CN116990988A - 一种电光调制波导、偏振控制器和移相器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电光调制波导。该电光调制波导包括：衬底、波导结构、包层结构、第一电极、第二电极和第三电极。衬底包括第一凹槽和第二凹槽，第一电极设置在第一凹槽的底部，第二电极设置在第二凹槽的底部。第一电极的厚度小于第一凹槽在第一方向上的深度，第二电极的厚度小于第二凹槽在第一方向上的深度。波导结构设置在衬底的第一区域上，第一区域位于第一凹槽和第二凹槽之间。包层结构用于包裹波导结构、第一电极和第二电极。第三电极与波导结构被所述包层结构隔开。第一电极、第二电极和第三电极用于加载电压。波导结构、第一电极、第二电极和第三电极在第二方向上延伸，入射光在波导结构中沿第二方向传输。第一方向与第二方向垂直。

Description

一种电光调制波导、偏振控制器和移相器

技术领域

本申请涉及光通信领域，尤其涉及一种电光调制波导、偏振控制器和移相器。

背景技术

电光调制器件作为光通信、光互联链路中的核心器件，承担着将高速电信号加载到光载波信号的任务，实现电信号向光信号的转化以及电信号对光信号的调控。进一步提升电光调制器件的调制效率和带宽，对于提升整个光通信系统的性能具有至关重要的意义。

目前，电光调制器件通常包括用于传输光的波导和位于波导横向两侧的电极，电极用于向波导施加横向的电场，以调节波导中光的相位和强度。应理解，通过缩短电极与波导之间的距离，可在同等电压条件下使得波导内产生更高的电场强度，进而提升调制效率。但是，如果电极距离波导过近就会和光模场之间存在较大的空间重叠，导致显著增加光信号的损耗，增加器件的插入损耗。因此，如何在不增加损耗的前提下提升电光调制器件的调制效率是亟待解决的问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种电光调制波导、偏振控制器和移相器，可以有效提升电光调制效率。

第一方面，本申请提供了一种电光调制波导。该电光调制波导包括：衬底、波导结构、包层结构、第一电极和第二电极。衬底包括第一凹槽和第二凹槽，第一电极设置在第一凹槽的底部，第二电极设置在第二凹槽的底部。第一电极的厚度小于第一凹槽在第一方向上的深度，第二电极的厚度小于第二凹槽在第一方向上的深度。波导结构设置在衬底的第一区域上，第一区域位于第一凹槽和第二凹槽之间。包层结构用于包裹波导结构、第一电极和第二电极。第一电极和第二电极用于加载电压。波导结构、第一电极和第二电极在第二方向上延伸，入射光在波导结构中沿第二方向传输。第一方向与第二方向垂直。

在该实施方式中，在第三方向上第一电极和第二电极可以紧邻波导结构两侧下方的凹槽侧壁，拉近了两侧电极与波导结构的横向距离。在同等电压条件下，拉近电极与波导结构之间的横向距离，可增强波导结构中的横向电场强度，提升电光调制效率。并且，由于第一电极和第二电极位于波导结构两侧的凹槽中，在第一方向上第一电极和第二电极距离波导结构具有一定的距离，即拉远了两侧电极与波导结构的纵向距离，减少了波导结构中光信号的传输损耗。通过这种设计方式满足对光信号损耗与调制效率的要求。

在一些可能的实施方式中，第一电极与第二电极在第三方向上形成电场，第三方向分别与第一方向和第二方向垂直。第三方向上形成的电场可以实现对入射光的调制，增强了本方案的实用性。

在一些可能的实施方式中，在第三方向上形成的电场用于调节入射光的相位，进一步增强了本方案的实用性。

在一些可能的实施方式中，入射光包括第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光与第二偏振光相互正交，在第三方向上形成的电场用于调节入射光的偏振态，可以有效解决偏振模色散、偏振相关损耗、偏振相关调制等系统中偏振相关损害，以提高光纤通信系统的性能。

在一些可能的实施方式中，电光调制波导还包括第三电极，第三电极与波导结构被包层结构隔开，第三电极用于加载电压，第三电极分别与第一电极和第二电极在第一方向上形成电场。在该实施方式中，第一电极和第二电极与第三电极之间可以形成近似垂直的纵向电场分布，通过纵向电场与横向电场的叠加可以提高波导结构内纵向电场的强度，提高电光调制效率。

