CN117471718A - 电光调制器 - Google Patents

Abstract

提供一种电光调制器，包括：沿第一方向延伸且沿与第一方向相交的第二方向依次设置的第一地电极、第一信号电极主电极、第一子电极列、第一波导臂、第二子电极列、第三子电极列、第二波导臂、第四子电极列、第二信号电极主电极和第二地电极；以及，沿第二方向延伸且将第一信号电极主电极、第二子电极列和第三子电极列连接的多个第一连接电极，以及沿第二方向延伸且将第二信号电极主电极、第一子电极列和第四子电极列连接的多个第二连接电极；其中，第一地电极和第二地电极接地且相对电光调制器的底面的高度为第一高度h1，第一信号电极主电极和第二信号电极主电极用于接收差分信号且相对电光调制器的底面的高度为第二高度h2，其中，h1≠h2。

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。

随着人们对于高速、大容量通信技术的需求日益迫切，对于电光调制器的低损耗以及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，以降低电光调制器的传输损耗以及改善其工作性能。。

本公开实施例提供的电光调制器，包括：沿第一方向延伸并且沿与第一方向相交的第二方向依次设置的第一地电极、第一信号电极主电极、第一子电极列、第一波导臂、第二子电极列、第三子电极列、第二波导臂、第四子电极列、第二信号电极主电极和第二地电极；以及，沿第二方向延伸并且将第一信号电极主电极、第二子电极列和第三子电极列连接的多个第一连接电极，以及沿第二方向延伸并且将第二信号电极主电极、第一子电极列和第四子电极列连接的多个第二连接电极；其中，第一地电极和第二地电极接地并且相对电光调制器的底面的设置高度为第一高度h1，第一信号电极主电极和第二信号电极主电极用于接收差分信号并且相对电光调制器的底面的设置高度为第二高度h2，其中，h1≠h2。

在一些实施例中，多个第一连接电极和多个第二连接电极沿第一方向交替排列。

在一些实施例中，第一高度h1大于第二高度h2；或者第一高度h1小于第二高度h2。

在一些实施例中，电光调制器包括依次设置的衬底、隔离层、波导层和电极层，其中，波导层包括平板层和位于平板层的远离衬底的一侧的脊凸层，第一波导臂和第二波导臂位于脊凸层；第一地电极、第一信号电极主电极、第一子电极列、第二子电极列、第三子电极列、第四子电极列、第二信号电极主电极、第二地电极、多个第一连接电极和多个第二连接电极位于电极层。

在一些实施例中，电光调制器还包括位于波导层和电极层之间且折射率小于波导层的介质层，其中，第一地电极和第二地电极形成在平板层的远离衬底的一侧表面或者嵌入平板层；第一信号电极主电极、第一子电极列、第二子电极列、第三子电极列、第四子电极列和第二信号电极主电极形成在介质层的远离衬底的一侧表面。

在一些实施例中，电光调制器还包括位于波导层和电极层之间且折射率小于波导层的介质层，其中，第一地电极和第二地电极形成在介质层的远离衬底的一侧表面；第一信号电极主电极、第一子电极列、第二子电极列、第三子电极列、第四子电极列和第二信号电极主电极形成在平板层的远离衬底的一侧表面或者嵌入平板层。

在一些实施例中，介质层包括沿第一方向延伸并且沿第二方向依次设置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，其中，第一地电极形成在第一部分的远离衬底的一侧表面，第二地电极形成在第四部分的远离衬底的一侧表面，第二部分覆盖第一波导臂，第三部分覆盖第二波导臂。

在一些实施例中，衬底呈局部掏空状。

在一些实施例中，第一地电极、第二地电极、第一信号电极主电极和第二信号电极主电极中至少一个的一侧或两侧具有多个延伸突出部。

在一些实施例中，电光调制器还包括：分光元件，具有两个输出端，两个输出端与第一波导臂和第二波导臂的一端一一对应连接；以及，合光元件，具有两个输入端，两个输入端与第一波导臂和第二波导臂的另一端一一对应连接。

