高速集成光调制器、调制方法及调制系统

本发明属于集成光学、光通信技术领域，特别涉及一种高速集成光调制器、调制方法及调制系统。

背景技术：

集成光通信器件因小型化、节能化、高速率等优势，正在成为当代光通信、数据中心通信等的核心技术。为了实现集成光通信的上述优势，用于将高频电信号加载到连续光信号上的集成光调制器必不可少。集成光调制器的基本工作原理是，利用对外加电信号敏感的集成光学材料，对输入的连续光信号实施电光调制，以输出强度或相位等随外加电信号变化的光信号。

目前在集成光调制器领域，常见的调制器形式包括马赫-曾德尔干涉型调制器、微环腔调制器。

马赫-曾德尔干涉型调制器具有两个调制臂，输入马赫-曾德尔干涉型调制器的光被均匀地分成两路并输入两个调制臂中，两个调制臂中的光被同时地进行反相的相位调制。相位调制完成后，两个调制臂中的光再会聚到输出端口中，并在此时形成干涉，随干涉强度不同而实现强度调制。此调制器发展历史悠久，但在集成化设计中仍需具有数毫米至数厘米的器件长度，目前报道的最高调制速率约在一百吉赫兹(ghz)量级。具体地，请参见图1，展现了已有的一种集成马赫-曾德尔干涉型调制器的结构示意图。输入光经过功率分束器101后被分成功率相等的两束光，分别进入两个调制臂102，两个调制臂102长度相等。两束光经过两个调制臂102后，再经过另一个功率分束器101后发生干涉，整合成一束调制光输出。若在光传播过程中，在微波电极103上不施加电压，则两个调制臂102的输出光信号完全相同，经过功率分束器101整合后发生相长干涉，形成高强度输出。若在光传播过程中，在微波电极103上施加某特定电压值，两个调制臂102将会同时发生相反方向的相位调制，使得两个调制臂102输出的光之间产生180度的相位差，经过功率分束器101整合后发生相消干涉，形成低强度输出。在实际制造过程中，由于加工的不完美性，通常还需要另外施加一个持续输入的直流偏置电压。因此，该调制器的本质是相位调制器，需要电光系数在数十pm/v的基材和毫米至厘米级长度的的调制臂102和持续输入的直流偏置电压才能产生低强度输出，且工作频率决定于调制臂102和微波电极103的几何结构设计，难以在高频段获得良好的光输出强度，且功耗较高。

微环腔调制器由集成在同一个芯片上的输入输出波导和一个直径数十至数百微米的集成了调制信号电极的波导微环组成，输入输出波导和波导微环间的最近点间距为亚微米级。随着外加电信号的变化，波导微环的谐振波长变化，输入输出波导中的固定频率光耦合到波导微环中的比例随之变化，从而完成输出光强调制。此调制器器件体积稍小，但最高调制频率进一步降低、信道带宽大幅受限。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有集成光调制器的体积大、调制频率低的问题，提出了一种高速集成光调制器、调制方法及调制系统，本发明具有器件长度小、调制频率上限高等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提出了一种高速集成光调制器，其特征在于，包括：

周期介质波导，采用可被外加电场改变折射率的材料制成，用于接收输入的光波，并在电场激励下按照该光波的频率输出不同强度的光波；所述输入的光波与输出的不同强度的光波的偏振模式相同，为qte模式或者qtm模式；

第一电极和第二电极，设置于所述周期介质波导的两侧，用于承载外加的电信号，以在包含所述周期介质波导的第一电极和第二电极之间的区域产生一个随外加电信号电压值同步正比变化的电场。

