一种基于薄膜铌酸锂(TFLN)的90°光学混频器的制作方法

本发明涉及光通信，尤其涉及一种基于薄膜铌酸锂(tfln)的90°光学混频器。

背景技术：

1、在现代光通信系统中，90°光学混频器作为关键器件，用于将输入的光信号与本地振荡光信号进行混频，产生具有特定相位关系的输出信号，广泛应用于相干光通信、光信号处理等领域。传统的90°光学混频器在性能上存在一定的局限性，例如，相位误差较大，导致信号解调精度不高；对工艺波动较为敏感，使得器件的一致性和稳定性较差；并且，随着光通信系统对高速率、大容量的需求不断增加，传统结构难以满足日益增长的性能要求。

2、近年来，薄膜铌酸锂(tfln)材料因其优异的光学特性，如高电光系数、宽透明窗口、低光学损耗等，在光电子器件领域展现出巨大的应用潜力。将tfln材料应用于90°光学混频器的设计，有望突破传统器件的性能瓶颈，提升光通信系统的整体性能。然而，目前基于tfln的90°光学混频器在结构设计和性能优化方面仍存在诸多问题需要解决。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于tfln的90°光学混频器，以解决现有90°光学混频器存在的相位误差大、对工艺波动敏感以及难以满足高速率、大容量光通信需求的问题。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

2、一种基于tfln的90°光学混频器，包括：

3、输入波导模块：包括信号光输入波导和本振光输入波导，二者均采用tfln材料制备，用于将外部输入的信号光和本振光分别引入混频器内部。所述信号光输入波导和本振光输入波导在tfln衬底上通过光刻、蚀刻等工艺精确制作，其波导结构参数经过优化设计，以实现低损耗的光传输。

4、分光与相移模块：与输入波导模块相连，包括第一分光器、第二分光器、第一相移臂和第二相移臂。所述第一分光器和第二分光器将输入的信号光和本振光分别等分为两束光，且第一分光器和第二分光器均采用tfln材料制作的定向耦合器结构，通过精确控制定向耦合器的耦合长度、波导间距等参数，实现高精度的分光比。所述第一相移臂和第二相移臂分别对分光后的两束光进行相位调制，使其产生90°的相位差。第一相移臂和第二相移臂利用tfln材料的电光效应，通过在相移臂上设置电极，施加不同的电压来精确调节光信号的相位。

5、合波模块：与分光与相移模块相连，包括第一合波器和第二合波器，用于将经过相移的信号光和本振光进行合波，输出四束具有90°相位间隔的干涉光。第一合波器和第二合波器同样采用tfln材料制作的定向耦合器结构，通过合理设计耦合器的参数，确保合波过程中的低损耗和高耦合效率。

6、电极控制模块：与分光与相移模块中的第一相移臂和第二相移臂上的电极相连，用于精确控制施加在电极上的电压，从而实现对光信号相位的精确调节。电极控制模块采用高精度的电压源和反馈控制电路，能够实时监测混频器输出信号的相位信息，并根据预设的相位要求自动调整施加在电极上的电压，以补偿因温度变化、工艺波动等因素引起的相位误差。

7、在本发明的一些实施方式中，所述tfln衬底采用离子束刻蚀技术制作波导结构，以提高波导的侧壁粗糙度，降低光学损耗。在波导制作过程中，通过精确控制离子束的能量、束流密度和刻蚀时间等参数，使得波导侧壁光滑且垂直，有效减少光在波导传输过程中的散射损耗。

8、在本发明的一些实施方式中，所述第一分光器、第二分光器、第一合波器和第二合波器的定向耦合器结构中，波导的宽度为0.5um-2um，波导间距为0.2um-1um，耦合长度为10um-100um，通过优化这些参数，实现了分光比和耦合效率的精确控制。例如，当波导宽度为1um，波导间距为0.5um，耦合长度为50um时，定向耦合器能够实现接近50:50的分光比和高效率的耦合。

9、在本发明的一些实施方式中，所述第一相移臂和第二相移臂上的电极采用金属钛制作，电极宽度为2m-5um，电极间距为1um-3um，通过优化电极结构参数，提高了电光调制效率。金属钛具有良好的导电性和与tfln材料的兼容性，在上述电极宽度和间距范围内，能够有效地施加电场，利用tfln材料的电光效应实现高效的相位调制。

10、在本发明的一些实施方式中，所述电极控制模块采用比例积分微分(pid)控制算法，实时调整施加在电极上的电压，补偿相位误差。pid控制算法能够根据输出信号相位与预设相位的偏差，快速、准确地计算出需要调整的电压值，通过反馈控制电路自动调整施加在电极上的电压，使得混频器输出信号的相位始终保持在精确的90°间隔。

1.一种基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述tfln衬底采用离子束刻蚀技术制作波导结构。

3.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述第一分光器、第二分光器、第一合波器和第二合波器均为采用tfln材料制作的定向耦合器结构，其中波导的宽度为0.5μm-2μm，波导间距为0.2μm-1μm，耦合长度为10μm-100μm。

4.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述第一相移臂和第二相移臂上的电极采用金属钛制作，电极宽度为2μm-5μm，电极间距为1μm-3μm。

5.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述电极控制模块采用比例积分微分(pid)控制算法，实时调整施加在电极上的电压，补偿相位误差。

6.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述输入波导模块、分光与相移模块、合波模块中的波导结构参数经过优化设计，以实现低损耗的光传输。

7.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述第一分光器和第二分光器通过精确控制定向耦合器的耦合长度、波导间距等参数，实现高精度的分光比。

8.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述第一合波器和第二合波器通过合理设计耦合器的参数，确保合波过程中的低损耗和高耦合效率。

9.根据权利要求1所述的基于tfln的90°光学混频器，其特征在于，所述电极控制模块采用高精度的电压源和反馈控制电路，能够实时监测混频器输出信号的相位信息，并根据预设的相位要求自动调整施加在电极上的电压。