CN118818818B - 一种双环并联行波电极电光调制器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种双环并联行波电极电光调制器芯片，该双环并联行波电极电光调制器芯片包括：总线波导、行波电极结构以及带跑马场结构相同的两个微环；第一微环与第二微环均与总线波导并联耦合，第一微环的直波导设置在行波电极结构的第一调制区域，第二微环的直波导设置在行波电极结构的第二调制区域；行波电极结构，用于响应信号发生器产生的一对差分信号，在第一调制区域产生第一电场，对第一微环的光信号进行调制，同时在第二调制区域产生与第一电场方向相同的第二电场，对第二微环的光信号进行调制。采用行波电极对环对电光调制器光波导中的光信号进行调制，从而拓展环对调制器的带宽，实现高速电光调制。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种双环并联行波电极电光调制器芯片。
背景技术
电光调制器（Electro-Optic Modulators，EOM）将高速电信号转换为光信号，对于电信网络、微波信号处理以及量子信息、光学传感器等应用具有重要意义。片上集成EOM具有大带宽、低驱动电压、高消光比、适合大规模集成等优点，基于许多光子平台的EOM已经获得发展，包括硅、磷化铟、薄膜铌酸锂（thin-film lithium niobate, TFLN）等。
但马赫-曾德尔（Mach–Zehnder interferometer,MZI）器件的长度过长，不利于大规模片上集成应用。为减少调制器面积，谐振环调制器得到了广泛的研究。环调制器由于其低工作电压、紧凑的尺寸以及与CMOS电路驱动器兼容，是短程光互连中的关键部件。微环调制器的驱动电压一般较低，但是微环调制器的大规模应用仍受到以下两个方面的阻碍。首先，微环调制器的消光比对制造变化和环境扰动具有敏感性。这是因为消光比严格地取决于母线波导与环之间的耦合条件。特别是，最高的消光比只发生在临界耦合下，而临界耦合很容易被任何轻微的外部扰动破坏。这种灵敏度使得很难实现具有高信噪比的微环调制器。其次，低损耗微环调制器通常伴随着较窄的工作线宽。这种效应是由Q因子和线宽之间的基本权衡得出的结果。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双环并联行波电极电光调制器芯片，旨在解决现有技术中低损耗微环调制器的工作线宽较窄的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出一种双环并联行波电极电光调制器芯片，所述双环并联行波电极电光调制器芯片包括：总线波导、行波电极结构以及带跑马场结构相同的两个微环；
第一微环与第二微环均与所述总线波导并联耦合，所述第一微环的直波导设置在所述行波电极结构的第一调制区域，所述第二微环的直波导设置在所述行波电极结构的第二调制区域；
所述行波电极结构，用于响应信号发生器产生的一对差分信号，在所述第一调制区域产生第一电场，对所述第一微环的光信号进行调制，同时在所述第二调制区域产生与所述第一电场方向相同的第二电场，对所述第二微环的光信号进行调制。
可选地，所述双环并联行波电极电光调制器芯片还包括：热调结构；
所述热调结构设置在所述第一微环以及所述第二微环上；
所述热调结构，用于调谐所述第一微环以及所述第二微环谐振波长相同的光信号。
可选地，所述热调结构包括：第一电阻、第二电阻、第一至第四直流电极；
所述第一电阻设置在所述第一微环上，所述第一电阻的一端与第一直流电极电性连接，所述第一电阻的另一端与第二直流电极电性连接；
所述第二电阻设置在所述第二微环上，所述第二电阻的一端与第三直流电极电性连接，所述第二电阻的另一端与所述第四直流电极电性连接。
可选地，所述行波电极结构包括：依次设置的第一地电极、第一源电极、第二地电极、第二源电极和第三地电极；
所述第一源电极接收所述信号发生器的差分正信号，所述第二源电极接收所述信号发生器的差分负信号；
所述第一源电极接收电信号的方向与所述第二源电极接收电信号的方向相反。
可选地所述行波电极结构包括：第三电阻和第四电阻；
所述第三电阻的一端与所述第一源电极电性连接，所述第三电阻的另一端与所述第一地电极电性连接，所述第四电阻的一端与所述第二源电极电性连接，所述第四电阻的另一端与所述第三地电极电性连接。
