專(zhuān)利名稱(chēng)：集成光學(xué)多功能調(diào)制器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感領(lǐng)域或光纖通信領(lǐng)域用的元件，特別是一種采用在單Y 型波導(dǎo)中集成一個(gè)斜通臂波導(dǎo)的耦合器的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，以及這種調(diào)制器的制造 方法。
背景技術(shù)：
在光纖傳感或光纖通信領(lǐng)域中經(jīng)常會(huì)用到光學(xué)調(diào)制器，對(duì)于光纖陀螺傳感器應(yīng) 用，目前光學(xué)調(diào)制器的光路采用較多的是單Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)于雙輸入的情況，就需要在單 Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的輸入端設(shè)置一個(gè)2X2光纖耦合器用于實(shí)現(xiàn)分離輸入輸出功能，見(jiàn)圖1 ；光學(xué) 調(diào)制器的光路也經(jīng)常采用雙Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，第二個(gè)Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于功率分束，第一個(gè)Y型 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與單Y型的結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)使用的2 X 2光 纖耦合器功能相同，用于分離返回光進(jìn)入另 外一根光纖輸出，見(jiàn)圖2。上述兩種技術(shù)方案都存在一定的不足1、單Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器需要外接2X2光纖耦合器，增加了額外的光學(xué)元 件，不利于集成化；而且2X2光纖耦合器的波長(zhǎng)相關(guān)性較大，其分束比與波長(zhǎng)相關(guān)，50 50 分束情況，一般能夠達(dá)到士20nm范圍，不利于寬波長(zhǎng)范圍，如光纖陀螺或波分復(fù)用光通信 系統(tǒng)應(yīng)用；另外溫度敏感性很大，可以工作的溫度范圍較窄，不適用大工作溫度范圍的應(yīng)用 情況。2、雙Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器，由于雙Y結(jié)構(gòu)中間共用波導(dǎo)長(zhǎng)度限制，不能太 長(zhǎng)，因此輸出部分的光波中攜帶非有用信號(hào)成分較多，也不利于提高應(yīng)用系統(tǒng)，如光纖陀螺 或波分復(fù)用光通信的性能，另外器件整體長(zhǎng)度較大，不利于應(yīng)用系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。3、單Y型與雙Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器應(yīng)用于光纖傳感或光纖通信系統(tǒng)中，都 會(huì)有3dB，即50%的光功率損耗，降低了系統(tǒng)的信噪比或者誤碼率。4、如果在單Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器前面集成2X2指向型波導(dǎo)耦合器，同樣具 有波長(zhǎng)相關(guān)性較大，影響系統(tǒng)整體性能?，F(xiàn)有光學(xué)調(diào)制器的技術(shù)方案可參考以下專(zhuān)利文獻(xiàn)1、一種鈮酸鋰調(diào)制器及其制造方法，申請(qǐng)?zhí)?01140589. 9。2、鈮酸鋰多功能集成光學(xué)器件，申請(qǐng)?zhí)?03236082. 7。3、用于有線電視系統(tǒng)的鈮酸鋰電光調(diào)制器，申請(qǐng)?zhí)?00620121000. 8。