CN116300153A - 一种电光调制器和光收发模块 - Google Patents

一种电光调制器和光收发模块 Download PDF

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徐廷廷
应小俊
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Zhejiang University ZJU
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Abstract

本公开提出一种电光调制器和光收发模块，其中，电光调制器包括：基底；耦合单元，耦合单元设置在基底上，耦合单元用于将输入光分束成第一光信号和第二光信号，并使第一光信号和第二光信号沿相反方向传导后耦合成输出光；调制单元，调制单元设置在基底上，且调制单元位于第一光信号和第二光信号的传导路径上，调制单元用于根据输入的电信号调节第一光信号与第二光信号之间的相位差，以调制输出光的强度。在本公开的一种电光调制器和光收发模块中，使得电光调制长度能够设置较短，从而有效减小了电光调制器的集成尺寸，提高了电光调制器的集成度。

Description

一种电光调制器和光收发模块
技术领域
本公开涉及光调制技术领域，尤其涉及一种电光调制器和光收发模块。
背景技术
在全球流量呈指数增长的背景下，光模块的需求呈现出快速增长的趋势，与基于分立元件的传统光模块相比，光子集成芯片以其封装成本低、体积小、功耗低等优势在光模块领域占据主导地位。其中，如何减小芯片尺寸、提高芯片集成度是进一步要解决的问题。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开的目的在于提供一种电光调制器和光收发模块。
为达到上述目的，本公开第一方面提供一种电光调制器，包括：基底；耦合单元，所述耦合单元设置在所述基底上，所述耦合单元用于将输入光分束成第一光信号和第二光信号，并使所述第一光信号和所述第二光信号沿相反方向传导后耦合成输出光；调制单元，所述调制单元设置在所述基底上，且所述调制单元位于所述第一光信号和所述第二光信号的传导路径上，所述调制单元用于根据输入的电信号调节所述第一光信号与所述第二光信号之间的相位差，以调制所述输出光的强度。
可选的，所述耦合单元包括：多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器设置在所述基底上，所述多模干涉耦合器用于将所述输入光分束成所述第一光信号和所述第二光信号，所述多模干涉耦合器的第一端口用于输出所述第一光信号并输入所述第二光信号，所述多模干涉耦合器的第二端口用于输出所述第二光信号并输入所述第一光信号，所述多模干涉耦合器用于将输入的所述第一光信号和所述第二光信号耦合成所述输出光；塞格纳克环，所述塞格纳克环设置在所述基底上，所述塞格纳克环的一端与所述多模干涉耦合器的第一端口相连，所述塞格纳克环的另一端与所述多模干涉耦合器的第二端口相连，所述调制单元靠近所述塞格纳克环。
可选的，所述电光调制器还包括：第一光波导，所述第一光波导设置在所述基底上，所述第一光波导的一端与所述多模干涉耦合器的第三端口相连，所述第一光波导用于输入所述输入光；第二光波导，所述第二光波导设置在所述基底上，所述第二光波导的一端与所述多模干涉耦合器的第四端口相连，所述第二光波导用于输出所述输出光。
可选的，所述调制单元包括：第一传输线，所述第一传输线设置在所述塞格纳克环上，所述第一传输线的一端用于输入所述电信号；第二传输线，所述第二传输线设置在所述基底上，所述第二传输线位于所述第一传输线的一侧，所述第二传输线接地；第三传输线，所述第三传输线设置在所述基底上，所述第三传输线位于所述第一传输线的另一侧，所述第三传输线接地。
可选的，所述调制单元还包括：负载，所述负载设置在所述基底上，所述负载位于所述第一传输线的另一端，所述负载包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联在所述第一传输线与所述第二传输线之间，所述第二电阻串联在所述第一传输线与所述第三传输线之间。
可选的，所述基底由三五族化合物材料制成。
可选的，所述基底包括：位置相反的第一面和第二面，所述耦合单元和所述调制单元设置在所述第一面上。
本公开第二方面提供一种光收发模块，包括：如本公开第一方面提供的电光调制器。
可选的，所述光收发模块还包括：光源，所述光源设置在所述电光调制器的基底上，所述光源的输出端与所述电光调制器中第一光波导远离多模干涉耦合器第三端口的一端相连。
可选的，所述光收发模块还包括：光电探测器，所述光电探测器设置在所述电光调制器的基底上，所述光电探测器的输入端与所述电光调制器中第二光波导远离多模干涉耦合器第四端口的一端相连。