可选地，所述行波电极结构还包括：多个微电极对；
各所述微电极对设置在所述第一源电极与所述第一地电极以及所述第二地电极之间，各所述微电极对还设置在所述第二源电极与所述第二地电极以及所述第三地电极之间。
可选地，所述第一微环的直波导设置在所述第一源电极与所述第二地电极之间，所述第二微环的直波导设置在所述第二源电极与所述第二地电极之间。
可选地，所述第一微环的直波导设置在所述第一源电极与所述第一地电极之间，所述第二微环的直波导设置在所述第二源电极与所述第三地电极之间。
可选地，所述双环并联行波电极电光调制器芯片还包括：由下至上依次设置的衬底层、埋层、薄膜铌酸锂以及上包层；
所述第一微环、所述第二微环以及所述行波电极结构均设置于所述上包层顶部。
此外，为实现上述目的，本发明还提供了一种光通信系统，所述光通信系统包括如上文所述的双环并联行波电极电光调制器芯片。
本发明提供了一种双环并联行波电极电光调制器芯片，该双环并联行波电极电光调制器芯片包括：总线波导、行波电极结构以及带跑马场结构相同的两个微环；第一微环与第二微环均与所述总线波导并联耦合，所述第一微环的直波导设置在所述行波电极结构的第一调制区域，所述第二微环的直波导设置在所述行波电极结构的第二调制区域；所述行波电极结构，用于响应信号发生器产生的一对差分信号，在所述第一调制区域产生第一电场，对所述第一微环的光信号进行调制，同时在所述第二调制区域产生与所述第一电场方向相同的第二电场，对所述第二微环的光信号进行调制。通过采用行波电极对环对电光调制器光波导中的光信号进行调制，从而拓展环对调制器的带宽，实现高速电光调制。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第一实施例的结构示意图；
图2为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第二实施例的截面示意图；
图3为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第三实施例的结构示意图；
图4为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第四实施例的结构示意图；
图5为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第五实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明实施例的主要解决方案是：双环并联行波电极电光调制器芯片包括：总线波导、行波电极结构以及带跑马场结构相同的两个微环；第一微环与第二微环均与所述总线波导并联耦合，所述第一微环的直波导设置在所述行波电极结构的第一调制区域，所述第二微环的直波导设置在所述行波电极结构的第二调制区域；所述行波电极结构，用于响应信号发生器产生的一对差分信号，在所述第一调制区域产生第一电场，对所述第一微环的光信号进行调制，同时在所述第二调制区域产生与所述第一电场方向相同的第二电场，对所述第二微环的光信号进行调制。
高性能低驱动电压和超高带宽的马赫-曾德尔（MZI）EOM已经在TFLN上实现，但MZI器件的长度过长，不利于大规模片上集成应用。为减少调制器面积，谐振环调制器得到了广泛的研究。环调制器由于其低工作电压、紧凑的尺寸以及与CMOS电路驱动器兼容，是短程光互连中的关键部件。微环调制器的驱动电压一般较低，但是微环调制器的大规模应用仍受到以下两个方面的阻碍。首先，微环调制器的消光比对制造变化和环境扰动具有敏感性。这是因为消光比严格地取决于母线波导与环之间的耦合条件。特别是，最高的消光比只发生在临界耦合下，而临界耦合很容易被任何轻微的外部扰动破坏。这种灵敏度使得很难实现具有高信噪比的微环调制器。其次，低损耗微环调制器通常伴随着较窄的工作线宽。这种效应是由Q因子和线宽之间的基本权衡得出的结果。在光调制器中，电极设计对调制器性能起着关键作用。主要有两种类型的电极：集总电极和行波电极，集总电极的带宽会受到RC常数限制，无法有效支持高频微波信号，所以，对调制器来说，不适合高频和超高频的高速调制。
