TWI540357B - 電光調製器 - Google Patents

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Description

電光調製器
本發明涉及高速光通訊系統，特別涉及一種電光調製器。
隨著高速光通訊系統的發展，電光調製器成為熱門的研究課題。一種電光調製器的原理主要是利用電光效應將調製微波載入於電極，電極的極間電場作用於光波導、改變光波導的折射率，從而改變光波導傳輸的鐳射的輸出功率，實現調製的目的。然而，現有的電光調製器由於電極設置不合理，導致結構複雜、工藝要求高、容易造成短路且調製所需的半波電壓高，功耗較高。
有鑒於此，有必要提供一種簡化結構的電光調製器。
一種電光調製器，其包括一個晶體基底、一對光波導、一個第一電極及兩個第二電極。該晶體基底包括一個極化反轉區。該對光波導自該晶體基底的一個第一表面向內擴散而形成、相互平行且分別形成於該極化反轉區內及該極化反轉區外。該第一電極設置在該第一表面上且覆蓋該對光波導。該兩個第二電極與該第一電極極性相反且與該第一電極相互平行地設置於該第一電極兩側。該對光波導分別延伸出一個獨立的輸出段，且其中一個光波導在與其對應的輸出段相背的一端還具有一個輸入段。
採用上面的電光調製器，由於所在位置的極化方向相反，該對光 波導內的光波在未施加電場時已經存在180度的相位差，因此可以共用該第一電極。如此可以簡化電路，即該對光波導共用一該第一電極，從而簡化該電光調製器的結構。
10‧‧‧電光調製器
11‧‧‧晶體基底
110‧‧‧極化反轉區
120‧‧‧第一表面
130‧‧‧切口
12‧‧‧光波導
13a‧‧‧第一電極
13b‧‧‧第二電極
14‧‧‧隔離層
15‧‧‧輸出段
16‧‧‧輸入段
162‧‧‧鐳射入口
17‧‧‧電源
圖1為本發明較佳實施方式的電光調製器的立體示意圖。
圖2為圖1的電光調製器沿線II-II的剖面示意圖。
請參閱圖1及圖2，本發明較佳實施方式的電光調製器10其包括一個晶體基底11、一對光波導12、一個第一電極13a及兩個第二電極13b。該晶體基底11包括一個極化反轉區110。該對光波導12自該晶體基底11的一個第一表面120向內擴散而形成、相互平行且分別形成於該極化反轉區110內及該極化反轉區110外。該第一電極13a設置在該第一表面120上且覆蓋該對光波導12。該兩個第二電極13b與該第一電極13a極性相反且與該第一電極13a相互平行地設置於該第一電極13a兩側。
以往，為了使一對光波導的光波具有180度的相位差，從而達到最大調變效果，通常需在這對光波導上設置極性相反的電極，然而，如此一來工藝較複雜，同時，由於這對光波導之間的間隙一般較小，電極容易短接。
而採用上面的電光調製器10，由於所在位置的極化方向相反，該對光波導12內的光波在未施加電場時已經存在180度的相位差，因此可以共用該第一電極13a。如此，可以簡化電路(該對光波導12共用一該第一電極13a)。同時，相對於現有技術需形成兩個間隙較小的電極，可以降低工藝難度，並且可以避免不良(不會發 生電極短路現象)。
另外，如此設置，該第一電極13a與該對第二電極13b的極間電場(請參圖2)與該對光波導12傳輸的鐳射的光場(一般填滿該對光波導12的橫截面)的電光重疊積分因數(即電場與光場的重疊部分)最大，可以達到整個光場的大小(即該對光波導12的橫截面積大小)。
而根據電光效應的原理可知：
其中，Vπ為調製所需的半波電壓，k為係數，λ為工作波波長，G為該對光波導12之間的間距，n為該晶體基底11的非常光折射率，r為該晶體基底11與該第一電極13a及該對第二電極13b的極間電場方向相同的晶軸的電光係數，Γ為該電光重疊積分因數，L為該對光波導12的長度。
根據上式，調製所需的半波電壓與該電光重疊積分因數成反比，因此，該電光如此設置，調製所需的半波電壓可以降至最小，從而降低功耗。
由於鈮酸鋰(LiNbO3)晶體(LN)具有較高的反應速度，因此，該晶體基底11的材料採用鈮酸鋰晶體，以提高該電光調製器10的帶寬。
為獲得該晶體基底11，可以在鈮酸鋰晶體長晶時利用外加電場使鋰原子被拉離至表面，導致鈮酸鋰晶體因電荷分佈不均而出現極化現象。而對於該極化反轉區110，還需施加電場方向相反的矯 頑電場，使該極化反轉區110極化方向與整個該晶體基底11的極化方向相反。一般的，矯頑電場需大於21kV/mm，具體數值視該晶體基底11的厚度而定，而且為了使該極化反轉區110極化均勻，需使用均勻的電場作為矯頑電場。矯頑電場沿該晶體基底11的厚度方向作用於該晶體基底11，使作用區域內的極化方向與該晶體基底11的極化方向相反，即形成該極化反轉區110。該極化反轉區110呈矩形，其長度與對應的一個光波導12的長度相同，而寬度略大於該光波導12的寬度，厚度與該晶體基底11相同。
該對光波導12構成方向耦合器(directional coupler)，而由於脊形方向耦合器可以提高耦合效率、改善鐳射與調製微波之間波速不匹配及提高重疊積分因數等優點，從而提高調製效率。因此，該電光調製器10宜採用脊形方向耦合器。具體的，該晶體基底11基本呈矩形，在該第一表面120且位於該對光波導12的兩側分別形成一個切口130，使得該對光波導12及該第一電極13a位於該晶體基底11的“脊”上。而該對第二電極13b位於該兩個切口130的上表面上。
另外考慮到，鈮酸鋰晶體的沿+Z晶軸的電光係數r33最大(30.8×10-12m/V)，而調製所需的半波電壓與電光係數成反比。因此，該晶體基底11的+Z晶軸指向該第一表面120，該電光調製器10為+Z切，而該極化反轉區110的+Z晶軸與該晶體基底11的+Z晶軸方向相反。
另外，為了進一步改善鐳射與調製微波之間波速不匹配的現象，該電光調製器10還在該第一表面120及該兩個切口130的上表面形成有一個隔離層14。該第一電極13a及該對第二電極13b設置於該 隔離層14上。該隔離層14一般採用二氧化矽(SiO2)。
每個光波導12為通過金屬擴散而成的半圓柱結構。該對光波導12均延伸出一個輸出段15與光纖(圖未示)連接，而其中一個該光波導12與對應的輸出段15相背一端延伸有一個輸入段16。該輸入段16延伸到該晶體基底11的側面，並形成有一個鐳射入口162。
該第一電極13a及該對第二電極13b與一個交流電源17連接，其中，該第一電極13a接相位端，而該對第二電極13b接地。
工作時，鐳射通過該鐳射入口162進入該輸入段16，然後傳輸到該對光波導12構成的方向耦合器，進行耦合，該第一電極13a及該對第二電極13b的極間電場控制鐳射經該對光波導12後的衰減，從而控制該對光波導12輸出該對輸出段15的功率大小，實現調製目的。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧電光調製器
11‧‧‧晶體基底
110‧‧‧極化反轉區
120‧‧‧第一表面
130‧‧‧切口
13a‧‧‧第一電極
13b‧‧‧第二電極
14‧‧‧隔離層
15‧‧‧輸出段
16‧‧‧輸入段
162‧‧‧鐳射入口
17‧‧‧電源

