一种基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提出一种基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器，同时实现微型化、低功耗、高速率以及超高消光比的电光调制。
6.本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器，包括入射波导、直通出射波导、环形谐振腔阵列、分路出射波导；所述环形谐振腔阵列包括若干个依次耦合的环形谐振腔、每个环形谐振腔中集成一组相移器波导和相应的驱动电极，所述驱动电极通过接入电信号改变相移器波导的有效折射率，使经过相移器波导的光波发生相位变化；所述入射波导与直通出射波导相连，构成集总波导；所述环形谐振腔阵列左侧的环形谐振腔与上述集总波导耦合，实现环形谐振腔阵列的光耦合入射和直通出射；所述环形谐振腔阵列右侧的环形谐振腔与分路出射波导耦合，实现环形谐振腔阵列的光耦合分路出射。
7.进一步地，直通出射波导的直通出射光波振幅、分路出射波导的分路出射光波振幅与入射波导的入射光波振幅之比分别满足以下的递归关系：幅与入射波导的入射光波振幅之比分别满足以下的递归关系：式中，e
in
为入射光波振幅；n为整数且不小于1；e
t,n
为n个耦合环形谐振腔结构的直通出射光波振幅；e
d,n
为n个耦合环形谐振腔结构的分路出射光波振幅；为一共有n个耦合环形谐振腔时，第n个环形谐振腔与集总波导的光强耦合系数；i为虚数符号；为光在第n个环形谐振腔传输一周的振幅透过系数， 意味着环形谐振腔损耗为零，意味着环形谐振腔损耗不为零；为光在第n个环形谐振腔传输一周的相位变化，即：其中，e为自然对数的底数；为光波在第n个环形谐振腔中的传播常数且，n
eff
为有效折射率，为光波长；l
n
为第n个环形谐振腔的周长。
8.进一步地，对环形谐振腔个数n，当、（n=1、2
…
n）接近或满足临界耦合条件
时，直通出射光获得带阻滤波特性，分路出射光可获得带通滤波特性，并且n越大，消光比越高。
9.进一步地，所述入射波导、直通出射波导、分路出射波导和相移器波导优选为脊型硅波导或脊型铌酸锂波导或条形铌酸锂波导。
10.进一步地，所述环形谐振腔的形状优选圆形或跑道形状。
11.进一步地，所述环形谐振腔为支持光波沿特定路径环行谐振的光学结构，采用闭合波导回路或圆盘回音壁形式。
12.进一步地，所述改变相移器波导的有效折射率的原理为光学二阶非线性效应或自由载流子等离子色散效应。
13.本发明的有益效果如下：1.本发明将多个环形谐振腔依次耦合，通过合理选择结构参数，使该结构形成高阶光学滤波器，通带透过率和阻带透过率之比以及过渡的陡峭程度（滚降系数）随环形谐振腔个数的增加而提高。用电信号同时驱动各个集成在环形谐振腔中的相移器波导并改变其有效折射率，可移动该结构的光透过谱中通带与阻带的波长位置。将该电光调制器的输入光波长选择在通带或阻带初始位置时，即可通过加载电信号实现超高消光比的光调制，相比使用常规mzi结构或单个环形谐振腔结构进行调制需要的折射率变化量大幅减少。
14.2.本发明采用的电光调制方式，利用相移器波导材料对电信号的快速响应，可轻易实现10ghz以上的调制带宽，相比常规用于产生高消光比脉冲的声光调制方式高十倍以上。
15.3.本发明基于微小、紧凑的集成光波导来实现超高消光比的集成电光调制器，相比空间光调制器具有更强的电光相互作用，可获得更高的调制效率以及更小的器件尺寸。
附图说明
16.图1为本发明的基于耦合环形谐振腔集成电光调制器的整体示意图，图中的省略号表示有若干个依次耦合的环形谐振腔以及相应的驱动电极；图2为实施例一的六个圆环形硅波导谐振腔耦合构成的集成电光调制器整体示意图，图中白色箭头表示入射光方向，黑色箭头表示出射光方向；图3为实施例一中分路出射波导的光透过率曲线图；图4为实施例二的六个跑道环形铌酸锂波导谐振腔耦合构成的集成电光调制器整体示意图，图中白色箭头表示入射光方向，黑色箭头表示出射光方向；图5为实施例二中直通出射波导的光透过率曲线图；图6为实施例三的五个跑道环形铌酸锂波导谐振腔耦合构成的集成电光调制器整体示意图，图中白色箭头表示入射光方向，黑色箭头表示出射光方向；图7为实施例三中分路出射波导的光透过率曲线图；图中，11、入射波导；12、直通出射波导；13、分路出射波导；21、环形谐振腔；22、相移器波导；31、驱动电极。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。
