CN117348281A - 光学调制器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及光电子器件技术领域，并提供了一种光学调制器，至少包括一组光学移相器，光学移相器包括：至少一个衬底，波导位于衬底上表面或嵌入衬底内部；至少一个能量耦合结构，能量耦合结构和波导于传输模式中至少有部分能量相互耦合；至少两个金属电极，金属电极与能量耦合结构直接接触或间接接触，金属电极的部分表面裸露在空气中，在其中两个金属电极的两端加上偏压时，能量耦合结构的折射率发生变化并引起波导的有效折射率发生改变。本申请提供的光学调制器，不直接改波导的折射率，而是通过改变波导附近的能量耦合结构的折射率，进而引起在波导的有效折射率发生变化，相位同时发生改变，实现对波导内的光信号进行调制的目的。

Description

光学调制器
技术领域
本申请属于光电子器件技术领域，更具体地说，是涉及一种光学调制器。
背景技术
硅基光电子芯片一般通过电光、热光以及声光来对光的强度、振幅、频率、相位、偏振以及传播方向等进行调制，其中，利用热光来实现光相位变化的热光移相器是硅基光电子芯片中一种常用的功能性器件。
在采用等离子体色散效应的硅基光学调制器中，硅的折射率与载流子浓度相关，且载流子浓度越高，硅的折射率越小，折射率的改变会引起光的相位改变，进而实现光强的调制。
但是硅的折射率难以直接被改变，故而传统的硅基光学调制器越来越难以适应市场的需求，有待改进。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种光学调制器，以解决以下技术问题：
常见的硅基光学调制器中，由于硅在C波段有双光子吸收效应，波导损耗较高，且硅的折射率难以直接被改变，故而传统的硅基光学调制器越来越难以适应市场的需求。
为实现上述目的，第一方面，本申请采用的技术方案是：
提供一种光学调制器，包括功分器、合路器、至少两根由波导形成的连接臂和光学移相器，所述功分器连接于所有所述连接臂的同一侧端部，所述合路器连接于所有所述连接臂的另一侧端部，至少有一个所述光学移相器连接于其中一根所述连接臂上；
所述光学移相器包括：
至少一个衬底，所述波导位于所述衬底上表面或嵌入所述衬底内部；
至少一个能量耦合结构，所述能量耦合结构和所述波导于传输模式中至少有部分能量相互耦合；
至少两个金属电极，所述金属电极与所述能量耦合结构直接接触或间接接触，所述金属电极的部分表面裸露在空气中，在其中两个所述金属电极的两端加上偏压时，所述能量耦合结构的折射率发生变化并引起所述波导的有效折射率发生改变。
为实现上述目的，第二方面，本申请采用的技术方案是：
提供一种光学调制器，包括光学移相器和直波导，
所述光学移相器包括：
至少一个衬底；
至少一根波导，所述波导位于所述衬底上表面或嵌入所述衬底内部，所述波导首尾相连形成微环结构；
至少一个能量耦合结构，所述能量耦合结构首尾相连形成微环结构，所述能量耦合结构和所述波导于传输模式中至少有部分能量相互耦合；
至少两个金属电极，所述金属电极与所述能量耦合结构直接接触或间接接触，所述金属电极的部分表面裸露在空气中，在其中两个所述金属电极的两端加上偏压时，所述能量耦合结构的折射率发生变化并引起所述波导的有效折射率发生改变；
所述光学移相器内的其中一个所述金属电极为圆柱结构且位于所述微环结构的内部，所述光学移相器内的另一个所述金属电极为优圆弧结构且间隔环绕所述微环结构布置，所述优圆弧结构的缺口正对所述直波导，所述直波导和所述微环结构于传输模式中至少有部分能量相互耦合。
为实现上述目的，第三方面，本申请采用的技术方案是：
提供一种光学调制器，包括功分器、合路器、至少两根由直波导形成的连接臂和如上述的光学移相器，所述功分器连接于所有所述连接臂的同一侧端部，所述合路器连接于两根所述连接臂的另一侧端部，至少有一个所述光学移相器连接于其中一根所述连接臂上；
所述光学移相器内的其中一个所述金属电极为圆柱结构且位于所述微环结构的内部，所述光学移相器内的另一个所述金属电极为优圆弧结构且间隔环绕所述微环结构布置，所述优圆弧结构的缺口正对与其相邻的所述直波导，所述直波导和所述微环结构于传输模式中至少有部分能量相互耦合，且所述微环结构的损耗能量小于耦合损耗能量。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述光学移相器设置有两组且分别连接于两根所述连接臂上。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述功分器为一分二功分器，所述一分二功分器将一路输入信号能量分成两路相等的输出信号能量；所述合路器为二合一合路器且将两路输入信号能量合成一路输出信号能量。
在本申请的一种可实现的技术方案中，部分所述直波导、所述微环结构和两个所述金属电极均掩埋于二氧化硅中。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述直波导和所述能量耦合结构均采用氮化硅材料。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述能量耦合结构的制作材料和所述波导的制作材料相同或者不同。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述波导的制作材料为硅或者氮化硅，所述衬底的制作材料为硅。