本发明第二方面提出了一种调制方法，其特征在于，应用于根据本发明第一方面提出的高速集成光调制器，所述调制方法包括以下步骤：

步骤a1、接收qte或qtm模式的光波；

步骤a2、将接收的光波输入所述周期介质波导，并受周期介质波导的光子晶体能带效应的影响，随接收光波的频率确定所述周期介质波导的透射率；

步骤a3、利用外加电信号调制接收的光波，受所述周期介质波导的电光效应的影响，光波的强度发生变化。

本发明第三方面提出了一种调制系统，其特征在于，包括激光器、偏振控制器和光调制器；所述光调制器为根据本发明第一方面提出的高速集成光调制器。

本发明的特点及有益效果：

本发明实施例提供的集成光调制器，结构包括：在块状或薄膜形式的电光材料(如铌酸锂、氮化铝、钛酸锂、磷酸二氢钾、钛酸钡、碲化锌等)芯片基底上经过刻蚀构成的输入波导、周期介质波导、输出波导；以及在芯片表面上经过沉积构成的信号电极和接地电极。受周期介质波导的介质折射率周期性变化结构影响，在波导中传播的不同频率的光将会有不同的穿透率。同时，受电光材料特性的影响，这一穿透率将随着信号电极上外加电信号的电压变化。因此，从输入波导中传播到周期介质波导中的输入光信号，将受到周期介质波导结构和外加电信号电压的双重强度调制，并通过输出波导输出。本结构中周期介质波导的长度仅为数十微米至数百微米级，因此本结构器件尺寸远小于马赫-曾德尔干涉型调制器和微环腔调制器。受此结构长度影响，本发明实例仅使用了信号电极和接地电极两个电极，通过一个电容结构完成电光调制，无需马赫-曾德尔干涉型调制器中只能针对特定频率的共面波导行波电极；本发明实例通过不具有高品质因数谐振结构的周期介质波导完成对输入光信号的结构性调制，无需微环腔调制器中延长光传播时间、限制光调制速率的高品质谐振腔。综上所述，本调制器可实现极短的器件长度和高于传统器件设计的最高调制频率。

附图说明

图1是已有的一种马赫-曾德尔干涉型调制器的结构示意图；

图2是本发明示意性实施例提供的一种光调制器的框图；

图3是本光调制器周期介质波导内平均电场强度随两个电极间距离变化的函数关系图；

图4a是本发明提出的一种周期介质波导的上视面基准结构示意图；

图4b是本发明提出的另外一种周期介质波导的上视面基准结构示意图；

图5a是周期介质波导光子晶体能带效应所引入的导带和禁带的频率的仿真模拟图；

图5b是本调制器在外加电压和未外加电压情况下的输出光场强度的仿真模拟图；

图6是本调制器电学原件的等效电路示意图；

图7是本发明示意性实施例提供的一种光调制器的制造方法的流程图；

图8是本发明示意性实施例提供的一种半导体衬底的结构示意图；

图9是本发明示意性实施例提供的一种光调制系统的框图。

具体实施方式

本发明提出的高速集成光调制器、调制方法及调制系统结合附图及具体实施例详细说明如下：

参见图2，图2是本发明示意性实施例提供的一种光调制器的框图，该光调制器包括：周期介质波导10、以及平行排列于该周期介质波导10两侧的第一电极21和第二电极22。周期介质波导10、第一电极21和第二电极22可以位于同一片芯片上。图2所示实施例中，周期介质波导10与第一电极21和第二电极22间隔平行布设，对于其他的布设关系，如周期介质波导10与第一电极21和第二电极22相互接触，或者采用其他带有微结构的电极与周期介质波导10相接触，对本发明均适用。