本公开提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由于耦合单元将输入光分束成第一光信号和第二光信号，且在第一光信号和第二光信号沿传导路径传导后又耦合成输出光，且调制单元位于第一光信号和第二光信号的传导路径上对第一光信号和第二光信号进行调制，由此使得电光调制长度能够设置较短，从而有效减小了电光调制器的集成尺寸，提高了电光调制器的集成度，不仅利于电光调制器的大规模阵列集成，而且有效降低了电光调制器的半波电压，减小了电光调制器的光插入损耗，增大了电光调制器的响应带宽。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本公开一实施例提出的电光调制器的结构示意图；
图2是本公开一实施例提出的电光调制器的结构示意图；
图3是本公开一实施例提出的光收发模块的结构示意图；
如图所示：1、基底，11、第一面；
2、耦合单元，21、多模干涉耦合器，22、塞格纳克环；
3、调制单元，31、第一传输线，32、第二传输线，33、第三传输线，34、负载，341、第一电阻，342、第二电阻；
4、第一光波导，5、第二光波导，6、光源，7、光电探测器。
具体实施方式
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。相反，本公开的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
如图1所示，本公开实施例提出一种电光调制器，包括基底1、耦合单元2和调制单元3，耦合单元2设置在基底1上，耦合单元2用于将输入光分束成第一光信号和第二光信号，并使第一光信号和第二光信号沿相反方向传导后耦合成输出光，调制单元3设置在基底1上，且调制单元3位于第一光信号和第二光信号的传导路径上，调制单元3用于根据输入的电信号调节第一光信号与第二光信号之间的相位差，以调制输出光的强度。
可以理解的是，通过将耦合单元2和调制单元3设置在基底1上，从而实现电光调制器的集成，进而有效降低了电光调制器的封装成本、减小了电光调制器的体积、降低了电光调制器的功耗，利于电光调制器的推广使用。
在第一光信号和第二光信号沿相反方向传导时，利用调制单元3调节第一光信号与第二光信号之间的相位差，从而使第一光信号与第二光信号之间发生相长、相消干涉，进而实现输出光的强度调制，由此提高了调制效率。
其中，由于耦合单元2将输入光分束成第一光信号和第二光信号，且在第一光信号和第二光信号沿传导路径传导后又耦合成输出光，且调制单元3位于第一光信号和第二光信号的传导路径上对第一光信号和第二光信号进行调制，由此使得电光调制长度能够设置较短，从而有效减小了电光调制器的集成尺寸，提高了电光调制器的集成度，不仅利于电光调制器的大规模阵列集成，而且有效降低了电光调制器的半波电压，减小了电光调制器的光插入损耗，增大了电光调制器的响应带宽。
需要说明的是，耦合单元2和调制单元3在基底1上的设置方式可以根据实际需要进行设置，对此不作限制，示例的，耦合单元2和调制单元3可以利用光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)技术设置在基底1上。
半波电压长度积是半波电压与电光调制长度的乘积，半波电压长度积决定了电光调制器的功耗和尺寸，半波电压长度积越小，则电光调制器的性能更为优异，其中，与传统结构相比，电光调制器的电光调制长度能够设置较短，因此，在相同的半波电压下，电光调制器的尺寸能够大幅减小，相反的，在相同的电光调制长度下，电光调制器的半波电压能够大幅减小。
耦合单元2用于将输入光分束成第一光信号和第二光信号，并使第一光信号和第二光信号沿相反方向传导后耦合成输出光，耦合单元2的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
如图2和图3所示，在一些实施例中，耦合单元2包括多模干涉耦合器21(MultiMode Interference Coupler，MMI)和塞格纳克环22，多模干涉耦合器21设置在基底1上，多模干涉耦合器21用于将输入光分束成第一光信号和第二光信号，多模干涉耦合器21的第一端口用于输出第一光信号并输入第二光信号，多模干涉耦合器21的第二端口用于输出第二光信号并输入第一光信号，多模干涉耦合器21用于将输入的第一光信号和第二光信号耦合成输出光，塞格纳克环22设置在基底1上，塞格纳克环22的一端与多模干涉耦合器21的第一端口相连，塞格纳克环22的另一端与多模干涉耦合器21的第二端口相连，调制单元3靠近塞格纳克环22。
