本發(fā)明屬于光通信技術領域，尤其是涉及了一種基于電光調(diào)制波導的低偏壓大帶寬電光調(diào)制器，適用于光通信系統(tǒng)中對光的相位和強度進行調(diào)制。

背景技術：

二十一世紀人類社會已經(jīng)邁入信息時代，互聯(lián)網(wǎng)科技的飛速發(fā)展引發(fā)了新一次科技革命，對通信容量的需求成指數(shù)增長。光通信技術憑借其高帶寬、低串擾、抗干擾、低損耗等優(yōu)點，已經(jīng)成為當前通信的主流技術。光電器件作為光通信技術中的核心器件，其性能指標已經(jīng)難以滿足日益增長的超高速傳輸需求，逐漸成為超大容量光通信技術發(fā)展的瓶頸。在已經(jīng)提出的各種解決方案中，硅基光子集成回路作為最具潛力的方案之一，自其概念被提出以來就受到極大關注，并取在單個器件的性能方面已經(jīng)取得相當顯著的進展，特別是近年來硅光子技術的成熟，吸引了全世界相關行業(yè)的廣泛關注。對于無源光子集成器件，硅光子技術憑借其先天優(yōu)勢，已實現(xiàn)了各類高性能器件。然而，對于有源器件，硅材料由于其自身特性受到限制。電光調(diào)制器作為最重要的有源器件之一，其功能是實現(xiàn)電信號到光信號的轉換，是發(fā)射機的核心元件，一直是硅基集成光電子器件中急需突破的關鍵技術。

實現(xiàn)高速的電光調(diào)制，最有效的方法之一是利用電光效應，即在電光材料中，折射率變化與外加電場變化成線性關系。但硅材料中這種線性電光效應微乎其微，因而無法直接用以實現(xiàn)基于硅材料的電光效應的高速光調(diào)制器。另一種方法是利用基于等離子體色散效應的技術，即：通過外加電場調(diào)控半導體內(nèi)載流子濃度，從而引起半導體材料折射率實部和虛部變化，由此實現(xiàn)光調(diào)制功能。硅材料中載流子濃度調(diào)控是一個納秒-皮秒量級的過程，可實現(xiàn)幾十gbps的高速光調(diào)制。對于已報道的基于等離子體色散效應的全硅調(diào)制器，其尺寸為10mm²左右，半波電壓約8v，偏置電壓約5v，同時需要較多熱光相移器輔助工作，仍然存在器件尺寸較大、功耗較高、偏壓高等缺點。因此，綜合考慮器件尺寸、功耗、驅動電壓、插入損耗等指標，全硅調(diào)制器與已有商用的基于鈮酸鋰的分立電光調(diào)制器仍然有較大差距。

在硅光子集成回路中另一種較具潛力的調(diào)制器實現(xiàn)方法，是將電光材料(例如最常用的電光材料鈮酸鋰，已被廣泛應用于商用的分立電光調(diào)制器器件)與硅納米波導相結合。電光聚合物材料是一種常用在硅基集成器件上的電光材料，擁有電光系數(shù)大、薄膜工藝簡單、與現(xiàn)有工藝基本集成等優(yōu)點，非常適合制作低工作電壓、高調(diào)制效率、小器件尺寸的調(diào)制器，同時由于電光聚合物材料通常是絕緣的介質，因此可以實現(xiàn)超低功耗的電光調(diào)制器。盡管目前已有一些硅基的電光聚合材料調(diào)制器相關報道，但仍然只是單一性能指標(調(diào)制速率/帶寬、工作電壓、器件尺寸)的突破，在綜合性能上仍存在諸多不足，因此硅基的大調(diào)制帶寬、低工作電壓、高調(diào)制效率、低工作能耗和小器件尺寸的電光調(diào)制器仍然是一個挑戰(zhàn)。

技術實現(xiàn)要素：

針對背景技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于電光調(diào)制波導的低偏壓大帶寬電光調(diào)制器，可以實現(xiàn)更小的驅動電壓、更緊湊的尺寸、更大的調(diào)制帶寬和更低的工作能耗，同時本發(fā)明具有結構簡單、設計簡易、工藝簡便等優(yōu)點，在硅光子集成回路中，有著重要的作用。

