CN117406474A - 电光调制器 - Google Patents
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Abstract
提供一种电光调制器，包括分光元件、合光元件、两个波导臂、以及调制电极，其中，两个波导臂连接在分光元件和合光元件之间，每个波导臂包括第一单模波导部、第一耦合部、多模波导部、第二耦合部和第二单模波导部，第一单模波导部和第二单模波导部中任一的宽度小于多模波导部的宽度；第一耦合部配置为使光从第一单模波导部耦合进入多模波导部，第二耦合部配置为使光从多模波导部耦合进入第二单模波导部；调制电极配置为向两个波导臂的多模波导部施加调制电压。本公开实施例技术方案可以改善电光调制器的工作性能以及降低其传输损耗。
Description
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。
随着人们对于高速、大容量通信技术的需求日益迫切，对于电光调制器的工作性能提出了更高的要求。
发明内容
本公开实施例提供了一种电光调制器，以改善电光调制器的工作性能以及降低其传输损耗。
本公开实施例提供的电光调制器，包括分光元件、合光元件、两个波导臂、以及调制电极，其中，两个波导臂连接在分光元件和合光元件之间，每个波导臂包括第一单模波导部、第一耦合部、多模波导部、第二耦合部和第二单模波导部，其中，第一单模波导部和第二单模波导部中任一的宽度小于多模波导部的宽度；第一耦合部配置为使光从第一单模波导部耦合进入多模波导部，第二耦合部配置为使光从多模波导部耦合进入第二单模波导部；调制电极配置为向两个波导臂的多模波导部施加调制电压。
在一些实施例中，第一耦合部包括与第一单模波导部连接的第一部分以及与多模波导部连接的第二部分，第一部分与第二部分相对并且第一部分的宽度沿远离第一单模波导部的方向逐渐减小；和/或，第二耦合部包括与第二单模波导部连接的第三部分以及与多模波导部连接的第四部分，第三部分与第四部分相对并且第三部分的宽度沿靠近第二单模波导部的方向逐渐增大。
在一些实施例中，第一耦合部包括与第一单模波导部连接的第一部分以及与多模波导部连接的第二部分，第二部分与第一部分相对并且第二部分的宽度沿远离第一单模波导部的方向逐渐增大；和/或，第二耦合部包括与第二单模波导部连接的第三部分以及与多模波导部连接的第四部分，第四部分与第三部分相对并且第四部分的宽度沿靠近第二单模波导部的方向逐渐减小。
在一些实施例中，第一耦合部为第一多模干涉耦合元件，第二耦合部为第二多模干涉耦合元件。
在一些实施例中，第一多模干涉耦合元件包括第一矩形干涉部分，以及第一宽度增大部分和/或第一宽度减小部分，其中，第一宽度增大部分连接在第一单模波导部与第一矩形干涉部分之间，第一宽度增大部分的宽度沿靠近第一矩形干涉部分的方向逐渐增大；第一宽度减小部分连接在第一矩形干涉部分与多模波导部之间，第一宽度减小部分的宽度沿远离第一矩形干涉部分的方向逐渐减小。
在一些实施例中，第二多模干涉耦合元件包括第二矩形干涉部分，以及第二宽度增大部分和/或第二宽度减小部分，其中，第二宽度增大部分连接在多模波导部与第二矩形干涉部分之间，第二宽度增大部分的宽度沿靠近第二矩形干涉部分的方向逐渐增大；第二宽度减小部分连接在第二矩形干涉部分与第二单模波导部之间，第二宽度减小部分的宽度沿远离第二矩形干涉部分的方向逐渐减小。
在一些实施例中，每个波导臂包括依次设置的一个第一单模波导部、一个第一耦合部、一个多模波导部、一个第二耦合部和一个第二单模波导部，其中，两个波导臂的第一单模波导部分别与分光元件连接，两个波导臂的第二单模波导部分别与合光元件连接。
在一些实施例中，两个波导臂的第一单模波导部呈曲线弯曲状并且对称布置；两个波导臂的第二单模波导部呈曲线弯曲状并且对称布置。
在一些实施例中，电光调制器具有折叠结构，包括至少一个转弯区；每个波导臂包括多个单元段，每个单元段包括依次设置的一个第一单模波导部、一个第一耦合部、一个多模波导部、一个第二耦合部和一个第二单模波导部，任意相邻两个单元段中，其中一个单元段的第二单模波导部与另一个单元段的第一单模波导部在转弯区一体连接。
在一些实施例中，两个波导臂在每个转弯区一体交叉连接。
在一些实施例中，两个波导臂在每个转弯区垂直交叉连接。
根据本公开的一个或多个实施例，两个波导臂在调制电极对应的调制区采用多模波导进行光传输，可以使得电光调制器的整体传输损耗相对较低，两个波导臂在调制区以外的区域采用单模波导进行光传输，可以适应多样的形状设计从而具有较佳的传输稳定性。第一耦合部和第二耦合部可以对不同模式的磁波具有不同的耦合效果，从而可以提升磁波模式的纯度。因此，本公开实施例可以改善电光调制器的工作性能以及降低其传输损耗。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
