阅读说明：本技术 慢波匹配结构薄膜型电光调制器 (Slow wave matching structure film type electro-optical modulator ) 是由 熊兵 刘学成 罗毅 孙长征 郝智彪 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种慢波匹配结构薄膜型电光调制器,包括：Y分支输入波导、Y分支输出波导和光子晶体线缺陷波导组成的光波导结构以及渐变型周期容性负载电极组成的微波共面波导结构。其中,光子晶体线缺陷波导通过引入线缺陷限制处在禁带区域的光场,通过对光子晶体线缺陷波导的目标排光子晶体晶格施加目标位移,以调控光波群速度和/或获得宽谱慢光,并且增强电光相互作用以降低半波电压；渐变型周期容性负载电极用于减慢微波波速使之与光波群速度匹配从而获得大带宽,感性区到容性区的渐变结构用于降低微波反射,进一步提升高频特性。光波导结构由高介电常数绝缘体电光材料薄膜制得；渐变型周期容性负载电极结构采用高电导率金属材料制得。(The invention discloses a film type electro-optic modulator with a slow wave matching structure, which comprises: the microwave coplanar waveguide structure comprises an optical waveguide structure consisting of a Y-branch input waveguide, a Y-branch output waveguide and a photonic crystal line defect waveguide, and a microwave coplanar waveguide structure consisting of a graded period capacitive load electrode. The photonic crystal line defect waveguide limits an optical field in a forbidden band region through introducing line defects, applies target displacement to a target row photonic crystal lattice of the photonic crystal line defect waveguide to regulate and control the optical wave group speed and/or obtain wide-spectrum slow light, and enhances electro-optic interaction to reduce half-wave voltage; the gradual change type periodic capacitive load electrode is used for slowing down the microwave wave speed to enable the microwave wave speed to be matched with the light wave group speed, so that a large bandwidth is obtained, the gradual change structure from the inductive area to the capacitive area is used for reducing microwave reflection, and the high-frequency characteristic is further improved. The optical waveguide structure is made of a high-dielectric-constant insulator electro-optic material film; the gradual-change type periodic capacitive load electrode structure is made of a high-conductivity metal material.)

慢波匹配结构薄膜型电光调制器

技术领域

本发明涉及低半波电压、超高速马赫增德尔电光调制器技术领域，特别涉及一种慢波匹配结构薄膜型电光调制器。

背景技术

光纤通信是现代通信的主要支柱之一。随着数据通信业务的爆炸增长，人们对于通信的带宽提出了越来越高的要求，当前光纤通信系统单波长带宽正从2.5Gb/s、10Gb/s向更高带宽迈进。把信息加载到激光上分为内调制和外调制。内调制引起的啁啾较大，由于光纤的色散作用限制了它的传输距离，此外调制带宽也不高。外调制主要有电吸收型幅度调制器和电光型相位调制器，电吸收调制器固有损耗大，光生载流子引起调制电场的屏蔽效应容易造成调制器的饱和，而且只有幅度改变难以应用于高级调制格式；电光调制器所用材料主要有铌酸锂、有机聚合物和半导体等，他们都无法同时满足现代通信要求的大带宽、低半波电压、低插入损耗、小型化和集成化；而薄膜铌酸锂材料是通过离子切片和键合工艺制备而成，在电光调制器方面有巨大的潜力。

相关技术中，薄膜铌酸锂调制器普遍采用行波电极结构，但是相关技术中的薄膜铌酸锂调制器半波电压和带宽存在矛盾，要想降低器件半波电压需要增加器件的长度，这会增大高频信号的损耗，从而降低器件的带宽，有待解决。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种慢波匹配结构薄膜型电光调制器，该调制器在大大增加电光相互作用的同时实现大带宽，有望在很小的器件长度上实现低半波电压以及超高带宽，简单易实现。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种慢波匹配结构薄膜型电光调制器，包括：Y分支输入波导和Y分支输出波导；光子晶体线缺陷波导，用于通过引入线缺陷限制处在禁带区域的光场，并通过对所述光子晶体线缺陷波导的目标排光子晶体晶格施加目标位移，以调控光波群速度和/或获得宽谱慢光，其中，所述Y分支输入波导、所述Y分支输出波导与所述光子晶体线缺陷波导均由高介电常数绝缘体电光材料薄膜制得，典型的如薄膜铌酸锂。

