一种应用于60GHz ROF系统的集成光子晶体MZI调制器

摘要

本发明涉及一种基于二维光子晶体分束器、合波器、慢光波导和耦合波导集成的应用于60GHz ROF系统的MZI电光调制器的实现方法。本发明采用三角晶格介质背景空气孔结构的铌酸锂光子晶体，通过在同一光子晶体板上将光子晶体分束器、合波器、慢光波导和耦合波导集成实现MZI电光调制功能，通过设计分束器、合波器、慢光波导和耦合波导，优化整体结构，提高器件性能，从而实现了光子晶体MZI电光调制器。该合波结构紧凑，具有较小调制电压，适用于全光集成系统。为未来的全光网络、ROF系统等提供了一种超小型高效光子晶MZI电光调制器的实现方法。

说明书

本发明涉及一种基于二维光子晶体分束器、合波器、慢光波导和耦合波导集成应用于 60GHz ROF系统的MZI电光调制器的实现方法，属调制器领域。

背景技术

MZI电光调制器是光通信系统如ROF（Radio-over-Fiber）系统、基于芯片的光互连系统 等中的基础器件，较小电压和超密集尺寸的MZI电光调制器一直以来都是研究的热点。在最 近几年里，各种研究机构提出了各种各样的结构，例如利用基于自由载离子色散效应的pn或 者pin结构的硅光调制器[文献1.Ansheng Liu,Ling Liao,and Doron Rubin,“High-speed optical  modulation based on carrier,”Opt.Express,vol.15,no.2,pp.660-668,2007、文献2.Ling Liao, Dean Samara-Rubio,Michael Morse,Ansheng Liu,and Dexter Hodge,“High speed silicon  Mach-Zehnder modulator,”Opt.Express,vol.13,no.8,pp.3129-3135,2005.]、硅-聚合物电光调 制器[文献3.L.Alloatti,D.Korn,R.Palmer,D.Hillerkuss,J.Li,A.Barklund,R.Dinu,J.Wieland, M.Fournier,J.Fedeli,H.Yu,W.Bogaerts,P.Dumon,R.Baets,C.Koos,W.Freude,and J. Leuthold,“42.7Gbit/s electro-optic modulator in silicon technology,”Opt.Express,vol.19,no.12, pp.11841-11851,2011、文献4.Jan Hendrik Wülbern,Stefan Prorok,and Jan Hampe,“40GHz  electro-optic modulation in hybrid silicon–organic slotted photonic crystal waveguides,”Opt.Lett., vol.35,no.16,pp.2753-2755,2010.]，基于电光效应的铌酸锂电光调制器[文献5.B.M.Azizur  Rahman,V.Haxha,S.Haxha,and K.T.V.Grattan,“Design Optimization of Polymer Electrooptic  Modulators”J.Lightw.Technol.,vol.24,no.9,pp.3506-3513,Sept.2006、文献6.Maria Morant, Roberto Llorente,Jerome Hauden,Terence Quinlan,AlexandreMottet,and Stuart Walker, “Dual-drive LiNbO3interferometric Mach-Zehnder architecture with extended linearregime for  high peak-to-average OFDM-based communication systems,”Opt.Express,vol.19,no.26,pp. B450-B456,2011.]等。如今最流行的技术是利用脊波导来实现电光调制器。于此同时，现在 有许多基于光子晶体的结构引起了大家广泛的兴趣，如Hong C.Nguyen等提出了一种由 200μm长的光子晶体波导组成的调制器[文献7.Hong C.Nguyen,Yuya Sakai,and Mizuki Shinkawa, “10Gb/s operation crystal silicon optical modulators,”Opt.Express,vol.19,no.14, pp.13000-130007,2011.]；Brosi等提出了一种驱动电压为1V，大小为80μm，调制带宽为78GHz 的基于带聚合物的槽波导电光调制器[文献8.Jan-Michael Brosi,Christian Koos,Lucio Claudio  Andreani,MichaelWaldow,Juerg Leuthold,and Wolfgang Freude,“High-speed low-voltage  electro-optic silicon photonic crystal waveguide,”Opt.Express,vol.16,no.6,pp.4177-4191, 2008.]等。

