本實(shí)用新型涉及集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于布拉格相移光柵的電光調(diào)制器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)今的社會(huì)已經(jīng)逐漸步入大數(shù)據(jù)時(shí)代，電互連技術(shù)的局限性已經(jīng)體現(xiàn)地越來(lái)越明顯，光互連技術(shù)取代電互連技術(shù)是通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。電光調(diào)制器以其良好的特性，在光互連領(lǐng)域中起到至關(guān)重要的作用。

電光調(diào)制器是指當(dāng)一定的電壓加載于器件上時(shí)，會(huì)引起器件中電光晶體特性變化而制成的光學(xué)器件。在電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)方面，現(xiàn)在最為普遍研究和應(yīng)用的電光調(diào)制器主要為兩類：M-Z調(diào)制器和微環(huán)調(diào)制器。M-Z調(diào)制器是利用Y型光波導(dǎo)將入射光分為分裂成兩束準(zhǔn)直光束后，在其中一段光波導(dǎo)兩端加載電壓，從而導(dǎo)致通過(guò)該路徑的光波發(fā)生相位、振幅、強(qiáng)度以及偏振狀態(tài)的變化，再經(jīng)Y型光波導(dǎo)對(duì)兩束準(zhǔn)直光束進(jìn)行匯聚，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制。盡管M-Z調(diào)制器具有非常簡(jiǎn)單的制造工藝并且擁有較大的光學(xué)帶寬，但是插損大、功耗高、結(jié)構(gòu)小型化困難等缺點(diǎn)使其難以成為優(yōu)秀的電光調(diào)制器。相對(duì)于M-Z調(diào)制器來(lái)說(shuō)，微環(huán)調(diào)制器具有尺寸小、功耗低、可以兼容CMOS器件等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而若要研制出一種高效、穩(wěn)定的微環(huán)調(diào)制器，對(duì)工藝和溫度的要求極為苛刻，從而導(dǎo)致制造成本的增加，難以大規(guī)模地生產(chǎn)利用。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，布拉格相移光柵作為同樣可以傳輸光信號(hào)的調(diào)制器，具有非常優(yōu)秀的傳輸特性和極高的頻譜利用率。而光電有機(jī)聚合物相對(duì)于無(wú)機(jī)材料具有非線性系數(shù)高、介電常數(shù)低、易加工處理、兼容于現(xiàn)有集成工藝等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于布拉格相移光柵的電光調(diào)制器。這種電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)尺寸小、傳輸損耗低、調(diào)制效率高，另外還具有工藝簡(jiǎn)單，易集成于CMOS集成電路的特點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是：

一種基于布拉格相移光柵的電光調(diào)制器，包括基底層、下波導(dǎo)層和上波導(dǎo)層，所述下波導(dǎo)層和上波導(dǎo)層順序疊接在基底層的上表面上，所述上波導(dǎo)層的頂部設(shè)有等周期的布拉格光柵，布拉格光柵的中間位置設(shè)有相移結(jié)構(gòu)，相移結(jié)構(gòu)將布拉格光柵分成大小相同的2個(gè)光柵結(jié)構(gòu)，所述基底層的寬度尺寸要大于下波導(dǎo)層的寬度尺寸、上波導(dǎo)層的寬度尺寸，基底層的上表面還設(shè)有電極。

所述基底層為金屬銀。

所述下波導(dǎo)層為低折射率的光電聚合物。

所述上波導(dǎo)層為高折射率的硅。

所述布拉格光柵的周期單元為凹凸?fàn)畹膶?duì)稱矩形結(jié)構(gòu)，并且周期單元中凹槽部分與凸起部分寬度相同，利用電子束曝光的光刻技術(shù)形成布拉格光柵根據(jù)布拉格條件，具體公式如下：

其中，Λ表示的是周期單元長(zhǎng)度，λ_c表示的是中心波長(zhǎng)，n_eff1和n_eff2分別表示的是光柵凹槽部分和凸起部分所在位置的光柵折射率。

所述電極為兩個(gè)金屬電極，兩個(gè)金屬電極分別設(shè)置于基底層上表面上的下波導(dǎo)層和上波導(dǎo)層的組合體的兩側(cè)，兩個(gè)金屬電極的工作電壓根據(jù)實(shí)際需求的不同而變化，通常為±4.5V-±7.5V。

所述下波導(dǎo)層和上波導(dǎo)層的寬度均為200nm，以保證單TM模式的光波可以通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)，光波由兩個(gè)波導(dǎo)層的一端輸入器件，經(jīng)過(guò)能量的震蕩耦合，透射光信號(hào)由兩個(gè)波導(dǎo)層的另一端輸出，反射光信號(hào)從光的輸入端同端輸出。

