CN219245883U - 一种薄膜铌酸锂调制器 - Google Patents

一种薄膜铌酸锂调制器 Download PDF

Info

Publication number
CN219245883U
CN219245883U CN202320043564.8U CN202320043564U CN219245883U CN 219245883 U CN219245883 U CN 219245883U CN 202320043564 U CN202320043564 U CN 202320043564U CN 219245883 U CN219245883 U CN 219245883U
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
modulation
electrode
area
arm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202320043564.8U
Other languages
English (en)
Inventor
国伟华
唐永前
陆巧银
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Application granted granted Critical
Publication of CN219245883U publication Critical patent/CN219245883U/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/035—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
    • G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
    • G02B6/29346—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by wave or beam interference
    • G02B6/2935—Mach-Zehnder configuration, i.e. comprising separate splitting and combining means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G02F1/0316—Electrodes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/0327—Operation of the cell; Circuit arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure
    • G02F1/2255—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure controlled by a high-frequency electromagnetic component in an electric waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00—Materials and properties
    • G02F2202/20—LiNbO3, LiTaO3

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本实用新型公开一种薄膜铌酸锂调制器，涉及光通信器件领域。该薄膜铌酸锂调制器包括光学结构和电学结构。光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料，包括：输入波导、分束器、波导臂、合束器、输出波导；波导臂包含常规波导区和调制波导区。电学结构包括地‑信号‑信号‑地电极组成的行波电极结构，包含信号输入区、调制电极区、匹配电阻区，采用差分驱动。本实用新型的薄膜铌酸锂调制器利用差分驱动，提高了调制效率，减小了电压‑长度积，为调制器的小型化和高度集成化提供了解决方案。

