[發明專利]多層介質波導調制器設計

無效

• 申請號: 201010280849.0
• 申請日: 2010-09-14
• 公開（公告）號: CN101980070A
• 公開（公告）日: 2011-02-23
• 發明（設計）人: 張曉霞;黃春陽;劉宏明;文玥;朱燕;沈杰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02F1/035
• 分類號: G02F1/035;G02B6/122
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

基于多層介質波導調制器設計，屬于光通信技術領域，涉及集成光學和光波導技術。

背景技術

聚合物電光調制器的特點就是調制速率大、調制頻率高、驅動電壓低以及價格低廉，盡管還沒有得到大規模的商業應用，但是其潛在的應用范圍非常廣泛。隨著因特網技術的迅速發展，人們對于通訊網絡的帶寬要求越來越高，尤其是要求能夠實時地傳送多媒體業務更加重了網絡通訊帶寬的壓力，例如臺式電視會議、適合商業和教學目的的帶圖像要求的多媒體業務，正在對遠距離的通訊網絡帶寬形成按指數增加的要求。在1.3微米和1.55微米通訊窗口，一根單模光纖的潛在帶寬能力是10THz，摻鉺光纖放大器(EDFA)平坦響應的帶寬也可以達到幾個THz量級，因此通訊的瓶頸在于電光信號的轉換上。另外從傳輸速率上講目前的通訊系統的傳輸速率在幾個到幾十GHz/s，不久的將來要求Tbit/s量級的傳輸速率。而聚合物電光調制器的高速、寬帶、低驅動電壓的特點使得它特別適合于現代的高速大容量長途骨干通訊網中電光信號轉換、光路的切換等，如圖1.1所示。而且Mach-Zehnder結構的聚合物電光調制器無頻率啁啾，因而也特別適合于WDM系統。因此聚合物電光調制器將成為未來信息高速公路最重要的硬件之一。

隨著通信技術的飛速發展，尤其在微波光通信領域，信號頻率的增加，調制器必須具有高速、寬帶寬、低損耗等特性。微波光調制的本質是微波電場引起光波導材料的電致折射率改變，光場經過波導時將產生相位、振幅或頻率的變化，實現微波信號的光調制。微波與光波相互作用的理想條件是光波導對微波和光波所呈現的折射率相等，即達到速率匹配。目前應用較廣泛的是基于LiNbO₃晶體材料制作的調制器，LiNbO₃等有機材料的介電常數比較大，無機波導中微波與光波頻段間存在固有的速率失配，限制了帶寬。聚合物電光調制器的主要研究方向是如何增大調制帶寬，影響調制帶寬的主要因素是光載波的速率是否能夠和微波的速率相匹配，同時器件的阻抗可以近似為理想的50Ω。傳統的調整速率匹配的方法主要是對調制器的結構進行優化設計，包括波導結構的設計和電極的設計。

發明內容

本發明要解決的主要問題是采用在傳統微帶線電極上方添加一層補償層，形成一種新的多層波導結構，選擇恰當的補償層材料，適當的調整補償層的厚度，使其聚合物電光調制器可以同時達到微波和光波的速率匹配以及阻抗匹配，以實現具有超寬帶特性的高速電光調制器。

本方法首先運用有效折射率法對脊波導的三維結構進行設計，再利用惠勒變換對多層結構的電極進行分析設計。采用有機聚合物CLD-1/APC作為電光材料，λ＝1.55μm時折射率為1.612，微波頻段介電常數為3.0；上包層材料為UFC-170，λ＝1.55μm時折射率為1.488，介電常數為2.5；下包層材料為UV-15，λ＝1.55μm時折射率為1.504，介電常數為2.5；襯底材料為SiO₂。

脊波導和微帶電極的設計過程如下：

1.結合有效折射率法和單模傳輸條件，在不同脊高、脊寬和芯層材料厚度條件下，計算光波有效折射率，考察其變化范圍；

2.利用惠勒變換對多層結構的電極進行分析，在不同的電極寬度、電極厚度和所添加補償層的厚度下，計算微波的有效折射率，考察其變化范圍；

3.結合步驟1和2的結果，得到一組光波有效折射率與微波等效折射率相同的結構參數。

本發明的有益效果：

1.實現了光速與微波的速率匹配。

2.實現微帶電極阻抗接近理想值50Ω。

附圖說明

圖1：多層介質波導調制器的剖面結構圖，1速率補償層，2上包層，3芯層，4下包層，5襯底，6上層微帶電極，7地電極

具體實施方式

本發明提出的一種基于多層介質波導調制器設計，其結構如圖1所示。上包層2材料通常為UFC-170，中間芯層材料通常為CLD-1/APC，調節脊形尺寸使得波導工作在單模條件下，下包層4材料通常為UV-15，基底一般采用SiO2，電極材料一般采用Au。當沒有1層速率補償層時，依據電極仿真結果，特征阻抗能達到接近50歐的范圍，但微波等效折射率還遠小于光波有效折射率，也就是說阻抗匹配能夠達到，但是還沒有達到速率匹配的目標。為了同時達到速率和阻抗匹配，將微帶電極做一個改進，在上電極上加一層速率補償層。

被調微波信號加載到上層電極6上，調制光波信號沿波導芯層3傳輸，在他們的重疊區域發生作用，產生調制信號。在上電極上加一層速率補償層時，能通過調整其微波等效折射率來實現微波有效折射率和光波有效折射率的匹配，從而實現高速率寬帶寬的電光調制器。