在本申请的一种可实现的技术方案中，还包括铺设于所述衬底上表面的二氧化硅层。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述波导和所述能量耦合结构均掩埋在所述二氧化硅层中。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述金属电极的上表面裸露在空气中，所述金属电极的其余部分掩埋在所述二氧化硅层中。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述金属电极位于所述二氧化硅层的外侧，且位于所述二氧化硅层的上方。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述波导的形式为以下类型中的任何一种：脊波导、直波导、狭缝波导、光子晶体波导、亚波长光栅波导、亚波长光栅狭缝波导、表面等离子激元狭缝波导。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述能量耦合结构的折射率在以下任何一种效应下发生改变：离子体色散效应、泡克耳斯效应、克尔效应、热光效应、声光效应、压电效应、磁光效应、光弹效应。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述波导为硅脊波导，所述硅脊波导的两个侧部上表面分别和其中两个所述金属电极的底部直接接触，在加偏压的条件下，所述硅脊波导的折射率发生改变。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述能量耦合结构包括氮化硅波导和氮化钛电阻片，所述氮化钛电阻片的两个侧部上表面分别和其中两个所述金属电极的底部直接接触，在加偏压的条件下，所述氮化钛电阻片被加热，导致所述波导和所述氮化硅波导的温度上升、折射率增大。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述能量耦合结构包括氮化硅波导和氮化铝片，其中两个所述金属电极上下间隔布置且所述氮化铝片夹设于两者之间，所述金属电极的端部设置有射频信号源，在加偏压的条件下，所述氮化铝片内产生的声波在所述氮化硅波导和所述波导内引入机械应力，所述机械应力改变所述氮化硅波导和所述波导的折射率。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述能量耦合结构包括氮化硅波导和锆钛酸铅涂层，其中两个所述金属电极上下间隔布置且所述锆钛酸铅涂层夹设于两者之间，在加偏压的条件下，所述锆钛酸铅涂层内产生平行于其厚度方向的电场，基于反向压电效应，所述锆钛酸铅涂层变厚、宽度方向变窄，上述尺寸变化均导致所述氮化硅波导和所述波导内部产生压应力，以改变所述氮化硅波导和所述波导的折射率。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述能量耦合结构包括铌酸锂层，所述铌酸锂层的上表面中部设置有分隔凸起，其中两个所述金属电极分别布设于所述铌酸锂层的上表面的两个侧部，所述分隔凸起位于两个所述金属电极之间，在加偏压的条件下，在电场的作用下，所述铌酸锂层内产生线性电光效应，所述铌酸锂层的折射率发生改变，以改变所述波导的有效折射率。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述波导掩埋在胶粘层内，所述铌酸锂层设于所述胶粘层的上表面。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述胶粘层的制作材料为苯并环丁烯或者环氧树脂。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述能量耦合结构与所述波导于传输模式中有耦合作用的能量占总能量的0.1％-20％。
在本申请的一种可实现的技术方案中，所述间接接触为一种场效应接触。
综上所述，本申请至少包括以下一种有益的技术效果：
1.不直接改波导的折射率，而是通过改变波导附近的能量耦合结构的折射率，由于能量耦合结构和波导于传输模式中至少有部分能量相互耦合，进而引起在波导的有效折射率发生变化，相位同时发生改变，而且由于只有一部分能量耦合进入能量耦合结构中，所以光学移相器的插入损耗较低；由于在波导附近引入了在偏压条件下折射率能发生改变的能量耦合结构，即便组成波导的材料的折射率难以发生改变，波导的有效折射率依旧可以发生变化，基于上述光学移相器，可以设计出对应的光学调制器，即可实现对波导内的光信号进行调制的目的；
2.输入光信号经功分器均分为两路光信号，此时两路光信号的相位差为零，这两路光信号分别经过光学移相器后，两路光信号的相位差发生变化，而且两路光信号进入合路器，并发生干涉，合路器的输出信号幅值取决于进入合路器的两路光信号的相位差，通过调节光学移相器，即可调节两路光信号的相位差，进而改变输出信号幅值，实现对输入光信号的调制；