Description

一种薄膜铌酸锂调制器
技术领域
本实用新型涉及光通信器件技术领域，特别是涉及一种薄膜铌酸锂调制器。
背景技术
铌酸锂材料具有高电光系数、C波段低损耗的优点，是电光调制器的首选材料。同时，薄膜铌酸锂材料的出现解决了传统铌酸锂体材料波导折射率差偏小的问题，能实现更强的模式限制，是下一代光子集成电路的解决方案。基于薄膜铌酸锂材料的调制器作为下一代低调制电压、高调制带宽、低插入损耗的调制器在未来的光通信领域有巨大的应用价值。
目前电光调制器的驱动很多是为硅光调制器和InP调制器开发的差分驱动，有必要开发兼容这些驱动的基于X切薄膜铌酸锂材料的差分驱动的调制器。此外，下一代光子集成电路需要电光调制器具有芯片级的尺寸以及与CMOS兼容的工作电压(C.Wang,M.Zhang,X.Chen,M.Bertrand,A.Shams-Ansari,S.Chandrasekhar,P.Winzer,and M.Lonˇcar,“Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages,”Nature 562,101–104(2018).)，这要求薄膜铌酸锂调制器具有很高的调制效率，所以也需要开发调制效率更高的薄膜铌酸锂调制器。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种薄膜铌酸锂调制器，以提高调制器的调制效率。
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：
一种薄膜铌酸锂调制器，包括光学结构和电学结构；
光学结构包括：输入波导、分束器、波导臂、合束器、输出波导；波导臂包含第一波导臂与第二波导臂，第一波导臂与第二波导臂均包含常规波导区，第一波导臂还包括第一波导臂第一调制波导区、第一波导臂第二调制波导区，第二波导臂还包括第二波导臂第一调制波导区、第二波导臂第二调制波导区；
电学结构包括地-信号-信号-地电极组成的行波电极结构；行波电极结构包含信号输入区、调制电极区、匹配电阻区，调制电极区包含第一调制电极区和第二调制电极区；第一调制电极区和第二调制电极区顺次连接；第一调制电极区和第二调制电极区都包含第一地电极、第一信号电极、第二信号电极、第二地电极；
第一调制电极区的第一地电极与第一信号电极之间、第一信号电极与第二信号电极之间各有一个调制波导区；第二调制电极区的第一信号电极与第二信号电极之间、第二信号电极与第二地电极之间各有一个调制波导区；调制电极区的第一信号电极、第二信号电极与虚地电极之间各有一个匹配电阻,地电极通过虚地电极连接。
所述薄膜铌酸锂调制器的光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料，从下往上依次包括衬底层、低折射率下盖层、薄膜铌酸锂层、低折射率上盖层；垂直于薄膜铌酸锂层的方向为x方向，平面内的方向为z方向与y方向；调制电极区的信号电极与地电极之间施加的电场方向为z方向，调制波导区波导方向沿y方向；波导采用刻蚀薄膜铌酸锂层形成和/或在薄膜铌酸锂层上沉积制作波导结构形成。
优选的，所述薄膜铌酸锂调制器的地-信号-信号-地行波电极所加调制信号为差分信号，即第一信号电极与第一地电极之间加V伏电压，第二信号电极与第二地电极之间加-V伏电压。
优选的，所述薄膜铌酸锂调制器的第一(二)波导臂第一调制波导区与第一(二)波导臂第二调制波导区顺次连接，其铁电畴的极化方向依次反向；通过外加高电场极化的方法在这两个区域形成相反的极化方向。
优选的，所述薄膜铌酸锂调制器的第一波导臂调制波导区与第二波导臂调制波导区的铌酸锂材料的铁电畴的极化方向相同。
优选的，所述薄膜铌酸锂调制器的波导臂采用折叠结构，行波电极随波导臂一起折叠；
第一波导臂第一调制波导区位于第一调制电极区的第一地电极与第一信号电极之间，第一波导臂第二调制波导区位于第二调制电极区的第一信号电极与第二信号电极之间；第一波导臂的调制波导区被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向保持相同；
第二波导臂第一调制波导区位于第一调制电极区的第一信号电极与第二信号电极之间，第二波导臂第二调制波导区位于第二调制电极区的第二信号电极与第二地电极之间，其铁电畴的极化方向与第一波导臂的对应调制波导区的极化方向相同；
第一波导臂与第二波导臂在连接的弯曲波导部分交叉；第二波导臂第一调制波导区位于第一调制电极区的第一信号电极与第二信号电极之间，第二波导臂第二调制波导区位于第二调制电极区的第一地电极与第一信号电极之间，其铁电畴的极化方向始终与第一波导臂的对应调制波导区的极化方向相同。
本实用新型的实施例具有以下有益效果：
本实用新型的实施例利用差分驱动，提高了调制器的调制效率；同时利用折叠结构，降低了调制器的调制电压和器件长度，为薄膜铌酸锂调制器应用于光子集成电路提供了解决方案。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图；
图2为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器的第一调制电极区二维截面示意图；
图3为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器的第二调制电极区二维截面示意图；