周期介质波导10，用于接收输入的光信号，并按照该光信号的频率输出不同强度的输出光。周期介质波导10本身结构即可产生一个特征透过光谱，即：不同频率的光穿过周期介质波导10，将会拥有不同的透过率；在一定频率范围内输入光的透过率接近于0，而在另一相邻的频率范围内，输入光的透过率较高。因此，本发明实施例提供的光调制器是一种强度调制器。为了与第一电极21和第二电极22配合工作实现电光调制效果，该周期介质波导10需采用可被外加电场改变折射率等物理性质的材料制作。示例地，该周期介质波导10可采用铌酸锂材料制作。输入光信号的偏振模式，为准横向电场(quasi-transverseelectric；qte)模式和准横向磁场(quasi-transversemagnetic；qtm)模式中的一个。对于qte模式的光波，光波的电场分量与该光波传播方向近乎垂直，即在光波传播方向上的光波电场分量几乎为0。对于qtm模式的光波，光波的磁场分量与该光波传播方向近乎垂直，即在光波传播方向上的光波磁场分量几乎为0。输入该周期介质波导10的光信号偏振模式为qte或qtm中的某一个，则从该周期介质波导10输出的光信号的偏振模式依然是这一个。示例地，输入该周期介质波导10的光信号偏振模式为qte模式，则从该周期介质波导10输出的光信号的偏振模式依然是qte模式。

第一电极21和第二电极22，用来承载外加的电信号，以在包含周期介质波导10的第一电极21和第二电极22之间的区域产生一个随外加电信号电压值同步正比变化的强度可达数百万伏特每米的电场。周期介质波导10的材料折射率将会随此电场变化。随着周期介质波导10的材料折射率变化，由周期介质波导10本身结构产生的特征透过光谱将会发生频率上的平移。于是与此相对应地，对应于同一输入频率的光，外加电场强度不同，经过周期介质波导10、被第一电极21和第二电极22所加载的电场调控之后的输出光的强度将会发生变化。

参见图3，图3是第一电极21与第二电极22之间的距离和周期介质波导内平均电场强度的函数关系图。该第一电极21与第二电极22之间的间距可以随需求变化，当需要以较低电压实现电光调制时，该第一电极21与第二电极22之间的间距可以减小。示例地，该两个电极20之间的间距可以为2微米。

本发明实施例提供的光调制器，由于需要一个周期介质波导和两个电极便可实现对光波的强度调制，而周期介质波导的长度通常仅为数十至数百微米级，因此该光调制器的尺寸相比传统结构的集成光调制器更小。由于本调制器的光调制区域长度小，因此也无需设计用于确保长距离工作稳定性的常见于马赫-曾德尔干涉型调制器中的会对高速调制性能产生限制的共面波导电极结构，只需两个普通电极即可实现调制，因此还可实现较高的调制速率。

请参考图4a，图4a是一种可以用于产生符合上述特性的特征透过光谱的周期介质波导10的上视面结构示意图。该周期介质波导可以包括：波导301、一系列大小一致、呈固定周期排布的在波导301内部的洞阵列302。该波导301可以为脊波导，洞阵列302中的洞可以为长方体、四棱台体、圆柱体、椭圆柱体、圆台体、椭圆台体等任何可在洞的排布方向形成周期性介质分布的几何结构，该洞阵列在沿波导301厚度方向的尺寸，可以与波导301相同，也可以小于波导301。请参考图4b，图4b是另一种可以用于产生符合上述特性的特征透过光谱的周期介质波导的上视面结构示意图。该周期介质波导可以包括：一系列大小一致、呈固定周期排布的周期介质单元303。该周期介质单元303内的介质单元可以为长方体、四棱台体、圆柱体、椭圆柱体、圆台体、椭圆台体等任何可在洞的排布方向形成周期性介质分布的几何结构。示例地，一种用于本发明实施例的周期介质波导可采用图4a所示的结构，可包含波导301和200个大小一致、呈固定周期排布的在波导内部的洞阵列302。图4a和图4b所示的周期介质波导在本发明实施例中具有相同的工作原理和使用方法。图4a和图4b所示的周期介质波导的结构特征是，在光传播方向上，通过设计一系列的洞阵列或周期介质单元，使得波导沿光传播方向的折射率呈周期性分布，从而形成一种带有光子晶体效应的波导：即，在光传播方向，波导301中的光信号受到如图4a或图4b中结构所示的折射率周期性分布结构影响，产生光子晶体能带效应；在垂直于光传播的方向，波导301中的光信号受到波导本身几何结构所导致的折射率引导效应的影响，将被局域在波导几何结构内部。光子晶体能带效应是指，光在通过具有周期性折射率分布的结构中，需遵循由结构本身所带来的类似于晶体能带的光子能量-动量限制关系。特别地，对于一些特定的频率的光，没有任何光子动量将被允许在本结构中传播，即该频率的光不能通过这一结构，而其他频率的光将可以通过这些结构。示例地，一种如图4a所示的周期介质波导10，在一些频率处所支持的光子能量-动量限制关系如图5a所示，其中当输入光频率位于导带401的频率范围内时，光可以正常输入并输出周期介质波导10；当输入光频率位于禁带402的频率范围内时，光无法穿过一定长度以上的周期介质波导10。