3.有耦合作用的能量占比如果过高，会明显增加功耗，上述有耦合作用的能量占比如果过低，会导致能量耦合结构与所述波导之间折射率的影响太小，不利于快速实现光的相位改变，所以能量耦合结构与波导于传输模式中有耦合作用的能量占总能量的0.1％-20％；
4.氧化硅层具有良好的支撑效果，而且二氧化硅层为透明材质，不易吸收光线，同时还对光线具有约束作用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一提供的一种光学调制器的结构示意图。
图2为本申请实施例一中光学移相器的剖面结构示意图。
图3为本申请实施例二提供的一种光学调制器的结构示意图。
图4为本申请实施例三提供的一种光学调制器的结构示意图。
图5为本申请实施例三中光学移相器的剖面结构示意图。
图6为本申请实施例四提供的一种光学调制器的结构示意图。
图7为本申请实施例五提供的一种光学调制器的结构示意图。
图8为本申请实施例六提供的一种光学移相器的剖面结构示意图。
图9为本申请实施例六提供的一种光学移相器的俯视结构示意图。
图10为本申请实施例七提供的一种光学移相器沿宽度方向的剖面结构示意图。
图11为本申请实施例七提供的一种光学移相器沿长度方向的剖面结构示意图。
图12为本申请实施例八提供的一种光学移相器沿宽度方向的剖面结构示意图。
图13为本申请实施例八提供的一种光学移相器沿长度方向的剖面结构示意图。
图14为本申请实施例九提供的一种光学移相器的剖面结构示意图。
图15为本申请实施例九提供的一种光学移相器的俯视结构示意图。
图16为本申请实施例十提供的一种光学移相器的剖面结构示意图。
其中，图中各附图标记：
101、功分器；
102、合路器；
103、连接臂；
104、光学移相器；41、衬底；42、能量耦合结构；421、氮化硅波导；422、氮化钛电阻片；423、氮化铝片；424、锆钛酸铅涂层；425、铌酸锂层；4251、分隔凸起；43、波导；44、金属电极；45、胶粘层；46、二氧化硅层；
105、直波导。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1-图16，现对本申请实施例提供的光学调制器进行说明。
实施例一
本申请实施例一提供一种光学调制器，为一种MZI型光学调制器，请参阅图1和图2，包括功分器101、合路器102、两根由波导43形成的连接臂103和光学移相器104。
功分器101连接于所有连接臂103的同一侧端部，合路器102连接于所有连接臂103的另一侧端部。
其中，光学移相器104包括：
一个衬底41，波导43位于衬底41上表面或嵌入衬底41内部；
一个能量耦合结构42，能量耦合结构42和波导43于传输模式中至少有部分能量相互耦合；
两个金属电极44，金属电极44与能量耦合结构42直接接触或间接接触，金属电极44的部分表面裸露在空气中，在其中两个金属电极44的两端加上偏压时，能量耦合结构42的折射率发生变化并引起波导43的有效折射率发生改变。
其中，需要说明的是，波导43内传输模式的有效折射率不仅取决于波导的折射率和截面尺寸，也取决于波导43外包层的折射率和截面尺寸。为了方便描述，仅考虑包层折射率的不同而忽略截面尺寸的变化。
对于高度宽度分别为220nm和500nm的单模硅波导，上包层为空气时，其外包层为空气时，TE模在传输线中的横电磁波(TEM模)、横电波(TE模)、横磁波(TM模)三种导波形式的有效折射率为2.35，其外包层为二氧化硅时，TE模在传输线中的横电磁波(TEM模)、横电波(TE模)、横磁波(TM模)三种导波形式的有效折射率为2.45。
所以可以通过改变包层的折射率间接影响波导43内传输模式的有效折射率。
在本实施例中，能量耦合结构42与波导43于传输模式中有耦合作用的能量占总能量的5％-15％，在其他实施例中，该占比还可以为0.1％、1％、2％、3％、4％、16％、17％、18％、19％或者20％。
因为上述有耦合作用的能量占比如果过高，会明显增加功耗，但是如果上述有耦合作用的能量占比如果过低，则又会导致能量耦合结构42与波导43之间折射率的影响太小，不利于快速实现光的相位改变，对光信号的调制效果也不明显。
光学移相器104设置有两组且分别连接于两根连接臂103上，即连接臂103上的部分波导43为光学移相器104的一部分，功分器101为一分二功分器101，一分二功分器101将一路输入信号能量分成两路相等的输出信号能量。
合路器102为二合一合路器102且将两路输入信号能量合成一路输出信号能量。即在本实施例中，功分器101为50：50功分器，合路器102为反向使用的50：50功分器。
衬底41的上表面铺设有二氧化硅层46，两个金属电极44、波导43和能量耦合结构42均掩埋在二氧化硅层46中，两个金属电极44的极性相反，金属电极44的上表面裸露在空气中，便于导电接触以施加偏压条件。
在其他实施例中，金属电极44还可以为三个或者更多，需要施加偏压时，选择其中为正负的两个金属电极44进行导电即可。
二氧化硅层46对内部的两个金属电极44、波导43和能量耦合结构42具有良好的支撑效果，而且二氧化硅层46为透明材质，不易吸收光线，同时还对光线具有约束作用。
