一种宽带的薄膜铌酸锂偏振无关电光调制器和调制方法与流程

本发明涉及集成光电子器件，更具体地，涉及一种宽带的薄膜铌酸锂偏振无关电光调制器和调制方法。

背景技术：

1、电光调制器是光通信、光传感、光计算等领域的核心器件之一。薄膜铌酸锂电光调制器具备低损耗、高效率、大带宽等优势，在集成光电子技术领域扮演了重要的角色，具有潜在且广泛的市场应用价值。

2、由于铌酸锂材料在其光轴方向（z轴）具有较大电光系数（），薄膜铌酸锂电光调制器通常是在x切的薄膜铌酸锂晶圆上制备完成，且调制区域的波导的传输方向为y轴方向，电极的电场方向沿z轴方向，以获得最大的调制效率和调制带宽。因此，薄膜铌酸锂调制器只对波导的te偏振有较好的调制效果，对tm偏振的调制效率较低。故而，一般的薄膜铌酸锂调制器是一种偏振敏感型的电光调制器，须在输入端对光的偏振进行严格控制。这就对铌酸锂电光调制器的使用环境提出了更高的要求。

3、波导中的任意偏振态都可分解为相互正交的两个分量（te0模式和tm0模式）的线性叠加。因此，现有方案都是通过将tm0模式改造为te0或者te1模式进行调制，从而实现偏振无关的电光调制器，具体方式有以下几种，但都存在明显不足：

4、（1）利用偏振分束旋转器直接将输入的te0和tm0分量分开，并将tm0转化为te0，再将两束te0分别送到上下2组马赫-曾德而干涉仪进行调制器。其存在的不足包括：偏振分束旋转器带来的工作带宽有限问题；单臂驱动的结构设置带来的调制效率不足问题。

5、（2）利用模式转化器、多模干涉仪、te0-te1耦合器等多种方式，将输入的te0分量+tm0分量转换成te0分量+te1分量，并在同一个马赫-曾德而干涉仪中调制。其存在的不足包括：多模干涉仪、te0-te1耦合器等带来的工作带宽受限问题；te0和te1分量的调制效率不一致问题。

6、（3）利用模式转化器和多模干涉仪将输入中的te0分量+tm0分量转换成te0分量+te0分量，并在密集双波导马赫-曾德而干涉仪中调制。其存在的不足包括：器件结构复杂、多模干涉仪带来的工作带宽受限和插入损耗较大等问题；

7、此外，覆盖o波段~l波段的超宽带的偏振无关电光调制器无现存技术方案。

技术实现思路

1、为解决现有技术中器件的结构复杂、工作带宽受限、调制效率不足的缺点，本发明提供一种宽带的薄膜铌酸锂偏振无关电光调制器和调制方法，工作波长覆盖o波段~l波段。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明的第一个方面涉及一种宽带的薄膜铌酸锂偏振无关电光调制器，包括铌酸锂器件层、二氧化硅下包层和二氧化硅上包层。其中，铌酸锂器件层是浅刻蚀的脊形波导结构，包括沿中轴线方向依次连接的第一偏振无关分束器、电光移相器阵列和第二偏振无关分束器。第一偏振无关分束器、电光移相器阵列和第二偏振无关分束器各自依照中轴线镜像对称。第一偏振无关分束器和第二偏振无关分束器具有相同的结构，两者沿电光移相器阵列的中分线呈镜像对称。以靠近中轴线为内侧，远离中轴线为外侧，以靠近中分线为近端，反之为远端。

4、第一偏振无关分束器和第二偏振无关分束器包括自远端至近端依次连接的输入波导、模式转化器、te1分束器、连接波导、te0分束器和输送波导，皆具有宽带特性；

5、电光移相器阵列包括4根直波导和1组gsgsg行波电极；

6、第一偏振无关分束器的4路输送波导分别连接电光移相器阵列的4根直波导的一端，第二偏振无关分束器的4路输送波导分别连接电光移相器阵列的4根直波导的另一端，组成2组电光调制的马赫-曾德尔干涉仪，其中位于内侧的1组，作用于输入的te0分量，位于外侧的1组，作用于输入的tm0分量。

