[发明专利]一种马赫曾德尔电光调制器及调制方法

说明书

本申请提供了一种马赫曾德尔电光调制器及调制方法，所述调制器包括硅基底层，所述硅基底层上覆设有第一二氧化硅层，所述第一二氧化硅层中嵌设有第一共面波导电极，所述第一二氧化硅层上覆设有波导层，所述第一共面波导电极和所述波导层接触连接；所述波导层背离所述第一二氧化硅层的表面设有第二共面波导电极，所述波导层和所述第二共面波导电极二者形成的空隙中涂覆有第二二氧化硅层；其中，所述第一共面波导电极和所述第二共面波导电极供于施加同频同相的电压信号。

技术领域

本申请属于电光调制器技术领域，更具体地说，是涉及一种马赫曾德尔电光调制器及调制方法。

背景技术

MZM(Mach-Zehnder Modulator，马赫-曾德尔调制器)，也称MZ调制器，是一种用于将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路的设备。该两个光支路采用的材料均是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号在调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，进以实现了光强度的调制。简而言之，马赫曾德尔调制器通过控制其偏置电压，可以实现不同宽带的调制。

现有技术中，随着数据传输的需求发展，通信设备对带宽和小型号的需求越来越迫切。虽然传统MZ调制器的带宽宽，但是其体积较大且调制电压高，不适用于数据中心的高密度应用。再者，随着数据传输速率的提升，MZ调制器的驱动程序输出电压越来越受限，速率的提升导致功耗不断增加。MZ调制器的性能评价为电压长度积，其评价标准为：Vpi*L越小，则MZ调制器性能评价越好。

如图1所示，图1示出了现有MZ调制器的纵向剖面图，其中波导层采用铌酸锂材料，铌酸锂材料的上下层均采用SiO₂。由于SiO₂层的折射率低于铌酸锂材料的折射率，因此波导层传输的光被限制在波导层中，而不会泄露到SiO₂层中而被损耗掉，因此减少了光在波导层传输的损耗。

图2示出了现有MZ调制器的工作原理图，如图1和图2所示，传统MZ调制器采用共面波导04作为电极，采用Si作为基底01，以信号S从电极馈入，信号S在电极上传播，将会在波导层02和SiO₂层03中形成电场，其中波导层的电场会改变其对光的折射率，且折射率的变化方向和电场方向相关：即在两个共面波导所在的两侧，电场对铌酸锂的折射率的影响是相反的，其中一侧折射率增加，另一侧折射率减小。

其原理可依据以下计算公式推导：

其中，n_x'和n_y'是铌酸锂施加横向电场后新轴方向的折射率，n_o是寻常光折射率，r₂₂是铌酸锂的电光系数，E_x是施加的电场强度。

由上述两个公式可以看出，折射率的改变和其中的电场强度成线性关系，因此增加电场强度的方法可以是两种，其中一种是增加电极电压，另一种是减小电极的距离。然而，由于通讯设备对数据传输的高速率要求，设备驱动器的输出电压是受限的；且，当电极间间距减小到一定程度时，电极会吸收光场，反而使得光衰减增加，进而不利于通信传输的带宽和速率。

再者，MZ调制器是利用光在不同波导中的传播延时不同，从而实现在波导输出端实现相干相消，以达到对高速信号的调制目的。其中，相位是延时的积分，即电极越长，调制相位越大，则两光波导的折射率差越小，那么需要较长的电极，最终会使得MZ调制器的体积增大，进而不利于高集成的设计。

其次，依据如下计算公式推导：