Claims (8)

  1. 一種電光調製器，其包括一個晶體基底、一對光波導、一個第一電極及兩個第二電極；該晶體基底包括一個極化反轉區；該對光波導自該晶體基底的一個第一表面向內擴散而形成、相互平行且分別形成於該極化反轉區內及該極化反轉區外；該第一電極設置在該第一表面上且覆蓋該對光波導；該兩個第二電極與該第一電極極性相反且與該第一電極相互平行地設置於該第一電極兩側；該對光波導分別延伸出一個獨立的輸出段，且其中一個光波導在與其對應的輸出段相背的一端還具有一個輸入段。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電光調製器，其特徵在於，該晶體基底的材料採用鈮酸鋰晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電光調製器，其中，該晶體基底基本呈矩形，在該第一表面且位於該對光波導的兩側分別形成一個切口。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的電光調製器，其中，該對第二電極分別位於該兩個切口的上表面。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的電光調製器，其中，該第一表面面向+Z晶軸，該電光調製器為+Z切，而該極化反轉區的+Z晶軸與該晶體基底的+Z晶軸方向相反。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的電光調製器，其中，該電光調製器還在該第一表面及該兩個切口的上表面形成有一個隔離層；該對第一電極及該對第二電極均設置於該隔離層上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電光調製器，其中，該隔離層採用二氧化矽。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的電光調製器，其特徵在於，每個光波導為通過金屬擴散而成的半圓柱結構；該輸入段延伸到在該晶體基底的側面，並形成有一個鐳射入口。
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