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)方案中存在的信噪比不高、 額外50%光波損耗及波長(zhǎng)帶寬等缺陷的集成光學(xué)多功能調(diào)制器及其制造方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是按如下的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器由晶體基底、Y型波導(dǎo)、斜通臂波導(dǎo)和波導(dǎo) 電極構(gòu)成；在晶體基底上制有Y型波導(dǎo)和斜通臂波導(dǎo)，Y型波導(dǎo)的三個(gè)分支分別是直通臂波導(dǎo)、分支A和分支B，斜通臂波導(dǎo)與直通臂波導(dǎo)處于同一側(cè)，斜通臂波導(dǎo)末端以彎曲的形 狀貼近Y型波導(dǎo)交叉點(diǎn)，Y型波導(dǎo)與斜通臂波導(dǎo)共同構(gòu)成一個(gè)集成耦合器；在晶體基底之 上制有波導(dǎo)電極，波導(dǎo)電極通過(guò)電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)使傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生相位差，從而形成 Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)改變所產(chǎn)生的相位差，實(shí)現(xiàn)光波的 回路與所進(jìn)入的波導(dǎo)不同。所述晶體基底的輸入端設(shè)有一個(gè)集成耦合器，波導(dǎo)電極設(shè)于分支A和分支B兩側(cè) 及中央，光波從直通臂波導(dǎo)和斜通臂波導(dǎo)輸入，從分支A和分支B輸出，形成光學(xué)相位調(diào)制
ο所述晶體基底的輸入端和輸出端各設(shè)有一個(gè)集成耦合器，兩個(gè)集成耦合器的分支 A和分支B分別連為一體，波導(dǎo)電極設(shè)于分支A和分支B兩側(cè)及中央，光波從輸入端的直通 臂波導(dǎo)和斜通臂波導(dǎo)輸入，從輸出端的直通臂波導(dǎo)和斜通臂波導(dǎo)輸出，形成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制
ο所述晶體基底輸入端設(shè)有一個(gè)Y型波導(dǎo)，晶體基底輸出端設(shè)有一個(gè)集成耦合器，Y 型波導(dǎo)的分支A和分支B與集成耦合器的分支A和分支B分別連為一體，波導(dǎo)電極設(shè)于Y 型波導(dǎo)的直通臂波導(dǎo)兩側(cè)以及分支A和分支B兩側(cè)及中央，光波從輸入端的直通臂波導(dǎo)輸 入，從輸出端的直通臂波導(dǎo)和斜通臂波導(dǎo)輸出，形成CATV用調(diào)制器。所述晶體基底為電光晶體基底或熱光晶體基底；電光晶體基底為鈮酸鋰或鉭酸鋰 基底；熱光晶體基底為硅或玻璃基底。所述電光晶體基底，對(duì)于Z切Y傳鈮酸鋰、鉭酸鋰晶體則波導(dǎo)電極設(shè)計(jì)在波導(dǎo)分支 結(jié)構(gòu)的正上方，以利用最大的電光系數(shù)。本發(fā)明所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其制造方法如下1)在晶體基底上采用光刻工藝制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；2)采用退火質(zhì)子交換，或者鈦擴(kuò)散工藝在鈮酸鋰等電光晶體上制作光波導(dǎo)；或者 在硅等熱光基底上制作脊形、矩形波導(dǎo)；3)在電光晶體基底上光刻制作波導(dǎo)電極；或者在熱光晶體基底上制作薄膜波導(dǎo) 電極，用于加熱；4)對(duì)晶體基底芯片端面拋光；5)光纖端面耦合，器件封裝。本發(fā)明所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，在單Y波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中集成了一個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)的 耦合器，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的信噪比不高，額外的3dB，即50%的光波損耗，波長(zhǎng)帶 寬等問(wèn)題，另外具有溫度不敏感，波長(zhǎng)相關(guān)帶寬寬，制作工藝容差大等優(yōu)點(diǎn)，具體積極效果 如下1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與單Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器相比，總體插入損耗增加非常有限；2、對(duì)于傳感系統(tǒng)應(yīng)用中沒(méi)有額外的3dB，即50%的光波損耗，極大提高系統(tǒng)性能；3、波長(zhǎng)相關(guān)性小，工作波長(zhǎng)范圍很寬；4、工藝制作容差大；5、溫度敏感性小，工作溫度范圍大；6、在光纖陀螺傳感系統(tǒng)應(yīng)用中，光源啟動(dòng)后，如果本調(diào)制器沒(méi)有工作，探測(cè)器上接 