分布式光强调制器
技术领域
本申请涉及光调制技术领域，具体而言，涉及一种分布式光强调制器。
背景技术
高速电光调制有非常广泛和重要的应用，比如光通信、微波光电子、激光束偏转、波前调制等。电光调制器是利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体(LiNb03)、砷化稼晶体(GaAs)和钽酸锂晶体(LiTa03)的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。
然而，在对光调制过程中，难以同时实现低驱动电压和高调制带宽调制。
实用新型内容
本申请的主要目的在于提供一种分布式光强调制器以实现低驱动电压和高调制带宽的调制。
基于此，本申请实施例提供了一种分布式光强调制器，包括：衬底，以及设置在所述衬底上的顺次连接的分光元件、光波导、合光元件；驱动电极，设置在所述衬底上，包括多个间隔排布的子驱动电极；所述光波导顺次穿过所述子驱动电极；至少一个电压偏置电极，至少部分与所述子驱动电极间隔设置。
可选地，所述驱动电极为共面波导结构。
可选地，所述子驱动电极上被施加相同的电信号。
可选地，相邻所述子驱动电极上被施加的电信号具有延时，其中，延时的时长为光信号从上一子驱动电极起始端传输至相邻的下一子驱动电极的起始端所需的时长。
可选地，所述光波导包括多个调制部和连接在所述调制部之间的多个弯曲部，其中，所述弯曲部的弯曲方向朝向与所述弯曲部连接的上一调制部。
可选地，所述调制部包括第一子调制部和第二子调制部，其中所述第一子调制部和所述第二子调制部内部的光传播方向相反。
可选地，所述第一子调制部穿过所述子驱动电极和/或所述电压偏置电极；所述第二子调制部穿过所述电压偏置电极和/或所述子驱动电极。
可选地，所述第一子调制部与所述第二子调制部平行，所述第一子调制部和所述第二子调制部内的光信号传播方向相反。
可选地，所述电压偏置电极包括：电压偏置电极，被施加偏置电压，以及位于所述电压偏置电极两侧的第一接地电极和第二接地电极；所述驱动电极包括：驱动信号电极，被施加驱动信号，以及位于所述驱动信号电极两侧的第三接地电极和第四接地电极。
可选地，所述光波导包括第一调制臂和第二调制臂，其中，所述第一调制臂穿设于所述电压偏置电极和所述第一接地电极之间，且穿设于所述驱动信号电极和第三接地电极，所述第二调制臂穿设于所述电压偏置电极和所述第二接地电极之间，且穿设于所述驱动信号电极和第四接地电极之间。
本申请具有如下有益效果：
将驱动电极设置为分布式的驱动电极，由于驱动电极为分布式的，每个部分的驱动电极长度远小于等效的传统此类调制器的总长度，同时每个部分的驱动信号电压也远小于在等效的传统调制器的驱动信号电压。每个部分的驱动电极中，光信号的传播会和电信号的可以达到近似同步传播甚至传播同步。最小化了光电信号之间的走离现象，提高了调制带宽的上限。同时由于驱动电极由传统的一段式驱动电极变为分布式的多段驱动电极，每一个电极上所需要施加的驱动电压也大大减小。利用电压偏置电极设置在各个子驱动电极之间，电压偏置电极与各个子驱动电极上被施加的电信号不同，且，各个电压偏置电极均包括有地线，因而可以作为屏蔽子驱动电极之间的串扰的防串扰装置，因此，可以同步提高调制带宽和减小驱动电压的同时，可以使得调制器既减少零点漂移现象又防止由于在提高调制带宽和减小驱动电压时带来的子驱动电极之间的串扰问题，因而，大大提高的光调制器的调制性能。
各个子驱动电极上被施加的电信号相同，相同的电信号被施加于每一部分的驱动电极上，这等同于在电信号沿每一部分驱动电极传播时，重置了电信号，极大地降低了电信号的损失，大幅提高了调制效率。接地线组分别设置在子驱动电极之间，其中，具有相同光信号传播方向的平行部上设置有所述子驱动电极，在与设置子驱动电极的平行部的光信号传播方向相反的平行部上设置接地线组，能够大大降低子驱动电极之间的串扰。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的分布式光强调制器示意图；
图2是根据本申请实施例的分布式光强调制器局部剖面示意图；
图3是根据本申请实施例的另一分布式光强调制器示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如背景技术所述，驱动电压和调制带宽之间往往需要取舍。电光效应在电光介质中通常较弱，所以低驱动电压需要足够长的波导来累计产生足够电光效应。然而申请人经研究发现，光波和驱动电信号之间存在群速度失配，经过长距离传输会产生严重的光波-驱动电信号走离(walk-off)现象，严重限制了调制带宽。此外，长的光波导还需要长的驱动电极，由于电极材料的电阻损耗，导致了较大的微波驱动信号传播损失，最终也限制了进一步降低驱动电压的可能。这一严重的设计上的取舍问题几乎存在于所有基于行波的光电调制器，严重限制了器件的性能。