在一些可能的实施方式中，在第一方向上形成的电场用于调节入射光的相位，增强了本方案的灵活性。

在一些可能的实施方式中，入射光包括第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光与第二偏振光相互正交，在第一方向上形成的电场用于调节入射光的偏振态，可以有效解决偏振模色散、偏振相关损耗、偏振相关调制等系统中偏振相关损害，以提高光纤通信系统的性能。

在一些可能的实施方式中，第三电极的中心位置与波导结构的中心位置在第三方向上的位移偏差小于第一阈值，第三电极与波导结构在第三方向上的宽度差值小于第二阈值。通过这种设计方式可以提高波导结构20内纵向电场的强度，提高电光调制效率。

在一些可能的实施方式中，电光调制波导还包括第四电极和第五电极。第四电极设置在衬底的第二区域上，第五电极设置在衬底的第三区域上，第一凹槽位于第一区域与第二区域之间，第二凹槽位于第一区域与第三区域之间。包层结构还用于包裹第四电极和第五电极。第四电极和第五电极用于加载电压，以在第三方向上形成电场。在该实施方式中，第四电极和第五电极之间也可以形成横向电场，该横向电场可以与第一电极和第二电极之间形成的横向电场叠加以增强波导结构内横向电场的强度，在同等电压条件下，提高了电光调制效率。

在一些可能的实施方式中，第一电极与第四电极电连接，第二电极与第五电极电连接。这样一来，只需要在第一电极和第四电极中任意一个电极加载电压即可，同理，只需要在第二电极和第五电极中任意一个电极加载电压即可，实现方式更容易。

在一些可能的实施方式中，电光调制波导还包括保护层结构，保护层结构用于包裹包层结构。保护层结构可以对包层结构进行有效保护。

在一些可能的实施方式中，波导结构为全刻蚀结构。即波导结构的下方不存在和波导结构材料相同的波导平板，增强了波导结构对光场的限制能力，可降低损耗。

在一些可能的实施方式中，包层结构的材料折射率小于波导结构的材料折射率，用于增强波导结构对光场的限制能力。

在一些可能的实施方式中，第一电极和第二电极采用的材料包括透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)材料，以增加电场强度并提升调制效率。

第二方面，本申请实施例提供了一种偏振控制器。该偏振控制器包括控制器、电压源和如上述第一方面任一实施方式介绍的电光调制波导。控制器用于控制电压源向电光调制波导的电极输出电压，以使得电光调制波导调节入射光的偏振态。

第三方面，本申请实施例提供了一种移相器。该移相器包括控制器、电压源和如上述第一方面任一实施方式介绍的电光调制波导。控制器用于控制电压源向电光调制波导的电极输出电压，以使得电光调制波导调节入射光的相位。

附图说明

图1为光纤通信系统的一种示意图；

图2为本申请实施例中电光调制波导的第一种结构示意图；

图3为本申请实施例中电光调制波导的第二种结构示意图；

图4为本申请实施例中电光调制波导的第三种结构示意图；

图5为本申请实施例中电光调制波导的第四种结构示意图；

图6为本申请实施例中电光调制波导的第五种结构示意图；

图7为本申请实施例中电场强度的第一种仿真结果示意图；

图8为本申请实施例中电场强度的第二种仿真结果示意图；

图9(a)为本申请实施例中偏振控制器的第一种结构示意图；

图9(b)为本申请实施例中偏振控制器的第二种结构示意图；

图9(c)为本申请实施例中偏振控制器的第三种结构示意图；

图10(a)为本申请实施例中电光调制器的第一种结构示意图；

图10(b)为本申请实施例中电光调制器的第二种结构示意图；

图10(c)为本申请实施例中电光调制器的第三种结构示意图；

图11为本申请实施例中电光调制波导的一种制备流程示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种电光调制波导、偏振控制器和移相器，可以有效提升电光调制效率。本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为光纤通信系统的一种示意图。如图1所示，发射机包括电芯片、激光器、调制器和波分复用器等，发射机用于实现电信号向光信号的转换。其中，电芯片用于驱动激光器发射激光，调制器用于通过电信号对激光器发射的激光进行调制得到光信号，波分复用器用于对不同波长的光信号进行合波并将合波后的光信号耦合到光纤中传输。接收机包括波分解复用器、探测器和电芯片等，接收机用于实现光信号向电信号的转换。其中，波分解复用器用于将不同波长的光信号进行分离并分别输出到不同的探测器，电芯片用于驱动探测器将光信号转换为电信号。应理解，调制器主要应用在光纤通信系统中的发射机，可分为电光调制器、电吸收调制器等。通过外调制将电信号加载到光载波上以改变光信号的特性，如相位或强度等，从而实现电信号向光信号的转换。其中，本申请提供的电光调制波导是调制器的重要组成部分。