本發(fā)明所采用的技術方案是：

所述電光調(diào)制器為具有電光調(diào)制波導的相位調(diào)制器、馬赫-曾德型電光強度調(diào)制器和微環(huán)諧振腔型電光強度調(diào)制器，用調(diào)制電極向電光調(diào)制波導施加電場實現(xiàn)光強或者相位的調(diào)制，調(diào)制電極與電光調(diào)制波導形成電連接。

所述的電光調(diào)制波導是由多個波導單元沿傳輸方向以相同周期或者變化周期的叉指交替布置方式構成的波導結構，波導單元間的間隙和波導單元的尺寸為可以相同或者不同。波導結構的周期尺寸小于等于工作波長。

所述具有電光調(diào)制波導的相位調(diào)制器包括包層結構及其被包覆在包層結構內(nèi)的輸入波導、電光調(diào)制波導、第一調(diào)制電極、第二調(diào)制電極和輸出波導；輸入波導、電光調(diào)制波導和輸出波導依次相連，第一調(diào)制電極和第二調(diào)制電極分別位于電光調(diào)制波導附近的兩側，并分別與電光調(diào)制波導中兩側的周期結構波導電連接。兩側可以是沿傳輸方向的左右兩側或上下兩側。

所述的具有電光調(diào)制波導的馬赫-曾德型電光強度調(diào)制器包括包層結構及其被包覆在包層結構內(nèi)的輸入波導、功率分配器、第一連接波導、第二連接波導、第一電光調(diào)制波導、第二電光調(diào)制波導、第一調(diào)制電極、第二調(diào)制電極、第三調(diào)制電極、第三連接波導、第四連接波導、功率合束器和輸出波導；輸入波導和功率分配器的輸入端口相連，功率分配器的兩個輸出端口分別和第一連接波導、第二連接波導輸入端相連，第一連接波導輸出端經(jīng)第一電光調(diào)制波導和第三連接波導輸入端連接，第二連接波導輸出端經(jīng)第二電光調(diào)制波導和第四連接波導輸入端連接，第三連接波導、第四連接波導輸出端分別和功率合束器的兩個輸入端口相連，功率合束器輸出端口和輸出波導相連；第一調(diào)制電極和第三調(diào)制電極分別位于第一電光調(diào)制波導和第二電光調(diào)制波導的兩外側，第二調(diào)制電極位于第一電光調(diào)制波導和第二電光調(diào)制波導之間，從而使得第一調(diào)制電極和第二調(diào)制電極分別位于第一電光調(diào)制波導附近的兩側，并分別與第一電光調(diào)制波導中兩側的周期結構波導電連接；同時第二調(diào)制電極和第三調(diào)制電極分別位于第二電光調(diào)制波導附近的兩側，并分別與第二電光調(diào)制波導中兩側的周期結構波導電連接。兩側可以是沿傳輸方向的左右兩側或上下兩側。

所述的具有電光調(diào)制波導的微環(huán)諧振腔型電光強度調(diào)制器包括包層結構及其被包覆在包層結構內(nèi)的輸入波導、第一耦合波導、第二耦合波導、電光調(diào)制波導、第一調(diào)制電極、第二調(diào)制電極和輸出波導；輸入波導、第一耦合波導和輸出波導依次相連，第一耦合波導和第二耦合波導相耦合布置，第二耦合波導和電光調(diào)制波導首尾相連形成一個微環(huán)諧振腔；第一調(diào)制電極和第二調(diào)制電極分別布置在電光調(diào)制波導附近的兩側，并分別與電光調(diào)制波導中內(nèi)外側的周期結構波導電連接。兩側可以是沿傳輸方向的左右兩側或上下兩側。

所述包層結構為具有對稱或者非對稱波導截面(垂直傳輸方向的截面)的包層結構。具體來說是，波導作為芯層被上包層和下包層包覆，上包層和下包層可以采用同種電光材料或者不同電光材料，折射率、電光系數(shù)可相同或者不同。