根据本公开的一个或多个实施例，可以降低电光调制器的传输损耗以及改善其工作性能。

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局部立体结构示意图；

图3是本公开一些实施例的电光调制器的局部立体结构示意图；

图4是本公开一些实施例的电光调制器的局部立体结构示意图；

图5是本公开一些实施例的电光调制器的局部立体结构示意图；以及

图6是本公开一些实施例的电光调制器的局部立体结构示意图。

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。

电光调制器中，电信号的传输速度主要受到材料介电常数和结构的影响，光信号的传输速度主要受到材料折射率和结构的影响。相关技术的电光调制器，其所采用的电光材料通常具有较小的折射率和较大的介电常数，导致光信号的传输速度快、电信号的传输速度慢，两者传输速度难以较好匹配，导致电光调制器的传输损耗较大，器件的工作性能不够理想。

基于此，本公开实施例提供了一种电光调制器，可以降低电光调制器的传输损耗以及改善其工作性能。

如图2所示，本公开一些实施例提供的电光调制器100，包括：沿第一方向延伸并且沿与第一方向相交的第二方向依次设置的第一地电极111、第一信号电极主电极112、第一子电极列113、第一波导臂114、第二子电极列115、第三子电极列116、第二波导臂117、第四子电极列118、第二信号电极主电极119和第二地电极120；以及，沿第二方向延伸并且将第一信号电极主电极112、第二子电极列115和第三子电极列116连接的多个第一连接电极121，以及沿第二方向延伸并且将第二信号电极主电极119、第一子电极列113和第四子电极列118连接的多个第二连接电极122。上述电极结构中，各个子电极列均包括多个子电极，第一地电极111和第二地电极120接地设置并且相对电光调制器100的底面的设置高度为第一高度h1，第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119用于接收差分信号并且相对电光调制器100的底面的设置高度为第二高度h2，其中，h1≠h2。

在一些实施例中，电光调制器100为马赫曾德尔调制器，其结构还包括分光元件和合光元件(图2中未示出，可参照图1所示)，其中，分光元件具有两个输出端，该两个输出端与第一波导臂114和第二波导臂117的一端一一对应连接，合光元件具有两个输入端，该两个输入端与第一波导臂114和第二波导臂117的另一端一一对应连接。

分光元件的具体类型不限，其至少包括一个输入端和两个输出端，例如可以为一进二出的分光元件。合光元件的具体类型不限，其至少包括两个输入端和一个输出端，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。第一波导臂114连接在分光元件的其中一个输出端和合光元件的其中一个输入端之间，第二波导臂117连接在分光元件的另一个输出端和合光元件的另一个输入端之间。

在本公开实施例中，第一地电极111和第二地电极120接地设置。第一信号电极主电极112、第二子电极列115、第三子电极列116和多个第一连接电极121电性连接，构成了电光调制器100的第一信号电极的结构，第二信号电极主电极119、第一子电极列113、第四子电极列118和多个第二连接电极122电性连接，构成了电光调制器100的第二信号电极的结构。第一信号电极和第二信号电极用于接收差分信号，即第一信号电极和第二信号电极所分别接收的射频电压信号的振幅相同、相位相反。

第一波导臂114和第二波导臂117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。当对第一信号电极和第二信号电极输入差分信号，并且，将第一地电极111和第二地电极120接地时，第一波导臂114位于第一子电极列113和第二子电极列115形成的第一电场中，第二波导臂117位于第三子电极列116和第四子电极列118形成的第二电场中，并且该第一电场和第二电场的方向相反。第一波导臂114和第二波导臂117的折射率随着第一信号电极和第二信号电极所接收差分信号的变化而变化，从而对其中传输的分支光信号的相位进行调制，使两个分支光信号在到达合光元件时取得目标相位差，目标相位差例如为π的奇数倍或偶数倍。

相比传统型电光调制器，本公开实施例中子电极列的设计，可以缩短信号电极和地电极之间的间隔，从而可以提高电场强度，减少电信号的传输损耗。电极结构的一些特性(如阻抗、传输速度等)与子电极的具体设计参数(如形状、尺寸、数量等)密切相关，可以根据实际设计需求灵活调整子电极的设计参数，使得电光调制器100的阻抗与其输入端阻抗尽量相同或相近，在一定程度上补偿光信号和电信号的传输速度差异，使两者传输尽量匹配。此外，相比传统型电光调制器，本公开实施例提供的电光调制器100，将第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119分立设计而且距离尽量远，这样，可以尽量减少两个信号电极传输信号可能产生的串扰，使得电信号传输的稳定性提高，器件的传输损耗减小，电光调制器100的工作性能因此得到改善。