可以理解的是，多模干涉耦合器21和塞格纳克环22构成了塞格纳克干涉仪，多模干涉耦合器21将输入光分束成第一光信号和第二光信号，第一光信号从多模干涉耦合器21的第一端口进入到塞格纳克环22中并从多模干涉耦合器21的第二端口返回到多模干涉耦合器21中，第二光信号从多模干涉耦合器21的第二端口进入到塞格纳克环22中并从多模干涉耦合器21的第一端口返回到多模干涉耦合器21中，由此实现了第一光信号和第二光信号的传播方向相反，从而使调制单元3易于调节第一光信号与第二光信号之间的相位差，进而使第一光信号与第二光信号之间发生相长、相消干涉，实现输出光的强度调制。
通过塞格纳克环22的设置，不仅使调制单元3能够同时调节第一光信号和第二光信号，从而利于调制单元3的结构简化，而且使电光调制器的电光调制长度能够进一步缩短，从而有效减小了电光调制器的集成尺寸，提高了电光调制器的集成度，不仅利于电光调制器的大规模阵列集成，而且有效降低了电光调制器的半波电压，减小了电光调制器的光插入损耗，增大了电光调制器的响应带宽。
需要说明的是，塞格纳克干涉仪是依据塞格纳克(Sagnac)效应的一种干涉仪，其中，多模干涉耦合器21用于将输入光分束成第一光信号和第二光信号以及将第一光信号和第二光信号耦合成输出光，多模干涉耦合器21的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制，塞格纳克环22作为一种光波导，其用于传导第一光信号与第二光信号，塞格纳克环22的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
如图2和图3所示，在一些实施例中，电光调制器还包括第一光波导4和第二光波导5，第一光波导4设置在基底1上，第一光波导4的一端与多模干涉耦合器21的第三端口相连，第一光波导4用于输入输入光，第二光波导5设置在基底1上，第二光波导5的一端与多模干涉耦合器21的第四端口相连，第二光波导5用于输出输出光。
可以理解的是，通过第一光波导4的设置，便于输入光输入到多模干涉耦合器21中，以使多模干涉耦合器21能够向塞格纳克环22输出第一光信号和第二光信号，保证调制单元3对第一光信号和第二光信号的稳定调制，通过第二光波导5的设置，便于多模干涉耦合器21将第一光信号与第二光信号耦合成的输出光向外输出，保证调制后输出光的稳定使用。
其中，通过将第一光波导4和第二光波导5设置在基底1上，进一步提高了电光调制器的集成度，进而有效降低了电光调制器的封装成本、减小了电光调制器的体积、降低了电光调制器的功耗，利于电光调制器的推广使用。
需要说明的是，光波导是引导光波在其中传播的介质装置，第一光波导4和第二光波导5的的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
调制单元3用于根据输入的电信号调节第一光信号与第二光信号之间的相位差，调制单元3的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
如图2和图3所示，在一些实施例中，调制单元3包括第一传输线31、第二传输线32和第三传输线33，第一传输线31设置在塞格纳克环22上，第一传输线31的一端用于输入电信号，第二传输线32设置在基底1上，第二传输线32位于第一传输线31的一侧，第二传输线32接地，第三传输线33设置在基底1上，第三传输线33位于第一传输线31的另一侧，第三传输线33接地。
可以理解的是，通过第一传输线31、第二传输线32和第三传输线33的设置，使基底1上形成了共面波导电极结构，在第一传输线31中输入电信号后，共面波导在塞格纳克环22上形成可控的电场，可控的电场使塞格纳克环22内的光波导折射率接近线性变化，从而能够根据第一传输线31中的电信号调节第一光信号与第二光信号之间的相位差，进而使第一光信号与第二光信号之间发生相长、相消干涉，实现输出光的强度调制。
需要说明的是，共面波导电极属于行波电极，第一传输线31、第二传输线32和第三传输线33的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制，示例的，第一传输线31、第二传输线32和第三传输线33可以由金、铜、银、铝等金属材料制成。
电信号向第一传输线31输入的方式可以根据实际需要进行设置，对此不作限制，示例的，通过与共面波导电极适配的射频(Radio Frequency，RF)探针输入到第一传输线31中。其中，第二传输线32和第三传输线33可以通过射频探针的外部实现接地。
根据第一传输线31中的电信号调节第一光信号与第二光信号之间的相位差依据的理论包括普克尔效应(Pockels Effect)、F-K效应(Franz Keldysh Effect)和量子限制的斯塔克效应(Quantum-confined Stark Effect)等。
如图3所示，在一些实施例中，调制单元3还包括负载34，负载34设置在基底1上，负载34位于第一传输线31的另一端，负载34包括：第一电阻341和第二电阻342，第一电阻341串联在第一传输线31与第二传输线32之间，第二电阻342串联在第一传输线31与第三传输线33之间。