所述包層結構主要由上包層和下包層構成，波導作為芯層，上包層覆蓋于芯層之上，下包層位于芯層之下，上包層和下包層折射率相等。

所述包層結構在沿傳輸方向的截面上以芯層為中心上下不對稱或者左右不對稱，不對稱是指折射率不同或者厚度和寬度中至少有一個不相同。

所述包層結構沿傳輸方向的截面上下不對稱是指作為芯層的波導上下兩側的上包層和下包層的指折射率不同或者厚度和寬度中至少有一個不相同。

所述包層結構沿傳輸方向的截面左右不對稱是指作為芯層的波導左右兩側的包層的指折射率不同或者厚度和寬度中至少有一個不相同。

各個所述波導作為芯層，為全刻蝕波導、單側脊型波導或者雙側脊型波導；當為雙側脊型波導時，兩側脊的層數(shù)、高度或者長度可以相等或者不相等。

所述包層結構主要由覆蓋于芯層之上的上包層和位于芯層之下的下包層構成，波導作為芯層；各個所述調(diào)制電極同時位于上包層上部、上包層內(nèi)部、下包層內(nèi)部或者上包層與下包層之間，或者各個所述調(diào)制電極分別位于上包層上部、上包層內(nèi)部、下包層內(nèi)部或者上包層與下包層之間中的多個不同位置(優(yōu)選在兩側對稱位置)。各個所述調(diào)制電極與波導芯層直接電連接或者通過其他導電材料與其點連接。

所述的上包層和下包層中，至少有一種使用高電光系數(shù)的電光材料，電光系數(shù)r33高達～192pm/v，普通商用電光材料的電光系數(shù)一般不超過100pm/v。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明結構簡單、設計簡易、工藝簡便，與成熟的cmos(互補金屬氧化物半導體)工藝基本兼容。在性能方面，本發(fā)明的周期結構中，有大部分光能量分布在電光材料中，與普通硅納米線光波導相比，光與電光材料的作用得到明顯增強，波導中模式的等效折射率變化與電光材料折射率變化比值大于1，即δneff/δneop>1，普通波導中，該系數(shù)一般為0.5。同時，由于周期結構相鄰的波導間距很小，小至～100nm，因而調(diào)制電場在其中得到增強。

同時得益于電光聚合物材料高電光系數(shù)，本發(fā)明電光調(diào)制器可以實現(xiàn)極低的工作電壓和極小的器件尺寸(vπl(wèi)＝0.23v·mm)，遠優(yōu)于背景介紹中的鈮酸鋰分立調(diào)制器和基于硅的等離子體色散效應電光調(diào)制器，以及大部分已經(jīng)報道的硅-有機混合型電光調(diào)制器。

本發(fā)明中電極結構具有較小的rc常數(shù)，配合電光聚合物材料極快的響應速度，可以實現(xiàn)非常大的調(diào)制帶寬(3db帶寬為176ghz)，大于大部分已經(jīng)報道的調(diào)制器十幾到幾十ghz的3db帶寬。同時由于電光聚合物材料為絕緣的介質材料，在工作過程中電流極小，因此本發(fā)明的電光調(diào)制器具有極低的工作能耗(～1fj/bit)，優(yōu)于已經(jīng)報道的幾十至幾百fj/bit的功耗。

綜上，與背景介紹中現(xiàn)有電光調(diào)制器相比，本發(fā)明可以實現(xiàn)更更低工作電壓、更小器件尺寸、更大調(diào)制帶寬、更高調(diào)制效率、更低工作能耗，同時其制作工藝能與現(xiàn)有成熟的cmos工藝兼容，具備結構簡單、設計簡易、工藝簡便等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導的高速電光相位調(diào)制器結構示意圖。

圖2是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導的馬赫-曾德電光強度調(diào)制器結構示意圖

圖3是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導的微環(huán)諧振腔電光強度調(diào)制器結構示意圖。