参照图1，图1为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第一实施例的结构示意图，如图1所示，在本实施例中，所述双环并联行波电极电光调制器芯片包括：总线波导101、行波电极结构20以及带跑马场结构相同的两个微环。
其中，第一微环1021与第二微环1022均与所述总线波导101并联耦合，所述第一微环1021的直波导设置在所述行波电极结构的第一调制区域，所述第二微环1022的直波导设置在所述行波电极结构的第二调制区域。
需要说明的是，所述行波电极结构可以用于响应信号发生器产生的一对差分信号，在所述第一调制区域产生第一电场，对所述第一微环的光信号进行调制，同时在所述第二调制区域产生与所述第一电场方向相同的第二电场，对所述第二微环的光信号进行调制。
应当理解的是，双环并联行波电极电光调制器芯片中的波导结构采用脊波导形式。因为用到铌酸锂晶体最强电光效应的晶体方向，在x-cut薄膜铌酸锂晶圆上，设计微环结构中的直波导部分在行波电极中间，实现行波调制。
在具体实施中，光信号通过耦合器，进入薄膜铌酸锂脊波导，进入总线波导传输，在经过第一微环和第二微环时，通过第一微环1021与第二微环1022与所述总线波导101之间的耦合结构，特定波长的光信号耦合进入第一微环1021和第二微环1022中。两个源信号为差分信号的GSG（地-源-地）高频探针分别接入行波电极结构的传输线上，即同一时刻，一个为正信号，一个为负信号，使得两个不同微环的直波导，在同一时刻所处的电场方向是相同的，从而电场对光信号的相位影响是一致的，最终实现两个电极对微环对调制器的相位影响是同一个方向。经过调制的微环中的光信号最终经过耦合区域从微环中耦合到总线波导中输出。
需要说明的是，为了使得两个不同微环的直波导，在同一时刻所处的电场方向是相同的，可以设置两个相同但反向的GSG结构构建所述行波电极结构。即所述行波电极结构可以包括：依次设置的第一地电极301、第一源电极302、第二地电极303、第二源电极304和第三地电极305。所述第一源电极302接收所述信号发生器的差分正信号，所述第二源电极304接收所述信号发生器的差分负信号；所述第一源电极302接收电信号的方向与所述第二源电极304接收电信号的方向相反。
在一种可能的实现方式中，所述第一微环1021的直波导设置在所述第一源电极302与所述第二地电极303之间，所述第二微环1022的直波导设置在所述第二源电极304与所述第二地电极303之间。
其中，所述行波电极结构包括：第三电阻R3和第四电阻R4；所述第三电阻R3的一端与所述第一源电极302电性连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第一地电极301电性连接，所述第四电阻R4的一端与所述第二源电极304电性连接，所述第四电阻R4的另一端与所述第三地电极305电性连接。上述各地电极之间均电性连接。通过第三电阻R3和第四电阻R4在电极上的电势差从而在源电极与地电极之间产生电场。
进一步地，所述行波电极结构还包括：多个微电极对306；各所述微电极对306设置在所述第一源电极与所述第一地电极以及所述第二地电极之间，各所述微电极对还设置在所述第二源电极与所述第二地电极以及所述第三地电极之间。上述微电极对306的数量可根据实际情况自行设置，本实施例对此不加以限制。示例性地，本实施例中的各微电极可设置为T型结构，然后还可设置为其它结构（例如L型），本实施例对此不加以限制。
进一步地，尽管第一微环和第二微环的设计参数相同，因为工艺误差和微环结构较为敏感，通过设置热调结构进行调谐，使得两个微环谐振相同波长的光信号。所述双环并联行波电极电光调制器芯片还可以包括：热调结构所述热调结构设置在所述第一微环以及所述第二微环上；所述热调结构可以用于调谐所述第一微环以及所述第二微环谐振波长相同的光信号。
需要说明的是，所述热调结构包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一至第四直流电极（E1~E4）；所述第一电阻R1设置在所述第一微环1021上，所述第一电阻R1的一端与第一直流电极E1电性连接，所述第一电阻R1的另一端与第二直流电极E2电性连接；所述第二电阻R2设置在所述第二微环1022上，所述第二电阻R2的一端与第三直流电极E3电性连接，所述第二电阻R2的另一端与所述第四直流电极E4电性连接。通过调节加载到第一电阻R1以及第二电阻R2上的电压以实现调谐第一微环以及所述第二微环上光信号的谐振波长。
