基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器制造技术

本发明专利技术公开一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，针对现有的电光调制器存在的插入损耗大、稳定性差的问题，本发明专利技术的调制器包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极；利用铌酸锂的电光效应，根据薄膜铌酸锂波导中传播的光场的相位改变，或器件整体模场分布的改变，实现最终输出光信号强度的调制，本发明专利技术的在线调制器具备器件体积小、性能稳定的优点。

A novel optical fiber on-line modulator based on lithium niobate film

【技术实现步骤摘要】
基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器
本专利技术属于光通信领域，特别涉及一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器的结构及其功能实现。
技术介绍
在信息爆炸的时代，大数据、物联网、人工智能等技术逐渐渗透到人们的生活中，信息业务的多样性和复杂性使得对通信系统的传输速度和容量要求越来越高。光纤通信以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信，已成为世界通信中的主要传输方式。光纤通信系统主要由传输和交换两部分组成。光纤因为传输损耗低、抗电磁干扰能力强、成本低和通信容量大等优点，已经成为现阶段通信系统中一种重要的传输媒介；而电光调制器作为高速光纤通信系统中完成电光转换，进而实现信息加载的关键器件，对光通信系统的传输质量起着重要的作用。随着光纤网络的普及以及向高速大容量的方向发展，也要求网络中的关键器件--电光调制器具备紧凑、高速、低插损的高性能特性。但传统的电光调制器体积大、插损偏高、成本昂贵等因素限制了其应用，因而将具有大电光系数的铌酸锂薄膜集成到光纤上，实现全光纤结构的调制装置，进而实现光纤调制器微型化、集成化，对光纤通信系统的进一步发展有着重要的意义。通常光纤调制器的调制机理可分为两种类型，第一种调制机理是通过端部分离、倾斜偏差、光纤的横向偏移等物理方法中断光路；第二种调制机理是将吸收或者电光材料插入光路构成调制介质，这类材料主要有石墨烯和电光聚合物。这其中，石墨烯因其独特的性能而受到科研工作者的广泛关注。2014年，韩国亚洲大学的EunJungLee等人于在NatureCommunications上报道了制作于D型光纤平台上的采用液态离子浆的石墨烯场效应晶体管电吸收调制器，该器件可实现0.8dB的插入损耗，90％的调制深度，及小于5V的工作电压，但其实验测量的调制带宽仅有30.9MHz。之后，在2019年，中国北京大学的KeChen等人在NaturePhotonics上报道了石墨烯与光子晶体光纤结合的基于液态离子浆的石墨烯电吸收调制器，该项工作创新性地使用CVD技术直接在光子晶体光纤上制作了半米长的石墨烯，器件的工作电压小于2V，可实现20dB/cm的调制深度，但其传输损耗高达6dB/cm，且开关调制速度仅16Hz。以上报道的两种典型的石墨烯电吸收型光纤在线调制器均存在调制带宽(速度)远远不能满足光通信需求的缺点，这也正是目前光纤调制器普遍存在的问题。铌酸锂晶体具有高电光系数和优良的光学特性，是实现传统电光调制器的首选材料。而铌酸锂薄膜材料相比于传统体材料型铌酸锂晶片，具有可实现高折射率差的小尺寸光波导，对光子束缚效果好的优点。尽管已有一些平面光波导型铌酸锂薄膜电光调制器的工作报道，但是这些调制器在应用时都存在较大的光纤-铌酸锂薄膜波导端面耦合损耗，不利于器件应用。目前已报道的电光调制器主要有三个方面的局限：首先，传统的基于铌酸锂晶片的平面光波导型电光调制器存在尺寸较大，不利于多个器件的单片集成，插入损耗偏大的缺点；其次，目前提出的铌酸锂薄膜型电光调制器存在较大的光纤-波导间耦合损耗，导致器件插损过大，不利于应用；最后，目前提出的基于石墨烯的电吸收型光纤调制器存在带宽较小，稳定性差等问题，还不能满足实际系统的应用要求。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，不仅在结构上更加紧凑，性能稳定，并且其插入损耗低、与光纤系统的兼容性好。本专利技术采用的技术方案为：一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极。