相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器

1.本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器。


背景技术：

2.光纤通信和计算机通信系统的快速发展对光信号发射系统的数字信号速率的要求越来越高，而作为其核心器件高性能电光调制器件是其中不可缺少的器件。电光调制器件是利用电场信号对光信号进行调制使其按电信号模式输出的器件，所以严格地说，它通过电光相互作用把高频率甚至超高频率的数字脉冲电信号(亦即微波信号)转换为数字脉冲光信号。所述高性能主要指高带宽，它要求高电光效应和高电光作用效率产生短的电光作用长和高光波-微波速度匹配度。另外，高性能电光调制器也可用于高调制效率的其他功能器件。
3.目前工业上广泛应用的电光调制器是基于铌酸锂(linbo3)晶体波导制作而成的。由于linbo3晶体都是以块状形式存在的，所以一般利用离子沉积和质子交换的方法使其中一部分的折射率发生变化，从而形成波导通道。这种电光调制器结构所形成的电场-光场相互作用重叠积分值只能达到0.5-0.55的水平，而这个重叠积分值实际上就是器件的电光调制效率。另外，在块状的linbo3晶体上形成的波导通道与薄膜型波导通道相比导波模式可控性很差，这是电场-光场相互作用重叠积分值很难提高的另一个因素。
4.大约十年前，linbo3晶体薄膜波导电光调制器的研究工作已有报道，由于制备方法的限制，导波模式的光能量损耗太高，同时由于仍然采取共面结构，其电光调制效率仍然很低。近年来，这种linbo3晶体薄膜又进一步制作在硅基底氧化硅绝缘体上加工成波导电光调制器，解决光波-微波速度匹配方面取得了很大的成果，因此已经有50-70ghz带宽进展的报道。然而，这种电光调制器过于依赖于光波-微波速度匹配，所以除了对微波的吸收会更加严重外，在高频微波驱动下将面对输出信号振荡问题。
5.本世纪初，钛酸钡(batio3)晶体薄膜波导在高性能电光调制方面的前景引起了广泛的重视，并已有电光调制特性和性能优化方面的成果报道。尤其在过去的10年间，从学术界到工业界形成了研究与开发batio3晶体薄膜波导高性能电光调制器的热潮。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器，解决了所述的当前电光调制器所面临的光调制输出信号宽度与带宽之间矛盾的问题。
7.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
8.相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器，该强度电光调制器包括：氧化镁晶体基底片、钛酸钡晶体薄膜层、单模输入波导、输入端波导分束器、单模波导臂、输出端波导分束器、单模输出波导、调控电极和驱动电极；所述钛酸钡晶体薄膜层设置
在所述氧化镁晶体基底片上表面；在所述钛酸钡晶体薄膜层上的一端依次制备单模输入波导、输入端波导分束器、单模波导臂、输出端波导分束器和单模输出波导；所述单模输入波导与输入端波导分束器形成y型结构，所述输入端波导分束器的两个分支分别与两个单模波导臂连接，所述两个单模波导臂的另一端分别与所述输出端波导分束器的两个分支连接，所述输出端波导分束器的另一端与所述单模输出波导连接；三个所述调控电极分别设置在两个所述单模波导臂的外侧和两个所述单模波导臂之间；两个所述驱动电极分别设置在一个所述单模波导臂的外侧和两个所述单模波导臂之间；当输入光信号通过单模输入波导进入输入端波导分束器分成两束光后，分别进入两个所述单模波导臂，两束光信号在将经过直流电场由所述调控电极进行偏振态调整和交流微波电场有驱动电极进行高频调制后在输出端波导分束器中进行干涉，使所述两束光偏振态和光相位相结合，获得干涉输出光信号。
9.优选的，所述单模输入波导、输入端波导分束器、单模波导臂、输出端波导分束器和单模输出波导都是通过光刻或者刻蚀技术在所述钛酸钡晶体薄膜层上制备的脊型波导器件。
10.优选的，所述三个所述调控电极和两个所述驱动电极的底面设置在所述氧化镁晶体基底片内，且所述调控电极和驱动电极的下底面在或不在同一个水平面上,以分别在直流和交流调制中实现光场模式与驱动电场之间的二维匹配。
11.优选的，三个所述调控电极用于对两个所述单模波导臂输入直流电压，每个所述单模波导臂左右两侧的调控电极互为正负电极产生正反两个方向的调制电场，调整所述单模波导臂中的光信号偏振状态；两侧均设置有一对调控电极和一对驱动电极的单模波导臂的一对驱动电极通过与这对调控电极结合为该强度电光调制器输入一个偏置电压，形成直流与交流叠加的电场信号，使两束光信号在得到高频微波信号调制时的初始输出状态为最大或者为最小值状态；所述一对调制电极对光信号施加高频交流调制电场。
12.优选的，所述单模波导臂长度l
arm
，所述调控电极的长度le1，驱动电极le2，三者之间要满足：l