在本实施例中，能量耦合结构42的制作材料和波导43的制作材料不同，波导43的制作材料和衬底41的制作材料为硅，能量耦合结构42的制作材料为氮化硅，能量耦合结构42的具体展现形式为氮化硅波导。
在本实施例中，波导43的形状为脊波导，脊波导的两侧分别为p型掺杂区和n型掺杂区，正负电极分别与p型掺杂区和n型掺杂区接触。
在其他实施例中，波导43的形式还可以为以下类型中的任何一种：直波导、狭缝波导、光子晶体波导、亚波长光栅波导、亚波长光栅狭缝波导、表面等离子激元狭缝波导。
两个金属电极44的底部分别抵接于波导43两侧部的上表面，能量耦合结构42位于波导43的上方且位于两个金属电极44之间，且不与两个金属电极44接触。
在本实施例中，能量耦合结构42的折射率可以在离子体色散效应下发生改变。
在其他实施例中，能量耦合结构42的折射率可以在以下任何一种效应下发生改变：泡克耳斯效应、克尔效应、热光效应、声光效应、压电效应、磁光效应、光弹效应。
在本实施例中，金属电极44与能量耦合结构42之间为间接接触，而且间接接触为一种场效应接触。
在其他实施例中，金属电极44与能量耦合结构42之间还可以为直接接触。
本申请实施例一的光学调制器的工作原理如下：
在加偏压的条件下，波导43内的载流子浓度发生变化，改变了硅的折射率，即波导43的折射率发生改变，而且在加偏压的条件下，能量耦合结构42内的载流子浓度同样发生变化。
因为波导43和能量耦合结构42跟金属电极44之间的接触方式不同、间距不同，所以上述两种载流子浓度变化也不一致，进而波导43和能量耦合结构42的折射率所发生的改变也不同，再结合两者于传输模式中有部分能量相互耦合，所以进一步改变了波导43和能量耦合结构42的有效折射率，从而改变光的相位。
不直接改波导43的折射率，而是通过改变波导43附近的能量耦合结构42的折射率，由于能量耦合结构42和波导43于传输模式中至少有部分能量相互耦合，进而引起在波导43的有效折射率发生变化，相位同时发生改变，而且由于只有一部分能量耦合进入能量耦合结构42中，所以光学移相器104的插入损耗较低。
由于在波导43附近引入了在偏压条件下折射率能发生改变的能量耦合结构42，即便组成波导43的材料的折射率难以发生改变，波导43的有效折射率依旧可以发生变化，基于上述光学移相器104，可以设计出对应的光学调制器，即可实现对波导43内的光信号进行调制的目的。
实施例二
本申请实施例二提供一种光学调制器，同样为一种MZI型光学调制器，请参阅图1和图3，与实施例一的区别之处在于：
光学移相器104仅设置有一组，且光学移相器104连接于其中一根连接臂103上，另一根连接臂103上没有光学移相器104。
上述设计的光学调制器，结构更加简单，制作成本更低，而且同样可以实现对波导43内的光信号进行调制的目的。
实施例三
本申请实施例三提供一种光学调制器，为一种微环型光学调制器，请参阅图4和图5，包括光学移相器104和直波导105。
其中，光学移相器104包括：
一个衬底41；
一根波导43，波导43位于衬底41上表面或嵌入衬底41内部，波导43首尾相连形成微环结构；
一个能量耦合结构42，能量耦合结构42首尾相连形成微环结构，能量耦合结构42和波导43于传输模式中至少有部分能量相互耦合；
两个金属电极44，金属电极44与能量耦合结构42直接接触或间接接触，金属电极44的部分表面裸露在空气中，在两个金属电极44的两端加上偏压时，能量耦合结构42的折射率发生变化并引起波导43的有效折射率发生改变。
光学移相器104内的其中一个金属电极44为圆柱结构且位于微环结构的内部，光学移相器104内的另一个金属电极44为优圆弧结构且间隔环绕微环结构布置，优圆弧结构的缺口正对直波导105，直波导105和微环结构于传输模式中至少有部分能量相互耦合。
在本实施例中，能量耦合结构42与波导43于传输模式中有耦合作用的能量占总能量的5％-15％，在其他实施例中，该占比还可以为0.1％、1％、2％、3％、4％、16％、17％、18％、19％或者20％。
因为上述有耦合作用的能量占比如果过高，会明显增加功耗，但是如果上述有耦合作用的能量占比如果过低，则又会导致能量耦合结构42与波导43之间折射率的影响太小，不利于快速实现光的相位改变，对光信号的调制效果也不明显。
衬底41的上表面铺设有二氧化硅层46，部分直波导105、微环结构和两个金属电极44均掩埋于二氧化硅层46中，两个金属电极44的极性相反，金属电极44的上表面裸露在空气中，便于导电接触以施加偏压条件。
二氧化硅层46对内部的两个金属电极44、波导43和能量耦合结构42具有良好的支撑效果，而且二氧化硅层46为透明材质，不易吸收光线，同时还对光线具有约束作用。
在本实施例中，能量耦合结构42的制作材料和波导43的制作材料不同，波导43的制作材料和衬底41的制作材料为硅，能量耦合结构42的制作材料和直波导105的制作材料为氮化硅。
在本实施例中，波导43的形状为脊波导，脊波导的两侧分别为p型掺杂区和n型掺杂区，正负电极分别与p型掺杂区和n型掺杂区接触。
在其他实施例中，波导43的形式还可以为以下类型中的任何一种：直波导105、狭缝波导43、光子晶体波导43、亚波长光栅波导43、亚波长光栅狭缝波导43、表面等离子激元狭缝波导43。