然而，这些结构均不能在一块超小尺寸的集成芯片上同时实现密集结构、低驱动电压和 高调制带宽。尽管Brosi等提出的调制器部分基于光子晶体，但是合波器和分束器却是基于 脊波导，这就限制了基于光子晶体的集成电路的发展。同时，已经提出的许多结构是完全基 于光子晶体[文献9.Babak Memarzadeh Isfahani,Tahereh Ahamdi Tameh,Nosrat Granpayeh,and  Ali Reza Maleki Javan,“All-optical NOR gate based on nonlinear photoniccrystal microring  resonators,”J.Opt.Soc.Am.B,vo.l26,no.11,pp.1097-1102,2009、文献10.Daquan Yang, Huiping Tian,and Yuefeng Ji,“Nanoscale photonic crystal sensor arrays on monolithic substrates  using side-coupled resonant cavity arrays,”Opt.Express,vol.19,no.21,pp.20023-20034, 2011.]，这些的结构都具有良好的集成性能。最近，许多关于高性能光子晶体弯曲波导和分支 结构已经被提出[文献11.、Jasmin Smajic,Christian Hafner,Daniel Erni,“Design and  optimization of anachromatic photonic crystal bend,”Opt.Express,vol.11,no.12,pp.1378-1384, 2003.、文献12.Shanhui Fan,S.G.Johnson,and J.D.Joannopoulos,“Waveguide branches in  photonic crystals,”J.Opt.Soc.Am.B,vol.1,no.18,pp.162-165,2001.]，这些工作都为实现一 个完全基于单片光子晶体的MZI电光调制器提供了理论基础。

发明内容

本发明目的在于解决：在单片集成的光子晶体芯片上难以适用于60GHz ROF系统的MZI 调制器的问题，从而提出了一种将二维光子晶体分束器、合波器、慢光波导和耦合波导集成 应用于60GHz ROF系统的MZI电光调制器。

在利用光子晶体弯曲波导、分支结构、慢光波导和耦合波导的理论基础下，分别对这四 部分进行优化得到高性能的设计，最终将这四部分集成在一起构成高性能的单片集成的MZI 电光调制器。

本发明可通过如下措施来实现：

基于二维光子晶体分束器、合波器、慢光波导和耦合波导集成应用于60GHz ROF系统的 MZI电光调制器实现方法，其中：

该调制器是在二维三角晶格空气空光子晶体中利用分束器、合波器、慢光波导和耦合波 导集成来实现的，其中在该二维光子晶体中引入由60°弯曲波导和Y型结构组成的分束器和 合波器，慢光波导和耦合波导。其中，慢光波导两端分别通过耦合波导与分束器和合波器相 连接，光波通过分束器分成两束通过耦合波导分别进入两个慢光波导中，在慢光波导中，基 于铌酸锂材料的电光特性，两束光的相位产生相位差，然后通过耦合波导耦合到合波器的两 臂中相互干涉合成一束光束，通过分别调节60°弯曲波导和Y型结构的拐角处的空气孔和位 置、慢光波导以线缺陷波导为中心的上下各两排空气孔的半径大小和位置、耦合波导以线缺 陷波导为中心的上下各一排空气孔的半径的位置，在将四部分优化并集成起来，从而实现应 用于60GHz ROF系统的MZI电光调制器。

所述的二维光子晶体空气孔调制器结构是由一个1×2分束器、一个1×2合波器和四个耦 合波导和两个慢光波导集成而成的，分束器是为了将入射的光束分束成两束光分别进入MZI 的两个干涉臂，两个慢光波导是为了构成调制器的两个干涉臂，四个耦合波导的作用是为了 实现分束器和合波器与慢光波导的耦合效率。

所述的二维光子晶体空气孔2×1光子晶体合波器结构是由一个Y型结构和两个60°弯曲 波导集成而成的，两个60°弯曲波导是为了实现两路光束的输入，Y型结构的目的是将两路 输入光波高效的合在一起。

所述的二维光子晶体空气孔1×2光子晶体合分束器结构是由一个Y型结构和两个60°弯 曲波导集成而成的，Y型结构的目的是将一束光分成两束光，两个60°弯曲波导是为了实现 两路光束的水平输出。