下面对本申请提供的电光调制波导进行详细介绍。

图2为本申请实施例中电光调制波导的第一种结构示意图。如图2所示，电光调制波导包括衬底10、波导结构20、包层结构30、第一电极401和第二电极402。其中，衬底10包括第一凹槽101和第二凹槽102，第一电极401设置在第一凹槽101的底部，第二电极402设置在第二凹槽102的底部。第一电极401的厚度小于第一凹槽101在第一方向上的深度，第二电极402的厚度小于第二凹槽102在第一方向上的深度。波导结构20设置在衬底10的第一区域103上，第一区域103位于第一凹槽101和第二凹槽102之间。包层结构30用于包裹波导结构20、第一电极401和第二电极402。波导结构20、第一电极401和第二电极402在第二方向上延伸，入射光在波导结构20中沿第二方向传输。第一电极401和第二电极402上用于加载电压。在一种可能的实施方式中，第一电极401与第二电极402在第三方向上形成电场，即横向电场，该横向电场可以对波导结构20中传输的光进行调制。应理解，上述第一方向、第二方向和第三方向相互垂直。

在一些可能的实施方式中，电光调制波导还包括保护层结构50，保护层结构50用于包裹包层结构30，保护层结构50可以对包层结构30进行有效保护。保护层结构50通常为绝缘体，其材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、空气、真空等。

在一些可能的实施方式中，波导结构20可以采用全刻蚀结构，即波导结构20的下方不存在和波导结构20材料相同的波导平板，增强了波导结构20对光场的限制能力，可降低损耗。波导结构20在第一方向上的截面形状包括但不限于梯形和矩形等。波导结构20的材料包括具有线性电光效应的电光材料，例如，薄膜铌酸锂、钽酸锂、钽铌酸钾、钛酸钡等电光材料。当外部向波导结构20施加电场时，由于电光材料的线性电光效应，波导结构20的材料折射率可产生变化，该变化可改变波导中光信号的传播特性，例如光信号的相位、振幅或偏振等。

在一些可能的实施方式中，包层结构30的材料折射率小于波导结构20的材料折射率，用于增强波导结构20对光场的限制能力。包层结构30的材料优选具有通讯波段透明、低折射率、高介电常数的绝缘材料，在相同外加电压条件下可增加波导结构20的电场分压，即增加波导芯内的电场强度，提升调制效率。例如，包层结构30的材料优选可以为但不限于钛酸钙(CaTiO3)和碳酸钙(CaCO3)等氧化物钙钛矿、氧化铝(Al2O3)和氧化镁(MgO)等金属氧化物、氟化锂(LiF)和氟化镧(LaF3)等氟化物。此外，包层材料也可以是二氧化硅、氮氧化硅等常用包层材料。

具体地，本申请实施例中，在第三方向上第一电极401和第二电极402可以紧邻波导结构20两侧下方的凹槽侧壁，拉近了两侧电极与波导结构20的横向距离。在同等电压条件下，拉近电极与波导结构20之间的横向距离，可增强波导结构20中的横向电场强度，提升电光调制效率。并且，由于第一电极401和第二电极402位于波导结构20两侧的凹槽中，在第一方向上第一电极401和第二电极402距离波导结构20具有一定的距离，即拉远了两侧电极与波导结构20的纵向距离，减少了波导结构20中光信号的传输损耗。通过这种设计方式满足对光信号损耗与调制效率的要求。

