CN113419362A - 一种铌酸锂调制器及其静态偏置点无源补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铌酸锂调制器及其静态偏置点无源补偿方法，所述调制器包括有金属行波电极，还包括有绝缘体上铌酸锂薄膜以及静态偏置点补偿材料层，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在绝缘体上铌酸锂薄膜上。所述方法包括有通过刻蚀或剥离工艺在铌酸锂薄膜层上覆盖静态偏置点补偿材料层。本发明避免了温度对铌酸锂调制器静态偏置点的影响，实现了静态偏置点补偿的功能。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种铌酸锂调制器及其静态偏置点无源补偿方法。
背景技术
电光调制是光通信的一个关键环节，电光调制器是光纤通信***的一个重要组成部件。随着科技的发展，光纤通信网络中信息量持续增加，对电光调制器的性能要求也越来越高。
铌酸锂因其大的线性电光系数、宽的光学透明窗口和稳定的化学性质，被广泛应用为电光调制器的制作材料。基于铌酸锂的电光调制器有着半波电压低、带宽高、体积小等优点，是目前发展最成熟和使用最广泛的电光调制器类型，在高速光通信、微波光子技术中已得到大量应用。
马赫-曾德尔(Mach–Zehnder，MZ)调制器是目前使用最广泛的电光调制器类型，其中的光路由两个波导臂和两个分束器构成，光在第一个分束器处被平均分成两路，分别进入两个波导臂，通过在波导臂上施加电场，利用电光效应改变波导臂的折射率，使得两束光的光程不同，在第二个Y分支分束器处汇合时有相位差，相位差的不同导致输出光的强度不同，从而将相位调制转化成强度调制。温度是影响MZ调制器调制效果的一个关键因素，但铌酸锂晶体存在热光效应，在外界温度变化时，铌酸锂的折射率会发生变化，波导臂的光程差改变，从而使得调制器的静态偏置点偏离设定偏置点，即发生偏置点漂移，造成调制信号质量变差，出现码间串扰、误码率上升等问题，影响信息的传输质量。因此，如何使得铌酸锂调制器的静态工作点不受外界温度影响十分重要。
现有技术通常采用对MZ调制器的输出与输入光功率比值进行监测与控制的方法来解决MZ调制器偏置点漂移问题。也有对MZ调制器的输出光功率二阶偏导与一阶偏导比值进行监测与控制的方法，以及对偏置电压对应的偏导数进行监测与控制的方法。但是这些方法的监测与控制***较为复杂，更重要的是，上述方法都是有源的，即监测与控制***中都包含电源，这不仅增加了***的成本与复杂程度，还增加了***失稳的可能性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种铌酸锂调制器，包括有绝缘体上铌酸锂薄膜、金属行波电极以及静态偏置点补偿材料层，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在绝缘体上铌酸锂薄膜上。
进一步的，所述绝缘体上铌酸锂薄膜包括有从下至上依次层叠的硅衬底、二氧化硅层、铌酸锂薄膜层，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在铌酸锂薄膜层上。
进一步的，所述铌酸锂薄膜层上设有波导区域。
进一步的，所述波导区域上刻蚀有脊形波导。
进一步的，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在脊形波导上，所述金属行波电极设在铌酸锂薄膜层上。
进一步的，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在脊形波导上并延伸覆盖至脊形波导外侧的铌酸锂薄膜层上。
进一步的，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在波导区域上。
进一步的，所述金属行波电极设在静态偏置点补偿材料层上。
进一步的，所述静态偏置点补偿材料层的热光系数为负。
