一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器及其工作方法

摘要

本发明涉及一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器及其工作方法。所述集成光调制器，包括上电极、下电极、衬底和铌酸锂晶体；铌酸锂晶体上按光路方向依次刻有偏振解复用器、两路并联的IQ调制器和偏振复用器；上电极和下电极分别设置在铌酸锂晶体上表面和衬底下面；所述偏振解复用器和偏振复用器分别为基于MZI的铌酸锂偏振解复用器和基于MZI的铌酸锂偏振复用器。本发明所述集成光调制器，基于铌酸锂的双折射效应制成铌酸锂偏振解复用器和偏振复用器，改变以往基于硅基制作偏振复用器的传统，将基于硅基的偏振解复用器和偏振复用器与IQ调制器集成于同一块晶体上；工艺容差远小于硅基工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器及其工作方法，属于光调制器的技术领域。

背景技术

光调制器是高速、短距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。一般光纤通讯系统中的外调制器包括四类：声光(AO)调制器、磁光调制器、电光(EO)调制器和电吸收(EA)调制器。其中，依赖于一定平面波导载光方式改变的电光调制器是现代光纤系统中主要使用两类调制器之一。

铌酸锂薄膜材料具有优良的电光、非线性光学、声光等物理特性，具有进行光电集成与光子学集成的潜在优势。从铌酸锂薄膜在光集成或光电集成器件的应用来看，铌酸锂一般是在异质的衬底上生长。如果用于光波导，需要折射率较小的包覆层，这时可采用非晶SiO₂做衬底。光子在信息传递时的优势是电子所无法比拟的，为了实现光子学集成，研究铌酸锂薄膜材料在集成光调制器中的应用具有深远的意义。

由于铌酸锂存在双折射现象，导致器件对偏振异常敏感，且高品质的铌酸锂薄膜成膜比较困难，电光效应造成的折射率变化较小，基于上述特点，铌酸锂常被应用于调制器。传统的基于硅基的偏振复用器，用波导宽度控制T_E、T_M传播常数，其工艺容差小，实际光刻的时候很难保证其精度。

现有技术中，使用铌酸锂晶体材料制作的电光调制器，电光效应造成的Δn很小，大约为1×10^-3，而要达到一定的相位延迟所需要的外加电压与调制器的厚度成正比，所以传统结构的铌酸锂调制器所需要的外加电压很大(往往需要达到上百伏)，不仅对器件的稳定性要求特别高，而且器件的功耗也相当大。

在铌酸锂电光调制器的应用中，为了降低系统的功耗，提高器件的性能，以及方便地实现与系统的其他部分集成，通常要求电光调制器具有较低的半波电压。因此，在电光调制器的研究领域，如何降低器件的半波电压对降低系统功耗及投资成本具有重要的意义。

中国专利CN203658612U公开了一种铌酸锂波导芯片，使用氢化非晶硅在铌酸锂基底上制备波导结构，利用非晶硅的高折射率可以有效减小波导尺寸，从而可以减小基于铌酸锂波导芯片的铌酸锂光调制器上金属电极之间的间距，进而使得所需调制电压较低。该装置生产工艺要求高，且通过减小金属电极之间的间距来实现的调制电压较低，效果不明显。

IQ调制是将数据分为两路，分别对载波进行调制，两路载波相互正交。传统的IQ调制器要实现上下两路相位差为π/2，方法通常有两种，一是通过控制上下两路波导的长度差来控制上下两路的相位延迟，但要实现π/2的相位延迟大约需要工艺容差在0.3微米左右，制作起来相当困难，二是通过加电极改变波导折射率从而使上下两路的光程差改变以达到上下两路有π/2相位延迟的效果，但这样会使器件变得更复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器。

本发明还提供一种上述集成光调制器的工作方法。

发明概述：

本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，将偏振复用器和偏振解复用器与IQ调制器结合制成全铌酸锂结构的集成光调制器，从而改善器件的稳定性和可靠性问题；IQ调制器中基于MMI(多模干涉)的功分器可以实现上下两路光的π/2相位差，解决了π/2相位延迟线工艺容差(大约0.3微米)小或加电极增加器件复杂度的缺点；IQ调制器中MZM(马赫-曾德尔幅度调制器)两干涉臂上的电极直接加在铌酸锂波导上，可降低器件工作所需的调制电压。本发明所述集成光调制器整体采用铌酸锂薄膜结构，降低了器件的传输损耗和插入损耗、调制电压及器件的成本。

