新型高速光发射模块的设计与分析

介绍了用于高速、宽带光纤通信系统的铌酸锂(LiNbO3)光发射模块的优化设计方法。分析比较了半导体器件与铌酸锂波导器件在作为光纤通信光发射模块时的优缺点。对光发射模块的两个主要器件———掺铒铌酸锂(Er∶LiNbO3)波导激光器和LiNbO3电光调制器进行了结构设计和分析。分析和讨论了电光调制器带宽及半波电压随器件主要参数的变化关系。用BPM软件模拟了所设计的模块的结构特征。该发射模块的发射峰值波长为1531nm,调制速率为10Gbits/s。     

准位相匹配铌酸锂波导倍频特性分析与优化设计

用标量有限元方法计算了周期性极化的铌酸锂光波导中模折射率和模场分布,并在计算中引入铌酸锂晶体折射率与温度变化的关系,分析了准位相匹配铌酸锂波导倍频效率与极化反转光栅周期、基频光波长、波导器件温度等关系.理论分析与实验结果符合得很好.在此基础上,分析了波导制作参数与倍频效率、光栅周期与晶体温度,以及温度带宽与光栅通光方向长度等关系,进而对铌酸锂波导倍频器件进行优化设计. 关键词： 铌酸锂 光波导 准位相匹配 有限元     

新型结构超宽带LiNbO3电光调制器的优化设计

采用有限元软件对新型结构的铌酸锂电光调制器进行了优化设计.分析表明,采用脊波导和T型电极相结合的方式,能在保持高的特征阻抗的同时有效的实现相速匹配和有效降低电极损耗,从而较好的提高器件性能,是一种比较有潜力的调制器.利用优化结果,给出一种带宽达153 GHz,半波电压为8.55 V,特征阻抗为44 Ω的调制器的设计例子.     

铌酸锂集成光子器件的发展与机遇

铌酸锂,作为应用最广泛的非线性光学晶体之一,近十年来由于薄膜铌酸锂晶圆的出现而再次获得了学术界与产业界的关注.基于薄膜铌酸锂的集成光电子器件的优越性能已在诸多应用中得到演示,例如光信息处理、激光雷达、光学频率梳、微波光子学和量子光学等. 2020年,薄膜铌酸锂器件通过光刻技术在6 in(1 in=2.54 cm)晶圆上的成功制备,推动了铌酸锂加工从实验室逐步走向工业化.薄膜铌酸锂光子器件的研究主要聚焦于利用电光、声光和二阶/三阶非线性效应进行光调制或频率转换;最近三年,掺杂稀土离子还成功赋予铌酸锂增益特性,实现了片上铌酸锂放大器和激光器.本文将简略回顾薄膜铌酸锂的发展过程,着眼于集成光子器件,介绍国内外研究组取得的进展、意义以及面临的挑战.     

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。     

小型铌酸锂多功能集成光学器件

为满足小型光纤陀螺对光学器件小体积的要求,对铌酸锂多功能集成光学小型化器件的结构做了分析和优化设计。采用BPM软件分析了Y形分支波导的S形波导损耗与弯曲长度及折射率差的关系。通过调整退火质子交换的工艺参数,增加了波导对光的束缚能力;降低了小型化芯片上S形波导的弯曲损耗;去掉了原有Y形波导的输出端直波导,直接由S形弯曲波导引至输出端,在更短的芯片上得到了更长的弯曲过渡区。设计制作的芯片长度由常规的20 mm减至12.5 mm,封装后的器件长度减小到20 mm,为目前同类常规器件尺寸的2/3。设计制作的器件插入损耗典型值小于2.5 dB,全温损耗变化量小于0.2 dB。     

铌酸锂薄膜调制器的研究进展

铌酸锂薄膜调制器具有体积小、带宽高、半波电压低的优点,在光纤通讯和光纤传感领域具有重要应用价值,是近年来的研究热点.本文梳理了铌酸锂薄膜调制器的波导结构、耦合结构、电极结构的研究进展,总结了LN薄膜波导的制备工艺,并深入分析了不同结构调制器的性能.基于SOI和LNOI结构,薄膜调制器实现了VπL<2 V?cm,双锥形耦...     