进一步的，所述静态偏置点补偿材料层为二氧化钛薄膜。
进一步的，所述脊形波导包括有两个波导臂以及两个分束器，两个所述分束器通过两个波导臂连接。
进一步的，所述分束器为Y分支分束器或多模干涉器。
另一方面，本发明还提供了一种铌酸锂调制器的静态偏置点无源补偿方法，所述铌酸锂调制器为如权利要求1所述的铌酸锂调制器，所述绝缘体上铌酸锂薄膜包括有从下至上依次层叠的硅衬底、二氧化硅层、铌酸锂薄膜层，所述方法包括有：
通过刻蚀或剥离工艺在铌酸锂薄膜层上覆盖静态偏置点补偿材料层。
进一步的，所述静态偏置点补偿材料层的热光系数为负。
进一步的，所述静态偏置点补偿材料层为二氧化钛薄膜。
本发明通过覆盖的静态偏置点补偿材料层，实现了无源且简单易得的方式，避免了温度对铌酸锂调制器静态偏置点的影响，实现了静态偏置点补偿的功能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例中二氧化钛薄膜覆盖方式一的调制器结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例中二氧化钛薄膜覆盖方式一的截面图。
图3示出了根据本发明实施例中二氧化钛薄膜覆盖方式二的截面图。
图4示出了根据本发明实施例中，二氧化钛薄膜覆盖方式三的截面图。
图5示出了根据本发明实施例中，二氧化钛薄膜覆盖方式三中，二氧化钛光栅耦合截面图。
图6示出了根据本发明实施例中二氧化钛薄膜覆盖方式一的光模场分布图。
图7示出了根据本发明实施例中二氧化钛薄膜覆盖方式二的光模场分布图。
图8示出了根据本发明实施例中二氧化钛薄膜覆盖方式三的光模场分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种铌酸锂调制器，包括有绝缘体上铌酸锂薄膜以及静态偏置点补偿材料层，绝缘体上铌酸锂薄膜(lithium niobate on insulator，LNOI)包括有硅衬底5、二氧化硅层4及铌酸锂薄膜层3。硅衬底5、二氧化硅层4及铌酸锂薄膜层3从下至上依次层叠。
本实施例中，铌酸锂薄膜层3单晶以X方向切割，静态偏置点补偿材料层覆盖在铌酸锂薄膜层3上，具体的，可通过刻蚀或剥离工艺在铌酸锂薄膜层3上覆盖静态偏置点补偿材料层，进一步的，静态偏置点补偿材料层为二氧化钛薄膜2，二氧化钛具有制备容易、性质稳定等优良特性。静态偏置点补偿材料层可由其他材料制成，只要静态偏置点补偿材料层满足：其折射率接近铌酸锂的折射率且静态偏置点补偿材料层的热光系数为负即可。在本实施例中，在输入光的波长为1550nm时，铌酸锂的折射率为2.2。
本实施例中：通过二氧化钛薄膜2调节静态偏置点的原理如下：
其中，在未引入二氧化钛薄膜2前：
由于温度的变化引起了铌酸锂薄膜层3的折射率发生变化，从而使得调制器原有设置的光学偏置点发生偏移，形成了一个偏置点漂移量，因此，根据调制器原有设置的光学偏置点以及偏置点漂移量，可获取发生偏移后的静态工作点，具体的，静态工作点可由如下的表达式一表示：
表达式一中，
为静态工作点，
为设置的光学偏置点，
为由温度引起的偏置点漂移量。具体的，由于外界温度变化引起铌酸锂薄膜层3的折射率发生变化，因而使得表达式一中的
不再为0。
在调制器原有设置的光学偏置点发生偏移，形成一个偏置点漂移量后，根据获取的静态工作点，可获取调制器中输出与输入光强的比值。具体的，根据参数：静态工作点、比例系数、消光比以及外加电场引起的相位差，获得调制器中输出与输入光强的比值，输出与输入光强的比值可由如下的表达式二表示：
表达式二中，Iout/Iin为调制器中输出与输入光强的比值，A为比例系数，b为消光比，
为静态工作点，
为外加电场引起的相位差。
其中，在引入二氧化钛薄膜2，铌酸锂薄膜层3的折射率随温度有了变化后：