本实施例中，通过设置双环并联行波电极电光调制器芯片中包括：总线波导、行波电极结构以及带跑马场结构相同的两个微环；第一微环与第二微环均与所述总线波导并联耦合，所述第一微环的直波导设置在所述行波电极结构的第一调制区域，所述第二微环的直波导设置在所述行波电极结构的第二调制区域；所述行波电极结构，用于响应信号发生器产生的一对差分信号，在所述第一调制区域产生第一电场，对所述第一微环的光信号进行调制，同时在所述第二调制区域产生与所述第一电场方向相同的第二电场，对所述第二微环的光信号进行调制。通过采用行波电极对环对电光调制器光波导中的光信号进行调制，从而拓展环对调制器的带宽，实现高速电光调制。
参照图2，图2为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第二实施例的截面示意图，如图2所示，在本实施例中，与上述第一实施例相同或相似的内容，可以参考上文介绍，后续不再赘述。所述双环并联行波电极电光调制器芯片可采用x-cut薄膜铌酸锂晶圆，双环并联行波电极电光调制器芯片可包括：衬底层201、低折射率的埋层202、薄膜铌酸锂203构成的脊波导结构以及低折射率的上包层204。其中，电光调制区域波导传输方向为图中所示的y方向。还包括如上述第一实施例所述的金属行波电极205以及热调结构电阻材料206。工艺上，电极也可以直接加在薄膜铌酸锂上，之后再加SiO2的上包层。
需要说明的是，行波电极采用共面波导结构，材料为金或铜，厚度为0.9微米，行波电极将射频电信号利用铌酸锂的电光效应加载至波导中的光信号，电极结构参数通过仿真确定。电阻材料为镍铬合金，厚度180纳米。所述衬底层201为硅或者石英衬底，厚度为500微米，低折射率埋层202为二氧化硅，折射率为1.44，厚度为2微米，薄膜铌酸锂203构成的脊波导厚度为180纳米，平板波导厚度为180纳米，低折射率上包层204为二氧化硅，厚度为1微米。
参照图3，图3为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第三实施例的结构示意图，基于上述各实施例提出本发明双环并联行波电极电光调制器芯片的第四实施例。如图3所示，在本实施例中，与上述第一实施例及第二实施例中相同或相似的内容，可以参考上文介绍，后续不再赘述。
为了使得两个不同微环的直波导，在同一时刻所处的电场方向是相同的，从而电场对光信号的相位影响是一致的，还可以设置所述第一微环1021的直波导设置在所述第一源电极302与所述第一地电极301之间，所述第二微环1022的直波导设置在所述第二源电极304与所述第三地电极305之间。
参照图4，图4为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第四实施例的结构示意图，基于上述各实施例提出本发明双环并联行波电极电光调制器芯片的第四实施例。如图4所示，在本实施例中，与上述各实施例中相同或相似的内容，可以参考上文介绍，后续不再赘述。
为了减小加工的难度，进一步增强总线波导耦合至第一微环以及第二微环的能力，可以在耦合部分采用多模干涉结构（Multimode Interference，MMI）结构（参照图中401和402），进一步减小加工的难度。
应当理解的是，对于上述将第一微环1021的直波导设置在所述第一源电极302与所述第一地电极301之间，所述第二微环1022的直波导设置在所述第二源电极304与所述第三地电极305之间。以及将所述第一微环1021的直波导设置在所述第一源电极302与所述第二地电极303之间，所述第二微环1022的直波导设置在所述第二源电极304与所述第二地电极303之间均可使用MMI结构进行耦合。本实施例以后一种方式进行示例。
参照图5，图5为本发明双环并联行波电极电光调制器芯片第五实施例的结构示意图，基于上述各实施例提出本发明双环并联行波电极电光调制器芯片的第五实施例。如图5所示，在本实施例中，与上述各实施例中相同或相似的内容，可以参考上文介绍，后续不再赘述。
为了进一步减小加工与测试的难度，以使得行波电极结构的两个GSG结构得以同向设置，可以通过弯折总线波导的方式，改变第二微环上光信号的耦合方向，进而改变GSG结构的方向设置。