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是传统型电光调制器的结构示意图；
图2是本公开一些实施例的电光调制器的俯视结构示意图；
图3是本公开一些实施例的电光调制器的俯视结构示意图；以及
图4是本公开一些实施例的电光调制器的俯视结构示意图。
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。
电光调制相关的技术已经得到广泛发展和应用，比如光通信、微波光电子、激光束偏转、波前调制等。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。
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)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。
通常，光经过光学器件的传输，磁波模式会发生一定的混合。例如，光在进入光学器件时为TE模式的磁波(在传播方向上有磁场分量但无电场分量)，从光学器件射出时虽然大部分为TE模式的磁波，但会掺杂小部分TM模式的磁波(在传播方向上有电场分量但无磁场分量)。此场景下，尽管TM模式磁波的输出比例较小，但对于一些对磁波模式纯度要求较高的光学器件，仍会对其工作性能产生较大影响，也会带来一定的光损耗。
基于此，本公开实施例提供了一种电光调制器，可以改善电光调制器的工作性能以及降低其传输损耗。
如图2所示，本公开一些实施例提供的电光调制器100，包括分光元件110、合光元件120、两个波导臂130、以及调制电极140。两个波导臂130连接在分光元件110和合光元件120之间，每个波导臂130包括第一单模波导部131、第一耦合部132、多模波导部133、第二耦合部134和第二单模波导部135。第一单模波导部131和第二单模波导部135中任一的宽度小于多模波导部133的宽度。第一耦合部132配置为使光从第一单模波导部131耦合进入多模波导部133，第二耦合部134配置为使光从多模波导部133耦合进入第二单模波导部135。调制电极140配置为向两个波导臂130的多模波导部133施加调制电压。
在本公开实施例中，如图2所示，以任一波导臂130的直线延伸部分为参照，定义其延伸方向为长度方向，定义与该延伸方向正交、并且平行于器件衬底(图中未示出)的方向为宽度方向。
分光元件110的具体类型不限，其至少包括一个输入口和两个输出口，例如可以为一进二出的分光元件。合光元件120的具体类型不限，其至少包括两个输入口和一个输出口，例如可以为二进一出的合光元件或者二进三出的合光元件等等。两个波导臂130一一对应地连接分光元件110的两个输出口以及合光元件120的两个输入口。
波导臂130的材料包括电光材料，例如铌酸锂、钽酸锂或者磷酸氧钛钾等。调制电极140配置为向两个波导臂130的多模波导部133施加调制电压。调制电极140的具有结构形式不限，例如，在一些实施例中，调制电极140可以包括依次设置的第一地电极141、信号电极143和第二地电极142，其中一个波导臂130位于第一地电极141和信号电极143形成的电场中，另一个波导臂130位于第二地电极142和信号电极143形成的电场中。
第一单模波导部131和第二单模波导部135作为单模波导，其特点是具有很小的宽度尺寸和很小的折射率差(指两种中级晶族或低级晶族的晶质物质的不同方向的折射率的差值)，适于传输一种模式的磁波，例如TE模式的磁波。多模波导部133作为多模波导，可以传输多个模式的磁波，其宽度尺寸明显大于第一单模波导部131和第二单模波导部135的宽度尺寸。通常，单模波导的传输损耗大于多模波导，但其更适合设计为弯曲形状，相比弯曲形状的多模波导具有更高的传输稳定性。
在本公开实施例中，两个波导臂130在调制电极140的调制区(即调制电极140的电场作用区域)采用多模波导进行光传输，可以使得电光调制器的整体传输损耗相对较低，两个波导臂130在调制区以外的区域采用单模波导进行光传输，可以适应多样的形状设计(例如设计为曲线形状)，而且具有较佳的传输稳定性。通过对第一耦合部132和第二耦合部134进行适当的设计，可以使其对不同模式的磁波具有不同的耦合效果，例如，允许TE模式的磁波通过，而对于TM模式的磁波则具有阻止过滤效果，这样，可以提升磁波模式的纯度，尤其适用于一些对磁波模式纯度要求较高的场景。因此，本公开实施例可以改善电光调制器的工作性能以及降低其传输损耗。