所述的二维光子晶体空气孔耦合波导和慢光波导都是由线缺陷波导组成的。

所述的光子晶体中，背景是铌酸锂，空气孔中是空气。所述的背景铌酸锂的折射率是 2.143，空气孔的折射率为1。

所述的光子晶体中，晶格常数a是558nm，对于光子晶体分束器、合波器，除拐角处空 气孔外其他的空气孔半径是0.3a，光子晶体耦合器空气孔的半径是0.3a，对于光子晶体耦合 波导的空气孔的半径为0.32a。

所述的Y型结构设计如下：在完美光子晶体中引入部分线波导，在线波导的尾部上下设 有与线波导成120°角的导入（导出）波导，作为合波器（分束器）中与60°弯曲波导相连的 输入（输出）端。

所述的Y型结构设计如下：在完美光子晶体中引入部分线波导，在线波导的尾部上下设 有与线波导成120°角的导出波导，作为分束器中与60°弯曲波导相连的输出端。

所述的60°弯曲波导是在光子晶体中引入部分线波导，在线波导的尾部下方设有与线波 导成120°角的输出（输入）波导，作为合波器（分束器）中与Y型结构导入波导相连的输出 （输入）端。

所述的60°弯曲波导是在光子晶体中引入部分线波导，在线波导的尾部下方设有与线波 导成120°角的输入波导，作为分束器中与Y型结构导入波导相连的输入端。

所述的耦合波导结构设计如下：在完美的光子晶体中引入线缺陷波导，通过改变以线缺 陷波导为对称轴的上下各一排的空气孔的位置，实现较高的耦合效率；

所述的慢光波导结构设计如下：在完美的光子晶体中引入线缺陷波导，通过改变以线缺 陷波导为对称轴的上下各两排的空气孔的位置和半径的大小，实现具有不同群折射率的慢光 波导，结合铌酸锂材料的电光特性，通过调节具有不同群折射率慢光波导的长度，来实现应 用于60GHz ROF系统的调制器干涉臂部分。

与传统方法相比本发明有如下优点：

传统的方法一般是利用脊波导来实现，有的是通过自由载离子色散效应的pn或者pin结 构硅基，有的是利用铌酸锂材料的电光效应。但是这些调制器都无法将高调制带宽、低驱动 电压和超小尺寸集成在一起，特别是高调制带宽。而本发明中采用的方法，可以实现高调制 带宽、低驱动电压和超小尺寸应用于60GHz ROF系统的电光调制器。另外，本发明采用基于 铌酸锂材料作的背景介质空气孔的光子晶体，相对于空气背景介质柱的光子晶体的制作有更 好的可实现性和较成熟的加工工艺。

本发明的原理如下：

本调制器采用三角晶格介质背景空气孔光子晶体，由一个分束器、一个合波器、两个慢 光波导、四个耦合波导集成在一起构成的，通过改变Y型结构和60°弯曲波导拐弯处的空气孔 的半径和位置，先局部优化Y型结构和60°弯曲波导再整体优化，从而提高合波器（分束器） 的性能，实现高效高带宽的合波（分束）功能，为应用于60GHz ROF系统的电光调制器提供 高性能的分束和合波功能。

对于未进行优化的光子晶体线缺陷波导，其群折射率小，且可利用的慢光带宽比较窄， 这严重影响了电光调制器调制电压的大小和尺寸的大小，同时也影响了调制器的应用范围。 通过改变线缺陷波导以线缺陷波导为中心的上下第一、二排的空气孔的位置的半径大小，得 到具有不同群折射率的慢光波导，通过调节慢光波导的长度，结合铌酸锂材料的电光特性，得到应用于60GHz ROF系统的电光调制器的干涉臂部分。

对于未添加耦合波导的调制器，由于分束器、合波器与慢光波导之间存在着模式不匹配 的问题，大部分光无法顺利从分束器耦合到慢光波导，也无法顺利从慢光波导耦合到合波器， 而是在接口处发生发射，这严重降低了调制器的性能。通过调节通过改变线缺陷波导以线缺 陷波导为中心的第一排的空气孔的位置和半径大小，得到比较高的耦合效率，从而实现慢光 波导和分束器、合波器的高效耦合，进而提高应用于60GHz ROF系统的电光调制器的整体性 能。

附图说明

以下各图所取的光子晶体的结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是本调制器为优化结构示意图，基本结构为三角晶格介质背景空气孔的光子晶体，是由一个分束器、一个合波器和两个慢光波导集成而成。