圖4是本發(fā)明具有對稱包層單側脊型波導結構的截面示意圖。

圖5是本發(fā)明第一種具有對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖6是本發(fā)明第二種具有對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖7是本發(fā)明第三種具有對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖8是本發(fā)明第四種具有對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖9是本發(fā)明具有非對稱包層單側脊型波導結構的截面示意圖。

圖10是本發(fā)明第一種具有非對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖11是本發(fā)明第二種具有非對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖12是本發(fā)明第三種具有非對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖13是本發(fā)明第四種具有非對稱包層雙側脊型波導結構的截面示意圖。

圖14是本發(fā)明第一種電極位置的截面示意圖。

圖15是本發(fā)明第二種電極位置的截面示意圖。

圖16是本發(fā)明第三種電極位置的截面示意圖。

圖17是本發(fā)明第四種電極位置的截面示意圖。

圖18是本發(fā)明全刻蝕波導結構和第五種電極位置的截面示意圖。

圖19是本發(fā)明周期不變的波導結構俯視截面示意圖。

圖20是本發(fā)明周期變化的波導結構俯視截面示意圖。

圖21是本發(fā)明沿電光調(diào)制波導方向的模場分布。

圖22是本發(fā)明電光調(diào)制波導模式等效折射率隨電光材料折射率變化曲線。

圖23是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導電光相位調(diào)制器的調(diào)制原理示意圖。

圖24是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導電光相位調(diào)制器的電路示意圖。

圖25是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導電光相位調(diào)制器的頻率響應曲線圖。

圖26是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導的馬赫-曾德電光強度調(diào)制器的原理示意圖。

圖27是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導的馬赫-曾德電光強度調(diào)制器的電路示意圖。

圖28是本發(fā)明采用電光調(diào)制波導的馬赫-曾德電光強度調(diào)制器的等效電路示意圖。

圖1中：1-輸入波導，4-電光調(diào)制波導，5a-第一調(diào)制電極，5b-第二調(diào)制電極，8-輸出波導。

圖2中：1-輸入波導，2-功率分配器，3a-第一連接波導，3b-第二連接波導，4a-第一電光調(diào)制波導，4b-第二電光調(diào)制波導，5a-第一調(diào)制電極，5b-第二調(diào)制電極，5c-第三調(diào)制電極，6a-第三連接波導，6b-第四連接波導，7-功率合束器，8輸出波導。

圖3中：1-輸入波導，9a-第一耦合波導，9b-第二耦合波導，4-電光調(diào)制波導，5a-第一調(diào)制電極，5b-第二調(diào)制電極，8-輸出波導。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，具有電光調(diào)制波導的相位調(diào)制器包括包層結構及其被包覆在包層結構內(nèi)的輸入波導1、電光調(diào)制波導4、第一調(diào)制電極5a、第二調(diào)制電極5b和輸出波導8；輸入波導1、電光調(diào)制波導4和輸出波導依次相連8，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b分別位于電光調(diào)制波導4附近的左右兩側或上下兩側，并分別與電光調(diào)制波導4中兩側的周期結構波導電連接。

如圖2所示，具有電光調(diào)制波導的馬赫-曾德型電光強度調(diào)制器包括包層結構及其被包覆在包層結構內(nèi)的輸入波導1、功率分配器2、第一連接波導3a、第二連接波導3b、第一電光調(diào)制波導4a、第二電光調(diào)制波導4b、第一調(diào)制電極5a、第二調(diào)制電極5b、第三調(diào)制電極5c、第三連接波導6a、第四連接波導6b、功率合束器7和輸出波導8；輸入波導1和功率分配器2的輸入端口相連，功率分配器2的兩個輸出端口分別和第一連接波導3a、第二連接波導3b輸入端相連，第一連接波導3a輸出端經(jīng)第一電光調(diào)制波導4a和第三連接波導6a輸入端連接，第二連接波導3b輸出端經(jīng)第二電光調(diào)制波導4b和第四連接波導6b輸入端連接，第三連接波導6a、第四連接波導6b輸出端分別和功率合束器7的兩個輸入端口相連，功率合束器7輸出端口和輸出波導8相連；第一調(diào)制電極5a和第三調(diào)制電極5c分別位于第一電光調(diào)制波導4a和第二電光調(diào)制波導4b的兩外側，第二調(diào)制電極5b位于第一電光調(diào)制波導4a和第二電光調(diào)制波導4b之間，從而使得第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b分別位于第一電光調(diào)制波導4a附近的兩側，并分別與第一電光調(diào)制波導4a中兩側的周期結構波導電連接；同時第二調(diào)制電極5b和第三調(diào)制電極5c分別位于第二電光調(diào)制波導4b附近的左右兩側或上下兩側，并分別與第二電光調(diào)制波導4b中兩側的周期結構波導電連接。