第一耦合部132和第二耦合部134的具体结构形式不限。如图2所示，在一些实施例中，第一耦合部132可以包括与第一单模波导部131连接的第一部分1321以及与多模波导部133连接的第二部分1322，第一部分1321与第二部分1322相对并且第一部分1321的宽度沿远离第一单模波导部131的方向逐渐减小。第二耦合部134可以包括与第二单模波导部135连接的第三部分1341以及与多模波导部133连接的第四部分1342，第三部分1341与第四部分1342相对并且第三部分1341的宽度沿靠近第二单模波导部135的方向逐渐增大。
光经过第一单模波导部131的引导进入第一耦合部132的第一部分1321后，随着该第一部分1321的宽度沿远离第一单模波导部131的方向逐渐减小，被迫溢出并进入与之相对的第二部分1322，继而进入到多模波导部133。相应的，光经过多模波导部133后，也可以依次经过第二耦合部134的第四部分1342、第三部分1341进入到第二单模波导部135。
在一些实施例中，多模波导部133的第二部分1322的宽度也可以沿远离第一单模波导部131的方向逐渐增大(即与第一部分1321的宽度变化趋势相反)；和/或，第四部分1342的宽度也可以沿靠近第二单模波导部135的方向逐渐减小(即与第三部分1341的宽度变化趋势相反)。此设计可以进一步提升对光传输的引导效果，可以进一步减少传输损失。
如图3所示，在一些实施例中，第一耦合部132还可以为第一多模干涉耦合元件，第二耦合部134还可以为第二多模干涉耦合元件。多模干涉耦合元件的工作原理是基于多模干涉，在特定位置处形成自成像，周期性地复现输入光场。通过多模干涉耦合元件的设计，可以使其对不同模式的磁波具有不同的耦合效果，从而达到提升磁波模式纯度的效果。
第一多模干涉耦合元件和第二多模干涉耦合元件的具体结构形式不限。
在一些实施例中，如图3所示，第一多模干涉耦合元件包括第一矩形干涉部分1324，以及第一宽度增大部分1323和/或第一宽度减小部分(图中未示出)。第一宽度增大部分1323连接在第一单模波导部131与第一矩形干涉部分1324之间，第一宽度增大部分1323的宽度沿靠近第一矩形干涉部分1324的方向逐渐增大。第一宽度减小部分连接在第一矩形干涉部分1324与多模波导部133之间，第一宽度减小部分的宽度沿远离第一矩形干涉部分1324的方向逐渐减小。
相应的，第二多模干涉耦合元件包括第二矩形干涉部分1344，以及第二宽度增大部分(图中未示出)和/或第二宽度减小部分1345。第二宽度增大部分连接在多模波导部133与第二矩形干涉部分1344之间，第二宽度增大部分的宽度沿靠近第二矩形干涉部分1344的方向逐渐增大。第二宽度减小部分1345连接在第二矩形干涉部分1344与第二单模波导部135之间，第二宽度减小部分1345的宽度沿远离第二矩形干涉部分1344的方向逐渐减小。
本公开设计方案不但可以应用于直条型的电光调制器，还可以应用于折叠型的电光调制器。图2和图3所示的电光调制器即为直条型的电光调制器，其每个波导臂130包括依次设置的一个第一单模波导部131、一个第一耦合部132、一个多模波导部133、一个第二耦合部134和一个第二单模波导部135，其中，两个波导臂130的第一单模波导部131分别与分光元件110连接，两个波导臂130的第二单模波导部135分别与合光元件120连接。
如图2和图3所示，两个波导臂130的第一单模波导部131呈曲线弯曲状并且对称布置，两个波导臂130的第二单模波导部135呈曲线弯曲状并且对称布置。第一单模波导部131和第二单模波导部135在具有较佳的传输稳定性。
在本公开的一些实施例中，电光调制器为折叠型电光调制器，采用折叠设计，可以根据需求设计增加波导臂的长度，不但可以缩减器件长度方向的尺寸，还可以使器件获得更佳的性能。
如图4所示，该折叠型的电光调制器包括至少一个转弯区150，每个波导臂130包括多个单元段(图中示意为两个单元段)，每个单元段包括依次设置的一个第一单模波导部131、一个第一耦合部132、一个多模波导部133、一个第二耦合部134和一个第二单模波导部135。波导臂130的任意两个相邻单元段中，其中一个单元段的第二单模波导部135与另一个单元段的第一单模波导部131在转弯区150一体连接。如前所述，单模波导更适合设计为弯曲形状，而且具有更高的传输稳定性。