18.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精确的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
19.需要说明的是，对于
ꢀ“
左侧”、“右侧”、“宽度”、“厚度”、“接近”等指示方位、尺度和位置关系的术语，仅为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定方位、尺寸和以特定的方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
20.如图1所示，本发明的基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器，包括入射波导11、直通出射波导12、环形谐振腔阵列、分路出射波导13、集成在每个环形谐振腔中的相移器波导22及其附近的驱动电极31；所述入射波导11与直通出射波导12相连，构成集总波导；所述环形谐振腔阵列由若干个环形谐振腔21依次耦合得到，具体而言，从右边起，第一环形谐振腔的左侧波导与第二环形谐振腔的右侧波导相互接近至一定的间距，形成波导耦合区，实现两个谐振腔之间的光学耦合；以此类推，第二环形谐振腔的左侧波导与第三环形谐振腔的右侧波导相互接近形成波导耦合区，第三环形谐振腔的左侧波导与第四环形谐振腔的右侧波导相互接近形成波导耦合区，直至第n
‑
1环形谐振腔的左侧波导与第n环形谐振腔的右侧波导相互接近形成波导耦合区，整体上构成多个环形谐振腔依次耦合的结构，所述n为环形谐振腔的总个数。所述环形谐振腔阵列左侧的环形谐振腔与上述集总波导耦合，实现环形谐振腔阵列的光耦合入射和直通出射。所述环形谐振腔阵列右侧的环形谐振腔与分路出射波导13耦合，实现环形谐振腔阵列的光耦合分路出射。所有构成环形谐振腔的波导均包括一部分相移器波导22。
21.所述驱动电极31设置于每个对应的环形谐振腔21的相移器波导22附近并相隔一定距离，通过接入电信号改变相移器波导的有效折射率，使经过相移器波导的光波发生相位变化；所述改变相移器波导的有效折射率的机理包括但不限于光学二阶非线性（pockels）效应、自由载流子等离子色散效应。
22.使用本发明基于耦合环形谐振腔的超高消光比集成电光调制器，把单频激光的波长设置在电光调制器中环形谐振腔阵列滤波透过谱的通带或者阻带中心波长位置，并将激光注入到入射波导11。激光沿入射波导11传播经过后续一系列波导相互靠近的耦合区域，包括集总波导与第n环形谐振腔的耦合区、相邻环形谐振腔之间的耦合区以及第一环形谐振腔与分路出射波导13的耦合区，借助各个波导间的光学耦合进入各个环形谐振腔。以入射波导11至分路出射波导13的滤波透过谱为准，具有通带波长的激光在腔内谐振并通过分路出射波导13输出，具有阻带波长的激光无法在腔内谐振，直接从直通出射波导12输出。合理设置环形谐振腔阵列的构造以及环形谐振腔之间的功率耦合系数，使通带和阻带的透过率具有很大的差别即超高的滤波器带外抑制比。然后，将电信号同时加载到每个相移器波导对应的驱动电极上，改变相移器波导有效折射率，使环形谐振腔阵列的滤波透过谱发生
整体移动。因此，从分路出射波导12输出的通带波长单频激光，或者从直通出射波导12输出的阻带波长单频激光，其输出强度均发生急剧的变化，利用超高带外抑制比实现超高消光比的电光调制，可为otdr产生超低背景噪声的高消光比光脉冲。