在周期介质波导10两边对称地设置第一电极21和第二电极22，其中一个电极外接一定的电压信号，另外一个电极接地，即可利用本发明实施例提供的光调制器进行调制。示例地，第一电极21和第二电极22可以为矩形电极，拥有和周期介质波导10相同的长度、100微米的宽度和600纳米的厚度。第一电极21和第二电极22的材料可以为金、铜、铝等金属材料，和透明导电氧化物(tco)、石墨烯等各种非金属导电材料。周期介质波导10的光子晶体能带效应的导带401、禁带402的频率范围由波导301、洞阵列302或周期介质单元303的几何结构和材料折射率共同影响。由于在第一电极21和第二电极22之间的周期介质波导10采用可被外加电场改变折射率的材料制作，当在其中一个电极上外接一定的电压信号、另外一个电极接地时，周期介质波导10的材料折射率便会受到两个电极之间所产生的电场影响而发生改变，随即导致周期介质波导10所支持的导带401和禁带402的频率范围改变。由此，可以选取一个相应的输入光频率：当电极上未外接电压时，该频率处在禁带401或导带402中的一个区域；而当电极上外接电压时，该频率处在另外一个相反的区域。由此，即可通过控制外加电压来实现对输出光的强度调制。示例地，一种采用图如4a所示结构的周期介质波导10的本发明实施例提供的光调制器，在外加电压与未外接电压条件下，不同光波长的输出强度如图5b所示。当采用a波长的输入光信号时，本发明实施例所示的光调制器可实现强度调制。通过设计波导301、洞阵列302或周期介质单元303的几何尺寸，a波长可根据需要变换为实际的工作波长。示例地，一个采用如图4a所示结构的、洞阵列302的周期为437纳米的、总长度为87.4微米的周期介质波导10和厚度为600纳米的、间距为2微米的两个电极所组成的的本发明实施例所提供的光调制器，a波长约为1547.2纳米。

请参考图6，图6是本发明实施例所提供的光调制器的等效电路模型。两个等效电阻502代表等效电阻值不完全为0的第一电极21和第二电极22，等效电容501代表等效电容值不完全为0的包含周期介质波导10的两个电极之间的电介质区域。本结构对于外加电场强度的影响等效于一个低通滤波器，在外加电场电压不变、频率升高时，周期介质波导10内部的平均电场强度将会降低，从而根据本结构的电光调制原理，等效地相当于光信号透过率降低。与马赫-曾德尔结构的集成光调制器相同，本器件的等效电路模型支持百ghz以上的超高速调制电信号。但与其他集成光调制器不同的是，本发明实施例提供的光调制器在光传播方向长度极短(通常为数十微米)，远小于微波波长(通常为数毫米至数十厘米)，在电极设计上无需采用微波传输线结构，不会受到共面波导等行波电极结构带来的额外的调制电信号速度限制，因此可进一步提高集成光调制器的调制速率上限。本器件的最高调制速率还受到周期介质波导10本身对传播光信号的慢光效应的影响，通过恰当设计周期介质波导10的长度即可降低这一影响。示例地，一个采用如图4a所示结构的、洞阵列302的周期为437纳米的、总长度为87.4微米的周期介质波导10的本发明实施例所提供的光调制器，具有高达798.1ghz的最高调制速率。

