一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器及其工作方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术所述集成光调制器，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。

PM-QPSK integrated optical modulator based on lithium niobate and working method thereof

The invention relates to a PM-QPSK integrated optical modulator based on lithium niobate and a working method thereof. The integrated optical modulator includes an upper electrode, a lower electrode, a substrate and a lithium niobate crystal; lithium niobate crystal on the optical path in turn with polarization demultiplexer, two parallel IQ modulator and polarization multiplexing device; the upper electrode and the lower electrode are respectively arranged in the table below the substrate surface and the lithium niobate crystal; polarization demultiplexing and the polarization multiplexer respectively MZI LiNbO3 polarization demultiplexer and LiNbO3 polarization multiplexer based on MZI based on. The invention of the integrated optical modulator, double refraction effect is made based on lithium niobate LiNbO3 polarization demultiplexer and polarization multiplexing, change the past on silicon fabrication of polarization multiplexing of traditional silicon polarization, the polarization demultiplexer and multiplexer and a IQ modulator integrated with a crystal based on the variance of the process far; less than silicon process.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
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TE、TM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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器。本专利技术还提供一种上述集成光调制器的工作方法。专利技术概述：本专利技术所述基于铌酸锂的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。本专利技术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。本专利技术的技术方案为：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TE、TM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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的入射光通过MMI结构的功分器，输出两束具有π\本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于铌酸锂的PM‑QPSK集成光调制器，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的PM-QPSK集成光调制器，其特征在于，所述衬底
为非晶态SiO2衬底。
6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：季伟，尹锐，王军宝，公姿苏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37