[发明专利]多层介质波导调制器设计

说明书

技术领域

基于多层介质波导调制器设计，属于光通信技术领域，涉及集成光学和光波导技术。

背景技术

聚合物电光调制器的特点就是调制速率大、调制频率高、驱动电压低以及价格低廉，尽管还没有得到大规模的商业应用，但是其潜在的应用范围非常广泛。随着因特网技术的迅速发展，人们对于通讯网络的带宽要求越来越高，尤其是要求能够实时地传送多媒体业务更加重了网络通讯带宽的压力，例如台式电视会议、适合商业和教学目的的带图像要求的多媒体业务，正在对远距离的通讯网络带宽形成按指数增加的要求。在1.3微米和1.55微米通讯窗口，一根单模光纤的潜在带宽能力是10THz，掺铒光纤放大器(EDFA)平坦响应的带宽也可以达到几个THz量级，因此通讯的瓶颈在于电光信号的转换上。另外从传输速率上讲目前的通讯系统的传输速率在几个到几十GHz/s，不久的将来要求Tbit/s量级的传输速率。而聚合物电光调制器的高速、宽带、低驱动电压的特点使得它特别适合于现代的高速大容量长途骨干通讯网中电光信号转换、光路的切换等，如图1.1所示。而且Mach-Zehnder结构的聚合物电光调制器无频率啁啾，因而也特别适合于WDM系统。因此聚合物电光调制器将成为未来信息高速公路最重要的硬件之一。

随着通信技术的飞速发展，尤其在微波光通信领域，信号频率的增加，调制器必须具有高速、宽带宽、低损耗等特性。微波光调制的本质是微波电场引起光波导材料的电致折射率改变，光场经过波导时将产生相位、振幅或频率的变化，实现微波信号的光调制。微波与光波相互作用的理想条件是光波导对微波和光波所呈现的折射率相等，即达到速率匹配。目前应用较广泛的是基于LiNbO₃晶体材料制作的调制器，LiNbO₃等有机材料的介电常数比较大，无机波导中微波与光波频段间存在固有的速率失配，限制了带宽。聚合物电光调制器的主要研究方向是如何增大调制带宽，影响调制带宽的主要因素是光载波的速率是否能够和微波的速率相匹配，同时器件的阻抗可以近似为理想的50Ω。传统的调整速率匹配的方法主要是对调制器的结构进行优化设计，包括波导结构的设计和电极的设计。

发明内容

本发明要解决的主要问题是采用在传统微带线电极上方添加一层补偿层，形成一种新的多层波导结构，选择恰当的补偿层材料，适当的调整补偿层的厚度，使其聚合物电光调制器可以同时达到微波和光波的速率匹配以及阻抗匹配，以实现具有超宽带特性的高速电光调制器。

本方法首先运用有效折射率法对脊波导的三维结构进行设计，再利用惠勒变换对多层结构的电极进行分析设计。采用有机聚合物CLD-1/APC作为电光材料，λ＝1.55μm时折射率为1.612，微波频段介电常数为3.0；上包层材料为UFC-170，λ＝1.55μm时折射率为1.488，介电常数为2.5；下包层材料为UV-15，λ＝1.55μm时折射率为1.504，介电常数为2.5；衬底材料为SiO₂。

脊波导和微带电极的设计过程如下：

1.结合有效折射率法和单模传输条件，在不同脊高、脊宽和芯层材料厚度条件下，计算光波有效折射率，考察其变化范围；

2.利用惠勒变换对多层结构的电极进行分析，在不同的电极宽度、电极厚度和所添加补偿层的厚度下，计算微波的有效折射率，考察其变化范围；

3.结合步骤1和2的结果，得到一组光波有效折射率与微波等效折射率相同的结构参数。

本发明的有益效果：

1.实现了光速与微波的速率匹配。

2.实现微带电极阻抗接近理想值50Ω。

附图说明

图1：多层介质波导调制器的剖面结构图，1速率补偿层，2上包层，3芯层，4下包层，5衬底，6上层微带电极，7地电极

具体实施方式

本发明提出的一种基于多层介质波导调制器设计，其结构如图1所示。上包层2材料通常为UFC-170，中间芯层材料通常为CLD-1/APC，调节脊形尺寸使得波导工作在单模条件下，下包层4材料通常为UV-15，基底一般采用SiO2，电极材料一般采用Au。当没有1层速率补偿层时，依据电极仿真结果，特征阻抗能达到接近50欧的范围，但微波等效折射率还远小于光波有效折射率，也就是说阻抗匹配能够达到，但是还没有达到速率匹配的目标。为了同时达到速率和阻抗匹配，将微带电极做一个改进，在上电极上加一层速率补偿层。

被调微波信号加载到上层电极6上，调制光波信号沿波导芯层3传输，在他们的重叠区域发生作用，产生调制信号。在上电极上加一层速率补偿层时，能通过调整其微波等效折射率来实现微波有效折射率和光波有效折射率的匹配，从而实现高速率宽带宽的电光调制器。