可以理解的是，通过负载34的设置，使得调制单元3中传输电信号时能够实现阻抗匹配，从而减小终端的反射，提高调制单元3的调制带宽。
通过将负载34设置在基底1上，进一步提高了电光调制器的集成度，进而有效降低了电光调制器的封装成本、减小了电光调制器的体积、降低了电光调制器的功耗，利于电光调制器的推广使用。
需要说明的是，负载34除设置在基底1上之外，负载34也可以设置在基底1外部，第一电阻341和第二电阻342的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制，示例的，第一电阻341可以是100欧姆的薄膜电阻，第二电阻342可以是100欧姆的薄膜电阻，负载34则可以等效为50欧姆。
基底1用于承载耦合单元2和调制单元3，基底1的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
在一些实施例中，基底1由三五族化合物材料制成。
可以理解的是，通过三五族化合物材料制成基底1，使耦合单元2和调制单元3易于集成在基底1上，同时也利于光源6、光电探测器7等器件在基底1上的集成，进而有效降低了电光调制器的封装成本、减小了电光调制器的体积、降低了电光调制器的功耗，利于电光调制器的推广使用。
需要说明的是，三五族化合物材料是元素周期表中三族的硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)和五族的氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)形成的化合物，三五族化合物材料的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制，示例的，三五族化合物材料可以是磷化铟(InP)、砷化镓(AsGa)、磷砷化镓铟(InGaAsP)等。
如图2和图3所示，在一些实施例中，基底1包括位置相反的第一面11和第二面，耦合单元2和调制单元3设置在第一面11上。
可以理解的是，通过将耦合单元2和调制单元3均设置在基底1的同一面上，使电光调制器的集成度更高，有效降低了电光调制器的封装成本、减小了电光调制器的体积、降低了电光调制器的功耗，利于电光调制器的推广使用。
本公开实施例还提出一种光收发模块，包括如本公开实施例的电光调制器。
可以理解的是，在第一光信号和第二光信号沿相反方向传导时，利用调制单元3调节第一光信号与第二光信号之间的相位差，从而使第一光信号与第二光信号之间发生相长、相消干涉，进而实现输出光的强度调制，由此提高了调制效率。
其中，由于耦合单元2将输入光分束成第一光信号和第二光信号，且在第一光信号和第二光信号沿传导路径传导后又耦合成输出光，且调制单元3位于第一光信号和第二光信号的传导路径上对第一光信号和第二光信号进行调制，由此使得电光调制长度能够设置较短，从而有效减小了电光调制器的集成尺寸，提高了电光调制器的集成度，不仅利于电光调制器的大规模阵列集成，而且有效降低了电光调制器的半波电压，减小了电光调制器的光插入损耗，增大了电光调制器的响应带宽。
需要说明的是，光收发模块的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
如图3所示，在一些实施例中，光收发模块还包括光源6，光源6设置在电光调制器的基底1上，光源6的输出端与电光调制器中第一光波导4远离多模干涉耦合器21第三端口的一端相连。
可以理解的是，光源6向第一光波导4输出输入光，输入光经过第一光波导4的传播后进入到多模干涉耦合器21中，以使多模干涉耦合器21能够向塞格纳克环22输出第一光信号和第二光信号，保证调制单元3对第一光信号和第二光信号的稳定调制。
其中，通过将光源6设置在基底1上，进一步提高了光收发模块的集成度，进而有效降低了光收发模块的封装成本、减小了光收发模块的体积、降低了光收发模块的功耗，利于光收发模块的推广使用。
需要说明的是，光源6用于向第一光波导4输出输入光，光源6除设置在基底1上之外，光源6也可以设置在基底1外部，并通过光纤将输入光耦合到第一光波导4中，光源6的的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
如图3所示，在一些实施例中，光收发模块还包括光电探测器7，光电探测器7设置在电光调制器的基底1上，光电探测器7的输入端与电光调制器中第二光波导5远离多模干涉耦合器21第四端口的一端相连。
可以理解的是，多模干涉耦合器21将第一光信号与第二光信号耦合成的输出光输出到第二光波导5中，第二光波导5将输出光传播到光电探测器7中，以实现光信号到电信号的转换，满足使用需求。