集成光学 光电集成与器件

TN256 2005042807 新型高速光发射模块的设计与分析=Design and analysis of a novelty high=speed optical transmitter module[刊,中]／白杨(北京理工大学信息科学技术学院光电工程系,北京 (100081)),陈淑芬…／／光学技术,-2005,31(2),-227- 230,234 介绍了用于高速、宽带光纤通信系统的铌酸锂(LiN- bO3)光发射模块的优化设计方法。分析比较了半导体器件与铌酸锂波导器件在作为光纤通信光发射模块时的优缺点。对光发射模块的两个主要器件一掺铒铌酸锂(Er: LiNbO3)波导激光器和LiNbO3电光调制器进行了结构设     

基于质子交换和刻蚀工艺的体铌酸锂阵列波导光栅

提出一种将质子交换技术和刻蚀技术结合的体铌酸锂波导和器件加工方案,基于质子交换的铌酸锂晶体相变特性改变,降低了质子交换区直接刻蚀难度,结合质子交换的纵向折射率改变和刻蚀波导的横向结构改变,波导尺寸显著降低,采用粒子群算法优化波导尺寸,最小可达2.5μm。基于该工艺方案设计了中心波长为1550 nm、四通道且通道间隔为400 GHz的阵列波导光栅,该阵列波导光栅的传输损耗约为6 dB,相邻通道间串扰均低于22 dB,整体尺寸仅为850μm×620μm,在高密度铌酸锂光子集成互连等场景具有较大的应用潜力。     

Ti：LiNdO3波导折射率的测量和在各个波长折射率的计算

钛扩散铌酸锂光波导是应用很广的一种光波导器件，知道铌酸锂扩散波导的有效折射率和扩散后表面折射率对于进一步设计波导和分析波导特性很有意义。本文用在0.6328μm可见光下测量波导的有效折射率，利用色散方程推导出铌酸锂波导在其它各个波长的折射率。介绍了通过z切的折射率修正到x切向下的折射率的方法，该方法可以推广到任意切向。此外，还给出了计算波导表面折射率方法，即可以计算出波导扩散后形成的最大折射率差。文中给出了在1.55μm下x切y传铌酸锂波导有效折射率的计算实例。     

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.     

应用HFSS和Designer对电光调制器的协同仿真

应用ANSYS公司的HFSS和Designer对一种内嵌共面波导电极结构的聚合物电光调制器进行了协同仿真,设计出了带宽为56 GHz的聚合物电光调制器.通过对光波有效折射率和微波有效折射率的优化,实现了速度匹配.同时利用协同仿真方法对电极进行了优化设计,实现了阻抗匹配并降低了微波损耗.结果表明应用协同仿真方法可以提高计...     

基于Franz-Keldysh效应的倏逝波锗硅电吸收调制器设计

本文设计了一种基于Franz-Keldysh (FK) 效应的GeSi电吸收调制器. 调制器集成了脊形硅单模波导. 光由脊形硅波导以倏逝波形式耦合进锗硅吸收层. 在硅基锗二极管FK效应实验测试的基础上, 有源区调制层锗硅中的硅组分设计为1.19%, 从而使得器件工作在C (1528–1560 nm) 波段. 模拟结果显示该调制器的3 dB带宽可达64 GHz, 消光比为8.8 dB, 而插损仅为2.7 dB. 关键词： 锗硅 调制器 电光集成     

硅-有机物材料混合电光调制器的优化设计

设计了一种基于绝缘上层硅的硅-有机物材料混合马赫-曾德干涉型高速电光调制器.利用光束传播法对顶层硅为220nm的绝缘上层硅基片上的3dB分束器/合束器的结构参数进行模拟,优化后附加损耗仅为0.106dB.为提高模式转换效率,在条形波导和slot波导之间设计了模式转换器,光耦合效率高达98.8%,实现了光模式高效转化.利用时域有限差分法模拟了slot波导平板区掺杂浓度对波导内光学损耗的影响,在几乎不产生光学损耗的情况下,得到平板区轻掺杂浓度为71017/cm3,调制器设计总损耗为0.493dB.利用薄膜模式匹配法对slot波导结构进行仿真分析,考虑slot区等效电容及平板区等效电阻对带宽的影响,优化后得到slot波导结构的限制因子为0.199.采用slot波导与强非线性有机材料LXM1结合的绝缘上层硅平台实现了强普克尔效应,得到电光调制器半波电压长度积为1.544V·mm,电学响应3dB带宽为137GHz.     