综上所述，本发明实施例所提供的光调制器，可以包括：周期介质波导和两个电极，输入光信号进入周期介质波导后，该周期介质波导的光透过率将按照输入光信号的频率由周期介质波导的光子晶体能带效应所决定。在外加电压后，该光信号的透过率将会由电光效应所导致的周期介质波导材料折射率变化所改变，从而实现对该光信号的强度调制。本调制器具有长度短、结构简单、调制速率高等特性。

本发明的另一实施例还提供了一种光调制器的制造方法。请参考图7，图7是本发明示意性实施例提供的一种光调制器的制造方法的流程图，该方法用于制造图2示出的光调制器，该光调制器的制造方法可以包括：

步骤601、提供一种衬底。

在本发明实施例中，该衬底可以为顶层材料为具有电光效应材料的半导体衬底，该半导体衬底可以为lnoi衬底。请参考图8，图8为该半导体衬底的结构示意图，该半导体衬底包括：依次叠加设置的底半导体层703、埋氧化层701和顶电光材料层701。示例地，该半导体衬底可以为lnoi衬底，该lnoi衬底包括：依次叠加设置的底硅层、二氧化硅和顶铌酸锂层。

步骤602、对衬底中的顶电光材料层进行工艺处理以形成波导301、洞阵列302或柱阵列303。

示例地，可以在顶电光材料层上涂覆一层光刻胶，通过掩膜版对该光刻胶进行曝光处理，并对曝光处理后的光刻胶进行显影处理，从而可以形成与波导301、洞阵列302或周期介质单元303的上视面几何结构相对应的光刻胶图案(如图4a和4b所示)，该光刻胶图案可以包括：透光区域与非透光区域，对透光区域的对应的顶电光材料层进行刻蚀处理，在刻蚀处理后，剥离光刻胶图案。该过程通常称为一次构图工艺。

对于图4a所示的由波导301和洞阵列302组成的周期介质波导10，可采用一次构图工艺或两次构图工艺完成加工。对于图4b所示的由波导301和柱阵列302组成的周期介质波导10，可采用一次构图工艺完成加工。

步骤603、在周期介质波导10两端形成第一电极21和第二电极22。

示例地，可以在顶电光材料层之上通过工艺形成设定形状的金属层，该金属层内容的金属可以为金，该工艺可以包含沉积或一次构图工艺；也可以在顶电光材料层之上通过工艺形成设定形状的透明导电氧化物(transparentconductiveoxide,tco)材料，该tco材料可以为氧化铟锡(ito)，该工艺可以为磁控溅射或电子束蒸发。

本发明实施例还提供了一种光调制系统，请参考图9，图9是本发明示意性实施例提供的一种光调制系统的框图，该光调制系统可以包括：激光器801、偏振控制器802和光调制器803，该光调制器803可以为图2示出的光调制器。

其中，激光器801用于发射光波；偏振控制器802用于将激光器801发射的光波转换为qte或qtm模式的光波，并向光调制器803输入qte或qtm模式的光波。

本发明实施例还提供一种调制方法，该方法应用于光调制器，该光调制器可以为图2示出的光调制器。该方法可以包括：

步骤a1、接收qte或qtm模式的光波。

步骤a2、将该光波输入周期介质波导10，并受周期介质波导10的光子晶体能带效应的影响，随该光波的频率确定周期介质波导10的透射率。

步骤a3、利用外加电信号调制接收的光波，此时受周期介质波导10的电光效应的影响，光波的强度发生变化。

需要说明的是，本发明实施例提供的调制方法的原理，可以参考前述光调制器结构的实施例中的对应部分，本发明实施例在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。