23.直通出射波导12的直通出射光波振幅、分路出射波导13的分路出射光波振幅与入射波导11的入射光波振幅之比分别满足以下的递归关系：射波导11的入射光波振幅之比分别满足以下的递归关系：式中，e
in
为入射光波振幅；n为整数且不小于1；e
t,n
为n个耦合环形谐振腔结构的直通出射光波振幅；e
d,n
为n个耦合环形谐振腔结构的分路出射光波振幅；为一共有n个耦合环形谐振腔时，第n个环形谐振腔与集总波导的光强耦合系数；i为虚数符号；为光在第n个环形谐振腔传输一周的振幅透过系数， 意味着环形谐振腔损耗为零，意味着环形谐振腔损耗不为零；为光在第n个环形谐振腔传输一周的相位变化，即：其中，e为自然对数的底数；为光波在第n个环形谐振腔中的传播常数且，n
eff
为有效折射率，为光波长；l
n
为第n个环形谐振腔的周长。
24.当n=0即没有环形谐振器时，e
t,0
=e
i
，e
d,0
=0。因此，结合各个环形谐振腔的参数、l
n
以及谐振腔之间的光强耦合系数（n=1、2
…
n），即可逐步推导出n个环形谐振腔耦合的传输特性。
25.对给定的环形谐振腔个数n，当、（n=1、2
…
n）接近或满足临界耦合条件时，直通出射光可获得带阻滤波特性，分路出射光可获得带通滤波特性，并且n越大，消光比越高。
26.下面给出本发明的多个实施例。
27.实施例一基于220nm绝缘层上硅（siliconon insulator, soi）的超高消光比集成电光调制器，入射波导11、直通出射波导12、分路出射波导13和相移器波导22优选为脊型硅波导。硅在1550nm波长附近的折射率为3.47，厚度220nm，刻蚀深度150nm即平板区域厚度为70nm，波导宽度为450nm。上下包层均为二氧化硅，1550nm波长附近的折射率为1.44。
28.设置六个依次耦合的等周长环形谐振腔，如图2所示，图中白色箭头表示入射光方向，黑色箭头表示出射光方向；各个波导耦合区的光强耦合效率，从左到右起分别为0.72、0.13、0.04、0.03、0.04、0.13、0.72。每个谐振腔的半径均为50μm。
29.各个环形谐振腔中的相移器波导22为pn结型波导，长度为环形谐振腔21周长的四
分之一。pn结的形成通过对相移器波导22沿传播方向的左右两侧分别进行硼和磷的离子注入掺杂实现。相移器波导22附近的金属电极31经金属导通孔和位于脊型波导平板区域的浓掺区实现欧姆接触，因此可通过电压信号改变pn结耗尽区的厚度，从而改变载流子浓度和波导有效折射率。
30.设各个环形谐振腔21的平均损耗为7db/cm（综合环中掺杂的相移器波导22以及剩下的非掺杂波导），结合每个相移器波导22耦合区附近的光场耦合关系以及光传播所带来的相位变化，可计算出该结构的分路出射波导透过谱如图3实线光透过率曲线所示，呈现带通滤波器特性，带外抑制比超过90db。当电压信号使相移器波导22有效折射率改变0.0012，则移动后的透过谱如图3虚线光透过率曲线所示。将单频光波长设于1549.33nm（图3虚线所示），以分路出射波导13为输出，电压信号造成的输出光强变化即消光比就可达到50db。在一个π的相位变化范围内，折射率改变越大，消光比越大。此外，pn结对电压信号的响应时间可小于100ps，对应调制速率大于10gbit/s，远快于声光调制器。
31.实施例二基于绝缘层上铌酸锂的超高消光比集成电光调制器，入射波导11、直通出射波导12、分路出射波导13和相移器波导22优选为脊型铌酸锂波导。铌酸锂在1550nm波长附近的折射率为2.21（寻常光）和2.13（反常光），厚度600nm，刻蚀深度350nm即平板厚度为250nm，波导宽度为800nm。上下包层均为二氧化硅，1550nm波长附近的折射率为1.44。
32.将环形谐振腔21单元设置为跑道形状，包括左右两侧的半圆环形波导及其之间起连接作用的一对平行直波导。六个这样的跑道环形谐振腔依次耦合，如图4所示，图中白色箭头表示入射光方向，黑色箭头表示出射光方向；各个波导耦合区的光强耦合效率，从左到右起分别为0.85、0.28、0.095、0.07、0.095、0.28、0.85。每个谐振腔的圆弧半径均为50μm，直波导长度均为100μm。