图3为本申请实施例中电光调制波导的第二种结构示意图。如图3所示，在上述图2所示的电光调制波导的基础上，该电光调制波导还可以包括第三电极403，第三电极403与波导结构20被包层结构30隔开。第三电极403分别与第一电极401和第二电极402在第一方向上形成电场，即纵向电场，该纵向电场也可以对波导结构20中传输的光进行调制。在一些可能的实施方式中，第三电极403的中心位置与波导结构20的中心位置在第三方向上的位移偏差小于第一阈值，并且，第三电极403与波导结构20在第三方向上的宽度差值小于第二阈值，可以提高波导结构20内纵向电场的强度，提高电光调制效率。需要说明的是，第三电极403可以如图3所示被保护层结构50包裹，也可以被包层结构30包裹，具体此处不做限定。

图4为本申请实施例中电光调制波导的第三种结构示意图。如图4所示，在上述图2所示的电光调制波导的基础上，该电光调制波导还可以包括第四电极404和第五电极405。第四电极404设置在衬底10的第二区域104上，第五电极405设置在衬底10的第三区域105上。其中，第一凹槽101位于第一区域103和第二区域104之间，第二凹槽102位于第一区域103和第三区域105之间。包层结构30还用于包裹第四电极404和第五电极405。第四电极404和第五电极405用于加载电压，以在第三方向上形成电场，即横向电场。在一些可能的实施方式中，第一电极401可以与第四电极404电连接，第二电极402可以与第五电极405电连接，从而形成如图4所示两个类似台阶的电极结构。这样一来，只需要在第一电极401和第四电极404中任意一个电极加载电压即可，同理，只需要在第二电极402和第五电极405中任意一个电极加载电压即可，实现方式更容易。

图5为本申请实施例中电光调制波导的第四种结构示意图。如图5所示，区别于上述图4所示的电光调制波导，第一电极401也可以不与第四电极404电连接，第二电极402也可以不与第五电极405电连接。在这种结构中，需要分别对第一电极401和第四电极404加载电压，也需要分别对第二电极402和第五电极405加载电压。

图4和图5所示的实施例相对于上述图2所示的实施例，该图4和图5所示的实施例中的第四电极404和第五电极405之间也可以形成横向电场，该横向电场可以与第一电极401和第二电极402之间形成的横向电场叠加以增强波导结构20内横向电场的强度，在同等电压条件下，提高了电光调制效率。

图6为本申请实施例中电光调制波导的第五种结构示意图。如图6所示，参考上述图4所示的电光调制波导，在上述图3所示的电光调制波导的基础上，该电光调制波导还可以包括第四电极404和第五电极405。第四电极404和第五电极405的分布方式可以参考上述图4所示的实施例的相关介绍，此处不再赘述。第三电极403还可以分别与第四电极404和第五电极405在第一方向上形成电场，即纵向电场。应理解，第一电极401和第二电极402与第三电极403之间可以形成近似垂直的纵向电场分布，此外，第四电极404和第五电极405也可以与第三电极403之间形成纵向电场分布，通过纵向电场的叠加可以提高波导结构20内纵向电场的强度，提高电光调制效率。

在一些可能的实施方式中，上述图2-图6所示电光调制波导中的电极优选具有低损耗和高导电性的透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)材料，该透明导电氧化物材料的使用，可以进一步拉近电极与波导之间的距离，以增加电场强度并提升调制效率。应理解，电极也可以采用金、铜、铝等金属材料。由于金属材料会吸收光，因此当电极与光场有空间重合的时候会引起光信号的传播损耗，电极离波导结构越近，光信号的传播损耗越大。因此，电极到波导结构的距离不能太近。但是，如果电极与波导结构之间的距离太远，在同样电压的条件下波导结构中的电场分布会比较弱，影响电光调制效率。因此，在设计的时候需要根据对光信号损耗与调制效率的要求，选择合适的电极到波导芯的距离。

应理解，在实际应用中，电光调制波导中的电极分布并不局限于上述图2-图6所示的结构。例如，在一些可能的实施方式中，在波导结构的下方也可以引入电极以增强波导结构内的电场强度。

还应理解，基于上述各实施例介绍的电光调制波导，可以根据实际需求灵活调节各电极上加载的电压，从而实现只施加横向电场、或者只施加纵向电场、又或者同时施加横向电场和纵向电场的场景。作为一个示例，请参照上述图2所示的电光调制波导，在第一电极401上加载电压V1，在第二电极402上加载电压V2，从而可以形成横向电场。作为另一个示例，请参照上述图3所示的电光调制波导，上述第三电极403可以接地，在第一电极401上加载电压V1，在第二电极402上加载电压V2，从而可以形成横向电场和纵向电场。作为又一个示例，请参照上述图3所示的电光调制波导，第一电极401和第二电极402加载相同的电压V1或都接地，第三电极403加载电压V2，从而可以形成纵向电场。

