一种电极和波导群折射率匹配的电光调制器及其设计方法与流程

本发明涉及光通信器件技术领域，具体涉及一种电极和波导群折射率匹配的电光调制器及其设计方法。

背景技术：

在行波电极型的电光调制器的设计中，有一个关键的要素是需要保证调制器电信号和光信号在调制器中同步向前传播。这就要求两者的群速度相同，也就是说要保证两者的群折射率大小一致。

在某些结构的电光调制器中行波电极中电信号的群折射率一般都比较大，例如硅光调制器中行波电极的折射率会达到6；而波导的群折射率一般比较低，例如常规的硅光波导的群折射率一般在4左右。这样就会导致在调制器的行波电极上传播的微波信号的速度和在波导中的光波速度不同，此处微波信号和光波信号的群速度等于光速除以群折射率，进而降低调制器整体的调制效率。因此，需要对调制器进行特殊的设计，来保证行波电极和波导之间的群速度匹配或者群折射率一致。

参见图1所示，现有技术中，主流的匹配方案是在光波导上增加一段光学延迟环结构，即现有的电光调制器的波导包括两部分，一部分是调制器的光波导1，另一部分是光学延迟环状波导2，该光学延迟环状波导2中的光波速度和波导中的光波速度相同，通过增加光学延迟环结构的长度，使得光波信号在光波导中走过的路径更长，而电信号在电极上走过的路径较短，进而使得光波导和电极的等效长度相等，其中等效长度等于几何路径长度乘以群折射率。

然而，该光学延迟环状波导2为数个弯曲波导结构，为了使波导的群速度与行波电极的群速度匹配，该光学延迟环状波导2的长度不能太小；但是，由于波导布局空间的限制，其长度也不能太长，可见，该匹配方案不仅布局复杂，而且在实际使用中，受到极大的限制，适用范围小。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电极和波导群折射率匹配的电光调制器，结构简单，可以有效实现电极和波导群折射率匹配，易于实现，成本较低。

因此鉴于上述传统光波导延迟环在匹配范围和设计灵活性上存在的问题有必要提出一种结构简单、匹配范围广、易于批量制造且成本低廉的电光调制器电极和波导群折射率匹配的方案。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种电极和波导群折射率匹配的电光调制器，所述电光调制器包括多个周期性重复的电光调制单元，所述电光调制单元的电极和波导的等效长度相等，所述电光调制单元包括：

射频电极，所述射频电极的长度为所述电光调制器的一个周期长度l；

波导，所述波导包括依次相连的第一部分和第二部分，所述第一部分为调制器的光波导，所述第二部分为具有延迟功能的光子晶体波导；同时，

所述光子晶体波导的长度需满足以下条件：

x*np+(l-x)*no＝l*ne

式中，x为所述光子晶体波导的长度，np为所述光子晶体波导的群折射率，l为所述电光调制器的一个周期长度，no为所述调制器的光波导的群折射率，ne为所述射频电极的群折射率。

在上述技术方案的基础上，所述光子晶体波导为基于光子晶体结构的具有慢波特性的光波导。

在上述技术方案的基础上，所述光子晶体波导的群折射率np大于所述调制器的光波导的群折射率no。

在上述技术方案的基础上，所述调制器的光波导为条波导、脊波导或平板波导。

在上述技术方案的基础上，所述电光调制器为差分驱动的硅光调制器。

在上述技术方案的基础上，所述硅光调制器的一个周期长度为500um，所述射频电极的群折射率为5.2，所述调制器的光波导的群折射率为4，所述光子晶体波导的群折射率为10，所述光子晶体波导的长度为100um。

本发明还提供了一种上述电极和波导群折射率匹配的电光调制器的设计方法，包括步骤：

根据电光调制器的类型确定所述电光调制器的周期长度l；

选取一个周期长度的射频电极，根据所述射频电极的长度l和群折射率ne，计算得到所述射频电极的等效长度为l*ne；

将所述电光调制器的波导分为依次相连的第一部分和第二部分，其中，所述第一部分为调制器的光波导，所述第二部分为具有延迟功能的光子晶体波导；

根据所述调制器的光波导的群折射率no、所述光子晶体波导的群折射率np、所述电光调制器的周期长度l以及所述射频电极的等效长度计算得到所述光子晶体波导的长度，计算公式如下：

x*np+(l-x)*no＝l*ne；

根据得到的所述光子晶体波导的长度来设计所述电光调制器的波导，以使所述电光调制单元的电极和波导的等效长度相等。

在上述技术方案的基础上，所述光子晶体波导为基于光子晶体结构的具有慢波特性的光波导。

在上述技术方案的基础上，所述光子晶体波导的群折射率np大于所述调制器的光波导的群折射率no。

在上述技术方案的基础上，所述调制器的光波导为条波导、脊波导或平板波导。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的电极和波导群折射率匹配的电光调制器，结构简单，可以有效实现电极和波导群折射率匹配，易于实现，成本较低，具有明显的优势。