两个金属电极44的底部分别抵接于波导43两侧部的上表面，能量耦合结构42位于波导43的上方且位于两个金属电极44之间，且不与两个金属电极44接触。
在本实施例中，能量耦合结构42的折射率可以在离子体色散效应下发生改变。
在其他实施例中，能量耦合结构42的折射率可以在以下任何一种效应下发生改变：泡克耳斯效应、克尔效应、热光效应、声光效应、压电效应、磁光效应、光弹效应。
在本实施例中，金属电极44与能量耦合结构42之间为间接接触，而且间接接触为一种场效应接触。
在其他实施例中，金属电极44与能量耦合结构42之间还可以为直接接触。
本申请实施例三的光学调制器的工作原理如下：
在加偏压的条件下，波导43内的载流子浓度发生变化，改变了硅的折射率，即波导43的折射率发生改变，而且在加偏压的条件下，能量耦合结构42内的载流子浓度同样发生变化。
但是因为波导43和能量耦合结构42跟金属电极44之间的接触方式不同、间距不同，所以上述两种载流子浓度变化也不一致，进而波导43和能量耦合结构42的折射率所发生的改变也不同，再结合两者于传输模式中有部分能量相互耦合，所以进一步改变了波导43和能量耦合结构42的有效折射率，从而改变光的相位。
输入光信号进入直波导105并部分耦合进两个微环结构(波导43和能量耦合结构42)中，直波导105的光场和从两个微环结构耦合出来的光场之间相互干涉叠加，并构成输出光的光场。
在两个金属电极44输入电调制信号(即加偏压)，从而改变两个微环结构中传输光的相位，进而改变干涉叠加效果，实现对光信号的调制功能。
实施例四
本申请实施例四提供一种光学调制器，为一种MZI和微环组成的复合型光学调制器，请参阅图4和图6，包括功分器101、合路器102、两根由直波导105形成的连接臂103和如实施例三中所描述的光学移相器104，功分器101连接于所有连接臂103的同一侧端部，合路器102连接于两根连接臂103的另一侧端部。
光学移相器104内的其中一个金属电极44为圆柱结构且位于微环结构的内部，光学移相器104内的另一个金属电极44为优圆弧结构且间隔环绕微环结构布置，优圆弧结构的缺口正对与其相邻的直波导105，直波导105和微环结构于传输模式中至少有部分能量相互耦合，且微环结构的损耗能量小于耦合损耗能量，即“过耦合”状态。
光学移相器104设置有两组且分别连接于两根连接臂103上，功分器101为一分二功分器101，一分二功分器101将一路输入信号能量分成两路相等的输出信号能量。
合路器102为二合一合路器102且将两路输入信号能量合成一路输出信号能量。即在本实施例中，功分器101为50：50功分器，合路器102为反向使用的50：50功分器。
本申请实施例四的光学调制器的工作原理如下：
输入光信号经功分器101均分为两路光信号，此时两路光信号的相位差为零，这两路光信号分别经过两个光学移相器104后，两路光信号的相位差发生变化，两路光信号再进入由合路器102中，并发生干涉。
合路器102的输出信号幅值取决于进入合路器102的两路光信号的相位差，调节两个光学移相器104，即可调节两路光信号的相位差，进而改变输出信号幅值，实现对输入光信号进行调制的目的。
实施例五
本申请实施例五提供一种光学调制器，同样为一种MZI和微环组成的复合型光学调制器，请参阅图7，与实施例四的区别之处在于：
实施例三中的所描述的光学移相器104仅设置有一组，且光学移相器104连接于其中一根连接臂103上，另一根连接臂103上没有光学移相器104。
上述设计的光学调制器，结构更加简单，制作成本更低，同样可以实现对波导43内的光信号进行调制的目的。
实施例六
本申请实施例六提供一种光学移相器104，请参阅图8和图9，与实施例一中所描述的光学移相器104的区别之处在于：
能量耦合结构42的折射率可以在热光效应下发生改变。
能量耦合结构42包括氮化硅波导421和氮化钛电阻片422，氮化钛电阻片422的两个侧部上表面分别和两个金属电极44的底部直接接触，在加偏压的条件下，氮化钛电阻片422被加热，导致波导43和氮化硅波导421的温度上升、折射率增大。
能量耦合结构42、两个金属电极44、波导43和氮化钛电阻片422均掩埋在二氧化硅层46中，两个金属电极44、氮化钛电阻片422、能量耦合结构42和波导43由上至下依次布置，氮化钛电阻片422、能量耦合结构42和波导43三者之间留有间隙。
金属电极44的水平截面为方形状，且金属电极44的水平截面面积由上至下逐渐变小。氮化钛电阻片422和能量耦合结构42均为长条形板状，能量耦合结构42的长度较短，氮化钛电阻片422的长度较长且和二氧化硅层46的长度一致。
本申请实施例六的光学移相器104的工作原理如下：
在两个金属电极44两端加上偏压时，氮化钛电阻片422被加热，导致下方的能量耦合结构42和波导43温度上升，能量耦合结构42折射率增大，引起能量耦合结构42和波导43内传输模式的有效折射率增大。
因为能量耦合结构42内中有一小部分能量耦合到波导43内，所以波导43折射率的增加，从而会进一步增大能量耦合结构42内传输模式的有效折射率。
基于能量耦合结构42为氮化硅材料制成、波导43为硅材料制成，氮化硅的热光系数较小，所以基于氮化硅的光学移相器104的π相移功耗很大。