收不到光功率；光源低溫啟動(dòng)瞬間輸出功率極大，探測(cè)器的放大部分飽和；高溫啟動(dòng)瞬間輸出功率很小，未達(dá)到探測(cè)器接收的最小值；采用本技術(shù)方案的調(diào)制器能夠獨(dú)特有效地避 免系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)的波動(dòng)，提高系統(tǒng)的性能。7、干涉后的光波從與輸入端不同的波導(dǎo)輸出，直進(jìn)斜出，極大地降低了光波的噪 聲，提高系統(tǒng)的信噪比，或者降低系統(tǒng)誤碼率。8、對(duì)于光纖傳感應(yīng)用，考慮其插入損耗往返增加約0. 5dB，可以將輸入到探測(cè)器的 總體光功率增加約5. 5dB,即光功率可以提高到傳統(tǒng)方案的約3. 5倍，大幅提高光纖傳感的 信噪比。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖1是傳統(tǒng)單Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意2是傳統(tǒng)雙Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意3是本發(fā)明集成光學(xué)相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明集成光學(xué)相位調(diào)制器中集成耦合器局部放大5是本發(fā)明集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意6是本發(fā)明集成光學(xué)CATV用調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意7是施加電壓為半波電壓Vn時(shí)光波的輸出端圖8是施加電壓為0時(shí)光波的輸出端圖中1晶體基底 2Υ型波導(dǎo)3斜通臂波導(dǎo)4波導(dǎo)電極 5直通臂波導(dǎo) 6分支A7分支B8集成耦合器 92 X 2光纖耦合器10雙Y型波導(dǎo)
具體實(shí)施例方式圖3所示為本發(fā)明的實(shí)施例1，本發(fā)明所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器由晶體基底 1、Y型波導(dǎo)2、斜通臂波導(dǎo)3和波導(dǎo)電極4構(gòu)成；在晶體基底1上制有Y型波導(dǎo)2和斜通臂 波導(dǎo)3，Y型波導(dǎo)2的三個(gè)分支分別是直通臂波導(dǎo)5、分支Α6和分支Β7，斜通臂波導(dǎo)3與直 通臂波導(dǎo)5處于同一側(cè)，斜通臂波導(dǎo)3末端以彎曲的形狀貼近Y型波導(dǎo)2交叉點(diǎn)，Y型波導(dǎo) 2與斜通臂波導(dǎo)3共同構(gòu)成一個(gè)集成耦合器8，見(jiàn)圖4 ；在晶體基底1之上制有波導(dǎo)電極4， 波導(dǎo)電極4通過(guò)電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)使傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生相位差，從而形成Mach-Zehnder干 涉儀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)改變所產(chǎn)生的相位差，實(shí)現(xiàn)光波的回路與所進(jìn)入的 波導(dǎo)不同。所述晶體基底1的輸入端設(shè)有一個(gè)集成耦合器8，波導(dǎo)電極4設(shè)于分支Α6和分支 Β7兩側(cè)及中央，光波從直通臂波導(dǎo)5和斜通臂波導(dǎo)3輸入，從分支Α6和分支Β7輸出，該實(shí) 施例為光學(xué)相位調(diào)制器。圖5所示為本發(fā)明的實(shí)施例2，所述晶體基底1的輸入端和輸出端各設(shè)有一個(gè)集 成耦合器8，兩個(gè)集成耦合器8的分支Α6和分支Β7分別連為一體，波導(dǎo)電極4設(shè)于分支Α6 和分支Β7兩側(cè)及中央，光波從輸入端的直通臂波導(dǎo)5和斜通臂波導(dǎo)3輸入，從輸出端的直 通臂波導(dǎo)5和斜通臂波導(dǎo)3輸出，該實(shí)施例為光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器。