其中，通过将光电探测器7设置在基底1上，进一步提高了光收发模块的集成度，进而有效降低了光收发模块的封装成本、减小了光收发模块的体积、降低了光收发模块的功耗，利于光收发模块的推广使用。
需要说明的是，光电探测器7能把光信号转换为电信号，光电探测器7除设置在基底1上之外，光电探测器7也可以设置在基底1外部，第二光波导5通过光纤将输出光耦合到光电探测器7中，光电探测器7的具体类型可以根据实际需要进行设置，对此不作限制。
在本公开的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本公开的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本公开的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本公开的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本公开的限制，本领域的普通技术人员在本公开的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电光调制器，其特征在于，包括：
基底；
耦合单元，所述耦合单元设置在所述基底上，所述耦合单元用于将输入光分束成第一光信号和第二光信号，并使所述第一光信号和所述第二光信号沿相反方向传导后耦合成输出光；
调制单元，所述调制单元设置在所述基底上，且所述调制单元位于所述第一光信号和所述第二光信号的传导路径上，所述调制单元用于根据输入的电信号调节所述第一光信号与所述第二光信号之间的相位差，以调制所述输出光的强度。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其特征在于，所述耦合单元包括：
多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器设置在所述基底上，所述多模干涉耦合器用于将所述输入光分束成所述第一光信号和所述第二光信号，所述多模干涉耦合器的第一端口用于输出所述第一光信号并输入所述第二光信号，所述多模干涉耦合器的第二端口用于输出所述第二光信号并输入所述第一光信号，所述多模干涉耦合器用于将输入的所述第一光信号和所述第二光信号耦合成所述输出光；
塞格纳克环，所述塞格纳克环设置在所述基底上，所述塞格纳克环的一端与所述多模干涉耦合器的第一端口相连，所述塞格纳克环的另一端与所述多模干涉耦合器的第二端口相连，所述调制单元靠近所述塞格纳克环。
3.根据权利要求2所述的电光调制器，其特征在于，所述电光调制器还包括：
第一光波导，所述第一光波导设置在所述基底上，所述第一光波导的一端与所述多模干涉耦合器的第三端口相连，所述第一光波导用于输入所述输入光；
第二光波导，所述第二光波导设置在所述基底上，所述第二光波导的一端与所述多模干涉耦合器的第四端口相连，所述第二光波导用于输出所述输出光。
4.根据权利要求2所述的电光调制器，其特征在于，所述调制单元包括：
第一传输线，所述第一传输线设置在所述塞格纳克环上，所述第一传输线的一端用于输入所述电信号；
第二传输线，所述第二传输线设置在所述基底上，所述第二传输线位于所述第一传输线的一侧，所述第二传输线接地；
第三传输线，所述第三传输线设置在所述基底上，所述第三传输线位于所述第一传输线的另一侧，所述第三传输线接地。
5.根据权利要求4所述的电光调制器，其特征在于，所述调制单元还包括：
负载，所述负载设置在所述基底上，所述负载位于所述第一传输线的另一端，所述负载包括：第一电阻和第二电阻，所述第一电阻串联在所述第一传输线与所述第二传输线之间，所述第二电阻串联在所述第一传输线与所述第三传输线之间。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的电光调制器，其特征在于，所述基底由三五族化合物材料制成。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的电光调制器，其特征在于，所述基底包括：
位置相反的第一面和第二面，所述耦合单元和所述调制单元设置在所述第一面上。
8.一种光收发模块，其特征在于，包括：如权利要求1-7中任意一项所述的电光调制器。
9.根据权利要求8所述的光收发模块，其特征在于，所述光收发模块还包括：
光源，所述光源设置在所述电光调制器的基底上，所述光源的输出端与所述电光调制器中第一光波导远离多模干涉耦合器第三端口的一端相连。
10.根据权利要求8所述的光收发模块，其特征在于，所述光收发模块还包括：
光电探测器，所述光电探测器设置在所述电光调制器的基底上，所述光电探测器的输入端与所述电光调制器中第二光波导远离多模干涉耦合器第四端口的一端相连。
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