图2是三角晶格介质背景空气孔光子晶体慢光波导的结构示意图。

图3是慢光波导的群折射曲线，其中（a）表示在改变以线缺陷波导为中心的上下第一、 二排空气孔的位置和半径大小时，群折射率变化的曲线，（b）表示最终设计结构的群折射率 曲线。

图4是优化三角晶格介质背景空气孔光子晶体分束器的结构示意图。

图5是优化光子晶体分束器的透射谱曲线。

图6是设计的分束器的场图。

图7是优化三角晶格介质背景空气孔光子晶体合波器的结构示意图。

图8是优化光子晶体合波器的透射谱曲线。

图9是设计的合波器的场图。

图10是优化光子晶体耦合波导的耦合效率曲线。

图11是优化三角晶格介质背景空气孔单片集成光子晶体调制器的结构示意图。

图12是优化的光子晶体调制器的场图。

具体实施方式

该调制器是在二维三角晶格空气孔光子晶体中利用分束器、合波器、慢光波导和耦合波 导集成来实现的，其中在该二维光子晶体中引入由60°弯曲波导和Y型结构组成的分束器和 合波器，慢光波导和耦合波导。其中，慢光波导两端分别通过耦合波导与分束器和合波器相 连接，光波通过分束器分成两束通过耦合波导分别进入两个慢光波导中，在慢光波导中，基 于铌酸锂材料的电光特性，两束光的相位产生相位差，然后通过耦合波导耦合到合波器的两 臂中相互干涉合成一束光束。

首先对于慢光波导结构，如图2所示。图中a为晶格常数，a=558nm，空气孔的半径为 0.32a，折射率为1，介质背景采用铌酸锂，折射率为2.143。利用平面波展开法对慢光波导 进行仿真，得到的群折射率曲线如图3所示。由图3（a）可以看出，是否对慢光波导进行优 化，即对图2中标注的以线缺陷波导为中心的上下各两排的空气孔的半径和位置进行调试， 对慢光波导结构的群折射率影响很大。同时通过对图2中的参数进行调试，可得到比较理想 的结果，群折射率和慢光波导的带宽都得到了提高，如图3（b）所示。

对于优化光子晶体分束器，如图4所示，图中a为晶格常数，a=558nm，空气孔的半径为 0.3a，折射率为1，介质背景采用铌酸锂，折射率为2.143。利用时域有限差分法分别对其透 射谱和场图进行仿真，仿真得到的透射谱和场图分别如图5和图6所示，由图5可以看出， 对分束器的结构进行优化，即对图4中标注的空气孔的半径和位置进行调试，可得到比较理 想的效果，分束器透射率和带宽都得到了提高。

对于优化光子晶体合波器结构，如图7所示，图中a为晶格常数，a=558nm，空气孔的半 径为0.3a，折射率为1，介质背景采用铌酸锂，折射率为2.143。利用时域有限差分法分别 对其透射谱和场图进行仿真，仿真得到的透射谱和场图分别如图8和图9所示所示，由图8 可以看出，对合波器的结构进行优化，即对图7中标注的空气孔的半径和位置进行调试，可 得到比较理想的效果，合波器的透射率和带宽都得到了提高。

对于优化耦合波导结构，如图2所示，图中a为晶格常数，a=558nm，空气孔的半径为 0.3a，折射率为1，介质背景采用铌酸锂，折射率为2.143。利用时域有限差分法分别对其透 射谱仿真，仿真得到的透射谱如图10所示所示，由图10可以看出，对耦合波导的结构进行 优化，可得到比较理想的效果，耦合效率得到了明显的提高。

将优化好的慢光波导、分束器、合波器和耦合波导集成在单片光子晶体上后，优化后调 制器的结构如图11所示，采用时域有限差分法对优化调制器场图进行仿真，利用连续波得到 调制器的场图，如图12所示，可见，一束光波通过分束器分成了两束，分别同过耦合波导耦 合进入调制器的干涉部分（慢光波导），通过电光调制两束从产生相位差后，在通过耦合波导 耦合进入合波器后汇聚成一束光波。通过优化得到了调制电压低、尺寸小同时可以应用于 60GHzROF系统的单片集成光子晶体调制器。