所述相移結(jié)構(gòu)根據(jù)如下公式得出具體長(zhǎng)度：

Λ_p＝λ_c/(n_eff2)

其中，Λ_p表示的是相移結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，λ_c表示的是中心波長(zhǎng)，n_eff2表示的是光柵凸起部分所在位置的光柵折射率，相移結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了在傳輸光譜中所需的特定波長(zhǎng)具有更窄的帶寬，保證極高的頻譜利用率和穩(wěn)定、高效地光信號(hào)傳輸。

所述基底層的金屬銀可以將入射光限制在基底層和下波導(dǎo)層的界面處，產(chǎn)生表面等離激元，利用光電聚合物、硅兩種材料之間形成的高折射率對(duì)比度，可以使能量基本被壓縮在下波導(dǎo)層內(nèi)，突破衍射極限，形成一個(gè)僅有幾十納米的光場(chǎng)限制區(qū)域，這樣，利用表面等離激元技術(shù)的布拉格相移光柵電光調(diào)制器不僅提供了更高的傳輸效率，而且大大縮小了整個(gè)器件的尺寸。

根據(jù)衍射區(qū)域面積公式，具體公式如下：

A_eff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，A_eff表示的是衍射區(qū)域面積,W(r)表示的是電磁能量密度，ε(r)表示的相對(duì)介電常數(shù)，μ₀表示的是真空磁導(dǎo)率，E(r)和H(r)表示的是波導(dǎo)光柵的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)所述電極未通電時(shí)，光波進(jìn)入器件后并且傳輸至所述相移結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)不斷地震蕩耦合，最終特定波長(zhǎng)下的光信號(hào)可以穿過(guò)整個(gè)器件，并對(duì)輸出的光信號(hào)讀為“1”；當(dāng)所述電極加載一定電壓時(shí)，下波導(dǎo)層中的光電聚合物的折射率會(huì)發(fā)生改變，從而使整個(gè)光柵的有效折射率發(fā)生變化，原本在特定波長(zhǎng)下可以通過(guò)整個(gè)器件的光信號(hào)將不再被允許傳輸，對(duì)未輸出的光信號(hào)讀為“0”。通過(guò)對(duì)電壓的改變，該調(diào)制器形成了一種開關(guān)相移鍵控(OOK)的調(diào)制方式，能夠應(yīng)用于高通信容量的通信系統(tǒng)中。

這種電光調(diào)制器通過(guò)將光電有機(jī)聚合物與布拉格相移光柵相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)快速、穩(wěn)定、高效地調(diào)制，對(duì)推動(dòng)電光調(diào)制器的發(fā)展具有重大意義。

這種電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)尺寸小、傳輸損耗低、調(diào)制效率高，另外還具有工藝簡(jiǎn)單，易集成于CMOS集成電路的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；

圖3為中心波長(zhǎng)為1550nm的傳輸光譜圖。

圖中，1.基底層 2.下波導(dǎo)層 3.上波導(dǎo)層 4.布拉格光柵 5.相移結(jié)構(gòu) 6.電極 I.光波輸入端 O₁.透射光波輸出端 O₂.反射光波輸出端。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型內(nèi)容做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不是對(duì)本實(shí)用新型的限定。

實(shí)施例：

參照?qǐng)D1、圖2，一種基于布拉格相移光柵的電光調(diào)制器，包括基底層1、下波導(dǎo)層2和上波導(dǎo)層3，所述下波導(dǎo)層2和上波導(dǎo)層3順序疊接在基底層1的上表面上，所述上波導(dǎo)層3的頂部設(shè)有等周期的布拉格光柵4，布拉格光柵4的中間位置設(shè)有相移結(jié)構(gòu)5，相移結(jié)構(gòu)5將布拉格光柵4分成大小相同的2個(gè)光柵結(jié)構(gòu)，所述基底層1的寬度尺寸要大于下波導(dǎo)層2的寬度尺寸、上波導(dǎo)層3的寬度尺寸，基底層1的上表面還設(shè)有電極6。

所述基底層1為金屬銀，本例中為折射率0.1453+11.3587i的金屬銀，寬度為2000nm。

所述下波導(dǎo)層2為低折射率的光電聚合物，本例中下波導(dǎo)層2為厚度為30nm的電光晶體材料構(gòu)成，在無(wú)加載電壓下，其折射率為1.65，在5V加載電壓下，其折射率為1.62。