根据二氧化钛薄膜2的限制系数以及二氧化钛薄膜2的热光系数，可获取铌酸锂薄膜层3、二氧化钛薄膜2以及空气混合结构的等价有效热光系数，具体的，根据参数：铌酸锂薄膜层3的热光系数、二氧化钛薄膜2的热光系数、空气的热光系数、铌酸锂薄膜层3的限制系数、二氧化钛薄膜2的限制系数以及空气区域的限制系数，获取铌酸锂薄膜层3、二氧化钛薄膜2以及空气混合结构的等价有效热光系数dneff/dT。铌酸锂薄膜层3、二氧化钛薄膜2以及空气混合结构的等价有效热光系数dneff/dT可由如下的表达式三表示：
表达式三中，dnLN/dT、dnTiO2/dT、dnair/dT分别为铌酸锂薄膜层3、二氧化钛薄膜2、空气的热光系数，dneff/dT为铌酸锂薄膜层3、二氧化钛薄膜2以及空气混合结构的等价有效热光系数，ηLN、ηTiO2和ηair分别为铌酸锂薄膜层3、二氧化钛薄膜2、空气区域的限制系数，限制系数表示光功率在对应材料中的分布比例。由于空气的折射率随温度变化很小，空气的热光系数dnair/dT很小，可以忽略。
为了消除静态偏置点的漂移，需使得等价有效热光系数dneff/dT为0，即假设dneff/dT为0后，需要满足如下的表达式四：
因此，只有在满足表达式四时，等价有效热光系数dneff/dT才为0，才能消除静态偏置点的漂移。由于铌酸锂薄膜层3具有正热光系数、二氧化钛薄膜2具有负热光系数，故表达式四的等号右边可以视为一个正的已知常数，表达式四中等号的右边，即ηLN/ηTiO2表示铌酸锂薄膜层3和二氧化钛薄膜2区域的光功率比。由于二氧化钛薄膜2的厚度决定了ηTiO2的值，因此，通过利用二氧化钛薄膜2的厚度作为自由度可平衡ηLN/ηTiO2，使其与等号右边的常数相等，可以满足表达式四的成立，从而使得等价有效热光系数dneff/dT为0，消除静态偏置点的漂移。
因此，本发明可以通过调节二氧化钛薄膜2的厚度，来平衡铌酸锂薄膜层3和二氧化钛薄膜2区域的光功率比，利用二氧化钛薄膜2的负热光系数对由铌酸锂薄膜层3的正热光系数引起的有效折射率变化进行补偿，从而消除静态偏置点漂移。
本发明中，二氧化钛薄膜2的覆盖方式有以下三种：
覆盖方式一：
如图1所示的，铌酸锂薄膜层3上设有波导区域，波导区域上刻蚀有脊形波导，脊形波导的高度和宽度之比在调制器的工作波长下满足单模传输的条件，即工作波长小于基模的截止频率，且大于一阶模的截止频率。
二氧化钛薄膜2通过刻蚀或剥离工艺直接覆盖在脊形波导上，可参考图2，图2是图1中A-B-C-D面的截面图。其中，脊形波导包括有两个波导臂以及两个分束器(波导臂的厚度与分束器的厚度相等)，其中，在本覆盖方式中，脊形波导的高度等于波导臂的厚度，脊形波导的宽度等于两个波导臂之间的距离加上两个波导臂的宽度的和，两个分束器通过两个波导臂连接，进一步的，分束器为Y分支分束器或多模干涉器(作用是对光的传输进行分支)。
另外，在本覆盖方式中，金属行波电极1是设在铌酸锂薄膜层3上的，金属行波电极1用来加载电信号，两个波导臂位于金属行波电极1的两个地电极1-2之间，金属行波电极1的信号电极1-1位于两个波导臂之间。
为了实现宽带的电光调制，脊形波导的尺寸以及金属行波电极1的结构按照如下要求来设计：在光波长为1550nm时，实现微波与光波的速度相等以及金属行波电极1的特征阻抗为50Ω，其中，微波的速度与金属行波电极1的尺寸有关(即金属行波电极1中，信号电极1-1与地电极1-2之间距离、信号电极1-1的厚度、地电极1-2的厚度以及信号电极1-1的宽度有关)；光波的速度与脊形波导的尺寸以及二氧化钛薄膜2尺寸有关(即与二氧化钛薄膜2的厚度、脊形波导中的分束器宽度和高度以及脊形波导中的波导臂宽度和高度有关)。
覆盖方式二：
如图3所示的截面图(图3截面的方式与图2的方式相同)，覆盖方式二与覆盖方式一的区别在于，其一：二氧化钛薄膜2不仅仅覆盖在波导区域的脊形波导上，而是覆盖在整个铌酸锂薄膜层3上并形成一个包层，这样可以避免对二氧化钛薄膜2的刻蚀；其二：金属行波电极1不是设在铌酸锂薄膜层3上，而是设在二氧化钛薄膜2上，此时，两个波导臂依然位于金属行波电极1的两个地电极之间，金属行波电极1的信号电极依然位于两个波导臂之间，在本覆盖方式中，整个金属行波电极1的位置，与覆盖方式一相比，只是上下位置发生变化(即在二氧化钛薄膜2覆盖住整个铌酸锂薄膜层3上并形成一个包层后，在二氧化钛薄膜2上的整个金属行波电极1相对于覆盖方式一中的整个金属行波电极1的位置，向上平移了)。