7、使用本发明的一种宽带的薄膜铌酸锂偏振无关电光调制器的调制方法，包括：波导中的偏振态分解为相互正交的两个分量（te0模式和tm0模式）的线性叠加；当输入偏振为te0时，其模式在第一偏振无关分束器的模式转化器和te1分束器中保持不变且向前传输，并经te0分束器分为2束te0，经电光移相器阵列的内侧两个电光移相器调制后，经第二偏振无关分束器干涉并保持te0输出。当输入偏振为tm0时，其模式在第一偏振无关分束器的模式转化器中转为te1，并经te1分束器分为2束te0，经电光移相器阵列的外侧两个电光移相器调制后，经第二偏振无关分束器干涉并转化为tm0输出。如此可以实现在任意偏振态输入时都具有相同的调制效率和调制带宽，即偏振无关调制。

8、其中，第一偏振无关分束器将te0或者tm0都分束为两束te0进行调制，以实现最大的调制效率和调制带宽。

9、其中，第一偏振无关分束器包含一个输入端口和四个输出端口，输入的te0被分束后从内侧两个输出端口输出，输入的tm0被转化分束后从外侧两个输出端口输出。

10、其中，第一偏振无关分束器的模式转化器的作用是将输入的tm0模式转化为te1模式，而对te0模式不影响。

11、其中，模式转化器为三段式锥形波导结构，波导宽度从远端到近端依次增大，以实现宽带的模式转化。

12、其中，第一偏振无关分束器的te1分束器的作用是将te1分束为2束te0，其中这两束te0的相位相差180度。同时，对te0模式不影响，即te0模式不分束，保持前传。

13、其中，te1分束器为三叉戟架构，中间是直波导，上下是锥形波导，锥形波导宽度自远端到近端线性增大。锥形波导与直波导之间有间隙，锥形波导与直波导的间隙自远端到近端也是线性增大的。te1模式的光从中间直波导输入，从上下锥形波导分束输出，实现宽带的te1分束和te0前传。其中，te0分束器将te0分束为2束te0，这两束te0的相位相同。

14、其中，te0分束器为三叉戟架构，上中下三根波导皆为锥形波导，中间锥形波导的宽度自远端到近端线性减小，上下锥形波导的宽度自远端到近端线性减增大。te0模式的光从中间锥形波导输入，从上下锥形波导分束输出，实现宽带的te0分束。

15、其中，第一偏振无关分束器的偏振无关分束器还包含输入波导、连接波导和输送波导。输入波导为单模波导，支持te0/tm0模式传输。连接波导为锥形波导，介于te1分束器和te0分束器之间，连接te1分束器和te0分束器。输送波导为4根s弯曲波导，连接电光移相器阵列。

16、其中，电光移相器阵列的4根直波导完全相同且等间距放置，gsgsg行波电极由5根金属电极组成，电极属性自上而下依次为地-信号-地-信号-地，2根信号电极的宽度相同，3根地电极的宽度相同，5根电极的长度完全相同。gsgsg行波电极的4个间隙宽度相同，4根直波导分为位于gsgsg行波电极的4个间隙的中心。

17、与现有技术相比，本发明技术方案具有以下收益效果：

18、（1）本发明采用了一种偏振分束结构，将te0偏振分量和tm0偏振分量分开调制；

19、（2）本发明采用了宽带的模式转化器和宽带的te1分束器/te0分束器，实现了一种覆盖o波段~l波段的宽带的偏振无关电光调制器；

20、（3）本发明采用了三叉戟架构的te1分束器，并采用波导间隙渐变的设计，实现了完全的te1分束，且对te0模式不影响；

21、（4）本发明采用了三叉戟架构的te1分束器/te0分束器，利用的都是绝热耦合的方式，对耦合间隙和耦合长度不敏感，工艺容差大；

22、（5）本发明为光通信、光传感系统中的偏振扰动问题提供了新的解决方案。