进一步地，所述调谐电极包括第一电极、第二电极，所述薄膜铌酸锂波导在去除部分包层的平面上沿与纤芯纵轴平行的方向布置，所述第一电极与第二电极分别位于薄膜铌酸锂波导两侧。更进一步地，所述薄膜铌酸锂波导位于纤芯正上方。进一步地，所述薄膜铌酸锂波导布置于偏离纤芯正上方轴线一定距离的位置。进一步地，所述薄膜铌酸锂波导为马赫-曾德尔干涉仪(MZI，Mach–Zehnderinterferometer)结构，MZI结构的上臂与下臂在去除部分包层的平面上对称分布于纤芯正上方轴线两侧，所述调谐电极包括第一电极、第二电极以及第三电极，所述第一电极布置于MZI结构的上臂与下臂内侧，所述第二电极布置于MZI结构的上臂外侧，所述第三电极布置于MZI结构的下臂外侧。在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极的方法，包括：S1、对调制区的传输光纤通过打磨抛光的方式去除一定厚度的包层，得到抛光面；S2、在抛光面上键合铌酸锂薄膜；S3、采用光刻工艺制作出薄膜铌酸锂波导图案；S4、根据步骤S3的波导图案利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成矩形波导；S5、在波导两边制备出调谐电极。在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极的方法，包括：M1、对调制区的传输光纤通过打磨抛光的方式去除一定厚度的包层，得到抛光面；M2、在抛光面上键合铌酸锂薄膜；M3、采用光刻工艺制作出薄膜铌酸锂波导图案；M4、根据步骤S3的波导图案利用感应耦合离子束刻蚀的方法形成MZI结构波导；M5、在MZI结构波导两臂内侧及两臂各自的外侧制备出调谐电极。本专利技术的有益效果：本专利技术通过将一根传输光纤分为三个部分，依次作为输入光纤、调制区以及输出光纤；并将调制区的传输光纤去除部分包层，在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极，构造了一种新型的光纤调制器，该器件不仅体积小、性能稳定，并且避免了传统电光调制器尤其是平面光波导型薄膜调制器面临的光纤与波导间较大的端面耦合损耗，从而降低了器件的插入损耗，便于应用到微波光子系统与光通信系统中；本专利技术具备以下优点：1、位于纤芯正上方的薄膜铌酸锂波导，利用铌酸锂的电光效应，通过调节电极上施加的电压，控制薄膜铌酸锂波导的折射率，从而控制进入薄膜铌酸锂波导中的光信号量，达到调制输出光信号强度的效果；2、通过设计的薄膜铌酸锂波导具有不同的几何尺寸，使得在输入端纤芯中的光场能量按照特定的比例耦合进入薄膜铌酸锂波导中，通过调节电极上所施加的电压，控制薄膜铌酸锂波导中传播光场的相位，利用干涉的原理，达到调制输出光信号强度的效果；3、通过将薄膜铌酸锂波导制做为MZI结构，两支路中传输的光场的相位分别受到调谐电极的调控，两支路中的光场在MZI结构的末端发生干涉，达到调制输出光信号强度的效果。附图说明图1为本专利技术中基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器的第一种基本结构示意图。图2为本专利技术中调制区域的简单横切面图。图3是未施加调制电压时，光纤中光信号的传输模拟结果。图4是施加调制电压时，光纤中光信号的传输模拟结果。图5为本专利技术中基于薄膜铌酸锂波导的新型光纤在线调制器的第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极。


2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述调谐电极包括第一电极、第二电极，所述薄膜铌酸锂波导在去除部分包层的平面上沿与纤芯纵轴平行的方向布置，所述第一电极与第二电极分别位于薄膜铌酸锂波导两侧。


3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导位于纤芯正上方。


4.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导布置于偏离纤芯正上方轴线一定距离的位置。


5.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，其特征在于，所述薄膜铌酸锂波导为MZI结构，MZI结构的上臂与下臂在去除部分包层的平面上对称分布于纤芯正上方轴线两侧，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈开鑫，兰涛明，王梦柯，李俊慧，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51