附图说明

图1为现有技术的光学延迟环结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中电光调制单元的结构示意图。

图中：1-调制器的光波导，2-光学延迟环状波导，3-光子晶体波导。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种电极和波导群折射率匹配的电光调制器，所述电光调制器包括多个周期性重复的电光调制单元，所述电光调制单元的电极和波导的等效长度相等，其中，本发明实施例中的等效长度等于几何路径长度乘以群折射率。

参见图2所示，所述电光调制单元包括射频电极和波导。所述射频电极为差分驱动电极，所述差分驱动电极包括电极s+和电极s-，所述射频电极的长度为所述电光调制器的一个周期长度l；所述波导包括依次相连的第一部分和第二部分，所述第一部分为调制器的光波导1，所述第二部分为具有延迟功能的光子晶体波导3；同时，所述光子晶体波导3的长度需满足以下条件：

x*np+(l-x)*no＝l*ne

式中，x为所述光子晶体波导3的长度，np为所述光子晶体波导3的群折射率，l为所述电光调制器的一个周期长度，no为所述调制器的光波导1的群折射率，ne为所述射频电极的群折射率。

更进一步地，在发明实施例中，所述光子晶体波导3为基于光子晶体结构的具有慢波特性的光波导，其群折射率一般都较大，记为np。

优选地，在本发明实施例中，所述光子晶体波导3的群折射率np大于所述调制器的光波导1的群折射率no。

在本发明实施例中，射频电极一般由一段金属微波信号波导构成，某些情况下也可以是一些非金属导体材料。这一金属波导的结构可以是单端的形式如gsg或者gs或者sg波导，也可以是差分的形式如ss或者是gsgsg等构成。但不管是哪种波导形式，其上传播的微波信号会有一个群折射率，记为ne。

在实际应用中，不同的调制器波导结构不同，所述调制器的光波导1一般有条波导、脊波导或平板波导等结构构成，在光波导上一般还会集成调制器的有源区即实现调制功能的部分，将所述调制器的光波导的群折射率记为no。

具体地，在本发明实施例中，所述电光调制器为差分驱动的硅光调制器。由于硅光调制器的工作频率一般在100g波特率以下，根据等效介质理论，该种调制器的结构在500um以下重复均匀的出现即可认为是均匀结构，因此，一个电光调制单元的匹配结构按照500um来设计，将500um作为电光调制器的一个周期长度，即l＝500um。

在本发明实施例中，所述硅光调制器的一个周期长度为500um，所述射频电极的群折射率为5.2，所述调制器的光波导1的群折射率为4，所述光子晶体波导3的群折射率为10，根据所述光子晶体波导3的长度需满足的条件公式:x*np+(l-x)*no＝l*ne，计算得到所述光子晶体波导3的长度x为100um，即第二部分光子晶体波导3的长度，并可得到第一部分调制器的光波导1的长度为400um。

也就是说，只要在电光调制器的500um的周期结构中采用400um的传统光波导(即调制器的光波导)和100um的光子晶体光波导，使其相连接，就可以实现电极和波导群折射率的匹配。

可见，本发明实施例的电极和波导群折射率匹配的电光调制器，结构简单，可以有效实现电极和波导群折射率匹配，易于实现，成本较低，具有明显的优势。

本发明实施例还提供了一种上述电极和波导群折射率匹配的电光调制器的设计方法，包括步骤：

根据电光调制器的类型确定所述电光调制器的周期长度l；

选取一个周期长度的射频电极，根据所述射频电极的长度l和群折射率ne，计算得到所述射频电极的等效长度为l*ne；

将所述电光调制器的波导分为依次相连的第一部分和第二部分，其中，所述第一部分为调制器的光波导，所述第二部分为具有延迟功能的光子晶体波导；

根据所述调制器的光波导的群折射率no、所述光子晶体波导的群折射率np、所述电光调制器的周期长度l以及所述射频电极的等效长度计算得到所述光子晶体波导的长度，计算公式如下：

x*np+(l-x)*no＝l*ne；

根据得到的所述光子晶体波导的长度来设计所述电光调制器的波导，以使所述电光调制单元的电极和波导的等效长度相等。

更进一步地，在本发明实施例中，所述光子晶体波导为基于光子晶体结构的具有慢波特性的光波导。所述光子晶体波导的群折射率np大于所述调制器的光波导的群折射率no。

更进一步地，在本发明实施例中，所述调制器的光波导为条波导、脊波导或平板波导。

本发明实施例的电极和波导群折射率匹配的电光调制器的设计方法，可以有效实现电极和波导群折射率匹配，易于实现，成本较低，具有明显的优势。

需要说明的是，本发明实施例中的电极和波导群折射率匹配的电光调制器的设计方法，既可适用于硅光调制器，也可以适用于三五族光调制器，根据实际情况而定，适用范围广，具有较大的灵活性。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。