图4为本实用新型实施例二的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图；
图5为本实用新型实施例三的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图；
图6为本实用新型实施例四的薄膜铌酸锂调制器的俯视示意图；
图7为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器的行波电极二维电场图；
图8为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器行波电极的损耗随调制频率的变化图；
图9为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器行波电极的特性阻抗随调制频率的变化图；
图10为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器行波电极的微波折射率随调制频率的变化图；
图11为本实用新型实施例一的薄膜铌酸锂调制器小信号调制带宽随调制频率的变化图。
其中，1、输入波导；2、分束器；3、波导臂；3-1、第一波导臂；3-2、第二波导臂；3-3、第一波导臂第一调制波导区；3-4、第二波导臂第一调制波导区；3-5、第一波导臂第二调制波导区；3-6、第二波导臂第二调制波导区；4、合束器；5、输出波导；6、信号输入区；6-1、信号输入区第一地电极；6-2、信号输入区第一信号电极；6-3、信号输入区第二信号电极；6-4、信号输入区第二地电极；7、调制电极区；7-1、第一地电极；7-2、第一信号电极；7-3、第二信号电极；7-4、第二地电极；7-5、第一调制电极区；7-6、第二调制电极区；8、匹配电阻区；8-1、第一信号电极匹配电阻；8-2、第二信号电极匹配电阻；8-3、虚地电极；9、衬底层；10、低折射率下盖层；11、薄膜铌酸锂层；12、低折射率上盖层。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施实例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例一：
参照图1、2、3、7、8、9、10、11，本实施实例提供一种薄膜铌酸锂调制器，包括光学结构和电学结构。
光学结构包括：输入波导1、分束器2、两个波导臂3、合束器4、输出波导5；波导臂3包含常规波导区与调制波导区；两个波导臂3分别为第一波导臂3-1和第二波导臂3-2。
电学结构包括地-信号-信号-地电极组成的行波电极结构；行波电极结构包含信号输入区6、调制电极区7、匹配电阻区8，调制电极区7包含第一调制电极区7-5和第二调制电极区7-6；第一调制电极区7-5和第二调制电极区7-6通过直臂电极顺次连接；第一调制电极区7-5和第二调制电极区7-6都包含第一地电极7-1、第一信号电极7-2、第二信号电极7-3、第二地电极7-4；
第一调制电极区7-5的第一地电极7-1与第一信号电极7-2之间、第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间各有一个调制波导区；第二调制电极区7-6的第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间、第二信号电极7-3与第二地电极7-4之间各有一个调制波导区；调制电极区7的第一信号电极7-2、第二信号电极7-3与虚地电极8-3之间分别设有第一信号电极匹配电阻8-1、第二信号电极匹配电阻8-2，第一地电极7-1与第二地电极(7-4)通过虚地电极8-3连接。
光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料，从下往上依次包括衬底层9、低折射率下盖层10、薄膜铌酸锂层11、低折射率上盖层12；垂直于薄膜铌酸锂层11的方向为x方向，平面内的方向为z方向与y方向；调制电极区7的第一信号电极7-2和第二信号电极7-3与第一地电极7-1和第二地电极7-4之间施加的电场方向为z方向，第一波导臂第一调制波导区3-3、第一波导臂第二调制波导区3-5、第二波导臂第一调制波导区3-4、第二波导臂第二调制波导区3-6的波导方向沿y方向；光学结构采用刻蚀薄膜铌酸锂层11形成和/或在薄膜铌酸锂层11上沉积制作波导结构形成。
更进一步的，薄膜铌酸锂调制器的地-信号-信号-地行波电极所加调制信号为差分信号，即调制电极区7的第一信号电极7-2与第一地电极7-1之间加V伏电压，第二信号电极7-3与第二地电极7-4之间加-V伏电压。
更进一步的，第一波导臂3-1的第一波导臂第一调制波导区3-3与第一波导臂第二调制波导区3-5顺次连接，第一波导臂3-1的第一波导臂第一调制波导区3-3与第一波导臂第二调制波导区3-5的铁电畴的极化方向依次反向；第二波导臂3-2的第二波导臂第一调制波导区3-4与第二波导臂第二调制波导区3-6顺次连接，第二波导臂3-2的第二波导臂第一调制波导区3-4与第二波导臂第二调制波导区3-6的铁电畴的极化方向依次反向；通过外加高电场极化的方法在这两个区域形成相反的极化方向。