本发明的技术方案为：

一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，包括上电极、下电极、衬底和铌酸锂晶体；铌酸锂晶体上按光路方向依次刻有偏振解复用器、两路并联的IQ调制器和偏振复用器；上电极和下电极分别设置在铌酸锂晶体上表面和衬底下面；所述偏振解复用器和偏振复用器分别为基于MZI的铌酸锂偏振解复用器和基于MZI的铌酸锂偏振复用器。

优选的，偏振解复用器包括，通过两个不同长度波导臂连接的第一MMI结构和第二MMI结构，两个波导臂的光程差为π。两个波导臂长度不同，即两者的光程不同，而由于铌酸锂的双折射现象导致T_E、T_M两个偏振态在波导臂中的折射率不同，通过调节波导臂长度，使光程差为π，便可将两个偏振态分离。其中所述MMI结构为多模干涉结构为本领域技术人员所熟知的技术结构。

优选的，偏振复用器包括，通过两个不同长度波导臂连接的第三MMI结构和第四MMI结构，两个波导臂的光程差为π。偏振复用器的结构和基本原理与偏振解复用器类似，是偏振解复用器工作原理的逆过程。偏振复用器将两路经过IQ调制器调制的不同偏振态的光复用为同一束出射光，经过偏振解复用以及偏振复用，使光载波的承载的信息量增加了一倍。传统的偏振解复用器和偏振复用器是基于硅基工艺制作，工艺容差小，且无法将他们与基于铌酸锂的调制器共同制作到同一块铌酸锂晶体上，是制作全铌酸锂薄膜的瓶颈。本发明所述的偏振解复用器和偏振复用器基于铌酸锂的双折射效应，解决了基于硅基的偏振解复用器和偏振复用器不能与基于铌酸锂的调制器不能制成集成光器件的问题。

优选的，所述铌酸锂晶体为铌酸锂薄膜，偏振解复用器、两路并联的IQ调制器和偏振复用器通过光刻技术刻在铌酸锂晶体表面。

本发明所述光调制器使用的铌酸锂薄膜波导很薄，所加上下电极可以直接作用于铌酸锂薄膜上，用很小的电压便可有效的改变其折射率，实现相应的调制。该特殊结构的电极提高了调制器对低电压的响应，可以获得更好的调制效果。

优选的，所述衬底为SiO₂晶体。进一步优选的，所述衬底为非晶态SiO₂衬底。

对于铌酸锂薄膜的生长,衬底材料对铌酸锂薄膜的生长质量有很大影响,从铌酸锂薄膜在光集成或光电集成器件的应用来看，其一般是在异质的衬底上生长，如果用于光波导，需要折射率较小的包覆层，这时可采用非晶SiO₂做衬底。SiO₂衬底电导率较高。

优选的，所述IQ调制器包括沿光路方向设置的，基于MMI结构的功分器、并联设置的MZM和Y分叉合波器；基于MMI结构的功分器的两路输出的相位差为π/2。传统的IQ调制器改变相位的方法通常有两种：第一种在其中一条波导臂添加一个π/2相位延迟线的方法使上下两路波导臂具有π/2的相位差，π/2相位延迟线是通过改变上下两路波导臂的长度差控制上下两路波导臂的相位延迟。第二种是通过加电极改变波导折射率，使上下两路波导臂的光程差改变以达到两路波导臂有π/2相位延迟，但这样会使器件变得更复杂，且有源器件的稳定性远不及无源器件。本发明的入射光通过MMI结构的功分器，输出两束具有π/2相位差的功率减半的光，替代了π/2延迟线的作用，而且MMI结构的工作带宽要比π/2延迟线高很多。