利用硅的热光系数比氮化硅高一个数量级的特点，将波导43置于能量耦合结构42旁边，保证仅有少部分能量从能量耦合结构42耦合到波导43中，那么因为温度上升而引起的波导43折射率的增加，会进一步增大能量耦合结构42内传输模式的有效折射率，从而可以降低基于氮化硅的光学移相器104的π相移功耗。
实施例七
本申请实施例七提供一种光学移相器104，请参阅图10和图11，与实施例一中所描述的光学移相器104的区别之处在于：
能量耦合结构42的折射率可以在声光效应下发生改变。
能量耦合结构42包括氮化硅波导421和氮化铝片423，两个金属电极44上下间隔布置且氮化铝片423夹设于两者之间，金属电极44的端部设置有射频信号源，在加偏压的条件下，氮化铝片423内产生的声波在氮化硅波导421和波导43内引入机械应力，机械应力改变氮化硅波导421和波导43的折射率。
能量耦合结构42和波导43均掩埋在二氧化硅层46中，两个金属电极44和氮化铝片423均位于二氧化硅层46的外侧，且均位于二氧化硅层46的上方，位于下边的金属电极44贴合于二氧化硅层46的上表面，位于下边的金属电极44、能量耦合结构42和波导43由上至下依次布置且三者之间留有间隙。
两个金属电极44、氮化铝片423和能量耦合结构42均为长条形板状，其中能量耦合结构42的长度较长且和二氧化硅层46的长度一致，两个金属电极44和氮化铝片423的长度相一致且较短。两个金属电极44和氮化铝片423的宽度最宽，波导43的宽度最窄，能量耦合结构42的宽度居中。
本申请实施例七的光学移相器104的工作原理如下：
在两个金属电极44的两端加上射频信号源，氮化铝片423内产生声波，并传递到能量耦合结构42和波导43中，这种声波在能量耦合结构42和波导43内引入机械应力，机械应力改变能量耦合结构42和波导43的折射率，引起能量耦合结构42内传输模式的有效折射率发生改变。
基于能量耦合结构42为氮化硅材料制成、波导43为硅材料制成，氮化硅的热光系数较小，所以基于氮化硅的光学移相器104的π相移功耗很大。
利用硅的热光系数比氮化硅高一个数量级的特点，将波导43置于能量耦合结构42旁边，保证仅有少部分能量从能量耦合结构42耦合到波导43中。
因为能量耦合结构42内有一小部分耦合到波导43内，再加上张应力都会使能量耦合结构42和波导43的折射率减小，压应力都会使能量耦合结构42和波导43的折射率增加，所以波导43折射率的改变，会进一步增大能量耦合结构42内传输模式的有效折射率的改变幅度，而不是相互抵消，从而可以降低氮化硅的光学移相器104的π相移功耗。
实施例八
本申请实施例八提供一种光学移相器104，请参阅图12和图13，与实施例一中所描述的光学移相器104的区别之处在于：
能量耦合结构42的折射率可以在压电效应下发生改变。
能量耦合结构42包括氮化硅波导421和锆钛酸铅涂层424，其中两个金属电极44上下间隔布置且锆钛酸铅涂层424夹设于两者之间，在加偏压的条件下，锆钛酸铅涂层424内产生平行于其厚度方向的电场，基于反向压电效应，锆钛酸铅涂层424变厚、宽度方向变窄。
上述尺寸变化均导致氮化硅波导421和波导43内部产生压应力，以改变氮化硅波导421和波导43的折射率。
能量耦合结构42和波导43均掩埋在二氧化硅层46中，两个金属电极44和锆钛酸铅涂层424均位于二氧化硅层46的外侧，且均位于二氧化硅层46的上方，位于下边的金属电极44贴合于二氧化硅层46的上表面，位于下边的金属电极44、能量耦合结构42和波导43由上至下依次布置且三者之间留有间隙。
两个金属电极44、锆钛酸铅涂层424和能量耦合结构42均为长条形板状，其中能量耦合结构42和锆钛酸铅涂层424的长度较长且和二氧化硅层46的长度一致，两个金属电极44比能量耦合结构42的长度要短。
锆钛酸铅涂层424和位于下边的金属电极44的宽度最宽且和二氧化硅层46的宽度一致，位于上边的金属电极44和波导43的宽度最窄，能量耦合结构42的宽度居中。
本申请实施例八的光学移相器104的工作原理如下：
在两个金属电极44两端加上偏压，锆钛酸铅涂层424内产生平行于其厚度方向的电场，产生压电效应，即锆钛酸铅涂层424变厚、宽度方向变窄，这两个方向的尺寸变化均导致能量耦合结构42和波导43内部产生压应力，折射率增加。能量耦合结构42的折射率的增大，引起能量耦合结构42内传输模式的有效折射率增大。
基于能量耦合结构42为氮化硅材料制成、波导43为硅材料制成，氮化硅的热光系数较小，所以基于氮化硅的光学移相器104的π相移功耗很大。
利用硅的热光系数比氮化硅高一个数量级的特点，将波导43置于能量耦合结构42旁边，保证仅有少部分能量从能量耦合结构42耦合到波导43中。因为能量耦合结构42有一小部分耦合到波导43内，所以波导43折射率的会增加，进一步增大能量耦合结构42内传输模式的有效折射率，从而可以降低氮化硅的光学移相器104的π相移功耗。
实施例九
本申请实施例九提供一种光学移相器104，请参阅图14和图15，与实施例一中所描述的光学移相器104的区别之处在于：
能量耦合结构42的折射率可以在光电效应下发生改变。