33.由于铌酸锂具有一阶光学非线性效应，铌酸锂波导的折射率和所处电场的强度具有线性关系。因此，以跑道环形谐振腔的一对平行直波导作为相移器波导，并分别在其两侧设置电极以施加电场，可对这部分波导的折射率实现电调制。作为各项异性电光晶体，铌酸锂电光系数张量中元素r
33
之值最大。这意味着要获得最高的调制效率，铌酸锂薄膜法线应选取x晶向，产生相移作用的波导应沿着y晶向，同时调制电场方向垂直于波导即沿着z晶向。因此图4中跑道环形谐振腔宜沿着y晶向依次耦合，使相移器波导22亦平行于该方向。
34.设各个环形谐振腔21的波导平均损耗为2db/cm，则该结构的直通出射波导透过谱如图5实线光透过率曲线所示，呈现带阻滤波器特性，带外抑制比超过60db。当电压信号使相移器波导22有效折射率改变0.0007，则移动后的透过谱如图5虚线光透过率曲线所示。将单频光波长设于1549.748nm（图5虚线所示），以直通出射波导12为输出，电压信号造成的输出光强变化即消光比就超过55db。铌酸锂的电光响应速度比pn结型硅波导的更快，因此调制速率更高。
35.实施例三采取和实施例二相同的波导材料和波导结构参数，仍将环形谐振腔21单元设置为跑道形状，包括左右两侧的半圆环形波导及其之间起连接作用的一对平行直波导。五个这样的跑道环形谐振腔依次耦合，如图6所示，图中白色箭头表示入射光方向，黑色箭头表示出射光方向；各个波导耦合区的光强耦合效率，从左到右起分别为0.81、0.3、0.15、0.15、
0.3、0.81。每个谐振腔的圆弧半径均为50μm，直波导长度均为150μm。
36.设各个环形谐振腔21的波导平均损耗为2db/cm，则该结构的分路出射波导13透过谱如图7实线光透过率曲线所示，呈现带通滤波器特性，带外抑制比超过80db。当电压信号使相移器波导22有效折射率改变0.0007，则移动后的透过谱如图7虚线光透过率曲线所示。将单频光波长设于1563.26nm（图7虚线所示），电压信号造成的光强输出变化即消光比即超过50db。
37.综上，本发明将多个环形谐振腔依次耦合，通过合理选择结构参数，使该结构形成高阶光学滤波器，通带透过率和阻带透过率之比以及过渡的陡峭程度（滚降系数）随环形谐振腔个数的增加而提高。用电信号同时驱动各个集成在环形谐振腔中的相移器波导并改变其有效折射率，可移动该结构的光透过谱中通带与阻带的波长位置。将该电光调制器的输入光波长选择在通带或阻带初始位置时，即可通过加载电信号实现超高消光比的光调制，相比使用常规mzi结构或单个环形谐振腔结构进行调制需要的折射率变化量大幅减少。本发明采用的电光调制方式，利用相移器波导材料对电信号的快速响应，可轻易实现10ghz以上的调制带宽，相比常规用于产生高消光比脉冲的声光调制方式高十倍以上。本发明基于微小、紧凑的集成光波导来实现超高消光比的集成电光调制器，相比空间光调制器具有更强的电光相互作用，可获得更高的调制效率以及更小的器件尺寸。在实际器件制备当中，由于制备误差的存在，环形谐振腔的周长可能会偏离设计长度，导致多个环形谐振腔耦合后的传输特性不具备高抑制比带通或带阻滤波器的特点。对此，可对相移器波导22加载直流偏置电压，或额外设置直流偏置电极，fenmiw调节静态下的有效折射率，使环型谐振腔的光程尽可能与设计长度一致以得到足够高的带外抑制比，然后即可加载调制信号进行高消光比电光调制。
38.此外，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，还可做出若干改进和润饰，采用其他集成光学材料平台，如硫系玻璃、氮化硅、锗、磷化铟和砷化镓等；采用不同的光学工作波段，如可见光波段、近红外波段和中红外波段等。
39.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、同等替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。