如圖3所示，具有電光調(diào)制波導的微環(huán)諧振腔型電光強度調(diào)制器包括包層結構及其被包覆在包層結構內(nèi)的輸入波導1、第一耦合波導9a、第二耦合波導9b、電光調(diào)制波導4、第一調(diào)制電極5a、第二調(diào)制電極5b和輸出波導8；輸入波導1、第一耦合波導9a和輸出波導8依次相連，第一耦合波導9a和第二耦合波導9b相耦合布置，第二耦合波導9b和電光調(diào)制波導4首尾相連形成一個微環(huán)諧振腔；第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b分別布置在電光調(diào)制波導4附近的左右兩側或上下兩側，并分別與電光調(diào)制波導4中內(nèi)外側的周期結構波導電連接。

具體實施的周期結構波導是沿傳輸方向以相同周期性或者變化周期交替布置方式構成的波導結構。波導周期結構的間隙和尺寸為可以相同或者不同周期結。

如圖4～圖13，包層結構為具有對稱或者非對稱波導截面(沿傳輸方向的截面)的包層結構。包層結構主要由上包層100和下包層102構成，波導作為芯層101，上包層100覆蓋于芯層101之上，下包層102位于芯層101之下。芯層101為單側脊型波導或者雙側脊型波導。

如圖4所示，上包層100和下包層102采用同種電光材料，折射率相等。芯層101為單側脊型波導，脊型的一側被刻蝕，脊的層數(shù)為一層。

如圖5所示，上包層100和下包層102采用同種電光材料，折射率相等。芯層101位兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度相同，脊的層數(shù)為一層，兩側脊的層數(shù)相同。

如圖6所示，上包層100和下包層102采用同種電光材料，折射率相等。芯層101位兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，脊的層數(shù)為一層，兩側脊的層數(shù)相同。

如圖7所示，上包層100和下包層102采用同種電光材料，折射率相等。芯層101位兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)不同。

如圖8所示，上包層100和下包層102采用同種電光材料，折射率相等。芯層101位兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)不同。

如圖9所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為單側脊型波導，脊型的一側被刻蝕，脊的層數(shù)為一層。

如圖10所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度相同，脊的層數(shù)為一層，兩側脊的層數(shù)相同。

如圖11所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，脊的層數(shù)為一層，兩側脊的層數(shù)相同。

如圖12所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)不同。

如圖13所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的兩側均被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)不同。

如圖14所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的一側被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)相同，調(diào)制電極103位于波導芯層101上方與其接觸。

如圖15圖14所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的兩側被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)相同，調(diào)制電極103位于波導芯層101一側與其接觸。

如圖16圖14所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的兩側被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)相同，調(diào)制電極103位于波導芯層101下部與其接觸。

如圖17圖14所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為兩側脊型波導，脊型的兩側被刻蝕，兩側刻蝕深度不同，兩側脊的層數(shù)相同，調(diào)制電極103通過其他導電材料104與波導芯層101接觸。

如圖18所示，上包層100和下包層102采用不同種材料，其中至少一種為電光材料。芯層101為全刻蝕波導，調(diào)制電極103通過其他導電材料104與波導芯層101接觸。