为了方便说明，在图3中，将二氧化钛薄膜2划分成2-1、2-2、2-3三个区域，并且可以保证二氧化钛制作工艺的稳定性，得到形状和厚度稳定的包层，由于光场主要分布在铌酸锂薄膜层3的高台区域，即光场主要分布在脊形波导上，因此，在计算光场分布时仅需在考虑脊形波导上方及脊形波导边缘处的二氧化钛薄膜2形状，即仅考虑2-2区域即可。进一步的，由于金属行波电极1的两个地电极分别位于2-1区域和2-3区域上，所以在考虑金属行波电极1产生的电场的分布时，还需要考虑电场分布对2-1区域和2-3区域的影响，即金属行波电极1的地电极与其相邻的波导臂的距离不能太远或太近，可根据需要设置。
覆盖方式三：
如图4所示的截面图(图4截面的方式与图2的方式相同)，铌酸锂薄膜层3上设有一个波导区域，但在该波导区域上不再刻蚀脊形波导，且该波导区域通过刻蚀或剥离工艺覆盖二氧化钛薄膜2。由于光在传输过程中，会透过二氧化钛薄膜2以及铌酸锂薄膜层3，不能透过硅衬底5、二氧化硅层4，因此，此时光产生的光模场主要分布在二氧化钛薄膜2及二氧化钛薄膜2下方的铌酸锂薄膜层3中，在覆盖方式三中，金属行波电极1设于二氧化钛薄膜2上，在本覆盖方式中，与覆盖方式一相比，整个金属行波电极1的位置不变(即在波导区域上不再刻蚀脊形波导，且该波导区域通过刻蚀或剥离工艺覆盖二氧化钛薄膜2后，整个金属行波电极1位置不变)。
综上，在二氧化钛薄膜2采用覆盖方式一或覆盖方式二时，光需要先采用光栅耦合器进行耦合，然后再进入脊形波导，覆盖方式一和覆盖方式二中，光栅耦合器中的光栅是采用铌酸锂材料刻蚀而成的，因而，光在输入时，先从光栅耦合器的上方进入光栅耦合器，然后通过光栅耦合器中光栅的衍射作用，将光衍射进脊形波导，从而实现耦合；在采用覆盖方式三时，光也是需要采用光栅耦合器进行耦合的，但覆盖方式三中，光栅耦合器中的光栅是采用二氧化钛材料6刻蚀而成的，在本覆盖方式中，二氧化钛材料6是覆盖在铌酸锂薄膜层3上的，如图5所示，因此，在覆盖方式三中，光通过覆盖方式三的光栅耦合器耦合后，衍射进二氧化钛薄膜2及二氧化钛薄膜2下方的铌酸锂薄膜层3。这种方式可以避免在铌酸锂薄膜层3刻蚀难以刻蚀的脊形波导，但由于不存在对光场限制较强的脊形波导，覆盖方式三中的光场体积较大(即光模式的光场体积由传输光的介质与周围包层之间的折射率对比度决定，由于覆盖方式一和覆盖方式二均有脊形波导，周围包层材料为空气，折射率对比度都大；而覆盖方式三中，没有脊形波导，铌酸锂薄膜层3为平板结构，横向是没有空气包层的，所以折射率对比度小，导致光场体积大)，因此，覆盖方式三中可以通过采用较薄的铌酸锂薄膜晶圆为衬底制作调制器，减小光场体积，以改善调制器性能。
另外，电光重叠积分反映了调制器的灵敏度，根据信号电极与地电极之间的间距、静电场的电场强度、光模式的电场强度以及信号电极与地电极之间施加的电压V，可以通过有限元方法进行定量计算出三种覆盖方式的电光重叠积分，电光重叠积分可通过如下表达式四来计算：
其中，G为信号电极与地电极之间的间距，V为信号电极与地电极之间施加的电压，Eele(x，z)为(x，z)坐标轴下静电场的电场强度，Eopt(x，z)为(x，z)坐标轴下光模式的电场强度。
根据表达式四可计算出覆盖方式一、覆盖方式二和覆盖方式三下的电光重叠积分分别为0.47，0.61和0.75，由于电光重叠积分是一个归一化的值，分子的积分项中Eele(x，z)与V/G做归一化，因而，电光重叠积分值会随金属行波电极1中信号电极与地电极之间的间距G增加而减小，因此，对于调制器的灵敏度而言，覆盖方式三的调制器灵敏度较高，覆盖方式二的调制器灵敏度次之，覆盖方式一的调制器灵敏度最低。
由于调制器的传输损耗与光模场的分布有关，图6至图8分别为覆盖方式一、覆盖方式二和覆盖方式三下的光模场分布，图6至图8中的等值线为电场模，因此，对于调制器的传输损耗而言，覆盖方式一的光波导对光模场的横向限制最好(折射率对比度越大，横向限制越大)，因此传输损耗最小，覆盖方式二的调制器传输损耗次之，覆盖方式三的传输损耗最高。