更进一步的，薄膜铌酸锂调制器的第二波导臂第一调制波导区3-4、第二波导臂第二调制波导区3-6与第一波导臂第一调制波导区3-3、第一波导臂第二调制波导区3-5分别对应，其铁电畴的极化方向相同。
更进一步的，在本实用新型实施例中，所述行波电极采用共面波导结构。行波电极材料为Au，厚度为0.9μm,第一信号电极7-2与第二信号电极7-3的宽度为25μm，第一地电极7-1与第二地电极7-4的宽度为150μm,第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间，以及第一(二)信号电极与第一(二)地电极之间的间隔均为5μm。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述衬底层9材料是Si，折射率为3.49，相对介电常数为11.9，厚度为500μm；低折射率下盖层10材料是SiO2，折射率为1.44，相对介电常数为3.9，厚度为4.7um；薄膜铌酸锂层11厚度为0.6μm，非寻常光折射率为ne＝2.1376，寻常光折射率no＝2.2111，相对介电常数为εe＝27.9，εo＝44.3；低折射率上盖层12材料为SiO2，折射率为1.44，相对介电常数为3.9，厚度为0.8um。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述波导臂3的波导为脊波导，波导宽度为1.5μm,脊的高度为0.3μm，侧壁倾角为76°。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述行波电极的信号输入区6通过弯曲结构与调制电极区7连接，行波电极的调制电极区7与波导臂3的调制波导区长度相等，为L＝1cm，第一调制电极区7-5与第二调制电极区7-6的长度相等。
更进一步的，在本实用新型实施实例中，所述行波电极的第一信号电极匹配电阻8-1以及第二信号电极匹配电阻8-2的阻值为30Ω,与差分阻抗60Ω相匹配，减小差模信号的反射。
本实施例一的工作原理为：入射光进入输入波导，通过分束器分成两束光，分别进入第一波导臂和第二波导臂；同时，差分射频信号通过信号输入区输入行波电极，与光信号一同传播。在差分信号的作用下，第二波导臂第一调制波导区所加电压是第一波导臂第一调制波导区的两倍，第一波导臂第二调制波导区所加电压是第二波导臂第二调制波导区的两倍；同时调制波导区的铁电畴的极化方向依次反向，波导臂的调制相位逐渐累积且上下波导臂的调制相位相反，实现推挽调制，提高了调制效率；通过调整第一调制波导区与第二调制波导区的长度，可以使得第一波导臂累积的调制效果与第二波导臂相同，实现零啁啾的调制效果。第一波导臂和第二波导臂的光信号经过合束器合束，将相位信息转化为强度信息，实现光信号的调制。
实施例二：
参照图1、2、3、4、7、8、9、10、11，本实施例二在实施例一的基础上，所述薄膜铌酸锂调制器的第一波导臂第一调制波导区3-3与第一波导臂第二调制波导区3-5通过直波导顺次连接，第二波导臂第一调制波导区3-4与第二波导臂第二调制波导区3-6通过直波导顺次连接，第一调制电极区7-5和第二调制电极区7-6通过S型弯曲电极顺次连接。
本实施例二的工作原理与实施例一的工作原理相同。
实施例三：
参照图1、2、3、5、7、8、9、10、11，本实施例三在实施例一的基础上，所述薄膜铌酸锂调制器的波导臂3采用折叠结构，行波电极随波导臂3一起折叠；第一波导臂第一调制波导区3-3位于第一调制电极区7-5的第一地电极7-1与第一信号电极7-2之间，第一波导臂第二调制波导区3-5位于第二调制电极区7-6的第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间；第一波导臂3-1的各个调制波导区被弯曲波导顺次连接，且其铁电畴的极化方向依次相同；第二波导臂第一调制波导区3-4位于第一调制电极区7-5的第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间，第二波导臂第二调制波导区3-6位于第二调制电极区7-6的第二信号电极7-3与第二地电极7-4之间；第二波导臂3-2的各个调制波导区被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向始终与第一波导臂3-1的对应调制波导区的极化方向相同。
本实施例三的工作原理为：入射光进入输入波导，通过分束器分成两束光，分别进入第一波导臂和第二波导臂；同时，差分射频信号通过信号输入区输入行波电极，与光信号一同传播。在传播过程中，调制波导区被弯曲波导顺次连接，其铁电畴的极化方向依次相同；行波电极随波导臂一起折叠，射频信号同光信号一起弯曲。在差分信号的作用下，第二波导臂第一调制波导区所加电压是第一波导臂第一调制波导区的两倍，第一波导臂第二调制波导区所加电压是第二波导臂第二调制波导区的两倍；波导臂的调制相位逐渐累积且上下波导臂的调制相位相反，实现推挽调制，提高了调制效率；通过调整第一调制波导区与第二调制波导区的长度，可以使得第一波导臂累积的调制效果与第二波导臂相同，实现零啁啾的调制效果。光信号经过合束器合束，将相位信息转化为强度信息，实现光信号的调制。
实施例四：