铌酸锂调制器在理想情况下，不加电压和加电压分别代表输出光强最大和最小，即信号1和0。但是铌酸锂材料自身的材料特性，即使在没有外加电压的情况，马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的两臂也有相位差，致使不加电压和加电压下输出光强都是介于最大和最小中间的值，这就是零点电压漂移现象。同时随着带宽的增加，多信号之间的串扰问题的变的越来越显著。最终均会导致难以继续降低驱动电压。
基于申请人的研究发现，本实用新型实施例提供了一种分布式光强调制器，如图1所示，该光调制器包括：衬底60，以及设置在所述衬底60上的顺次连接的分光元件10、光波导20、合光元件30；驱动电极40，设置在所述衬底60上，包括多个间隔排布的子驱动电极41，所述光波导40顺次穿过所述子驱动电极41；至少一个电压偏置电极50，电压偏置电极50中的至少部分数量的电压偏置电极50与子驱动电极41间隔设置，具体的，两个子驱动电极 41之间可以设置至少一个电压偏置电极50，并且，电压偏置电极50与子驱动电极41的设置顺序可以为任意顺序。
由于光波和驱动电信号之间存在群速度失配，经过长距离传输会产生严重的光波-驱动点信号走离现象，严重限制了驱动电压和带宽。因此，在本实施例中将驱动电极40设置为分布式的驱动电极40，由于驱动电极40为分布式的，每个子驱动电极41的长度远小于调制器的总长度，在每个子驱动电极41中，光信号的传播会和电信号的可以达到近似同步传播甚至同步传播。最小化了光电信号之间的走离现象，提高了在较高的调制带宽的上限，并且，由于铌酸锂调制器在存在零点漂移现象，在子驱动电极41之间设置电压偏置电极50，在电压偏置电极50上施加偏置电压，以调制调制臂上的相位差。随着调制带宽的增加，多信号之间的串扰问题的变的越来越显著，在驱动电极40包括多个间隔排布的子驱动电极41时，串扰问题不仅存在于通道之间的信号，也存在于各个子电极的每一个电极之间，本实施例中利用电压偏置电极50设置在各个子驱动电极41之间，电压偏置电极50与各个子驱动电极 41上被施加的电信号不同，且，各个电压偏置电极50均包括有底线，因而可以作为屏蔽子驱动电极41之间的串扰的防串扰装置，因此，可以同步提高调制带宽和减小驱动电压的同时，可以使得调制器既减少零点漂移现象又防止由于在提高调制带宽和减小驱动电压时带来的子驱动电极41之间的串扰问题，因而，大大提高的光调制器的调制性能。
作为示例性的实施例，光调制器可以为铌酸锂晶体(LiNb03)光调制器、砷化稼晶体(GaAs)光调制器或钽酸锂晶体(LiTa03)光调制器。在本实施例中，以铌酸锂晶体光调制器为例进行说明。如图2所示光调器局部刨面图，光波导20、驱动电极40位于衬底60表面，在衬底60和光波导20、驱动电极40之间还可以设置有键合层70。
作为示例性的实施例，所述电压偏置电极50包括：电压信号电极，被施加偏置电压，以及位于所述电压偏置电极两侧的第一接地电极和第二接地电极；所述驱动电极包括：驱动信号电极，被施加驱动信号，以及位于所述驱动信号电极两侧的第三接地电极和第四接地电极。所述光波导20包括第一调制臂24和第二调制臂25，其中，所述第一调制臂24穿设于所述电压偏置电极和所述第一接地电极之间，且穿设于所述驱动信号电极和第三接地电极，所述第二调制臂25穿设于所述电压偏置电极和所述第二接地电极之间，且穿设于所述驱动信号电极和第四接地电极之间。
作为示例性的实施例，分光元件10可以采用Y分支分束光波导，合光元件30可以采用Y分支合束光波导，分光元件10一端连接单模光纤，用于光信号输入，另一端与的Y分支分别于第一调制臂24和第二调制臂25连接，合光元件30一端的Y分支分别于第一调制臂24和第二调制臂25连接，另一端连接单模光纤用于光信号输出，具体的，输入光信号经过一段单模光纤后在一个Y分支处被分成相等或相似的两束，分别通过第一调制臂24和第二调制臂25传输，第一调制臂24和第二调制臂25是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第2个Y分支处产生相位差。若两束光信号的光程差是波长的整数倍，两束光信号相干加强；若两束光信号的光程差是波长的1/2，两束光信号相干抵消，调制器输出很小。因此通过控制驱动电极40上的电信号的电压就能对光信号进行调制。