arm-(le1+le2)≥1.0mm；所述驱动电极厚度满足1.0μm的条件下，宽度不小于40μm，所述调控电极宽度不小于10μm。
13.优选的，所述输入光信号经过所述输入端波导分束器分束后两束光波在所述输出端波导分束器进行干涉之前皆为线偏振态或椭圆；两个线偏振态时，当两束光波之间的光相位差为0或者2π时干涉最大，当两束光波之间的光相位差为π或者1.5π时干涉最小。
14.优选的，两个椭圆偏振态时，当两束光波之间的光相位差为0或者2π时干涉最大；当两束光波之间的光相位差为π或者1.5π时干涉最小。
15.优选的，在所述单模输入波导、输入端波导分束器、单模波导臂、输出端波导分束器、单模输出波导、调控电极和驱动电极上表面设有上包层；所述上包层的材料为二氧化硅或氮化硅。
16.优选的，所述氧化镁晶体基底片的厚度为0.5μm或者0.25μm。
17.优选的，所述钛酸钡晶体薄膜层的厚度为400～500nm。
18.本发明的有益效果是：本发明所制作的偏振态驱动的batio3晶体薄膜波导mzi型强度电光调制器，这种调制器的波导和电极是通过两次刻蚀到不同的平面上，可使其电光场作用积分值达到0.7-0.8。利用二阶平方型电光调制理论模型，借助于偏振-相位驱动，可
使强度电光调制器的干涉输出峰值变窄，调制带宽增强。本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器的静态半波电压可以设计在5v以下，动态电光调制时的等效半波电压可以在小于5v，器件的核心性能指标：(1)电光调制电压与电光作用长度乘积器在0.2-0.5v
·
cm，(2)调制电压具备100ghz量级的潜力。
附图说明
19.图1本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器结构图；
20.图2本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器中钛酸钡波导mzi结构与金属电极分布关系图；
21.图3本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器中钛酸钡光波导mzi结构与金属电极截面示意图；
22.图4本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器钛酸钡光波导mzi结构电光调制前偏振状态图；
23.图5本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器中钛酸钡晶体双折射光相位决定的偏振态示意图；
24.图6本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器中钛酸钡光波导mzi结构的相位-偏振联合调制输出与当前光相位调制输出比较；
25.图7本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器中钛酸钡光波导mzi结构在采取0v偏置电压条件下相位-偏振联合调制输出与当前光相位电光调制输出的比较；
26.图8本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器中钛酸钡光波导mzi结构在采取5v偏置电压条件下相位-偏振联合调制输出与当前光相位电光调制输出的比较。
27.图中：1、氧化镁晶体基底片，2、钛酸钡晶体薄膜层，3、单模输入波导，4、输入端波导分束器，5a、第一单模波导臂，5b、第二单模波导臂，6、输出端波导分束器，7、单模输出波导，8a、第一调控电极，8b、第二调控电极，8c、第三调控电极，9a、第一驱动电极，9b、第二驱动电极，10、上包层，11、输入光信号，12a、第一光束，12b、第二光束和13、输出光信号。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
29.相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器，如图1所示，包括：氧化镁(mgo)晶体基底片1、钛酸钡(batio3)晶体薄膜层2和在钛酸钡晶体薄膜上制作此强度电光调制器的光波线路器件结构：麦克-泽德尔干涉仪(mzi)结构中的各功能部件：单模输入波导3、输入端波导分束器4、第一单模波导臂5a、第二单模波导臂5b、输出端波导分束器6、单模输出波导7；还包括用于控制mzi结构第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b的偏振态的第一调控电极8a、第二调控电极8b和第三调控电极8c；与mzi结构相匹配的第一驱动电极9a和第二驱动电极9b；其中所述钛酸钡晶体薄膜层2设置在所述氧化镁晶体基底片1上表面；在所述钛酸钡晶体薄膜层2上的一端依次制备单模输入波导3、输入端波导分束器4、第一单模波导臂5a、第二单模波导臂5b、输出端波导分束器6、单模输出波导7；所述单模输入
