两节推挽极化波导Y型耦合器电光开关特性分析（英文）

针对两节独立反相集总电极聚合物Y型耦合器电光开关响应速度慢的问题,通过对该器件两节电光区的波导进行推挽极化,设计了一种无偏置行波电极高速电光开关.为了获得低的驱动电压、良好的阻抗匹配和光波与微波间较小的折射率失配,对电极参数做了设计和优化.通过对施加的方波开关信号做傅里叶变换并结合行波传输线理论,给出了一种用于建模和表征器件高频响应的解析分析法.对该器件的数值计算结果表明,在1 550nm中心工作波长下,其3dB状态电压为0 V,开关电压为2.68V,上分支状态电压和下分支状态电压分别为-1.34V和+1.34V,器件的插入损耗和串扰分别小于3.55和-30dB,10%~90%上升时间和下降时间均为3.90ps,截止开关频率可达128.2GHz.     

一种新型SOI Mach-Zehnder干涉型电光调制器的设计

在超紧缩双曲锥形3dB多模干涉耦合器的基础上,设计了一种新的Silicon-on-insulator (SOI) Mach-Zehnder干涉型电光调制器.与传统的Y分支器相比,双曲锥形3dB耦合器的制作容差大,而长度缩短了近30%,使得整个器件的尺寸大幅减小.调制区采用横向注入的PIN结构,模拟结果表明:当外加偏压为0.86V时,器件的调制深度最大,此时注入电流为13.2mA,对应的器件功耗为11.4mW.     

低驱动、高调制X-Cut铌酸锂电光调制器的优化设计

利用定向耦合器代替Y形分支结构,在X-cut铌酸锂(LN)基底上设计了一款具有低驱动电压、高调制参数的马赫-曾德尔(M-Z)型电光调制器。采用有限元法对定向耦合器的原理及影响因素进行了详细分析和精确计算,并对电光调制器的关键结构参数进行了优化。结果表明:光波沿着定向耦合器传播时,能量在两波导中来回交替,呈正弦和余弦函数分布,并且耦合长度随着其间距的增大而快速增大。在调制臂长为3cm,光波长为1550nm的情况下,单臂调制所获得的半波电压Vπ为2.22V,调制参数S21为-51.13dB。通过对调制臂进行截面分析,给出了电场Ex分量、电位移矢量Dx分量和光模分布,并求得重叠积分因子为0.486。同时还表明脊形波导结构有利于提高电光作用效率。当脊高为1μm时,重叠积分因子为0.714,相较于平板波导,其电光重叠积分因子提高了46.91%。     

基于电光调制沃拉斯顿棱镜组提高光谱分辨率的研究

为了在基本不改变光学干涉器件尺寸的条件下提高静态光谱分析设备的光谱分辨率,在分析了各种提高静态干涉系统光程扫描范围方法的基础上,设计了基于电光调制沃拉斯顿棱镜组的光学干涉系统。系统采用沃拉斯顿棱镜组的光学结构,计算了其相应的光程差函数,同时,又利用电光调制技术对晶体折射率进行调制,并推导了一个调制周期内的光程差变化范围,最后给出了系统的综合光程差函数及光谱分辨率。实验采用三块尺寸、结构角都一致的沃拉斯顿棱镜构成沃拉斯顿棱镜组,通过SGT-3型声光调制器调制信号。结果显示,经消冗余处理后干涉条纹图像可有效融合,调制后的干涉图像虽略有畸变,但经线性校正后满足光谱分布函数还原的要求。相比同尺寸的静态干涉系统而言,光谱分辨率提高了近一个数量级。     

基于嵌入填充层的薄膜铌酸锂-氮化硅电光调制器

提出一种异质集成型薄膜铌酸锂电光调制器,由底部氮化硅波导、中间BCB黏合层、顶部铌酸锂薄膜构成调制区波导结构,调制电极位于铌酸锂薄膜的上部且二者之间填充了低折射率的SiO₂,以利于实现折射率匹配并降低光损耗、微波损耗。进一步利用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了相应的电光调制器,并提出一种倒台阶型薄膜结构,该结构可实现输入、输出波导与调制区波导的高效耦合。对该电光调制器进行行波高速匹配设计,所得器件的半波电压长度积为1.77 V·cm,3 dB调制带宽为140 GHz,且调制区长度仅为5 mm。所提器件结构有望在大带宽薄膜铌酸锂电光调制器设计中发挥优势,助力薄膜铌酸锂光子集成器件的快速发展。     