作为示例性的实施例，所述驱动电极40包括N个沿所述光波导20间隔排布的子驱动电极41，其中，N≥2。如图1所示。驱动电极40被分为N个部分，每个部分只有较短的长度L，最终的有效驱动长度为N*L。在本实施例中，各个子驱动电极41上被施加的电信号相同，相同的电信号被施加于每一部分的驱动电极40上，这等同于在电信号沿每一部分驱动电极40传播时，重置了电信号，极大地降低了电信号的损失，大幅提高了调制效率。
为了更好的匹配各个子驱动电极41上的电信号，使得光信号在每个子驱动电极41上的调制尽可能的相同，在本实施例中，相邻所述子驱动电极41上被施加的电信号具有延时，其中，延时的时长为光信号从上一子驱动电极41起始端传输至相邻的下一子驱动电极41的起始端所需的时长。作为示例性的实施例，假设施加在第一个子驱动电极41的电信号是V1(t)，光信号从第n个子驱动电极41始传输到第n+1个子驱动电极41起始端所需的时间是n，其中n ＝1,2,…,N-1代表了它是第几个子驱动电极41。施加在每个子驱动电极41 的电信号表达式如下：
由于相邻所述子驱动电极41上被施加的电信号光信号在分布式驱动电极 40之前传播的延时，使得每一部分的子驱动电极41上具有相同的电信号，这等同于在电信号沿每一部分子驱动电极41传播时，重置了电信号，极大地降低了电信号的损失，大幅提高了调制效率。
在本实施例中，驱动电极40为共面波导结构，示例性的可以为GSG共面波导线，也可以为CPW或者CPWG共面波导线等其他射频传输线，其中G 是接地电极，S是信号电极(共面波导结构也可使用其他相位调制单元)。未调制的恒亮光源由入口端输入，进过分光元件10后被等分为光强相等或近似的两束光分别进入第一调制臂24和第二调制臂25。第一调制臂24和第二调制臂25同时通过共面波导结构的驱动电极40区域且光信号在第一调制臂24 和第二调制臂25内通过相邻两个子驱动电极41的时间相同，即两个子驱动电极40的长度相等。子驱动电极41一端是电信号的输入区域，另一端耦合到外接的微波终端阻隔器(RFterminator)或者微波终端阻隔电路(on-chip circuit)。经过多段子驱动电极41后，第一调制臂24和第二调制臂25由一个合光元件 30合并到同一路光波导20后并输出。作为示例性的实施例，子驱动电极41 的阻抗与电信号输入端阻抗相同或者相近，例如可以为50Ω；电信号在驱动电极40中的传播速度与光在光波导20中速度相同或者相近；电信号在驱动电极40中传输的电阻损耗尽可能的低，在本实施例中，可以驱动电极40的材料可以为金、银、铜、铝、石墨烯等高导电低电阻材料。
作为示例性的实施例，所述光波导包括多个调制部21和连接在所述调制部21之间的多个弯曲部22，其中，所述弯曲部22的弯曲方向朝向与所述弯曲部22连接的上一调制部21。示例性的，光波导从第一个调制部21开始，与第一个调制部21相连的第一个弯曲部22的弯曲方向朝向第一个调制部21，从而使得与第一个弯曲部22相连的第二个调制部21的延伸方向朝向第一个调制部21，多个调制部21与多个弯曲部22连接后，形成的形状为大致为“S”形或往复延伸的“蛇形”。作为示例性的实施例，所述调制部21包括第一子调制部211和第二子调制部212，其中所述第一子调制部211和所述第二子调制部212内部的光传播方向不同。示例性的，第一子调制部211延伸方向可以为光波导的“往”的方向，第二子调制部212延伸方向可以为光波导的“复”方向。
所述第一子调制部211穿过子驱动电极41，所述第二子调制部212穿过电压偏置电极50，本领域技术人员应当理解，第一子调制部211也可以穿过所述电压偏置电极50，第二子调制部212也可以穿过所述子驱动电极41。在本实施例中，并不限定电压偏置电极50和子驱动电极41的布置位置。示例性，如图1所示，沿衬底表面Y方向第一子调制部211和第二子调制部212间隔设置，子驱动电极41与电压偏置电极50间隔设置。由于在同步提高调制带宽和减小驱动电压的同时(采用多个间隔的子驱动电极)，各个子驱动电极之间存在串扰，将电压偏置电极沿衬底表面Y方向间隔的设置在子驱动电极之间，既可以在同步提高调制带宽和减小驱动电压的同时，使得调制器既减少零点漂移现象又防止由于在提高调制带宽和减小驱动电压时带来的子驱动电极之间的串扰问题，可以大大提高的光调制器的调制性能。
作为另一示例性的实施例，为防止各个子驱动电极之间串扰，如图3所示，在各个子驱动电极之间可以设置接地线组80，在本实施例中，接地线组80可以包括第一接地线、第二接地线和第三接地线，其中，所述第一调制臂24位于所述第二接地线和所述第一接地线之间，所述第二调制臂25位于所述第二接地线和所述第三接地线之间。由于每个子驱动电极41之间可能存在串扰问题，在两个子驱动电极41之间增加三个接地线能够大大降低子驱动电极41 之间的串扰。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