包层调制的聚合物电光调制器及其理论分析

器件损耗偏高是当前聚合物电光调制器的研究中需要解决的问题之一。在调制器的插损之中,波导传播损耗(包括吸收和散射损耗)的贡献举足轻重。特别是在追求高电光系数的材料同时,传播损耗也将会不可避免地增加。如何改善器件的损耗是聚合物调制器实用化的一个重要课题。为此提出了一种在波导包层中调制光波的设想。理论分析表明,这种方法能够大幅度降低波导传播性能,因而有助于改善器件损耗。由于包层中光波强度比芯层中要弱,因此在包层中调制光波会引起场—模交叠因子的弱化,但是优化计算发现,通过调节波导的尺寸尤其是芯层厚度可以控制交叠因子使其弱化程度降低到最小,在最优的情况下,场一模交叠因子可达0．89。随着波导传播损耗的降低,器件调制区的长度可以做得更长,有助于进一步降低器件的半波电压。     

集成光学电光调制干涉光谱仪的模式谱分析

基于钛扩散铌酸锂(Ti∶LiNbO3)波导的集成光学电光调制技术的干涉光谱仪是Ti∶LiNbO3调制器的一种崭新应用,一般应用的探测光谱区间是在波导的单模区间。为拓宽探测波长范围至多模传输范围,以x向切割,y向传输。以共面对称电极的Ti∶LiNbO3波导电光调制干涉器(器件长度60mm)为例,模拟了多模传输时电光调制系数的模式色散现象。数值模拟中采用了有限差分方法(FDM)。分析表明,在多模传输情况下,光的各阶模式的光场分布差异导致了电光调制系数的模式色散;在对经线性扫描电压调制后的干涉输出数据进行傅里叶变换谱分析后,可发现对应波长的各阶传输模式谱。实验采用0.808μm单模偏振光源,在激励起准TE多模式和激励起混合模两种情况下,验证了数值模拟和分析的结果。     

电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接.锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构.宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换.劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作.研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率.结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37 dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62 dB,对插入损耗的改善达到8.78 dB,模场转换效率达到了83.7%.     

基于双缝隙结构的电光调制器设计与工艺实现

受铜线带宽小、延时大、功耗高的限制,下一代芯片互连较为可行的一种解决方式是采用光互连.调制器作为其中的关键器件,有重要的研究意义.设计了一种新型的硅基双缝隙波导电光调制器,该调制器结构采用法布里-珀罗微谐振器,依靠缝隙内高非线性聚合物的快速电光效应,通过外加电压达到调制效果.调制器结构包含了新型的一般微纳波导到双缝隙波...     

波状PIN电光调制结构

PIN是电光调制器中常见的一种调制结构,该结构工作时产生的热光效应直接影响着电光调制器的性能。为了缓解这种热光效应对调制器的影响,从PIN调制原理出发,在绝缘体上硅薄膜(SOI)材料的基础上提出了一种波状PIN调制结构,并将该结构与普通PIN调制结构进行对比,定量分析了波状PIN结构对温度、折射率以及调制区载流子浓度的影响,通过仿真得出2V调制电压下,波状PIN结构的温度降低了11.6%,抑制热光效应使得折射率漂移减小了28%,调制区注入载流子浓度提高了26.7%。通过实验,分别制作了波状PIN结构和普通PIN结构的微环电光调制器,经过测试发现波状PIN结构具有更大的谐振峰蓝移值,该结构有效抑制了热光效应的影响,证明了该新型结构的优越性及理论分析的正确性。     

铌酸锂铁电畴工程及其应用

铌酸锂晶体是目前最重要的人工晶体之一,被誉为“光学硅”.铌酸锂晶体薄膜是最有应用前景的集成光电子学基质材料之一.在过去几十年的研究中,铌酸锂晶体在材料生长、基础研究和器件应用方面取得了巨大进展.利用铌酸锂晶体畴工程制备的周期极化铌酸锂、波导以及导电畴壁在光频率转换、光开关、光调制以及纳米电子器件等领域有重要应用.本文介绍了铌酸锂微米尺寸和纳米尺寸畴结构的制备方法及7个表征方式,并从3个方面介绍了铌酸锂畴工程的应用及其研究进展.