在该实施例中，在每个转弯区150，其中一个波导臂130的呈一体连接的第二单模波导部135和第一单模波导部131，与另一个波导臂130的呈一体连接的第二单模波导部135和第一单模波导部131一体交叉连接。两个波导臂130在转弯区150设计为交叉结构，可以保证两个波导臂130在调制区所处电场的方向不变。在一些实施例中，两个波导臂130在每个转弯区150垂直交叉连接。这样，可以将交叉处波导分支之间的传输干扰进一步降低。
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 (11)
1.一种电光调制器，包括分光元件、合光元件、两个波导臂、以及调制电极，其中，
两个波导臂连接在分光元件和合光元件之间，每个波导臂包括第一单模波导部、第一耦合部、多模波导部、第二耦合部和第二单模波导部，其中，
第一单模波导部和第二单模波导部中任一的宽度小于多模波导部的宽度；
第一耦合部配置为使光从第一单模波导部耦合进入多模波导部，第二耦合部配置为使光从多模波导部耦合进入第二单模波导部；
调制电极配置为向两个波导臂的多模波导部施加调制电压。
2.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，
第一耦合部包括与第一单模波导部连接的第一部分以及与多模波导部连接的第二部分，第一部分与第二部分相对并且第一部分的宽度沿远离第一单模波导部的方向逐渐减小；和/或
第二耦合部包括与第二单模波导部连接的第三部分以及与多模波导部连接的第四部分，第三部分与第四部分相对并且第三部分的宽度沿靠近第二单模波导部的方向逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，
第一耦合部包括与第一单模波导部连接的第一部分以及与多模波导部连接的第二部分，第二部分与第一部分相对并且第二部分的宽度沿远离第一单模波导部的方向逐渐增大；和/或
第二耦合部包括与第二单模波导部连接的第三部分以及与多模波导部连接的第四部分，第四部分与第三部分相对并且第四部分的宽度沿靠近第二单模波导部的方向逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，
第一耦合部为第一多模干涉耦合元件，第二耦合部为第二多模干涉耦合元件。
5.根据权利要求4所述的电光调制器，其中，
第一多模干涉耦合元件包括第一矩形干涉部分，以及第一宽度增大部分和/或第一宽度减小部分，其中，
第一宽度增大部分连接在第一单模波导部与第一矩形干涉部分之间，第一宽度增大部分的宽度沿靠近第一矩形干涉部分的方向逐渐增大；
第一宽度减小部分连接在第一矩形干涉部分与多模波导部之间，第一宽度减小部分的宽度沿远离第一矩形干涉部分的方向逐渐减小。
6.根据权利要求4所述的电光调制器，其中，
第二多模干涉耦合元件包括第二矩形干涉部分，以及第二宽度增大部分和/或第二宽度减小部分，其中，
第二宽度增大部分连接在多模波导部与第二矩形干涉部分之间，第二宽度增大部分的宽度沿靠近第二矩形干涉部分的方向逐渐增大；
第二宽度减小部分连接在第二矩形干涉部分与第二单模波导部之间，第二宽度减小部分的宽度沿远离第二矩形干涉部分的方向逐渐减小。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电光调制器，其中，
每个波导臂包括依次设置的一个第一单模波导部、一个第一耦合部、一个多模波导部、一个第二耦合部和一个第二单模波导部，其中，
两个波导臂的第一单模波导部分别与分光元件连接，两个波导臂的第二单模波导部分别与合光元件连接。
8.根据权利要求7所述的电光调制器，其中，
两个波导臂的第一单模波导部呈曲线弯曲状并且对称布置；
两个波导臂的第二单模波导部呈曲线弯曲状并且对称布置。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的电光调制器，其中，
电光调制器具有折叠结构，包括至少一个转弯区；
每个波导臂包括多个单元段，每个单元段包括依次设置的一个第一单模波导部、一个第一耦合部、一个多模波导部、一个第二耦合部和一个第二单模波导部，任意相邻两个单元段中，其中一个单元段的第二单模波导部与另一个单元段的第一单模波导部在转弯区一体连接。
10.根据权利要求9所述的电光调制器，其中，
两个波导臂在每个转弯区一体交叉连接。
11.根据权利要求9所述的电光调制器，其中，
两个波导臂在每个转弯区垂直交叉连接。
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