本发明实施例的慢波匹配结构薄膜型电光调制器，基于薄膜铌酸锂/钽酸锂材料体系，利用周期容性负载电极和慢波光波导结构，实现微波慢波和光波慢波的速度匹配，增强电光相互作用以降低半波电压，渐变型周期容性负载电极用于减慢微波波速使之与光波群速度匹配从而获得大带宽，感性区到容性区的渐变结构用于降低微波反射，进一步提升高频特性，从而在大大增加电光相互作用的同时实现大带宽，最终获得大带宽、低半波电压的电光调制器。

另外，根据本发明上述实施例的慢波匹配结构薄膜型电光调制器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述高介电常数绝缘体电光材料薄膜包括：钙钛矿(ABO₃)型晶体，典型的如铌酸锂(LiNbO₃)晶体(相对介电常数28)和钽酸锂(LiTaO₃)晶体(相对介电常数44)；KDP型晶体，典型的有磷酸二氢钾(KH2PO4)晶体(相对介电常数20)；闪锌矿型晶体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述高介电常数绝缘体电光材料薄膜的微波相对介电常数大于20。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光子晶体线缺陷波导为空气孔或介质孔型光子晶体线缺陷波导。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述调制器采用周期容性负载电极结构，其中，所述周期容性负载电极结构根据慢波的需求渐变加载T型电极。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，在主电极区和T型电极区加入过渡结构。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述过渡结构采用线性、弧形或者满足预设条件的函数曲线以进行非加载区感性到加载区容性的过渡。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：控制器，通过对工作光波长进行微调来调整慢光群速度使之与靠近布拉格边界的微波相速度进行匹配，从而获得更大的调制器带宽。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的慢波匹配结构薄膜型电光调制器的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的G-S-G电极结构示意图；

图3为根据本发明实施例的新型渐变结构的效果示意图；

图4为根据本发明第一实施例的慢波匹配结构薄膜型电光调制器的结构示意图；

图5为根据本发明第一实施例的光子晶体波导色散曲线图与宽谱慢光区域示意图；

图6为根据本发明第一实施例的在优化慢波电极参数下得到的有效折射率曲线以及归一化频率响应示意图；

图7为根据本发明第二实施例的慢波匹配结构薄膜型电光调制器的结构示意图；

图8为根据本发明第二实施例的光子晶体波导色散曲线图与宽谱慢光区域示意图；

图9为根据本发明第一实施例的在优化慢波电极参数下得到的有效折射率曲线以及归一化频率响应示意图；

图10为根据本发明第三实施例的将波导结构换成光栅波导慢波结构示意图；

图11为根据本发明第四实施例的将波导结构换成弯曲波导慢波结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现做出的：

根据背景技术记载可知，目前报道的薄膜铌酸锂调制器存在性能的理论极限，针对这个问题，本发明实施例采用光波慢波结构以及微波慢波结构匹配的方法，提出了一种基于薄膜铌酸锂的慢波匹配结构电光调制器，有望在很小的器件长度上实现低半波电压以及超高带宽。

本发明实施例采用光慢波波导结构的目的在于：光学慢波结构可以增强电光效应，其增强因子为其中为体材料的光波群速度，为慢波波导中的光波群速度。

但是目前报道的光子晶体电光调制器一般使用硅基材料，采用集总电极结构，它的带宽受到了光波渡越时间以及RC时间常数的限制，无法满足大带宽的需求。在这里本发明实施例采用薄膜铌酸锂/钽酸锂平台，使用行波电极结构。它的优势在于：铌酸锂电光系数很高，在通信波长1550nm下的电光系数可以达到29pm/v；其次，铌酸锂的微波介电常数很高(～28)，配合周期容性负载电极容易实现微波与光波慢波的速度匹配；采用薄膜铌酸锂材料易于制作光子晶体线缺陷波导等慢波结构，增强对光的限制；而且铌酸锂是一种绝缘体，其上制作的周期容性负载电极结构负载电极间不需要电隔离。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的慢波匹配结构薄膜型电光调制器。