参照图1、2、3、6、7、8、9、10、11，本实施例四在实施例三的基础上，所述薄膜铌酸锂调制器的第一波导臂3-1与第二波导臂3-2在连接的弯曲波导部分交叉；第二波导臂第一调制波导区3-4位于第一调制电极区7-5的第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间，第二波导臂第二调制波导区3-6位于第二调制电极区7-6的第一地电极7-1与第一信号电极7-2之间，其铁电畴的极化方向始终与第一波导臂3-1的对应调制波导区的极化方向相同。
本实施例四的工作原理与实施例三的工作原理相同。
实施例五：
参照图1、2、3、6、7、8、9、10、11，本实施例五在实施例一的基础上，所述薄膜铌酸锂调制器的第一波导臂第一调制波导区3-3位于第一调制电极区7-5的第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间，第一波导臂第二调制波导区3-5位于第二调制电极区7-6的第一地电极7-1与第一信号电极7-2之间；第二波导臂第一调制波导区3-4位于第一调制电极区7-5的第二信号电极7-3与第二地电极7-4之间，第二波导臂第二调制波导区3-6位于第二调制电极区7-6的第一信号电极7-2与第二信号电极7-3之间。
本实施例五的工作原理与实施例一的工作原理相同。
实施例2-4可根据实施例5做类似的改变，不再详述。
采用有限元法，对本实施例一的光学结构以及行波电极结构进行仿真。在1550nm波长下，调制波导的损耗小于0.1dB/cm,光的群折射率n＝2.258。
g
调制波导区长度L＝1cm，当调制电压为2.1V时，对于常规采用共模驱动的薄膜铌酸锂调制器，上下两臂可以实现π的相位差；对于本实用新型的采用差分驱动的薄膜铌酸锂调制器，上下两臂可以实现1.5的相位差，调制效率提升了50％。调制效率可以用电压-长度积VπL表示，通过静电场仿真，得到本实用新型的差分驱动的薄膜铌酸锂调制器的VπL为1.4V·cm，调制波导区长度L＝1cm，对应的Vπ为1.4V，调制电压可以与现有的差分驱动兼容。与采用共模驱动的调制器相比，调制效率得到了极大提升(Ye Liu,Heng Li,Jia Liu,Su Tan,Qiaoyin Lu,and Weihua Guo,"Low Vπthin-film lithium niobate modulatorfabricated with photolithography,"Opt.Express,vol.29,no.5,2021)。
调制器采用差分驱动，通过射频仿真，得到行波电极的差分阻抗为60Ω，损耗为0.48dBcm-1GHz-0.5，微波折射率nμ为2.14。图5～8为实施例一的射频仿真结果图。
通过射频仿真结果得到理论的电光响应曲线，图9为计算得到的电光响应曲线，由图中曲线可知，实施例一的小信号3dB调制带宽大于70GHz。
本实用新型的薄膜铌酸锂调制器利用差分驱动，提高了调制器的调制效率；利用折叠结构，降低了调制器的驱动电压，实现了低调制电压、高调制带宽和低插入损耗，为调制器的小型化和高度集成化提供了解决方案。
以上的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：包括光学结构和电学结构；
光学结构包括：输入波导(1)、分束器(2)、波导臂(3)、合束器(4)、输出波导(5)；波导臂(3)包含第一波导臂(3-1)与第二波导臂(3-2)，第一波导臂(3-1)与第二波导臂(3-2)均包含常规波导区，第一波导臂(3-1)还包括第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第一波导臂第二调制波导区(3-5)，第二波导臂(3-2)还包括第二波导臂第一调制波导区(3-4)、第二波导臂第二调制波导区(3-6)；
电学结构包括地-信号-信号-地电极组成的行波电极结构；行波电极结构包含信号输入区(6)、调制电极区(7)、匹配电阻区(8)，调制电极区(7)包含第一调制电极区(7-5)和第二调制电极区(7-6)；第一调制电极区(7-5)和第二调制电极区(7-6)顺次连接；第一调制电极区(7-5)和第二调制电极区(7-6)都包含第一地电极(7-1)、第一信号电极(7-2)、第二信号电极(7-3)、第二地电极(7-4)；
第一调制电极区(7-5)的第一地电极(7-1)与第一信号电极(7-2)之间、第一信号电极(7-2)与第二信号电极(7-3)之间分别通过第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第二波导臂第一调制波导区(3-4)；第二调制电极区(7-6)的第一信号电极(7-2)与第二信号电极(7-3)之间、第二信号电极(7-3)与第二地电极(7-4)之间分别通过第一波导臂第二调制波导区(3-5)、第二波导臂第二调制波导区(3-6)；第二调制电极区(7-6)的第一信号电极(7-2)、第二信号电极(7-3)与虚地电极(8-3)之间分别设有第一信号电极匹配电阻(8-1)、第二信号电极匹配电阻(8-2)，第一地电极(7-1)与第二地电极(7-4)通过虚地电极(8-3)连接。