能量耦合结构42包括铌酸锂层425，铌酸锂层425的上表面中部设置有分隔凸起4251，其中两个金属电极44分别布设于铌酸锂层425的上表面的两个侧部，分隔凸起4251位于两个金属电极44之间，在加偏压的条件下，在电场的作用下，铌酸锂层425内产生线性电光效应，铌酸锂层425的折射率发生改变，以改变波导43的有效折射率。
在本实施例中，波导43的制作材料为氮化硅材料，两个金属电极44、铌酸锂层425和波导43均位于二氧化硅层46的外部，且均位于二氧化硅层46的上方，铌酸锂层425和波导43由上至下依次布置且两者之间留有间隙。
两个金属电极44和铌酸锂层425均为长条形板状，两个金属电极44的长度较短，铌酸锂层425的长度较长。分隔凸起4251的截面为等腰梯形，而且分隔凸起4251的长度比金属电极44的长度还要短。
铌酸锂层425的宽度最宽且比二氧化硅层46的宽度稍微窄一点，波导43的宽度最窄，两个金属电极44的宽度居中。
在本实施例中，波导43掩埋在胶粘层45内，铌酸锂层425设于胶粘层45的上表面，胶粘层45的制作材料为苯并环丁烯，在其他实施例中，胶粘层45的制作材料还可以为环氧树脂。胶粘层45的主要作用适用使二氧化硅层46、波导43和铌酸锂层425三者之间牢固连接。
本申请实施例九的光学移相器104的工作原理如下：
在两个金属电极44两端加上偏压后，在电场的作用下，铌酸锂层425内产生线性电光效应，铌酸锂层425的折射率发生改变。
波导43和铌酸锂层425之间会有部分能量相耦合，所以铌酸锂的折射率的改变，会改变波导43内传输模式的有效折射率，从而可以改变波导43内传输模式的相位，以实现对波导43内的光信号进行调制的目的。
实施例十
本申请实施例十提供一种光学移相器104，请参阅图16，与实施例一中所描述的光学移相器104的区别之处在于：
能量耦合结构42的制作材料和波导43的制作材料相同，能量耦合结构42的制作材料、波导43的制作材料和衬底41的制作材料均为硅，但是波导43具体为硅脊波导，能量耦合结构42具体为硅条波导43。
本申请实施例十的光学移相器104的工作原理如下：
在两个金属电极44的两端加上偏压时，硅脊波导内的载流子浓度发生变化，改变了硅的折射率，进而改变在硅条波导内传输模式的有效折射率，从而改变光的相位，以实现对波导43内的光信号进行调制的目的。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种光学调制器，其特征在于，包括功分器(101)、合路器(102)、至少两根由波导(43)形成的连接臂(103)和光学移相器(104)，所述功分器(101)连接于所有所述连接臂(103)的同一侧端部，所述合路器(102)连接于所有所述连接臂(103)的另一侧端部，至少有一个所述光学移相器(104)连接于其中一根所述连接臂(103)上；
所述光学移相器(104)包括：
至少一个衬底(41)，所述波导(43)位于所述衬底(41)上表面或嵌入所述衬底(41)内部；
至少一个能量耦合结构(42)，所述能量耦合结构(42)和所述波导(43)于传输模式中至少有部分能量相互耦合；
至少两个金属电极(44)，所述金属电极(44)与所述能量耦合结构(42)直接接触或间接接触，所述金属电极(44)的部分表面裸露在空气中，在其中两个所述金属电极(44)的两端加上偏压时，所述能量耦合结构(42)的折射率发生变化并引起所述波导(43)的有效折射率发生改变。
2.一种光学调制器，其特征在于，包括光学移相器(104)和直波导(105)，
所述光学移相器(104)包括：
至少一个衬底(41)；
至少一根波导(43)，所述波导(43)位于所述衬底(41)上表面或嵌入所述衬底(41)内部，所述波导(43)首尾相连形成微环结构；
至少一个能量耦合结构(42)，所述能量耦合结构(42)首尾相连形成微环结构，所述能量耦合结构(42)和所述波导(43)于传输模式中至少有部分能量相互耦合；
至少两个金属电极(44)，所述金属电极(44)与所述能量耦合结构(42)直接接触或间接接触，所述金属电极(44)的部分表面裸露在空气中，在其中两个所述金属电极(44)的两端加上偏压时，所述能量耦合结构(42)的折射率发生变化并引起所述波导(43)的有效折射率发生改变；
所述光学移相器(104)内的其中一个所述金属电极(44)为圆柱结构且位于所述微环结构的内部，所述光学移相器(104)内的另一个所述金属电极(44)为优圆弧结构且间隔环绕所述微环结构布置，所述优圆弧结构的缺口正对所述直波导(105)，所述直波导(105)和所述微环结构于传输模式中至少有部分能量相互耦合。
3.一种光学调制器，其特征在于，包括功分器(101)、合路器(102)、至少两根由直波导(105)形成的连接臂(103)和如权利要求2中所述的光学移相器(104)，所述功分器(101)连接于所有所述连接臂(103)的同一侧端部，所述合路器(102)连接于两根所述连接臂(103)的另一侧端部，至少有一个所述光学移相器(104)连接于其中一根所述连接臂(103)上；
所述光学移相器(104)内的其中一个所述金属电极(44)为圆柱结构且位于所述微环结构的内部，所述光学移相器(104)内的另一个所述金属电极(44)为优圆弧结构且间隔环绕所述微环结构布置，所述优圆弧结构的缺口正对与其相邻的所述直波导(105)，所述直波导(105)和所述微环结构于传输模式中至少有部分能量相互耦合，且所述微环结构的损耗能量小于耦合损耗能量。