基于耦合调制矩形环谐振腔高速电光调制器

针对基于腔内折射率调制效应的微环电光调制器高Q值和调制带宽相互制约的问题,提出一种基于耦合调制方式的矩形环谐振腔电光调制器.器件由基于受抑全内反射原理的沟槽型光耦合器和基于全反射原理的90°弯曲波导构成.通过建立时域动态模型对器件进行仿真设计,可得其调制相位小于0.2π、静态调制深度大于0.96(归一化最大值为1.0)、调制带宽大于100GHz.该器件片占面积为10μm×15μm,高效紧凑,满足高度集成、低能耗和高速调制等要求,可向二维方向配置和扩展.该器件可应用于单片光子集成回路.     

基于铌酸锂薄膜波导的电光调谐光栅辅助定向耦合器研究

提出并实验研究了一种基于铌酸锂薄膜光波导的电光调谐的光栅辅助定向耦合器。该耦合器由单模与双模脊形波导及制作于双模波导侧壁的长周期光栅构成。长周期光栅的引入补偿了单模与双模波导中基模的相位失配,可在共振波长实现两波导中基模的高效耦合。进一步地,在双模脊形波导两侧制作调谐电极实现了高速、低驱动电压的电光调谐功能。优化了器件的制作工艺,并采用单次干法刻蚀将耦合器的光栅与波导同步制作于X切铌酸锂薄膜上。测试结果表明所制作的器件在1 595.3 nm波长处实现了14.8 dB的隔离度,其电光调谐效率为0.38 nm/V(1 595.3 nm～1 599.0 nm),热光调谐效率为0.14 nm/℃（25℃～50℃）。该器件可用于实现可调谐滤波、滤模、电光调制及高灵敏度温度传感等功能。     

聚合物2×2定向耦合型电光开关

设计并制作了一种聚合物2×2定向耦合型电光开关.针对溶胶-凝胶法合成的有机/无机杂化电光材料膜厚较薄的情况,采用一种加载条形波导结构,利用掺有环氧丙脂的聚甲基丙烯酸甲脂-甲基丙烯酸缩水甘油脂作为引导层,在电光薄膜上构成定向耦合器,通过紫外光刻、反应离子刻蚀、电晕极化等工艺,制备了聚合物定向耦合型电光开关,并采用共面波导行波电极以电推挽方式工作.经测试,其器件损耗约为16 dB,开关电压9 V.     

低串扰聚合物交叉耦合串联五环谐振电光开关(英文)

利用两组串联五环谐振器以及它们与两信道波导的交叉耦合作用,优化设计并模拟了一种超低串扰2×2新型聚合物电光开关.为了表征器件的输出光功率特性,给出了器件结构、分析理论和相关公式.为了在下行端口(drop端口)得到箱型光谱响应以及极低的串扰和插入损耗,优化了微环谐振级数和耦合间距.对器件输出光功率和输出光谱的模拟分析结果显示,器件交叉和直通态间的切换电压为4V,交叉和直通态下两端口间的串扰分别为-66dB和-54.7dB,插入损耗分别为2.34dB和0.24dB.在1GHz方波信号作用下,器件drop端口的上升和下降时间分别为15ps和90ps.由于聚合物微环的弯曲半径仅为19.45μm,因此该器件具有超紧凑的尺寸,其长度和宽度仅为0.407mm,约为马赫-曾德尔干涉仪或者定向耦合器等一般结构聚合物电光开关长度的1/10.依赖于小的封装尺寸和极低的串扰,该器件可以高密度地集成在光电子芯片上,在光片上网络中光信号的控制方面具有潜在的应用.     