下面结合波导结构内电场强度的仿真结果将本申请与传统方案进行对比，其中，传统方案指的是平行于波导结构的两侧设置有电极。

需要说明的是，下面的第一个仿真结果是以电光调制波导同时施加横向电场和纵向电场得到的，波导结构材料为x切薄膜铌酸锂。其中，x切具体指垂直于晶圆表面的方向是铌酸锂晶体的x轴，即上述的第一方向。即第一方向对应于铌酸锂晶体的x轴方向，第三方向对应于铌酸锂晶体的y轴方向，第二方向对应于铌酸锂晶体的z轴方向。铌酸锂材料是一种负单轴晶体，其x轴和y轴对应的材料折射率相同且均为no＝2.211@1550nm，不同于铌酸锂晶体的z轴的折射率ne＝2.137@1550nm。光信号在波导结构内沿z轴方向传输可以克服铌酸锂材料的双折射效应对光模式相速度匹配的影响。仿真中电极的材料选择为金，衬底为二氧化硅，包层结构的材料为钛酸钙(CaTiO3)。

图7为本申请实施例中电场强度的第一种仿真结果示意图。如图7所示，(a)部分表示传统方案的电场强度的仿真结果，(b)部分表示本申请的电场强度仿真结果。根据(a)部分的仿真结果可知，在横向方向电场下对应的VπL值为3.25V*cm，在纵向方向电场下对应的VπL值为4.6V*cm。根据(b)部分的仿真结果可知，在横向方向电场下对应的VπL值为2.13V*cm，在纵向方向电场下对应的VπL值为3.09V*cm。通过对比仿真结果可以看出，本申请在纵向方向电场作用下调制效率提升34.5％，在横向方向电场作用下调制效率提升32.8％。在相同光传输损耗和相同外加电压的条件下，本申请波导结构内的电场强度明显更强，对应的VπL值也更小，本申请提供的电光调制波导的调制效率更高。

需要说明的是，VπL值的意义是为了让光信号产生大小为π的光相位变化，电极两端所需要施加的电压Vπ与调制区域长度L的乘积。因此，该值越小便意味着电光调制效率越高。在图7所示的仿真结果中，Vπ具体指的是横电模式(Transverse Electric，TE)和横磁模式(Transverse Magnetic，TM)之间产生π相位差时所需要施加的电压。另外，在纵向方向电场作用下，铌酸锂晶体的主轴会发生45°旋转，该45°旋转角与所施加的纵向方向的电场强弱无关。不过，该纵向方向电场的强弱变化可以调控两正交模式TE与TM之间的模式转换。通过沿铌酸锂晶体的x轴施加纵向方向电场，调控铌酸锂晶体在新折射率主轴系统下TE与TM模式间的相位差，可实现TE模式到TM(或TM模式到TE模式)之间的模式转换。沿铌酸锂晶体y轴施加的横向电场导致晶体主轴的旋转角非常小，可忽略，仅会改变TE和TM两正交模式之间的相位差，不会影响TE和TM之间的模式转换。

需要说明的是，下面的第二个仿真结果是以电光调制波导只施加纵向电场得到的，波导结构材料为z切薄膜铌酸锂上进行的。其中，z切具体指垂直于晶圆表面的方向是铌酸锂晶体的z轴，即上述的第一方向。纵向电场沿薄膜铌酸锂的z轴，利用的是铌酸锂的最大电光系数。波导结构中光的传输方向沿铌酸锂晶体的x轴或y轴方向。

图8为本申请实施例中电场强度的第二种仿真结果示意图。如图8所示，(a)部分表示传统方案的电场强度的仿真结果，(b)部分表示本申请的电场强度仿真结果。根据(a)部分的仿真结果可知，在纵向方向电场下对应的VπL值为1.04V*cm。根据(b)部分的仿真结果可知，在纵向方向电场下对应的VπL值为0.70V*cm。通过对比仿真结果可以看出，本申请相对于传统方案的调制效率提升33.6％，此外，本申请中波导结构内的电场强度更强。需要说明的是，在图8所示的仿真结果中，Vπ具体指的是电光调制器两臂上光信号的相位差为π时所需施加的电压，与图7所示仿真结果对Vπ的描述有所不同，但是本质是相同的，VπL的值均反映的是器件的调制效率。