在本公开实施例中，由于第一波导臂114和第二波导臂117分别所处电场主要由其两侧用于接收差分信号的子电极列产生，而电传输速度与主电极和子电极的结构设计密切相关，当用于接收差分信号的两个子电极列距离较近时，电信号和光信号的传输速度的匹配设计存在一定难度，为克服此问题，在本公开实施例中，将第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119布置在同一高度，将第一地电极111和第二地电极120布置在另一高度，即，将信号电极的主电极与地电极布置在不同高度，这样，便于通过结构设计，利用此高度差对电信号传输进行灵活调控设计，从而减少光信号和电信号传输速度的差异，使两者实现良好匹配。

因此，本公开实施例电光调制器100的设计，可以有效降低电光调制器100的传输损耗以及改善其工作性能。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，第一地电极111和第二地电极120相对电光调制器100的底面的第一高度h1，小于第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119相对电光调制器100的底面的第二高度h2。在本公开的另一些实施例中，如图3所示，第一地电极111和第二地电极120相对电光调制器100的底面的第一高度h1，大于第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119相对电光调制器100的底面的第二高度h2。可以根据需求灵活设计地电极和信号电极主电极的相对位置关系。

本公开实施例对于电极结构的具体设计样式不作具体限定，在一些实施例中，如图2所示，多个第一连接电极121和多个第二连接电极122可以沿第一方向交替排列，第二子电极列115和第三子电极列116的子电极可以与第一连接电极121呈“干字形”(或“F字形”)交叉连接，第一子电极列113和第四子电极列118的一些子电极可以与第二连接电极122呈“干字形”(或“F字形”)交叉连接。

如图2所示，在该实施例中，电光调制器100包括依次设置的衬底150、隔离层160、波导层170和电极层190。波导层170包括平板层171和位于平板层171的远离衬底150的一侧的脊凸层172，第一波导臂114和第二波导臂117位于脊凸层172，第一地电极111、第一信号电极主电极112、第一子电极列113、第二子电极列115、第三子电极列116、第四子电极列118、第二信号电极主电极119、第二地电极120、多个第一连接电极121和多个第二连接电极122均位于该电极层190。波导层170采用脊波导设计，从而具有脊波导的一系列优异特性，如低主模截止频率、宽频带和低阻抗等。

该实施例中，为了便于根据需求灵活调整设计地电极和信号电极主电极的相对位置关系，电光调制器100还包括位于波导层170和电极层190之间且折射率小于波导层170的介质层180。该实施例中，第一地电极111和第二地电极120形成在平板层171的远离衬底150的一侧表面(也可以嵌入平板层171)，第一信号电极主电极112、第一子电极列113、第二子电极列115、第三子电极列116、第四子电极列118和第二信号电极主电极119形成在介质层180的远离衬底150的一侧表面。该实施例主要利用介质层180将第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119垫高，从而与第一地电极111和第二地电极120形成高度差异，介质层180并没有完全覆盖波导层170，介质层180在衬底150上的正投影覆盖了图中所示电极层190中除第一地电极111和第二地电极120之外的其它部分。当第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119通过较小折射率的介质层180而适当远离较大折射率的波导层170时，可以显著降低电光材料对电信号传输速度的限制，从而可以进一步提高电信号的传输速度。

如图3所示，在该实施例中，第一地电极111和第二地电极120形成在介质层180的远离衬底150的一侧表面，第一信号电极主电极112、第一子电极列113、第二子电极列115、第三子电极列116、第四子电极列118和第二信号电极主电极119形成在平板层171的远离衬底150的一侧表面(也可以嵌入平板层171)。该实施例主要利用介质层180将第一地电极111和第二地电极120垫高，从而与第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119形成高度差异。

介质层180可以呈现相应的图案化设计，包括沿第一方向延伸并且沿第二方向依次设置的第一部分181、第二部分182、第三部分183和第四部分184。在该实施例中，第一地电极111形成在第一部分181的远离衬底150的一侧表面，第二地电极120形成在第四部分184的远离衬底150的一侧表面，第二部分182覆盖第一波导臂114，第三部分183覆盖第二波导臂117。