2.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：光学结构基于X切薄膜铌酸锂材料从下往上依次包括衬底层(9)、低折射率下盖层(10)、薄膜铌酸锂层(11)、低折射率上盖层(12)；垂直于薄膜铌酸锂层(11)的方向为x方向，平面内的方向为z方向与y方向；调制电极区(7)的第一信号电极(7-2)和第二信号电极(7-3)与第一地电极(7-1)和第二地电极(7-4)之间施加的电场方向为z方向，第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第一波导臂第二调制波导区(3-5)、第二波导臂第一调制波导区(3-4)、第二波导臂第二调制波导区(3-6)的波导方向沿y方向；光学结构采用刻蚀薄膜铌酸锂层(11)形成和/或在薄膜铌酸锂层(11)上沉积制作波导结构形成。
3.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：调制电极区(7)的第一信号电极(7-2)与第一地电极(7-1)之间加V伏电压，第二信号电极(7-3)与第二地电极(7-4)之间加-V伏电压，以使地-信号-信号-地行波电极所加调制信号为差分信号。
4.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)与第一波导臂第二调制波导区(3-5)顺次连接，第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)与第一波导臂第二调制波导区(3-5)的铁电畴的极化方向依次反向；第二波导臂(3-2)的第二波导臂第一调制波导区(3-4)与第二波导臂第二调制波导区(3-6)顺次连接，第二波导臂(3-2)的第二波导臂第一调制波导区(3-4)与第二波导臂第二调制波导区(3-6)的铁电畴的极化方向依次反向。
5.根据权利要求4所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第二波导臂(3-2)的第二波导臂第一调制波导区(3-4)、第二波导臂第二调制波导区(3-6)与第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)、第一波导臂第二调制波导区(3-5)分别对应，其铁电畴的极化方向相同。
6.根据权利要求1所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：波导臂(3)采用折叠结构，行波电极结构随波导臂(3)一起折叠。
7.根据权利要求6所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)与第一波导臂第二调制波导区(3-5)被弯曲波导顺次连接，第一波导臂(3-1)的第一波导臂第一调制波导区(3-3)与第一波导臂第二调制波导区(3-5)的铁电畴的极化方向依次相同；第二波导臂(3-2)的第二波导臂第一调制波导区(3-4)与第二波导臂第二调制波导区(3-6)被弯曲波导顺次连接，第二波导臂(3-2)的第二波导臂第一调制波导区(3-4)与第二波导臂第二调制波导区(3-6)的铁电畴的极化方向依次相同。
8.根据权利要求7所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂第一调制波导区(3-3)位于第一调制电极区(7-5)的第一地电极(7-1)与第一信号电极(7-2)之间，第一波导臂第二调制波导区(3-5)位于第二调制电极区(7-6)的第一信号电极(7-2)与第二信号电极(7-3)之间。
9.根据权利要求8所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第二波导臂第一调制波导区(3-4)位于第一调制电极区(7-5)的第一信号电极(7-2)与第二信号电极(7-3)之间，第二波导臂第二调制波导区(3-6)位于第二调制电极区(7-6)的第二信号电极(7-3)与第二地电极(7-4)之间，第二波导臂第一调制波导区(3-4)与第二波导臂第二调制波导区(3-6)的铁电畴的极化方向始终与第一波导臂(3-1)的对应调制波导区的极化方向相同。
10.根据权利要求8所述的薄膜铌酸锂调制器，其特征在于：第一波导臂(3-1)与第二波导臂(3-2)在连接的弯曲波导部分交叉；第二波导臂第一调制波导区(3-4)位于第一调制电极区(7-5)的第一信号电极(7-2)与第二信号电极(7-3)之间，第二波导臂第二调制波导区(3-6)位于第二调制电极区(7-6)的第一地电极(7-1)与第一信号电极(7-2)之间，第二波导臂第一调制波导区(3-4)与第二波导臂第二调制波导区(3-6)的铁电畴的极化方向始终与第一波导臂(3-1)的对应调制波导区的极化方向相同。
CN202320043564.8U 2022-05-06 2023-01-06 一种薄膜铌酸锂调制器 Active CN219245883U (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2022104850457 2022-05-06
CN202210485045.7A CN115079450A (zh) 2022-05-06 2022-05-06 一种薄膜铌酸锂调制器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN219245883U true CN219245883U (zh) 2023-06-23