基于交叉相位调制效应的硅基全光Fredkin门

虽然传统的Fredkin门可以很好地实现相应的逻辑功能,但是其消光比和串扰还有待进一步改善。鉴于此,本文提出并设计一种基于交叉相位调制效应的硅基全光Fredkin门,该全光可逆逻辑门由两个2×2的定向耦合器、一个2×1的定向耦合器、一个1×2的定向耦合器以及两个相移臂构成。利用泵浦光与信号光在相移臂中引发的交叉相位调制效应,可以改变上、下相移臂中信号光的相位差,从而在所设计器件的不同端口处输出不同幅度的光波,继而实现Fredkin门的逻辑功能。与此同时,利用MATLAB并融入分步傅里叶法对所设计的硅基全光Fredkin门进行仿真分析。仿真结果表明,器件的最差消光比可达48.46 dB。     

基于Add-drop型微环谐振腔的硅基高速电光调制器设计

相比于传统的All-pass型微环谐振腔硅基电光调制器, Add-drop型微环谐振腔可提供更多的设计自由度, 使调制器在不改变杂质掺杂浓度的情况下就能在调制带宽和消光比性能上获得均衡考虑. 本文设计了基于Add-drop型微环谐振腔的高速、且在低调制电压下实现大消光比的硅基电光调制器, 所用微环谐振腔的半径仅仅为20 μm. 重点分析了直波导与微环谐振腔的耦合对调制器性能的影响, 发现较小的Drop端耦合系数有利于消光比的提高, 但是不能同时达到最佳的调制带宽, 因此设计上存在一个带宽和消光比性能上的折中考虑. 根据优化设计的结果进行了实际器件的制作和测试. 静态光谱测试表明, 在3 V反向偏置电压的作用下, 调制器的消光比最大可达12 dB. 动态电光响应测试中, 在仅仅1.2 V的信号幅值电压下测得了8 Gbps数据传输速率的清晰眼图. 关键词： 电光调制器 绝缘体上的硅 微环谐振腔 载流子色散效应     

基于偏置纳米线的石墨烯表面等离激元调制器

开发高性能的电光调制器对于构建片上光子回路非常重要.鉴于纳米线结构具备独特的电场横向束缚特点,设计一种基于纳米线的混合表面等离激元波导电光调制器,该调制器由偏置双硅纳米线、双石墨烯层以及置于双石墨烯层之间的银纳米线构成.利用二维时域有限差分算法计算分析结构参数对器件调制性能的影响.模拟结果表明,所设计的调制器在1550 nm的工作波长下可以实现较为出色的调制性能,其3 dB调制带宽高达250 GHz,调制深度和功耗分别高于0.15 dB/μm和低于11.5 fJ/bit,该调制器可为新一代高性能集成电光调制器的开发提供设计思路.     

光纤到户用单纤三向复用器芯片的研究

采用非对称Y分支波导和多模干涉型耦合器级联的方案设计出了一种光纤到户用单纤三向复用器芯片.模拟光谱响应结果表明,三个波长输出光斑清晰,实现了1 490 nm和1 550 nm下行波长的下传和1 310 nm波长的上传.有限差分束传播法模拟结果表明:该器件插入损耗小于1.49 dB,三个响应波长的带宽满足ITU.984 规定的带宽要求|1 310 nm上传信号隔离度达到47 dB以上,1 490 nm与1 550 nm间信号隔离度达到29 dB以上.     

基于Ti扩散铌酸锂偏振分束器的研制

对定向耦合型偏振分束器的原理进行了分析。设计了一种零间距定向耦合器,在空间上实现TE/TM模式分束;用BPM软件对所设计的器件进行仿真模拟,对于TE/TM模的消光比分别可以达到21.2dB和19.5dB;该器件在X切Y传的LiNbO3晶片上采用Ti扩散技术制作完成。实验样品消光比测试结果TE/TM模分别为11.5dB和19.1dB,对于消光比不够理想的原因进行了初步的分析。     