图1是本发明一个实施例的慢波匹配结构薄膜型电光调制器的结构示意图。

如图1所示，该慢波匹配结构薄膜型电光调制器包括：Y分支输入波导、Y分支输出波导和光子晶体线缺陷波导。

其中，光子晶体线缺陷波导，用于通过引入线缺陷限制处在禁带区域的光场，并通过对光子晶体线缺陷波导的目标排光子晶体晶格施加目标位移，以调控光波群速度和/或获得宽谱慢光(慢光群折射率n_g>体材料光群折射率n_bulk)，其中，Y分支输入波导、Y分支输出波导与光子晶体线缺陷波导均由高介电常数(微波相对介电常数大于20)绝缘体电光材料薄膜制得。本发明实施例的调制器在大大增加电光相互作用的同时实现大带宽，有望在很小的器件长度上实现低半波电压以及超高带宽，简单易实现。

可以理解的是，本发明实施例的调制器包括Y分支输入波导、Y分支输出波导和光子晶体线缺陷波导组成的光波导结构以及渐变型周期容性负载电极组成的微波共面波导结构。光子晶体线缺陷波导通过引入线缺陷限制处在禁带区域的光场，通过对光子晶体线缺陷波导的目标排光子晶体晶格施加目标位移，以调控光波群速度和/或获得宽谱慢光，并且增强电光相互作用以降低半波电压；渐变型周期容性负载电极用于减慢微波波速使之与光波群速度匹配从而获得大带宽，感性区到容性区的渐变结构用于降低微波反射，进一步提升高频特性。Y分支输入波导、Y分支输出波导与光子晶体线缺陷波导均由高介电常数绝缘体电光材料薄膜制得；渐变型周期容性负载电极结构采用高电导率金属材料制得。

其中，所述高介电常数绝缘体电光材料薄膜主要包括：钙钛矿(ABO₃)型晶体，典型的如铌酸锂(LiNbO₃)晶体(相对介电常数28)和钽酸锂(LiTaO₃)晶体(相对介电常数44)；KDP型晶体，典型的有磷酸二氢钾(KH2PO4)晶体(相对介电常数20)；闪锌矿型晶体。

具体而言，如图1所示，其中，图1(a)为器件整体结构俯视图，主要有以下几部分构成：Y分支输入波导和Y分支输出波导，光子晶体线缺陷波导，这些光波导结构是基于铌酸锂/钽酸锂薄膜材料体系的。光子晶体线缺陷波导采用空气孔型光子晶体，通过引入线缺陷来实现对处在禁带区域的光场限制。其中，空气孔可以采用低介电常数材料如二氧化硅填充的方式。通过对第n排光子晶体晶格施加位移X_n来实现对光波群速度的调控以及获得宽谱慢光。

进一步地，在本发明的一个实施例中，调制器采用周期容性负载电极结构，其中，周期容性负载电极结构根据慢波的需求渐变加载T型电极，在主电极区和T型电极区加入过渡结构，过渡结构采用线性、弧形或者满足预设条件的函数曲线以进行非加载区感性到加载区容性的过渡。

具体而言，电极结构采用G-S-G电极并联推挽形式，与传统G-S-G电极结构如图2(a)不同的是，本发明采用新型周期容性负载电极结构，所谓周期容性负载电极结构图2(b)是指：在传统G-S-G电极结构的基础上周期加载T型电极，在信号线与地线间距较大的时候，T型电极的存在实现了更好的电场加载，同时减小了沿传输线的传导电流，降低了微波损耗。而且周期容性负载电极结构可以实现微波慢波传输，以实现与光波群速度的匹配。