如圖19所示，上包層100為電光材料，芯層101為周期不變的周期波導結構。

如圖20所示，上包層100為電光材料，芯層101為周期變化的周期波導結構。

如圖22所示，是本發(fā)明的電光相位調(diào)制器的工作原理，電光調(diào)制波導處于電光材料的包層中，在其兩側分別與一正一負的調(diào)制電極相連接，在兩個調(diào)制電極之間加一定電壓，由于波導材料的導電性，在相鄰兩個周期波導結構之間形成從電極正極指向電極負極的電場分布，根據(jù)電光效應，處于電場中電光材料的折射率會隨電場強度的改變而變化；因此，通過改變施加在兩個電極間的電壓，就可以改變位于兩個電極間電場中電光材料的折射率，從而也改變了經(jīng)過這一段電光調(diào)制波導光的相位，實現(xiàn)了電光相位調(diào)制的功能。本發(fā)明的微環(huán)諧振腔電光強度調(diào)制器工作原理與電光相位調(diào)制器類似，通過微環(huán)諧振腔中的電光調(diào)制波導進行相位的調(diào)制，進一步實現(xiàn)微環(huán)諧振腔的諧振波長的改變，當輸入光的波長在微環(huán)諧振腔內(nèi)的諧振狀態(tài)發(fā)生變化時(從諧振變?yōu)椴恢C振或者從不諧振變?yōu)橹C振)，輸出光的強度也發(fā)生相應的變化，諧振時輸出光強很小，不諧振時輸出光強很大，約為輸入光功率。

如圖26所示，是本發(fā)明的馬赫-曾德電光強度調(diào)制原理，同上述電光相位調(diào)制器原理相似，當施加電場于電光調(diào)制波導時，通過波導的光相位發(fā)生變化，由于馬赫曾德兩個干涉臂施加的電場方向相反，因此光相位變化符號相反，兩束經(jīng)過不同相位變化的光在功率合束器發(fā)生干涉，根據(jù)相位差不同，干涉輸出的光強度也不同，因此通過改變施加在調(diào)制電極之間的電壓，改變兩束光的相位差，實現(xiàn)光強度的調(diào)制。

本發(fā)明的具體實施例子及其實施過程為：

實施例1

如圖1所示，采用電光調(diào)制波導的高速電光相位調(diào)制器，輸入波導1左側作為輸入端口，輸出波導8右側為輸出端口，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間施加電壓有兩種voff和von，使得本實施例器件對應有的兩種工作狀態(tài)off和on。

本實施例包層結構采用如圖5所示，調(diào)制電極布置采用如圖14所示，上包層采用一種電光系數(shù)為192pm/v的電光材料。

光從輸入波導1左側輸入，從左側進入電光調(diào)制波導4：

當工作狀態(tài)為off時，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間電壓為voff，電光調(diào)制波導4的等效折射率為neff，長度為l，則光經(jīng)過電光調(diào)制波導4的相位增加k為真空中的波數(shù)，l為電光調(diào)制波段4的長度。

當工作狀態(tài)為on時，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間電壓為von，此時電光調(diào)制波導的相鄰指狀周期波導間產(chǎn)生如圖22的電場分布，由于電光材料的電光效應，位于電光調(diào)制波導的相鄰周期結構間的電光材料折射率在電場作用下發(fā)生改變：

其中，n是電光材料的原始折射率，r33是電光材料的電光系數(shù)，d是周期性結構中間的間距。由于電光材料折射率的改變，因此電光調(diào)制波導中模式的等效折射率也改變，它們之間的關系可以表示為：

△neff＝s△n

其中，△n表示電光材料的折射率改變量，△neff表示電光調(diào)制波導中模式的等效折射率改變量，s是模式等效折射率變化隨電光材料折射率變化的系數(shù)，在普通波導中，一般s＝0.5，在本發(fā)明電光調(diào)制波導中，模場分布如圖21所示，有較多光場分布在電光材料中，等效折射率的變化得到增強，根據(jù)圖25中，等效折射率隨電光材料折射率變化曲線得出，s＝1.145，遠高于普通波導結構。因而經(jīng)過電光調(diào)制波導4的光相位增加也發(fā)生變化，可以表示為：

