[发明专利]一种基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器

说明书

本发明公开了一种基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器，其中包括入射波导、直通出射波导、分路出射波导、由若干环形谐振腔依次耦合构成的环形谐振腔阵列、集成在每个环形谐振腔中的相移器波导以及相应的电极。入射波导与直通出射波导组成集总波导，与环形谐振腔阵列的一端耦合，出射波导与环形谐振腔阵列的另一端耦合。通过合理设置环形谐振腔之间以及与集总波导、出射波导的光强耦合系数，使环形谐振腔阵列获得具有超高抑制比的光学滤波特性。将电信号加载到电极上同时驱动各个相移器波导以改变其相位，可对波长位于通带或阻带的单频输入激光产生强烈的光调制作用，实现超高消光比的电光调制器，具有小尺寸、低功耗、高性能等优点。

技术领域

本发明属于集成光电子领域，具体涉及一种基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器。

背景技术

基于光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，OTDR）的分布式光纤传感具有远距离、大范围、多参量传感等独特优势，是光纤传感领域的一项主流技术，在基础设施监测、油气、水下探测等多类现实场景已得到广泛的应用。OTDR的测量原理是：将脉冲探测光输入到传感光纤，同时进行背向散射光的探测，得到的散射光信号随时间的变化趋势，该变化趋势能反映出光纤上不同位置发生的光散射事件，对应特定的环境物理量（温度、应力、机械振动等）变化，从而实现针对这些物理参数的传感。脉冲探测光的周期一般不小于该探测光在整个待测光纤长度来回一次的时间，以避免不同脉冲之间的信号串扰。由于有限的消光比，相邻光脉冲之间的“暗态”其实并不是理想的零光强。这种背景连续光同样会和传感光纤相互作用产生散射光并叠加到探测光的散射信号上，在时域上以类似白噪声的形式存在。如果脉冲探测光的消光比不够高，信号与噪声则可能具有相似的光能量水平，特别是对位于传感光纤远端、探测光已显著衰减的待测事件，传感的信噪比会受到严重影响。OTDR的脉冲探测光是通过调制单波长连续激光来产生，因此所使用的光调制器能实现的消光比必然是影响信噪比的一个十分重要的因素。

目前声光调制器（Acousto-Optic Modulator，AOM）是实用化的OTDR中最常用的光调制器，消光比可超过50dB，但由于声波的衰减时间长达10ns，导致光脉冲宽度大于20ns，将光纤传感的空间分辨率会限制在2m以上。此外，调制光上升时间约等于聚焦到声光晶体的光斑直径除以声速，而光斑直径越大，声光调制效率（衍射偏折光的比例）越高，所以调制速率和效率之间存在相互制约的关系。同时AOM因为受限于声光晶体自身特性，仅能提供1GHz以下的信号光频移，无法使用在基于布里渊散射的OTDR当中（标准单模光纤O到L波段的布里渊频移为9-13GHz）。研究人员也探索了其他光器件，如电光调制器、半导体光放大器应用于产生脉冲探测光的可行性。半导体光放大器通过注入电流的开关对输入种子激光进行衰减和放大的切换，消光比也能达到50dB，响应时间在1ns以下，但放大自发辐射（ASE）噪声较大，且由非线性引起的啁啾会带来相位噪声，因此不利于传感信号的相位检测。传统电光调制器一般以光学非线性晶体如铌酸锂为电光材料，能达到20Gbit/s甚至更高的调制速率，因此可进行更大范围的频移，比AOM有更好的灵活性，但其消光比通常只有30dB左右，无法直接满足OTDR的需求。同时铌酸锂材料有直流电漂移的现象，需要快速反馈电路来稳定铌酸锂MZI调制器的工作点。近年来，有多种提高光纤传感系统中电光调制器消光比的方法被报道，但这些方法都是基于串联各个大型分立光学器件，不可避免地增加了系统的复杂度、功耗和占用空间大小。

片上集成的电光调制器由于具有与电子芯片集成（单片或者混合）的潜力而受到了极大的关注，目前调制速率已经超过单波长100Gbit/s，带宽超过30GHz。它使用集成光波导作为相移器载体，并通过马赫-曾德尔干涉器（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）、环形谐振腔等结构实现光强调制。片上电光调制器通常是对高折射率的晶圆薄膜（铌酸锂、硅、三五族化合物等）进行光刻、刻蚀等微纳加工步骤制备而成，使得相应的波导截面尺寸在几百纳米到几个微米，因此相比尺寸较大的AOM和传统电光调制器（厘米量级）能实现更强的电光相互作用，意味着更少的功耗和更小的器件尺寸。但目前集成电光调制器的动态消光比不超过20dB，无法直接为OTDR产生高消光比的光脉冲。