需要说明的是，在本实施例中，二氧化钛薄膜2的三种覆盖方式均可避免温度对铌酸锂调制器静态偏置点的影响，但对于实现改善调制器的灵敏度、传输损耗，可根据实际需要来选择二氧化钛薄膜2对应的覆盖方式，例如，若需要使得调制器的灵敏度达到最好，而不考虑调制器的传输损耗，则覆盖方式选择覆盖方式三；若需要使得调制器的传输损耗最低，而不考虑调制器的灵敏度，则覆盖方式选择覆盖方式一。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (15)
1.一种铌酸锂调制器，包括有金属行波电极，其特征在于，还包括有绝缘体上铌酸锂薄膜以及静态偏置点补偿材料层，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在绝缘体上铌酸锂薄膜上。
2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述绝缘体上铌酸锂薄膜包括有从下至上依次层叠的硅衬底、二氧化硅层、铌酸锂薄膜层，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在铌酸锂薄膜层上。
3.根据权利要求2所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜层上设有波导区域。
4.根据权利要求3所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述波导区域上刻蚀有脊形波导。
5.根据权利要求4所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在脊形波导上，所述金属行波电极设在铌酸锂薄膜层上。
6.根据权利要求4所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在脊形波导上并延伸覆盖至脊形波导外侧的铌酸锂薄膜层上。
7.根据权利要求3所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述静态偏置点补偿材料层覆盖在波导区域上。
8.根据权利要求6或7所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述金属行波电极设在静态偏置点补偿材料层上。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述静态偏置点补偿材料层的热光系数为负。
10.根据权利要求9所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述静态偏置点补偿材料层为二氧化钛薄膜。
11.根据权利要求4-6任一项所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述脊形波导包括有两个波导臂以及两个分束器，两个所述分束器通过两个波导臂连接。
12.根据权利要求11所述的一种铌酸锂调制器，其特征在于，所述分束器为Y分支分束器或多模干涉器。
13.一种铌酸锂调制器的静态偏置点无源补偿方法，所述铌酸锂调制器为如权利要求1所述的铌酸锂调制器，所述绝缘体上铌酸锂薄膜包括有从下至上依次层叠的硅衬底、二氧化硅层、铌酸锂薄膜层，其特征在于，所述方法包括有：
通过刻蚀或剥离工艺在铌酸锂薄膜层上覆盖静态偏置点补偿材料层。
14.根据权利要求13所述的一种铌酸锂调制器的静态偏置点无源补偿方法，其特征在于，所述静态偏置点补偿材料层的热光系数为负。
15.根据权利要求13所述的一种铌酸锂调制器的静态偏置点无源补偿方法，其特征在于，所述静态偏置点补偿材料层为二氧化钛薄膜。
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