Family

ID=83246877

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210485045.7A Pending CN115079450A (zh) 2022-05-06 2022-05-06 一种薄膜铌酸锂调制器
CN202320043564.8U Active CN219245883U (zh) 2022-05-06 2023-01-06 一种薄膜铌酸锂调制器

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210485045.7A Pending CN115079450A (zh) 2022-05-06 2022-05-06 一种薄膜铌酸锂调制器

Country Status (2)

Country Link
US (1) US12025863B2 (zh)
CN (2) CN115079450A (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118112827A (zh) * 2022-11-29 2024-05-31 华为技术有限公司 调制器、光模块、光通信设备及系统
CN116400522B (zh) * 2023-06-09 2023-08-15 中国科学院半导体研究所 电极分层爬坡的薄膜铌酸锂调制器及其制备方法
CN117991526B (zh) * 2024-04-07 2024-06-18 鹏城实验室 一种双驱动差分薄膜铌酸锂电光调制器芯片

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4555715B2 (ja) * 2005-03-18 2010-10-06 富士通株式会社 光デバイス
US10488683B1 (en) * 2017-03-06 2019-11-26 Acacia Communications, Inc. Traveling wave modulator
US10678112B2 (en) * 2018-09-10 2020-06-09 Ciena Corporation Fully differential traveling wave series push-pull mach-zehnder modulator

Also Published As

Publication number Publication date
US20230359070A1 (en) 2023-11-09
CN115079450A (zh) 2022-09-20
US12025863B2 (en) 2024-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN219245883U (zh) 一种薄膜铌酸锂调制器
CN219266720U (zh) 一种薄膜铌酸锂调制器
US4866406A (en) Wide-band optical modulator
US6721085B2 (en) Optical modulator and design method therefor
US20060228065A1 (en) Optical modulator with coupled coplanar strip electrode and domain inversion
JP2005506554A (ja) 電気光学変調器の速度整合電極構造体
US7693356B2 (en) Lithium niobate optical modulator
JP5171808B2 (ja) 光位相変調器
CN112904599A (zh) 一种高速调制器
CN111522153A (zh) 一种基于绝缘体上材料的马赫－曾德型电光调制器及其制备方法
US6526186B2 (en) Optical modulator having coplanar electrodes for controlling chirp
US6356673B1 (en) Low loss coplanar waveguide horn for low drive LiNbO3 modulators
US7627200B2 (en) Optical device
JP3043614B2 (ja) 導波路型光デバイス
JP2007079249A (ja) 光変調器
JP4926423B2 (ja) 光変調器
JP5421935B2 (ja) 光変調器
CN215986791U (zh) 一种高速调制器
JP5104805B2 (ja) 光制御デバイス
CN117991525B (zh) 一种折叠型双驱动差分薄膜铌酸锂电光调制器芯片
JP2004004589A (ja) マッハツェンダー導波路型電気光学光強度変調器
CN110989215B (zh) 一种差分铌酸锂调制器
JP2848455B2 (ja) 導波型光デバイス
US11556041B2 (en) Electro-optic modulator
JP3701041B2 (ja) 導波路型光変調器

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant