直于所述衬底的方向上，所述绝缘层与所述衬底相重合。

7.根据权利要求5所述的电光调制器，其中，在垂直于所述衬底的方向上，所述绝缘层曝露出所述第一地电极、所述第一波导臂、所述第一信号电极的至少一部分、所述第二信号电极的至少一部分以及所述第二地电极。

8.根据权利要求3、5至7中任一项所述的电光调制器，其中，

所述波导层为脊凸图案层；或者

所述波导层为脊波导层，包括平板层和位于所述平板层的远离所述衬底的一侧的脊凸图案层，所述第一波导臂和所述第二波导臂位于所述脊凸图案层。

9.根据权利要求4至7中任一项所述的电光调制器，其中，

在垂直于所述衬底的方向上，所述第一信号电极和所述第二信号电极中的至少一个与所述第三地电极存在重叠。

10.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，所述第一信号电极和所述第二信号电极中的至少一个具有如下结构：

包括电极本体以及分布在所述电极本体的一个或两个长边侧的多个子电极结构，每个所述子电极结构包括连接臂以及通过所述连接臂与所述电极本体连接的子电极。

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