圖6所示為本發(fā)明的實(shí)施例3，所述晶體基底1輸入端設(shè)有一個(gè)Y型波導(dǎo)2，晶體 基底1輸出端設(shè)有一個(gè)集成耦合器8，Y型波導(dǎo)2的分支A6和分支B7與集成耦合器8的分 支A6和分支B7分別連為一體，波導(dǎo)電極4設(shè)于Y型波導(dǎo)2的直通臂波導(dǎo)5兩側(cè)以及分支 A6和分支B7兩側(cè)及中央，光波從輸入端的直通臂波導(dǎo)5輸入，從輸出端的直通臂波導(dǎo)5和 斜通臂波導(dǎo)3輸出，該實(shí)施例為CATV用調(diào)制器。所述晶體基底1為電光晶體基底或熱光晶體基底；電光晶體基底為鈮酸鋰或鉭酸 鋰基底；熱光晶體基底為硅或玻璃基底。所述電光晶體基底，對(duì)于Z切Y傳鈮酸鋰、鉭酸鋰晶體則波導(dǎo)電極設(shè)計(jì)在波導(dǎo)分支 結(jié)構(gòu)的正上方，以利用最大的電光系數(shù)。本發(fā)明所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其制造方法如下1)在晶體基底1上采用光刻工藝制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；2)采用退火質(zhì)子交換，或者鈦擴(kuò)散工藝在鈮酸鋰等電光晶體上制作光波導(dǎo)；或者 在 硅等熱光基底上制作脊形、矩形波導(dǎo)；3)在電光晶體基底1上光刻制作波導(dǎo)電極4 ；或者在熱光晶體基底上制作薄膜波 導(dǎo)電極4，用于加熱；4)對(duì)晶體基底1芯片端面拋光；5)光纖端面耦合，器件封裝。本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理是1)本發(fā)明利用上述集成耦合器，對(duì)于1階模(01模，波導(dǎo)寬度方向是1階模，波導(dǎo) 深度方向是0階模)與0階模會(huì)發(fā)生耦合的機(jī)理。2)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的Y交叉點(diǎn)位置附近的波導(dǎo)寬度較大，能夠承載1階模，波導(dǎo)的其他位 置均是單模波導(dǎo)；邊緣的波導(dǎo)是遠(yuǎn)離截止的單模波導(dǎo)，僅能夠傳播0階模，不能夠傳播1階 模。3)通常情況下，如果沒(méi)有Y交叉點(diǎn)高階模(1階模)波導(dǎo)附近的單模波導(dǎo)，2束光 波傳播到Y(jié)交叉點(diǎn)且相位相反時(shí)，所合成的1階模不能夠在單模(0階模)波導(dǎo)中傳播，將 會(huì)向下輻射到基底中。4)采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后A、光波從雙臂輸入合束時(shí)，若光波到達(dá)Y交叉點(diǎn)時(shí)的相位相同，則光波會(huì)直接從 直通臂波導(dǎo)合束輸出，見(jiàn)圖7;B、光波從雙臂輸入合束時(shí)，若光波到達(dá)Y交叉點(diǎn)時(shí)的相位相差π，即相位完全相 反，光波會(huì)從斜通臂波導(dǎo)合束輸出，見(jiàn)圖8 ；C、光波從雙臂輸入合束時(shí)，若光波到達(dá)Y交叉點(diǎn)時(shí)的相位非完全同相或者完全反 相狀態(tài)，直通臂與斜通臂均有部分光波輸出。
權(quán)利要求
1.一種集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其特征在于其由晶體基底(1)、γ型波導(dǎo)(2)、斜通臂 波導(dǎo)⑶和波導(dǎo)電極⑷構(gòu)成；在晶體基底⑴上制有Y型波導(dǎo)⑵和斜通臂波導(dǎo)(3)，Y 型波導(dǎo)(2)的三個(gè)分支分別是直通臂波導(dǎo)(5)、分支Α(6)和分支Β(7)，斜通臂波導(dǎo)(3)與 直通臂波導(dǎo)(5)處于同一側(cè)，斜通臂波導(dǎo)(3)末端以彎曲的形狀貼近Y型波導(dǎo)(2)交叉點(diǎn)， Y型波導(dǎo)(2)與斜通臂波導(dǎo)(3)共同構(gòu)成一個(gè)集成耦合器(8)；在晶體基底(1)之上制有 波導(dǎo)電極(4)，波導(dǎo)電極(4)通過(guò)電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)使傳輸?shù)墓獠óa(chǎn)生相位差，從而形成 Mach-Zehnder干涉儀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)改變所產(chǎn)生的相位差，實(shí)現(xiàn)光波的 回路與所進(jìn)入的波導(dǎo)不同。