应当理解的是，如图1中的光信号在第一微环和第二微环中均是逆时针方向进行传输，而在本实施例图5中，在第一微环中以逆时针传输，在第二微环中以顺时针进行传输，进而改变了光传输方向，因此可以将变GSG结构的方向设置为同向。
此外，为了实现上述目的，本发明实施例还提出一种光通信系统，由于本光通信系统包括上述双环并联行波电极电光调制器芯片，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述双环并联行波电极电光调制器芯片包括：总线波导、行波电极结构以及带跑马场结构相同的两个微环；
第一微环与第二微环均与所述总线波导并联耦合，所述第一微环的直波导设置在所述行波电极结构的第一调制区域，所述第二微环的直波导设置在所述行波电极结构的第二调制区域；
所述行波电极结构，用于响应信号发生器产生的一对差分信号，在所述第一调制区域产生第一电场，对所述第一微环的光信号进行调制，同时在所述第二调制区域产生与所述第一电场方向相同的第二电场，对所述第二微环的光信号进行调制。
2.如权利要求1所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述双环并联行波电极电光调制器芯片还包括：热调结构；
所述热调结构设置在所述第一微环以及所述第二微环上；
所述热调结构，用于调谐所述第一微环以及所述第二微环谐振波长相同的光信号。
3.如权利要求2所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述热调结构包括：第一电阻、第二电阻、第一至第四直流电极；
所述第一电阻设置在所述第一微环上，所述第一电阻的一端与第一直流电极电性连接，所述第一电阻的另一端与第二直流电极电性连接；
所述第二电阻设置在所述第二微环上，所述第二电阻的一端与第三直流电极电性连接，所述第二电阻的另一端与所述第四直流电极电性连接。
4.如权利要求1所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述行波电极结构包括：依次设置的第一地电极、第一源电极、第二地电极、第二源电极和第三地电极；
所述第一源电极接收所述信号发生器的差分正信号，所述第二源电极接收所述信号发生器的差分负信号；
所述第一源电极接收电信号的方向与所述第二源电极接收电信号的方向相反。
5.如权利要求4所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述行波电极结构包括：第三电阻和第四电阻；
所述第三电阻的一端与所述第一源电极电性连接，所述第三电阻的另一端与所述第一地电极电性连接，所述第四电阻的一端与所述第二源电极电性连接，所述第四电阻的另一端与所述第三地电极电性连接。
6.如权利要求5所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述行波电极结构还包括：多个微电极对；
各所述微电极对设置在所述第一源电极与所述第一地电极以及所述第二地电极之间，各所述微电极对还设置在所述第二源电极与所述第二地电极以及所述第三地电极之间。
7.如权利要求6所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述第一微环的直波导设置在所述第一源电极与所述第二地电极之间，所述第二微环的直波导设置在所述第二源电极与所述第二地电极之间。
8.如权利要求6所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述第一微环的直波导设置在所述第一源电极与所述第一地电极之间，所述第二微环的直波导设置在所述第二源电极与所述第三地电极之间。
9.如权利要求1所述的双环并联行波电极电光调制器芯片，其特征在于，所述双环并联行波电极电光调制器芯片还包括：由下至上依次设置的衬底层、埋层、薄膜铌酸锂以及上包层；
所述第一微环、所述第二微环以及所述行波电极结构均设置于所述上包层顶部。
10.一种光通信系统，其特征在于，所述光通信系统包括如权利要求1至9中任一项所述双环并联行波电极电光调制器芯片。
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