进一步优选的，所述上电极和下电极分别设置在MZM两干涉臂的上表面和衬底下面；上电极包括设置在MZM两干涉臂上表面的正电极和负电极；下电极为零电极。

IQ调制器中MZM的工作原理如下：电光调制的基本原理是基于晶体的线性电光效应，本发明采用的电光材料为铌酸锂，铌酸锂的折射率随着施加的外电场E变化而变化，即n＝n(E)。假设入射光与为与y轴成45°的线性偏振光，可将其用互相垂直的偏振光用E_x、E_y表示，对应的折射率分别为n_x、n_y，于是当E_x沿横向传输距离L后，它引起的相位变化记为φ1，当E_y沿横向传输距离L后，它引起的类似的相位变化记为φ2，E_x和E_y产生的相位变化为Δφ＝φ1-φ2。于是施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差Δφ，因此出射光波的偏振态可被外加的外电压控制。当E_x、E_y沿波导传输距离L时，产生随施加调制信号U(t)折射率变化Δn＝n_x-n_y，从而实现了相位改变。相位的变化可以转变为幅度的变化，当相位变化Δφ＝0时上下两路光发生相长干涉，输出功率最大；当相位变化Δφ＝π时下两路光发生相消干涉，输出功率为0；当相位变化Δφ在0～π之间时，输出光强随着调制电压而变化。由此可见，加到调制器上的电比特电流在调制器的输出端产生了波形相同的光比特流。基于此原理制成马赫-曾德尔幅度调制器。铌酸锂晶体的电光效应小，所以要达到一定的相位延迟所需要的外加电压受调制器的厚度影响很大，传统铌酸锂调制器的波导较厚，需要较大的外加电压才能完成相应的调制工作，不仅功耗高，器件寿命也会缩减。

本发明采用的特殊结构的电极，IQ调制器所需的半波电压很小，大大降低IQ调制器所需要的调制电压，在产生更好的调制效果的同时，可以减小器件的功耗及其成本。

一种上述集成光调制器的工作方法，包括步骤如下：

1)偏振态分离：偏振解复用器将入射光分解为两个偏振态光，两个偏振态光分别沿着两个光路进入两路IQ调制器；入射光进入第一MMI结构，经过两个不同的光程，产生π的光程差，经过第二MMI结构获得两个偏振态的光，进而进入IQ调制器进行调制；

2)信号调制：IQ调制器对进入的偏振态光进行调制并输出携带调相信号的光载波，光载波进入偏振复用器；

3)偏振态的合成：偏振复用器将两路光载波复用为同一束光输出。

经过上述过程，入射光经过偏振态分离，信号调制，以及偏振态合成三个主要步骤，变为携带两路IQ调制信号的光载波，进入下一级系统中继续传输。

优选的，所述步骤2)中信号调制的方式为高阶调制方式。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，基于铌酸锂的双折射效应制成铌酸锂偏振解复用器和偏振复用器，改变以往基于硅基制作偏振复用器的传统，将基于硅基的偏振解复用器和偏振复用器与IQ调制器集成于同一块晶体上；基于铌酸锂工艺制作的偏振解复用器、偏振复用器依赖于双折射的天然优势，工艺容差远小于硅基工艺；

2、本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，利用光刻技术将其和IQ调制器刻到同一块铌酸锂晶体表面，得到的全铌酸锂薄膜结构的光调制器集成度高，稳定性好，性能更可靠。

3、本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，基于MMI结构功分器的IQ调制器，入射光经过MMI结构后经过会分为功率减半的两束光且具有π/2的相位差，基于MMI结构的功分器作为一个无源光结构，既降低功耗又提高器件稳定性；

4、本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，加于MZM上下的电极直接作用于铌酸锂薄膜波导上，相比于传统铌酸锂调制器波导过厚，需要高压达到相位推迟的问题，由于薄膜很薄，很小的电压便可以大幅度改变薄膜波导的折射率，达到上下两个干涉臂所需要的π/2光程差，而提高了器件对低电压的响应，大大降低调制电压，调制效果更好；

5、本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，整体采用铌酸锂薄膜结构能够降低器件的传输损耗和插入损耗，同时低的调制电压使器件功耗降低，故该集成光调制器的成本大大降低。

附图说明

图1为本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器的结构示意图；

图2为本发明所述偏振解复用器的结构俯视图；

图3为本发明所述偏振复用器的结构俯视图；

图4为本发明所述IQ调制器的结构示意图；

图5为本发明所述基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器的横截面图；

图6为传统IQ调制器的结构示意图；

图7为本发明所述MZM的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1、图5所示。

一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，包括上电极、下电极、衬底和铌酸锂晶体；铌酸锂晶体上按光路方向依次刻有偏振解复用器、两路并联的IQ调制器和偏振复用器；上电极和下电极分别设置在铌酸锂晶体上表面和衬底下面；所述偏振解复用器和偏振复用器分别为基于MZI的铌酸锂偏振解复用器和基于MZI的铌酸锂偏振复用器。

实施例2

如图2所示。

如实施例1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其区别在于，偏振解复用器包括，通过两个不同长度波导臂连接的第一MMI结构和第二MMI结构，两个波导臂的光程差为π。两个波导臂长度不同，即两者的光程不同，而由于铌酸锂的双折射现象导致T_E、T_M两个偏振态在波导臂中的折射率不同，通过调节波导臂长度，使光程差为π，便可将两个偏振态分离。