在一些可能的实施方式中，对于任意一束偏振光而言，可以由两个相互正交的偏振光叠加构成，即任意偏振光可分解为两个相互正交的且携带相应振幅和相位信息的偏振光。本申请提供的电光调制波导，其入射光可以根据偏振态特性可分解为相互正交的第一偏振光和第二偏振光，为了便于介绍，下面统一将第一偏振光和第二偏振光分别称为TE光和TM光。具体地，在上述各实施例中，第三方向上形成的电场(横向电场)可以调节TE光和TM光之间的相位差，从而实现对入射光偏振态的调节。第一方向上形成的电场(纵向电场)可以调节TE光和TM光之间的能量配比，也可以理解为调节TE光和TM光之间的模式转换，从而实现对入射光偏振态的调节。

在一些可能的实施方式中，通过波导结构参数(如波导结构的宽度、高度、倾斜角、包层材料等)的优化设计，可以使得TE光和TM光的有效折射率相同或接近相同，波导结构内TE光和TM光传输的相速度相同。或者，通过其他方法也可以实现波导结构内TE光和TM光传输的相速度相同，例如热调等。此外，波导结构内TE光和TM光的传输损耗相同或接近相同。

在一些可能的实施方式中，上述各实施例中介绍的横向电场和纵向电场还可以用于调节入射光的相位。具体地，在电光调制波导的波导结构内产生的电场分布可以改变波导结构的折射率，实现对波导结构内传输光的相位调节。

考虑到上面介绍的电光调制波导可以调节入射光的偏振态，因此可以将电光调制波导应用于偏振控制器。又考虑到上面介绍的电光调制波导可以调节入射光的相位，因此可以将电光调制波导应用于移相器。下面对本申请实施例提供的偏振控制器和移相器分别进行介绍。

应理解，在光通信系统中，由于制造工艺导致光纤结构圆不对称、存在内应力等会使得光纤本身具有双折射特性，而且光纤链路的温度变化、外界应力等环境因素也会引入双折射，从而产生偏振模式色散，导致光信号在光纤中传输时的偏振态是实时变化的。光信号偏振态的变化会在一定程度限制高速光通信系统的容量和传输距离，因此，需要偏振控制器对光信号的偏振态进行实时控制。偏振控制器作为控制光信号偏振态的一种器件，可以将一个任意偏振态的输入光信号转化成另一个任意偏振态的输出光信号。偏振控制器主要应用于对光通信系统中光信号的偏振态进行实时控制，以有效解决偏振模色散、偏振相关损耗、偏振相关调制等系统中偏振相关损害，以提高光纤通信系统的性能。

图9(a)为本申请实施例中偏振控制器的第一种结构示意图。如图9(a)所示，偏振控制器可以由多个级联的电光调制波导组成，以将任意输入偏振态的光转化为任意偏振态的光输出。其中，电光调制波导可以参考上述图2至图6所示实施例的相关介绍，此处不再赘述。应理解，在一些应用场景下，偏振控制器也可以只包括一个电光调制波导，具体此处不做限定。为了便于介绍，本实施例以图6所示的电光调制波导进行级联形成的偏振控制器为例进行说明。具体地，偏振控制器还包括电压源和控制器(图中未展示)，控制器用于控制电压源向各电光调制波导的电极输出电压，以使得电光调制波导对入射光的偏振态进行调节。作为一个示例，偏振控制器由3个级联的电光调制波导组成，偏振控制器包括9个电极，其中3个地电极和6个信号电极。每一级电光调制波导可通过横向电场和纵向电场对波导结构内光信号的偏振态进行调节。

偏振控制器中的每个电光调制波导可以理解为是一种可调方位角和可变厚度的波片，通过利用材料的电光效应进行高速调控。每一级可调波片在外加电压的控制下可改变其方位角进行模式转换调控，也可以改变波片的厚度进行相位延迟(相位差)调控，从而调控输出端光信号的偏振态。电光调制波导对入射光偏振态进行调节的具体实现方式可以参考上述实施例的相关描述，此处不再赘述。