但是传统的容性负载电极随着波速减慢，反射随之增加，很大程度上影响器件的高频特性。其反射主要来源于加载区与未加载区的阻抗失配，为此本发明实施例设计了渐变加载T型电极的周期容性负载电极结构图2(c)来适应本发明实施例的方案对于慢波的需求，其特点是在主电极区和T型电极区加入过渡结构，其线型可以是线性、弧形或者其他函数曲线来实现非加载区感性到加载区容性的过渡。其得到的效果如图3所示，本发明实施例采用新型渐变结构减小电极反射10dB以上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的调制器还包括：控制器。其中，控制器，通过对工作光波长进行微调来调整慢光群速度使之与靠近布拉格边界的微波相速度进行匹配，从而获得更大的调制器带宽。

具体而言，为了获得进一步的微波慢波，本发明实施例利用微波折射率在靠近微波布拉格频率附近增大的特点，在靠近微波布拉格频率的区域进行光波与微波的速度匹配从而进一步提升器件带宽。

下面将通过具体实施例对慢波匹配结构薄膜型电光调制器进行进一步阐述。

实施例一

采用衬底材料为铌酸锂的铌酸锂薄膜，使用三角晶格空气孔型铌酸锂光子晶体波导，靠近波导两侧的第一排空气孔分别向相反两个方向位移deta，孔周期和半径参数见图和表格；在电极方面采用加载区椭圆弧形渐变的周期容性负载结构，其主要参数和整体器件截面尺寸如图4和表1所示。

表1

在优化光波导参数下得到的光子晶体波导色散曲线图5左侧所示，可以构建出如图5右侧所示的宽谱慢光区域，其对应的光波群折射率为6。

在优化慢波电极参数下得到的有效折射率曲线以及归一化频率响应如图6所示，微波折射率在高频区域逐渐增大，在整体器件长度2mm、T型电极间距3um下，通过优化参数实现150GHz处的微波有效折射率为6，即和光波群折射率匹配，可以实现>160GHz的器件带宽。估算的半波电压为2V。

实施例二

采用衬底材料为铌酸锂的铌酸锂薄膜，三角晶格空气孔使用二氧化硅填充实现光子晶体线缺陷波导，靠近波导两侧的第一排空气孔分别向相反两个方向位移deta，孔周期和半径参数见图和表格；在电极方面采用加载区椭圆弧形渐变的周期容性负载结构，其主要参数和整体器件截面尺寸如图7和表2所示。

表2

在优化光波导参数下得到的光子晶体波导色散曲线图8左侧所示，同样可以构建出如图8右侧所示的宽谱慢光区域，其对应的光波群折射率为6。

在优化慢波电极参数下得到的有效折射率曲线以及归一化频率响应如图9所示，微波折射率在高频区域逐渐增大，在整体器件长度2mm、T型电极间距3um下，通过优化参数实现150GHz处的微波有效折射率为6，即和光波群折射率匹配，可以实现>160GHz的器件带宽。估算的半波电压为2V。

实施例三：如图10所示，可以将以上实施例当中的波导结构换成光栅波导慢波结构。

实施例四：如图11所示，可以将以上实施例当中的波导结构换成弯曲波导慢波结构。

实施例五：将以上实施例中制备光波导的材料改成钽酸锂。

综上，本发明实施例提出的慢波匹配结构薄膜型电光调制器，基于高介电常数绝缘体电光薄膜材料体系，利用周期容性负载电极和慢波光波导结构，实现微波慢波和光波慢波的速度匹配，增强电光相互作用以降低半波电压，渐变型周期容性负载电极用于减慢微波波速使之与光波群速度匹配从而获得大带宽，感性区到容性区的渐变结构用于降低微波反射，进一步提升高频特性，从而在大大增加电光相互作用的同时实现大带宽，最终获得大带宽、低半波电压的电光调制器。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。