实施例3

如图3所示。

如实施例1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其区别在于，偏振复用器包括，通过两个不同长度波导臂连接的第三MMI结构和第四MMI结构，两个波导臂的光程差为π。偏振复用器的结构和基本原理与偏振解复用器类似，是偏振解复用器工作原理的逆过程。偏振复用器将两路经过IQ调制器调制的不同偏振态的光复用为同一束出射光，经过偏振解复用以及偏振复用，使光载波的承载的信息量增加了一倍。传统的偏振解复用器和偏振复用器是基于硅基工艺制作，工艺容差小，且无法将他们与基于铌酸锂的调制器共同制作到同一块铌酸锂晶体上，是制作全铌酸锂薄膜的瓶颈。本发明所述的偏振解复用器和偏振复用器基于铌酸锂的双折射效应，解决了基于硅基的偏振解复用器和偏振复用器不能与基于铌酸锂的调制器不能制成集成光器件的问题。

实施例4

如实施例1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其区别在于，所述铌酸锂晶体为铌酸锂薄膜，偏振解复用器、两路并联的IQ调制器和偏振复用器通过光刻技术刻在铌酸锂晶体表面。

实施例5

如实施例1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其区别在于，所述衬底为SiO₂晶体。

实施例6

如实施例5所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其区别在于，所述衬底为非晶态SiO₂衬底。对于铌酸锂薄膜的生长，衬底材料对铌酸锂薄膜的生长质量有很大影响,从铌酸锂薄膜在光集成或光电集成器件的应用来看，其一般是在异质的衬底上生长，如果用于光波导，需要折射率较小的包覆层，这时可采用非晶SiO₂做衬底。SiO₂衬底电导率较高。

实施例7

如图4、图6所示。

如实施例1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其区别在于，所述IQ调制器包括沿光路方向设置的，基于MMI结构的功分器、并联设置的MZM和Y分叉合波器；基于MMI结构的功分器的两路输出的相位差为π/2。传统的IQ调制器改变相位的方法通常有两种：第一种在其中一条波导臂添加一个π/2相位延迟线的方法使上下两路波导臂具有π/2的相位差，π/2相位延迟线是通过改变上下两路波导臂的长度差控制上下两路波导臂的相位延迟，(经过实验的计算，对于波长为1550nm的光实现π/2的相位延迟大约需要使上下两路铌酸锂波导在0.3微米左右，这在实际制作工艺上很难达到这么高的精度)。第二种是通过加电极改变波导折射率，使上下两路波导臂的光程差改变以达到两路波导臂有π/2相位延迟，但这样会使器件变得更复杂，且有源器件的稳定性远不及无源器件。本发明的入射光通过MMI结构的功分器，输出两束具有π/2相位差的功率减半的光，替代了π/2延迟线的作用，而且MMI结构的工作带宽要比π/2延迟线高很多。

实施例8

如图7所示。

如实施例7所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其区别在于，所述上电极和下电极分别设置在MZM两干涉臂的上表面和衬底下面；上电极包括设置在MZM两干涉臂上表面的正电极和负电极；下电极为零电极。

商用相位调制器的工作波长1525～1575nm，插入损耗2.5～3.0dB,消光比>25dB，回波损耗45dB，半波电压<3.5V。本发明采用的特殊结构的电极，IQ调制器所需的半波电压很小，大大降低IQ调制器所需要的调制电压，在产生更好的调制效果的同时，可以减小器件的功耗及其成本。

实施例9

一种如实施例1-8所述集成光调制器的工作方法，包括步骤如下：

1)偏振态分离：偏振解复用器将入射光分解为两个偏振态光，两个偏振态光分别沿着两个光路进入两路IQ调制器；入射光进入第一MMI结构，经过两个不同的光程，产生π的光程差，经过第二MMI结构获得两个偏振态的光，进而进入IQ调制器进行调制；

2)信号调制：IQ调制器对进入的偏振态光进行调制并输出携带调相信号的光载波，光载波进入偏振复用器；

3)偏振态的合成：偏振复用器将两路光载波复用为同一束光输出。

实施例10

如实施例9所述集成光调制器的工作方法，其区别在于，所述步骤2)中信号调制的方式为QPSK调制方式。

现有技术中，分立元件组合的商用系统，成本在5万元以上，本发明所述的集成光调制器可以降低成本一半以上。