其中，k為真空中的波數(shù)，l為周期性結構的長度。由此，本發(fā)明基于電光調(diào)制波導的電光相位調(diào)制器半波電壓-長度可以表示為：

其中，vπ表示電光相位調(diào)制器的半波電壓，λ為工作波長。在此，給出本發(fā)明采用電光調(diào)制波導電光相位調(diào)制器的一組典型參數(shù)：d＝150nm,λ＝1.55μm，s＝1.145，n＝1.66，r33＝192pm/v，經(jīng)計算可得，半波電壓-長度vπl(wèi)＝0.23v·mm，遠小于已經(jīng)報道的基于等離子體色散效應的集成全硅調(diào)制器和基于電光材料的硅基調(diào)制器。

如圖23所示，是基于電光調(diào)制波導的電光相位調(diào)制器的電路示意圖，其形式可以等效為圖24中的等效電路圖，經(jīng)過計算，本發(fā)明的電光相位調(diào)制器，其加載在電光材料兩端的電壓veff，與輸入電壓vin之間的關系可以表示為：

其中，j表示虛數(shù)，c為相鄰兩個周期波導結構之間的電容，ω表示表示調(diào)制信號的角頻率，r表示周期波導結構的電阻，rs表示表示調(diào)制信號源的電阻，一般為50ω，n表示表示調(diào)制波導中所包含的周期性結構個數(shù)。

如圖26，所示為veff/vin與調(diào)制信號頻率f的關系曲線，由此，本發(fā)明采用電光調(diào)制波導的電光相位調(diào)制器，其由于電路rc常數(shù)限制的3db帶寬為176ghz，遠高于現(xiàn)有大部分采用硅等離子體色散效應和采用電光效應的調(diào)制器，后者的3db帶寬一般為幾十ghz。

根據(jù)能耗e計算公式：

其中，vpp為調(diào)制電壓峰峰值，c為調(diào)制器總電容，根據(jù)上述公式計算得到，本發(fā)明的電光相位調(diào)制器的能耗為1fj/bit，優(yōu)于已經(jīng)報道的幾十至幾百fj/bit的功耗。

實施例2

如圖2所示，采用電光調(diào)制波導的馬赫-曾德電光強度調(diào)制器，輸入波導1左側為輸入端口，輸出波導8右側為輸出端口。第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間施加電壓有兩種voff1和von1，使得本實施例器件對應有的兩種工作狀態(tài)off和on。第三調(diào)制電極5c和第二調(diào)制電極5b間施加電壓有兩種voff2和von2，使得本實施例器件對應有的兩種工作狀態(tài)off和on。

本實施例包層結構采用如圖5所示，調(diào)制電極布置采用如圖14所示，上包層采用一種電光系數(shù)為192pm/v的電光材料。

光從輸入波導1左側輸入，進入功率分配器2，光被分成能量相同的兩束，光束a和光束b，分別進入第一連接波導3a和第二連接波導3b：

工作狀態(tài)為off時，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間電壓為voff1，第三調(diào)制電極5c和第二調(diào)制電極5b間電壓為voff2，光束a經(jīng)過第一電光調(diào)制波導4a，相位增加為光束b經(jīng)過第二電光調(diào)制波導4b，相位增加為光束a和光束b分別經(jīng)第三連接波導6a和第四連接波導6b進入功率合束器7，當光束a和光束b合束時，相位差為

工作狀態(tài)為on時，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間電壓為von1，第三調(diào)制電極5c和第二調(diào)制電極5b間電壓為von2，根據(jù)上文中采用電光調(diào)制波導的電光相位調(diào)制器的工作原理，光束a經(jīng)過第一電光調(diào)制波導4a，相位增加變化為光束b經(jīng)過第二電光調(diào)制波導4b，相位增加變化為光束a和光束b分別經(jīng)第三連接波導6a和第四連接波導6b進入功率合束器7，當光束a和光束b合束時，相位差為

根據(jù)馬赫-曾德干涉儀的工作原理，從功率合束器7進入輸出波導8的光功率和光束a與光束b相位差之間的關系為：

其中，iin為從輸入端口輸入的光功率，iout為從輸出端口輸出的光功率，當取和不同值時，輸出端口輸出的光功率iout也不同(最佳調(diào)制效果下，)。

根據(jù)上述實施例1中相位調(diào)制器的工作原理，處于on狀態(tài)下和off狀態(tài)下光束a和光束b經(jīng)過電光調(diào)制波導產(chǎn)生的相位差可以表示為：