波导3与输入端波导分束器4形成y型结构，所述输入端波导分束器4的两个分支分别与第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b连接，所述第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b的另一端分别与所述输出端波导分束器6的两个分支连接，所述输出端波导分束器6的另一端与所述单模输出波导7连接；所述第二调控电极8b设置在所述第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b之间，也就是所述第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b的内侧，第一调控电极8a设置在所述第一单模波导臂5a的外侧，第二调控电极8b设置在所述第二单模波导臂5b的外侧；所述第二驱动电极9b设置在所述第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b之间，也就是所述第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b的内侧，第一驱动电极9a设置在所述第二单模波导臂5b的外侧。
30.最后在整个器件上面通过蒸镀或者溅射覆盖一上包层10，如图1中虚线框内，材料可以是二氧化硅或者氮化硅。单模输入波导3、输入端波导分束器4、第一单模波导臂5a、第二单模波导臂5b、输出端波导分束器6、单模输出波导7都是利用光刻与刻蚀技术同时形成的脊型波导器件；第一调控电极8a，第二调控电极8b，第三调控电极8c，第一驱动电极9a和第二驱动电极9b都是由金属加工而成。当输入光信号11进入单模输入波导3后经由输入端波导分束器4分成第一光束12a和第二光束12b，分别进入mzi结构的第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b，两束光信号经过直流电场中第一调控电极8a，第二调控电极8b和第三调控电极8c进行偏振态调整和交流微波电场中第一驱动电极9a和第二驱动电极9b进行高频调制后在输出端波导分束器6中进行干涉，所以这两束光偏振态和光相位相结合的电光调制效果，最后获得较目前铌酸锂电光调制基于单一光相位调制更窄和相位转换效率更高的干涉输出光信号13。
31.第一调控电极8a，第二调控电极8b和第三调控电极8c用于对第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b输入直流电压，第一调控电极8a和第二调控电极8b用于调整mzi结构的第一单模波导臂5a，并且可互为正、负电极产生正反两个方向的调制电场，以调整第一单模波导臂5a中的第一光信号12a偏振状态；同理，第二调控电极8b和第三调控电极8c用于调整mzi结构的第二单模波导臂5b，并且可互为正、负电极产生正反两个方向的调制电场，以调整第二单模波导臂5b中的第二光信号12b偏振状态。另外，第二调控电极8b和第三调控电极8c还可以通过与两个微波第一调制电极9a和第二调制电极9b相结合为该强度电光调制器输入一个偏置电压，形成直流与交流叠加的电场信号，以选择两束第一光信号12a和第二光信号12b在得到高频微波信号调制时的初始输出状态；两个微波调制电极，即第一调制电极9a和第二调制电极9b对第二光信号12b施加高频交流调制电场。
32.光波导与电极的平面分布如图2所示，l
arm
表示mzi结构的第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b长度，le1表示光波信号偏振态调控电极的长度，le2表示微波信号驱动电极的长度，三者之间要满足：l
arm-(le1+le2)≥1.0毫米；第一调制电极9a和第二调制电极9b在厚度与宽度方面要根据本发明-强度电光调制器的带宽指标满足器件的微波介电常数要求，所以在金属电极厚度满足1.0微米的条件下，宽度不小于40微米。相比之下，在同样的厚度条件下，偏振态第二调控电极8b和第三调控电极8c的宽度只要求不小于10微米。
33.第一单模波导臂5a和第二单模波导臂5b中的光信号将受到直流电场和交流电场的同时调制，分别如图3(a)和3(b)所示，三个偏振态第一调控电极8a，第二调控电极8b、第三调控电极8c和两个微波第一调制电极9a和第二调制电极9b都加工在深槽内，槽底低于钛
酸钡(batio3)晶体薄膜层2的下表面，位于氧化镁(mgo)晶体基底片1内，而且这两套电极下表面可以在同一平面，也可以不在同一平面，以分别在直流和交流调制中实现光场模式与驱动电场之间的二维匹配，获得超高电光作用效率。