偏振控制器根据技术类别可分为三种：(1)多级波片级联，固定相位延迟，变化方位角。(2)多级波片级联，固定方位角，变化相位延迟。(3)同时变化相位延迟和方位角。通常，波片级联型动态偏振控制器是由三个及以上的波片级联构成，每一级均可以独立工作。最常见的波片型动态偏振控制器方案是由四分之一波片+半波片+四分之一波片构成，利用材料的电光效应，在外加电信号下控制各级波片的相位延迟量可分别为π/2，π，π/2。同时，通过外加电信号可控制每个波片的方位角进行无尽旋转，从而实现动态偏振控制。

图9(b)为本申请实施例中偏振控制器的第二种结构示意图。如图9(b)所示，区别于上述图9(a)所示的偏振控制器，该偏振控制器包括7个电极，其中1个地电极和6个信号电极，即每个电光调制波导共用一个地电极。图9(c)为本申请实施例中偏振控制器的第三种结构示意图。如图9(c)所示，区别于上述图9(a)所示的偏振控制器，3个级联的电光调制波导采用弯曲的排布方式，可以减小偏振控制器的整体尺寸。

在一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的移相器包括控制器、电压源和电光调制波导。控制器用于控制电压源向电光调制波导的电极输出电压，以使得电光调制波导对入射光的相位进行调节。具体地，该移相器可应用在电光调制器中，下面进行进一步介绍。

图10(a)为本申请实施例中电光调制器的第一种结构示意图。如图10(a)所示，电光调制器包括1×2分束器、2×1合束器以及两个臂上的两个移相器。具体地，光信号经光输入端由1x2分束器分离成两部分，分别传输到两个臂上的移相器。至少一个臂上的移相器用于调节光信号的相位，从而改变在光输出端光信号的强度或相位。两臂的光信号被2x1合束器合并，两路光信号之间发生相互干涉，使得合并后的输出端光信号的特性相较输入端光信号发生改变，光信号的特性变化可体现在光的强度或相位等。调制后的光信号由光输出端输出。应理解，该电光调制器的两个臂的移相器之间可以共用至少一个电极，也可以不共用。图10(b)为本申请实施例中电光调制器的第二种结构示意图。如图10(b)所示，两个臂的移相器共用了一个电极。图10(c)为本申请实施例中电光调制器的第三种结构示意图。如图10(c)所示，两个臂的移相器未共用一个电极。应理解，在实际应用中，电光调制器的结构并不局限于上述图10(a)所示的电光调制器，电光调制器还可以采用微环谐振腔或法布里-珀罗(Fabry-Perot，FP)谐振腔等结构。

需要说明的是，本申请提供的电光调制波导除了可以应用在上述介绍的偏振控制器和移相器外，还可以应用于电光开关、传感器、移频器等其他涉及电光调制的电光器件，具体此处不做限定。

下面介绍本申请提供的电光调制波导的制备方法，这里具体以图6所示的电光调制波导为例进行介绍。

图11为本申请实施例中电光调制波导的一种制备流程示意图。如图11所示，电光调制波导的制备流程可以大致分为(a)-(f)共6个步骤。

(a)步骤：本制备方法开始于由电光材料和衬底组成的双层结构。电光材料优选为铌酸锂，也可以是钽酸锂、钽铌酸钾、钛酸钡等其他电光材料。衬底材料为绝缘体，材料可以是二氧化硅等。此外，衬底下方可以有载体，载体的材料可以是硅、石英、铌酸锂等。

(b)步骤：在电光材料薄膜铌酸锂层形成全刻蚀的波导结构，波导结构横向两侧的衬底上开设一定宽度和深度的衬底凹槽。该过程可以基于光刻和刻蚀技术。波导结构的侧壁的倾角可以是30度～90度。衬底凹槽的侧壁可以是垂直的，也可以是存在一定的倾角。

(c)步骤：在波导结构两侧形成电极。该过程可以通过电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积或电镀等技术。电极材料优选是TCO材料，也可以包含金、铜、铝等材料。