基于侧向PN结和交趾型PN结的硅基Mach-Zehnder调制器的二阶谐波失真特性

高线性度的电光调制器是构建微波光子链路的核心器件。硅光子调制器利用PN结的载流子色散效应实现微波信号对光波的调制,基于不同结构PN结的调制器有不同的非线性特性。本文采用二阶无杂散动态范围表征二阶谐波失真度,实验研究了采用侧向PN结和交趾型PN结所构成的Mach-Zehnder(MZ)调制器的二阶谐波失真特性。基于侧向PN结和交趾型PN结的MZ调制器的二阶无杂散动态范围为分别为85.11dB·Hz~(1/2)、78.44 dB·Hz~(1/2),表明基于侧向PN结的MZ调制器具有更好的线性度。     

偏振脱敏高隔离度高分子波导分波器设计

提出了一种新的高分子波导分波器结构,用以改善波长串扰以及偏振变动、波长带宽等引起的劣化影响.主要技术特征是采用两支参量不同的波导来构成非对称定向耦合器.报告了用非对称定向耦合器构成的马赫-泽德尔干涉型波导分波器的结构特点、基本工作原理和光学特性,详细讨论了器件的设计原理和器件性能优化的处理方法.采用三维波束传播法做了仿真验证,结果表明,该器件在1 550±5 nm和1 310±5 nm的波长带域上、对两个正交偏振态均实现了串扰小于－40 dB的高隔离度分波特性.     

聚合物定向耦合电光开关的模拟和优化

阐述了定向耦合电光开关的基本结构及工作原理,利用耦合模理论和电光调制理论,在1 550 nm波长下,对器件的结构参量进行了优化,并对其传输光谱、开关电压、插入损耗、串扰等特性进行了分析.模拟过程中,考虑了因金属电极和聚合物材料引起的模式损耗.器件的结构参量优化值为：波导芯截面尺寸为1.7×1.7 μm2,波导芯与电极间的限制层厚度为1.5 μm、电极厚度为0.15 μm,波导间的耦合间距为2.0 μm,相应的耦合长度为2 926 μm.模拟结果表明,本文所设计的器件在开关转换电压0和17.4 V下,在1 534到1 565 nm的波长范围内,器件的插入损耗小于0.16 dB,串扰小于－20 dB,耦合区在2 734~3 120 μm范围内,器件的插入损耗小于0.22 dB,串扰小于－20 dB.     

TN型液晶电光调制实验研究

根据TN型液晶的工作原理和光学特性,提出了一种方波电压信号驱动的液晶电光调制实验方法,在此基础上,利用液晶电光效应实验仪,测量了扭曲向列相型液晶在不同频率、不同波形电压激励下的电光曲线和阈值电压,分析了激励电压频率、波形对电光曲线的阈值电压和陡度的影响.对加载于TN型液晶上的3 000 Hz方波实现了正弦波幅度调制,并分析了电光调制结果.此种电光调制方法可用于液晶材料对电信号响应特性的直观显示.     

GaAs2×2Mach-Zehnder光波导开关调制器

报道了GaAs2×2非对称Mach-Zehnder光波导开关调制器的研制结果,分析了这种开关的工作原理和产生串音的因素.采用两个非对称X型耦合器代替传统的Y分支耦合器,得到了性能良好的X型3dB耦合器.λ=1.15μm时,器件的串音比小于-22.4dB,开关电压约1.2V.     

S-Band 3dB定向耦合器的优化设计及应用

3dB定向耦合器在组成微波器件中有着广泛的应用,在我们的实验室中最常用到的带有3dB定向耦合器的微波器件是移相器、衰减器和能量倍增器等,dB定向耦合器的性能参数对上述器件的性能起着决定性的作用.在对原有S-band 3dB定向耦合器模拟研究的基础上,通过对不同组数据的分析比较,提出了此结构的优化设计方案.重新设计后的3dB定向耦合器不仅简化了加工工艺,而且驻波比、不平衡度、隔离度都达到了更好的效果.将新设计的定向耦合器应用到移相器中,通过对新老移相器的模拟和测试结果的比较可以看到移相器的各项指标均比原来有所提高,而这也是以往移相器所无法达到的新指标.对新加工的移相器试验件的测试数据表明,实验测试和模拟计算的一致性很好.