34.输入光波信号11的工作特征在于，输入光信号11经过输入端波导分束器4分束后两束光波在输出端波导分束器6进行干涉之前可以都为线偏振态，也可以都为椭圆。三个偏振态调控电极中，第二调控电极8b是公共电极，与第一调控电极8a和第三调控电极8c分别构成正与负或者负与正电极，这样每一对电极都选择两个方向的电场，用于调控两臂中第一光束12a和第二光束12b在干涉前的偏振态，如图4(a)所示，首选是两个线偏振态，当二者之间的光相位差为0或者2π时仍然是干涉最大，当二者之间的光相位差为π或者1.5π时仍然是干涉最小。如图4(b)所示，也可以选择两个椭圆偏振态，当二者之间的光相位差为0或者2π时仍然是干涉最大，当二者之间的光相位差为π或者1.5π时仍然是干涉最小。
35.所述氧化镁(mgo)晶体基底片1，用于生长钛酸钡(batio3)晶体薄膜2的厚度一般有为0.5微米和0.25微米，后者在调整光波与微波匹配性方面比前者会更好一些，但成本却较前者高出几倍。所述的钛酸钡(batio3)晶体薄膜2的生长，适合于本项发明的厚度为400-500纳米。所述的单模输入波导3和单模输出光波7导是通过刻蚀获得脊形条，宽为2-4微米，高为0.1-0.3微米，刻蚀方法选择干刻技术。所述电极首选材料是金属金，其次是铝，电极加工的加工方法首选是剥离法，也可以选择金属刻蚀方法，甚至还可用化学镀金的方法。
36.当钛酸钡(batio3)晶体薄膜2为c-轴生长时，由于c-轴生长钛酸钡晶体薄膜2的电光调制理论决定的一个水平方向的电场可以对其中的光束的垂直和水平两个偏振态产生双折射调制，使光束的电场矢量在传输过程中形成一个如图5a所示的椭圆，其中小写x-z坐标是用于定义没有方位角时的椭圆分布，而大写x-z坐标是用于定义没有方位角时的椭圆分布。如果no和ne分别代表o-光和e-光的折射率，r
51
是钛酸钡(batio3)晶体薄膜2的电光系数，g
x
是电极间距，由两电极之间电压vd，光场-电场重叠积分为γ
2d
，在电光作用长度为l时，对于波长为λ的光信号，所产生光调制相位δφ由下面方程定义：
[0037][0038]
如果用am和bm定义电光调制偏振态下光波矢量，α
lp
是椭圆方位角，则椭圆的理论模型为：
[0039][0040][0041]ambm
＝
±
nonesinδφ(4)
[0042]
如果e
x
(θ)和ez分别是光波矢量在方位角θ时于x坐标和z坐标上的分量，那么在电光调制和初始偏振状态下，如果椭圆长轴的方位角分别为α
δφ
和α0,调制后的光波电场矢量在初始偏振状态下椭圆长轴上的投影e
α
(θ)为：
[0043]eα
(θ)＝e
x
(θ)cos(α
δφ-α0)-ez(θ)sin(α
δφ-α0)(5)
[0044]
进而，如图5b所示，交流微波电场对第二单模波导臂5b中的第二光束12b进行高频调制后与第一单模波导臂5a中的未被高频调制的第一光束12a在输出端波导分束器6中进
行干涉。于是，如果按方程(1)所定义的光学相位差，在方程(2)-(5)所决定的偏振状态下进行干涉，设定t
int
和tm分别是在调制光信号电场矢量在相位角θ处与未调制光信号电场矢量的瞬态干涉输出和最后归一化干涉输出，则有下面的干涉输出方程：
[0045][0046][0047]
就强度电光调制器而言，除了调制带宽及半波电压与作用长度乘积外，另一个普遍的性能参数是光相位转换函数对电压响应的最大斜率：|dt/dv|
max
，它直接决定器件在高频电光调制时的等效半波电压如果仍然用方程(7)中的干涉输出tm和驱动电压vd分别表示光相位转换函数和电压，则有下面的方程(8)定义等效半波电压
[0048][0049]
本发明相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器的mzi结构在交变电场作用下可以产生输出信号逐渐变窄的光干涉输出。利用以上方程(1)～(7)，设定波导脊宽为3.0微米，电极间距为5.0微米，电极刻蚀深度为0.10微米的情况下可获得0.77的光场-电场重叠积分值，于是获得了如图6所示的强度电光调制器的mzi结构的输出信号与光调制电压之间的关系图，其中标有ppm的线条是在本发明的相位与偏振联合调制的输出值，其中标有opm的线条是现在仅有光相位调制的输出值。可以发现，输出光信号随着电压的增加其宽度逐渐变小。于是，在应用中选择偏置电压为0v和5v时，会获得不同的|dt/dv|
max
值，进而通过方程(8)可以获得不同的强度电光调制器等效半波电压值。
[0050]
为清楚说明本发明中强度电光调制器是基于光相位调制和偏振调制相结合的机制下实现光信号调制的，所以干涉输出信号与目前单一光相位调制相比较具有更大的优越性，下面结合附图详细阐述本发明的优选实施例。
[0051]
实施例1：根据图6，选择偏置电压为0v，获得了如图7所示的输出信号与光调制电压之间的关系图，其中标有ppm的线条是在本发明的相位调制与偏振调制相结合的输出值，其中标有opm的线条是现在仅有光相位调制的输出值。
[0052]
实施例2：根据图6，选择偏置电压为5v，获得了如图8所示的输出信号与光调制电压之间的关系图，其中标有ppm是相位调制与偏振调制相结合的输出值，其中标有opm的线条是现在仅有光相位调制的输出值。