(d)步骤：在波导结构周围及衬底凹槽中形成包层结构。该过程可以通过磁控溅射、热蒸发、原子层沉积等技术。包层结构优选是通讯透明、低折射率、高介电常数的绝缘材料，例如钛酸钙、氧化铝等材料，也可以是二氧化硅、氮氧化硅等材料。

(e)步骤：在波导结构上方包层结构的上表面形成上电极。该过程的实现技术和电极材料与前面步骤(c)一致。

(f)步骤：在包层结构上形成保护层结构。该过程可通过等离子体增强化学气相沉积、化学气相沉积等技术。保护层结构材料可以是二氧化硅、氮化硅等，也可以是空气或真空。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (16)

1.一种电光调制波导，其特征在于，包括：衬底、波导结构、包层结构、第一电极和第二电极，所述衬底包括第一凹槽和第二凹槽，所述第一电极设置在所述第一凹槽的底部，所述第二电极设置在所述第二凹槽的底部，所述第一电极的厚度小于所述第一凹槽在第一方向上的深度，所述第二电极的厚度小于所述第二凹槽在所述第一方向上的深度，所述波导结构设置在所述衬底的第一区域上，所述第一区域位于所述第一凹槽和所述第二凹槽之间，所述包层结构用于包裹所述波导结构、所述第一电极和所述第二电极，所述第一电极和所述第二电极用于加载电压，所述波导结构、所述第一电极和所述第二电极在第二方向上延伸，入射光在所述波导结构中沿所述第二方向传输，所述第一方向与所述第二方向垂直。

2.根据权利要求1所述的电光调制波导，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极在第三方向上形成电场，所述第三方向分别与所述第一方向和所述第二方向垂直。

3.根据权利要求2所述的电光调制波导，其特征在于，在所述第三方向上形成的电场用于调节所述入射光的相位。

4.根据权利要求2或3所述的电光调制波导，其特征在于，所述入射光包括第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光与所述第二偏振光相互正交，在所述第三方向上形成的电场用于调节所述入射光的偏振态。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电光调制波导，其特征在于，所述电光调制波导还包括第三电极，所述第三电极与所述波导结构被所述包层结构隔开，所述第三电极用于加载电压，所述第三电极分别与所述第一电极和所述第二电极在所述第一方向上形成电场。

6.根据权利要求5所述的电光调制波导，其特征在于，在所述第一方向上形成的电场用于调节所述入射光的相位。

7.根据权利要求5或6所述的电光调制波导，其特征在于，所述入射光包括第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光与所述第二偏振光相互正交，在所述第一方向上形成的电场用于调节所述入射光的偏振态。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的电光调制波导，其特征在于，所述第三电极的中心位置与所述波导结构的中心位置在所述第三方向上的位移偏差小于第一阈值，所述第三电极与所述波导结构在所述第三方向上的宽度差值小于第二阈值。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电光调制波导，其特征在于，所述电光调制波导还包括第四电极和第五电极，所述第四电极设置在所述衬底的第二区域上，所述第五电极设置在所述衬底的第三区域上，所述第一凹槽位于所述第一区域与所述第二区域之间，所述第二凹槽位于所述第一区域与所述第三区域之间，所述包层结构还用于包裹所述第四电极和所述第五电极，所述第四电极和所述第五电极用于加载电压，所述第四电极与所述第五电极在所述第三方向上形成电场。

10.根据权利要求9所述的电光调制波导，其特征在于，所述第一电极与所述第四电极电连接，所述第二电极与所述第五电极电连接。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电光调制波导，其特征在于，所述电光调制波导还包括保护层结构，所述保护层结构用于包裹所述包层结构。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的电光调制波导，其特征在于，所述波导结构为全刻蚀结构。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的电光调制波导，其特征在于，所述包层结构的材料折射率小于所述波导结构的材料折射率。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的电光调制波导，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极采用的材料包括透明导电氧化物TCO材料。

15.一种偏振控制器，其特征在于，包括：控制器、电压源和如权利要求1至14中任一项所述的电光调制波导，所述控制器用于控制所述电压源向所述电光调制波导的电极输出电压，以使得所述电光调制波导调节入射光的偏振态。

16.一种移相器，其特征在于，包括：控制器、电压源和如权利要求1至14中任一项所述的电光调制波导，所述控制器用于控制所述电压源向所述电光调制波导的电极输出电压，以使得所述电光调制波导调节入射光的相位。