所述上波導(dǎo)層3為高折射率的硅，本例為厚度為250nm的電介質(zhì)硅構(gòu)成，折射率為3.455。

所述布拉格光柵4的周期單元為凹凸?fàn)畹膶?duì)稱矩形結(jié)構(gòu)，并且周期單元中凹槽部分與凸起部分寬度相同，利用電子束曝光的光刻技術(shù)形成布拉格光柵4根據(jù)布拉格條件，具體公式如下：

其中，Λ表示的是周期單元長(zhǎng)度，λ_c表示的是中心波長(zhǎng)，n_eff1和n_eff2分別表示的是光柵凹槽部分和凸起部分所在位置的光柵折射率。

所述電極6為兩個(gè)金屬電極，兩個(gè)金屬電極分別設(shè)置于基底層1上表面上的下波導(dǎo)層2和上波導(dǎo)層3的組合體的兩側(cè)，兩個(gè)金屬電極的工作電壓根據(jù)實(shí)際需求的不同而變化，通常為±4.5V-±7.5V。

所述下波導(dǎo)層2和上波導(dǎo)層3的寬度均為200nm，以保證單TM模式的光波可以通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)，本例中，光波從光波輸入端I射入器件，經(jīng)過(guò)能量的震蕩耦合，透射光波由透射光波輸出端O₁輸出，反射光波由反射光波輸出端O₂輸出。

所述相移結(jié)構(gòu)5根據(jù)如下公式得出具體長(zhǎng)度：

Λ_p＝λ_c/(n_eff2)

其中，Λ_p表示的是相移結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，λ_c表示的是中心波長(zhǎng)，n_eff2表示的是光柵凸起部分所在位置的光柵折射率，相移結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了在傳輸光譜中所需的特定波長(zhǎng)具有更窄的帶寬，保證極高的頻譜利用率和穩(wěn)定、高效地光信號(hào)傳輸。

本例中根據(jù)布拉格光柵的相位匹配條件和相移結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度公式，可以得到光柵的周期單元長(zhǎng)度為402.4nm，相移結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為194.4nm，以40個(gè)周期單元作為該實(shí)施例的周期單元個(gè)數(shù)，布拉格光柵的總長(zhǎng)度為16.5μm，凹槽部分的深度設(shè)置為40nm。

所述基底層1的金屬銀可以將入射光限制在基底層1和下波導(dǎo)層2的界面處，產(chǎn)生表面等離激元，利用光電聚合物和硅兩種材料之間形成的高折射率對(duì)比度，可以使能量基本被壓縮在下波導(dǎo)層2內(nèi)，突破衍射極限，形成一個(gè)僅有幾十納米的光場(chǎng)限制區(qū)域，這樣，利用表面等離激元技術(shù)的布拉格相移光柵電光調(diào)制器不僅提供了更高的傳輸效率，而且大大縮小了整個(gè)器件的尺寸。

根據(jù)衍射區(qū)域面積公式，具體公式如下：

A_eff＝[∫∫W(r)dA]/{max(W(r))}

其中，A_eff表示的是衍射區(qū)域面積,W(r)表示的是電磁能量密度，ε(r)表示的相對(duì)介電常數(shù)，μ₀表示的是真空磁導(dǎo)率，E(r)和H(r)表示的是波導(dǎo)光柵的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度。

如圖3所示，當(dāng)工作電壓未加載于電極6兩端時(shí)，光信號(hào)在1550nm波長(zhǎng)下的傳輸率可以達(dá)到60％，說(shuō)明此時(shí)光信號(hào)可以通過(guò)整個(gè)器件，并由O₁端輸出，讀為“1”；當(dāng)一個(gè)5V的工作電壓加載于電極6兩端時(shí)，光信號(hào)在1550nm波長(zhǎng)下的傳輸率僅有18％，說(shuō)明此時(shí)光信號(hào)不被允許通過(guò)整個(gè)器件，讀為“0”；通過(guò)周期性地控制工作電壓，就形成了一種開關(guān)相移鍵控(OOK)的調(diào)制方式；此外，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在1550nm的波段內(nèi)，該傳輸光譜具有8nm的半波全高寬(FWHM)。

上述優(yōu)選的具體實(shí)施例，說(shuō)明這種基于布拉格相移光柵的電光調(diào)制器對(duì)光信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、高效地調(diào)制，而且尺寸小、損耗低、工藝簡(jiǎn)單、易于集成，適合大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用于高密度的CMOS集成工藝中。