专利名称：基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法
技术领域：
基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法，属于光通信技术领域，涉及集成 光学和光波导技术。
背景技术：
随着通信技术的飞速发展，尤其在微波光通信领域，信号频率的增加，调制器 必须具有高速、宽带宽、低损耗等特性。微波光调制的本质是微波电场引起光波导材料 的电致折射率改变，光场经过波导时将产生相位、振幅或频率的变化，实现微波信号的 光调制。微波与光波相互作用的理想条件是光波导对微波和光波所呈现的折射率相等， 即达到速率匹配。目前应用较广泛的是基于LiNbO3晶体材料制作的调制器，LiNbO3等 有机材料的介电常数比较大，无机波导中微波与光波频段间存在固有的速率失配，限制 了带宽。有机聚合物具有比无机晶体材料更高的非光学活性、更大的激光损伤阈值和更 快响应时间等特点，而且有机分子结构的丰富多变性可使人们通过对其构效关系的理解 而实现分子“剪裁”(对一个特定的光学过程可很好地协调其化学结构与性质的关系) 和材料的“形态工程”，从而满足器件集成化的要求，这些特点更是无机晶体材料难以 比拟的。而且，有机聚合物材料能够同时和光纤、玻璃的折射率匹配。这些优点决定 了有机聚合物材料在两个方面的应用第一是光子器件，有些有机聚合物的热光系数、 三阶非线性系数较大，因此在全光调制中具有很广泛的应用；第二是光学封装(Optical packaging)以及内部连接(interconnects)，这已经成为近年来有机聚合物材料的一个重要 发展。在这类材料中有机蒽醌类染料及其衍生物结构稳定非线性系数较高具有广阔的应 用前景。有机聚合物电光材料具有较低介电常数和较低损耗因子，并且从微波到红外波 段几乎无色散，利用有机聚合物制作的脊型光波导结构，可以容易的实现速率匹配，提 高调制器的带宽。外调制器采用最为广泛的结构是马赫曾德尔干涉型，该种调制器要保 证输出信号大的动态范围和大的转换效率，必须使其工作在最佳的线性区域内，通常采 取加直流偏置的方法，使两臂产生η/2的初始相位差。但直流偏置容易受外界环境的 影响，产生偏置点漂移，而且引入偏置电极会增加器件结构的复杂性。尤其是在将电光 调制器应用于集成光波导电场传感器时，施加直流偏置还会影响器件对被测电磁场的测 量。在这种情形下，可以采用光学偏置，改变两臂的光学路径，使两臂的固有相位差达 到 31/2。
发明内容
本发明要解决的主要问题是在采用微带线单电极调制的条件下，如何设计脊型 波导和调制电极结构，在满足单模传输的条件下，使波导结构对微波和光波波段呈现的 折射率相等，并使电极达到接近50 Ω的阻抗，并以此为基础设计马赫曾德尔调制器，使其两臂达到η/2的初始相位差，实现光学偏置。本方法结合了有效折射率法和光束传播法，先运用有效折射率法对脊波导的三 维结构进行设计，结构图见图一。采用有机聚合物CLD-1/APC作为电光材料，λ = 1.55 μ m时折射率为1.612，微波频段介电常数为3.0 ；上包层材料为UFC-170，λ = 1.55 μ m时折射率为1.488，介电常数为2.5 ；下包层材料为UV-15，λ = 1.55 μ m时折 射率为1.504，介电常数为2.5;衬底材料为Si02。脊波导和微带电极的设计过程如下1.结合有效折射率法和单模传输条件，在不同脊高、脊宽和芯层材料厚度条件 下，计算基模有效折射率，考察其变化范围；2.微波有效折射率与电极宽度W和电极间距h有关，本方法采用单电极微带 线调制，电极间距为上包层、下包层及芯层厚度和脊高之和。在不同W/h，计算微波 等效折射率，考察其变化范围；将微带电极条内嵌于上包层目的是为了保证阻抗匹配即 50 Ω。3.结合步骤1和2的结果，得到一组光波有效折射率与微波等效折射率相同的结 构参数。本发明的有益效果1.保证脊型波导满足单模传输条件。2.实现光速与微波的速率匹配，同时微带电极满足阻抗匹配。3.马赫曾德尔调制器的两臂初始相位差达到π/2，实现光学偏置。本文的应用价值高速宽带光通信及军事领域有着广泛的应用。
图1:基于光学偏置的超宽带高速调制器的剖面结构图，1为微带上层金电极， 2为接地金电极，3为脊波导，4为上包层，5为下包层，6为衬底。图2:基于光学偏置的超宽带高速调制器的平面结构图，7为调制器的臂1，8为 调制器臂2，9为两调制器的夹角，10为微波信号入射段，11为微波信号出射段，12为光 信号入射段，13为光信号出射段。
具体实施方式
本方法运用光束传播法，设计马赫曾德尔路径非对称调制器，实现光学偏置， 俯视图见图二。马赫曾德尔调制器两臂的初始相位差由式仰=2π/>π2·Μ决定，其中AL 为两臂的光程差。对等臂马赫曾德尔调制器，卿=0，当两臂光程差为AL= λ/(4η2)时， 帅=π/2。马赫曾德尔调制器的分束角为2 θ，过渡区长度为L。根据几何关系，可得ΔΧ， Ay 与 AL 之间满足关系式2Δχ = Δ I/(l/cos θ-1)，2 Ay= Δ Ltan θ / (1/cos θ-1), 当Δχ与Ay存在相同误差时，Ay对AL引起的误差远大于Δχ，当θ =0.3°时， Δχ误差约是Ay误差的1/200倍。因此为精确计算，对Ay值的计算精度应大于Δχ值 的计算精度且设计时精确计算Ay值，以其来换算Δ χ的值。对λ=1.55μιη，AL = 0.24 μ m, Δχ = 8837.63 μ m, Ay = 46.27ym。
权利要求
1.基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法，包括脊型波导结构，微带电极结 构，马赫曾德尔调制器两臂的光程差，两臂的夹角设计，其特征在于阻抗匹配，光与微 波的速率匹配和马赫曾德尔调制器两臂的初始相位差为η /2。
2.根据权利要求1所述的基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法，其特征在于脊 型波导结构满足单模传输条件。
3.根据权利要求1所述的基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法，其特征在于微 带电极的结构满足特征阻抗为50 Ω。
4.根据权利要求1、2、3所述的基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法，其特征 在于在满足单模传输的条件下，光波的有效折射率等于微波的有效折射率，即实现光与 微波的速率匹配。
5.根据权利要求1所述的基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法，其特征在于马 赫曾德尔调制器两臂的光程差为0.24 μ m以及夹角为0.6时满足两臂的初始相位差为JI /2 的条件，实现光学偏置。
全文摘要
基于光学偏置的超宽带高速调制器设计方法，属于光通信技术领域，涉及集成光学和光波导技术。利用具有较低介电常数和较低损耗因子的有机聚合物设计脊型光波导结构，并且满足单模传输条件。本发明运用路径非对称这种光学偏置方法实现马赫曾德尔调制器的偏置，避免了直流偏置电极的设计，采用简单的单臂微带电极实现了速率和阻抗的同时匹配。
文档编号G02F1/065GK102012570SQ20101027869
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者刘华东, 张晓霞, 文玥, 朱燕, 沈杰, 黄春阳 申请人:电子科技大学