2.按照權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其特征在于所述晶體基底(1)的 輸入端設(shè)有一個(gè)集成耦合器(8)，波導(dǎo)電極(4)設(shè)于分支A (6)和分支B (7)兩側(cè)及中央，光 波從直通臂波導(dǎo)(5)和斜通臂波導(dǎo)(3)輸入，從分支A (6)和分支B (7)輸出。
3.按照權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其特征在于所述晶體基底(1)的 輸入端和輸出端各設(shè)有一個(gè)集成耦合器(8)，兩個(gè)集成耦合器(8)的分支Α(6)和分支Β(7) 分別連為一體，波導(dǎo)電極⑷設(shè)于分支A (6)和分支B (7)兩側(cè)及中央，光波從輸入端的直通 臂波導(dǎo)(5)和斜通臂波導(dǎo)(3)輸入，從輸出端的直通臂波導(dǎo)(5)和斜通臂波導(dǎo)(3)輸出。
4.按照權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其特征在于所述晶體基底(1)輸 入端設(shè)有一個(gè)Y型波導(dǎo)(2)，晶體基底(1)輸出端設(shè)有一個(gè)集成耦合器(8)，Υ型波導(dǎo)(2)的 分支A (6)和分支B (7)與集成耦合器⑶的分支A (6)和分支B (7)分別連為一體，波導(dǎo)電 極⑷設(shè)于Y型波導(dǎo)⑵的直通臂波導(dǎo)(5)兩側(cè)以及分支Α(6)和分支Β(7)兩側(cè)及中央， 光波從輸入端的直通臂波導(dǎo)(5)輸入，從輸出端的直通臂波導(dǎo)(5)和斜通臂波導(dǎo)(3)輸出。
5.按照權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其特征在于所述晶體基底(1)為 電光晶體基底或熱光晶體基底；電光晶體基底為鈮酸鋰或鉭酸鋰基底；熱光晶體基底為硅 或玻璃基底。
6.按照權(quán)利要求5所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，其特征在于所述電光晶體基底，對(duì) 于Z切Y傳鈮酸鋰、鉭酸鋰晶體則波導(dǎo)電極設(shè)計(jì)在波導(dǎo)分支結(jié)構(gòu)的正上方，以利用最大的電 光系數(shù)。
7.按照權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)多功能調(diào)制器的制作方法，其特征在于，其制造步 驟和工藝如下1)在晶體基底(1)上采用光刻工藝制備波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；2)采用退火質(zhì)子交換，或者鈦擴(kuò)散工藝在鈮酸鋰等電光晶體上制作光波導(dǎo)；或者在硅 等熱光基底上制作脊形、矩形波導(dǎo)；3)在電光晶體基底(1)上光刻制作波導(dǎo)電極(4)；或者在熱光晶體基底上制作薄膜波 導(dǎo)電極(4)，用于加熱;4)對(duì)晶體基底(1)芯片端面拋光；5)光纖端面耦合，器件封裝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖傳感領(lǐng)域或光纖通信領(lǐng)域用的光元件，特別是一種采用在單Y型波導(dǎo)中集成一個(gè)斜通臂波導(dǎo)的耦合器的集成光學(xué)多功能調(diào)制器，以及這種調(diào)制器的制造方法，集成光學(xué)多功能調(diào)制器由晶體基底、Y型波導(dǎo)、斜通臂波導(dǎo)和波導(dǎo)電極構(gòu)成，Y型波導(dǎo)與斜通臂波導(dǎo)共同構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)特的集成耦合器，此結(jié)構(gòu)能夠解決現(xiàn)有光學(xué)調(diào)制器技術(shù)中存在的信噪比不高，額外的3dB，即50％的光波損耗，波長(zhǎng)帶寬等問(wèn)題，另外具有溫度不敏感，波長(zhǎng)帶寬寬，制作工藝容差大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F1/035GK102033335SQ20091017666
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者向美華, 耿凡, 薛挺 申請(qǐng)人:北京浦丹光電技術(shù)有限公司