本公开实施例对于各子电极列和与其相应连接的主电极的相对高度位置关系不做限定，例如，子电极列和相应的主电极可以设置在同一高度，也可以设置在不同高度。

参照图4和图5所示，该实施例主要利用介质层180将第一地电极111和第二地电极120垫高，从而与第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119形成高度差异。在这些实施例的电光调制器100的结构中，第一地电极111、第二地电极120、第一信号电极主电极112和第二信号电极主电极119可以是其中至少一个的一侧或两侧具有多个延伸突出部185。如图4所示，该实施例中，第一信号电极主电极112的靠近第一地电极111的一侧、第二信号电极主电极119的靠近第二地电极120的一侧分别具有多个延伸突出部185。如图5所示，在该实施例中，第一地电极111的靠近第一信号电极主电极112的一侧、第二地电极120的靠近第二信号电极主电极119的一侧分别具有多个延伸突出部185。

延伸突出部185的设计主要用来调整电极的阻抗，可以根据实际设计需求灵活调整延伸突出部185位置、数量和其它设计参数，基于延伸突出部185的灵活设计，可以补偿光信号和电信号的传输速度差异，使两者传输尽量匹配，从而进一步提高电光调制器100的性能。

如图6所示，本公开一些实施例的电光调制器100将衬底150的部分材料被去除，从而形成镂空结构或者凹槽结构，使得衬底150呈局部掏空状(该实施例具体是在图2实施例基础上进行的改进)。

可以根据实际需要，对衬底进行适当的掏空设计，从而可以调控电信号的传输速度，更好的实现光与电的传输速度匹配。

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：

沿第一方向延伸并且沿与第一方向相交的第二方向依次设置的第一地电极、第一信号电极主电极、第一子电极列、第一波导臂、第二子电极列、第三子电极列、第二波导臂、第四子电极列、第二信号电极主电极和第二地电极；以及

沿第二方向延伸并且将第一信号电极主电极、第二子电极列和第三子电极列连接的多个第一连接电极，以及沿第二方向延伸并且将第二信号电极主电极、第一子电极列和第四子电极列连接的多个第二连接电极；

其中，第一地电极和第二地电极接地并且相对电光调制器的底面的设置高度为第一高度h1，第一信号电极主电极和第二信号电极主电极用于接收差分信号并且相对电光调制器的底面的设置高度为第二高度h2，其中，h1≠h2。

2.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，

多个第一连接电极和多个第二连接电极沿第一方向交替排列。

3.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，

第一高度h1大于第二高度h2；或者

第一高度h1小于第二高度h2。

4.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，电光调制器包括依次设置的衬底、隔离层、波导层和电极层，其中，

波导层包括平板层和位于平板层的远离衬底的一侧的脊凸层，第一波导臂和第二波导臂位于脊凸层；

第一地电极、第一信号电极主电极、第一子电极列、第二子电极列、第三子电极列、第四子电极列、第二信号电极主电极、第二地电极、多个第一连接电极和多个第二连接电极位于电极层。

5.根据权利要求4所述的电光调制器，其中，电光调制器还包括位于波导层和电极层之间且折射率小于波导层的介质层，其中，

第一地电极和第二地电极形成在平板层的远离衬底的一侧表面或者嵌入平板层；

第一信号电极主电极、第一子电极列、第二子电极列、第三子电极列、第四子电极列和第二信号电极主电极形成在介质层的远离衬底的一侧表面。

6.根据权利要求4所述的电光调制器，其中，电光调制器还包括位于波导层和电极层之间且折射率小于波导层的介质层，其中，

第一地电极和第二地电极形成在介质层的远离衬底的一侧表面；

第一信号电极主电极、第一子电极列、第二子电极列、第三子电极列、第四子电极列和第二信号电极主电极形成在平板层的远离衬底的一侧表面或者嵌入平板层。

7.根据权利要求6所述的电光调制器，其中，

介质层包括沿第一方向延伸并且沿第二方向依次设置的第一部分、第二部分、第三部分和第四部分，其中，

第一地电极形成在第一部分的远离衬底的一侧表面，第二地电极形成在第四部分的远离衬底的一侧表面，第二部分覆盖第一波导臂，第三部分覆盖第二波导臂。

8.根据权利要求4所述的电光调制器，其中，衬底呈局部掏空状。

9.根据权利要求1所述的电光调制器，其中，

第一地电极、第二地电极、第一信号电极主电极和第二信号电极主电极中至少一个的一侧或两侧具有多个延伸突出部。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电光调制器，还包括：

分光元件，具有两个输出端，两个输出端与第一波导臂和第二波导臂的一端一一对应连接；以及

合光元件，具有两个输入端，两个输入端与第一波导臂和第二波导臂的另一端一一对应连接。