4.如权利要求1或3所述的光学调制器，其特征在于，所述光学移相器(104)设置有两组且分别连接于两根所述连接臂(103)上。
5.如权利要求4所述的光学调制器，其特征在于，所述功分器(101)为一分二功分器(101)，所述一分二功分器(101)将一路输入信号能量分成两路相等的输出信号能量；所述合路器(102)为二合一合路器(102)且将两路输入信号能量合成一路输出信号能量。
6.如权利要求2或3所述的光学调制器，其特征在于，部分所述直波导(105)、所述微环结构和两个所述金属电极(44)均掩埋于二氧化硅中。
7.如权利要求2或3所述的光学调制器，其特征在于，所述直波导(105)和所述能量耦合结构(42)均采用氮化硅材料。
8.如权利要求1至7任一项所述的光学调制器，其特征在于，所述能量耦合结构(42)的制作材料和所述波导(43)的制作材料相同或者不同。
9.如权利要求8所述的光学调制器，其特征在于，所述波导(43)的制作材料为硅或者氮化硅，所述衬底(41)的制作材料为硅。
10.如权利要求9所述的光学调制器，其特征在于，还包括铺设于所述衬底(41)上表面的二氧化硅层(46)。
11.如权利要求10所述的光学调制器，其特征在于，所述波导(43)和所述能量耦合结构(42)均掩埋在所述二氧化硅层(46)中。
12.如权利要求10所述的光学调制器，其特征在于，所述金属电极(44)的上表面裸露在空气中，所述金属电极(44)的其余部分掩埋在所述二氧化硅层(46)中。
13.如权利要求10所述的光学调制器，其特征在于，所述金属电极(44)位于所述二氧化硅层(46)的外侧，且位于所述二氧化硅层(46)的上方。
14.如权利要求8所述的光学调制器，其特征在于，所述波导(43)的形式为以下类型中的任何一种：脊波导、直波导、狭缝波导、光子晶体波导、亚波长光栅波导、亚波长光栅狭缝波导、表面等离子激元狭缝波导。
15.如权利要求8所述的光学调制器，其特征在于，所述能量耦合结构(42)的折射率在以下任何一种效应下发生改变：离子体色散效应、泡克耳斯效应、克尔效应、热光效应、声光效应、压电效应、磁光效应、光弹效应。
16.如权利要求15所述的光学调制器，其特征在于，所述波导(43)为硅脊波导(43)，所述硅脊波导的两个侧部上表面分别和其中两个所述金属电极(44)的底部直接接触，在加偏压的条件下，所述硅脊波导的折射率发生改变。
17.如权利要求15所述的光学调制器，其特征在于，所述能量耦合结构(42)包括氮化硅波导(421)和氮化钛电阻片(422)，所述氮化钛电阻片(422)的两个侧部上表面分别和其中两个所述金属电极(44)的底部直接接触，在加偏压的条件下，所述氮化钛电阻片(422)被加热，导致所述波导(43)和所述氮化硅波导(421)的温度上升、折射率增大。
18.如权利要求15所述的光学调制器，其特征在于，所述能量耦合结构(42)包括氮化硅波导(421)和氮化铝片(423)，其中两个所述金属电极(44)上下间隔布置且所述氮化铝片(423)夹设于两者之间，所述金属电极(44)的端部设置有射频信号源，在加偏压的条件下，所述氮化铝片(423)内产生的声波在所述氮化硅波导(421)和所述波导(43)内引入机械应力，所述机械应力改变所述氮化硅波导(421)和所述波导(43)的折射率。
19.如权利要求15所述的光学调制器，其特征在于，所述能量耦合结构(42)包括氮化硅波导(421)和锆钛酸铅涂层(424)，其中两个所述金属电极(44)上下间隔布置且所述锆钛酸铅涂层(424)夹设于两者之间，在加偏压的条件下，所述锆钛酸铅涂层(424)内产生平行于其厚度方向的电场，基于反向压电效应，所述锆钛酸铅涂层(424)变厚、宽度方向变窄，上述尺寸变化均导致所述氮化硅波导(421)和所述波导(43)内部产生压应力，以改变所述氮化硅波导(421)和所述波导(43)的折射率。
20.如权利要求15所述的光学调制器，其特征在于，所述能量耦合结构(42)包括铌酸锂层(425)，所述铌酸锂层(425)的上表面中部设置有分隔凸起(4251)，其中两个所述金属电极(44)分别布设于所述铌酸锂层(425)的上表面的两个侧部，所述分隔凸起(4251)位于两个所述金属电极(44)之间，在加偏压的条件下，在电场的作用下，所述铌酸锂层(425)内产生线性电光效应，所述铌酸锂层(425)的折射率发生改变，以改变所述波导(43)的有效折射率。
21.如权利要求20所述的光学调制器，其特征在于，所述波导(43)掩埋在胶粘层(45)内，所述铌酸锂层(425)设于所述胶粘层(45)的上表面。
22.如权利要求20所述的光学调制器，其特征在于，所述胶粘层(45)的制作材料为苯并环丁烯或者环氧树脂。
23.如权利要求8所述的光学调制器，其特征在于，所述能量耦合结构(42)与所述波导(43)于传输模式中有耦合作用的能量占总能量的0.1％-20％。
24.如权利要求8所述的光学调制器，其特征在于，所述间接接触为一种场效应接触。
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