如圖26所示，當在第一電極在第一調(diào)制電極5a與第二調(diào)制電極5b間和第二調(diào)制電極5b與第三調(diào)制電極5c間施加電壓時，第一調(diào)制電極5a與第二調(diào)制電極5b間的電場方向和第二調(diào)制電極5b與第三調(diào)制電極5c間的電場方向相反，故因此采用電光調(diào)制波導的馬赫—曾德電光強度調(diào)制器半波電壓-長度可以表示為：

在此，給出本發(fā)明采用電光調(diào)制波導馬赫-曾德型電光強度調(diào)制器的一組典型參數(shù)：d＝2μm,λ＝1.55μm，s＝1，n＝1.66，r33＝192pm/v，經(jīng)計算可得，半波電壓-長度vπl(wèi)＝0.12v·mm，遠小于已經(jīng)報道的基于等離子體色散效應的集成全硅調(diào)制器。

如圖27所示，是采用電光調(diào)制波導的馬赫-曾德型電光強度調(diào)制器電路圖，其形式可以等效為圖28中的電路圖，由于其半波電壓-長度vπl(wèi)＝0.12v·mm，僅為采用電光調(diào)制波導電光相位調(diào)制器的1/2，在同樣的工作電壓下，實現(xiàn)同樣的調(diào)制效果，其調(diào)制長度僅為電光調(diào)制波導的1/2，同時電光調(diào)制波導的馬赫-曾德型電光強度調(diào)制器采用了pull-push的結構，其第一電光調(diào)制波導4a和第二電光調(diào)制波導4b的電路為并聯(lián)結構，因此其等效電路與實施例1中電光相位調(diào)制器的等效電路相同，故其3db帶寬和能耗也與電光相位調(diào)制器相同，由rc常數(shù)限制導致的3db帶寬為176ghz，能耗為1fj/bit，這兩項參數(shù)均遠超已經(jīng)報道或者商用的硅基電光調(diào)制器。

實施例3

如圖3所示，采用電光調(diào)制波導微環(huán)諧振腔電光強度調(diào)制器，輸入波導1左側為輸入端口，輸出波段5右側為輸入端口，輸入光為波長為λ的單波長光。第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間施加電壓有兩種voff和von，使得本實施例器件對應有的兩種工作狀態(tài)off和on。

本實施例包層結構采用如圖5所示，調(diào)制電極布置采用如圖14所示，上包層采用一種電光系數(shù)為192pm/v的電光材料。

光從輸入波導1左側輸入，通過第一耦合波導9a和第二耦合波導9b組成的耦合區(qū)域：

當工作在off狀態(tài)時，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間電壓為voff，此時微環(huán)諧振腔的諧振波長λoff與輸入光波長λ相等，因此輸入光在微環(huán)諧振腔中諧振，輸入波導5右端沒有光輸出。

當工作在on狀態(tài)時，第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間電壓為von，根據(jù)上文中采用電光調(diào)制波導的電光相位調(diào)制器的工作原理，位于電光調(diào)制波導的相鄰指狀周期波導間的電光材料折射率在電場作用下發(fā)生改變，光在微環(huán)諧振腔中的相位增加改變，導致微環(huán)諧振腔的諧振波長λon發(fā)生改變，并與輸入光波長λ不相等，因此輸入光在微環(huán)諧振腔中不發(fā)生諧振，將從輸出波導8右端輸出。綜上，通過第一調(diào)制電極5a和第二調(diào)制電極5b間電壓由voff變化為von，實現(xiàn)了光強度的調(diào)制。

本實施例中采用電光調(diào)制波導的微環(huán)諧振腔電光強度調(diào)制器，其調(diào)制結構與實施例1中采用電光調(diào)制波導的電光相位調(diào)制器結構相似，故其半波電壓-長度、調(diào)制速率的3db帶寬和能耗的計算與實施例1類似，不再贅述。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。