專利名稱：一種基于有機聚合物的y分支定向耦合電光調制器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光通信及集成光學領域，特別涉及定向耦合電光調制器，提供了一種基于有機聚合物的Y分支定向稱合電光調制器。
背景技術：
由于光纖的低損耗、低造價和巨大的帶寬，光纖通信系統已經廣泛運用于通信領域。現在，由于有線電視網絡(CATV)和光控相控陣雷達系統的大量運用，使用光纖系統進行模擬信號的傳輸越來越受到大家的重視。為了能無失真得傳輸信號，模擬光纖通信系統的高線性度是必須要解決的問題。在光纖傳輸過程中，為了使電信號能夠通過光纖傳送，需要將它加載到光載波上。所以，在系統輸入端我們需要接入一個光調制設備來將需要傳送 的電信號加載到光波上。基于不同的調制方式，我們可以將調制分為直接調制和外調制。前者指直接用電調制信號來控制半導體光源的振蕩參數(光強、頻率等)，得到光頻的調幅波或調頻波；后者是讓光源輸出的幅度與頻率等恒定的光載波通過調制器，光信號通過調制器實現對光載波的幅度、頻率等進行調制。光源直接調制的優點是簡單，但調制速率受到載流子壽命及高速率下的性能退化的限制(如頻率啁啾等)。外調制方式需要調制器，結構復雜，但可以獲得優良的調制性能，尤其適合于高速率下應用。波導電光調制器，特別是具有較小橫截面，能夠較好束縛光能的調制器在這個領域具有很好的應用前景。商用的集成電光調制器已經擁有了大量的市場，但是因為調制曲線的非線性引起的失真，極大得影響了它們的工作性能。這些典型的調制曲線是正弦曲線，極大得妨礙了集成電光調制器在高線性模擬光纖系統中的廣泛應用。過去幾年，全世界為尋求可靠實用的提高調制器線性度的技術而做了大量的工作。到目前為止，比較成熟的技術可分為兩類，即，電補償法和光學方法。其中，電補償法需要使用昂貴的高速電子元器件且只能在幾個GHz的帶寬內工作。光學方法中又包括有雙偏振法，平行調制結構，三段定向耦合以及各種多層結構。但這些技術的一個共同缺點就是它們的結構過于復雜，多驅動電極的設計雖然能夠提高調制器的線性度和調制深度，但是這種方法不能應用于高速調制且電光轉換效率很低。另夕卜，制作電光調制器的材料主要有有機聚合物和無機晶體材料(如
LiNfJi) ο相比于無機材料，有機聚合物由于其擁有小的介電常數，大的電光系數，響應速
度快，加工性能好等特點，成為了全世界研究的熱門。因此，具有大的非線性的電光聚合物材料是我們制作電光調制器的首選。綜上所述，研制具有高線性度、簡單結構和低制造誤差敏感度的基于有機聚合物的集成電光調制器是當前通信領域急需解決的問題之一，也是研究的熱點之一。具有結構簡單且能方便匹配微波驅動電源的電極的調制器將更具有優勢。定向耦合式電光調制器主要應用了耦合模理論。該理論最早是由J. R .皮爾斯在上世紀40年代研究微波電子管時提出的，隨后S.E.米勒和S.A.謝昆若夫發展了這一概念，并初步建立了波導模式耦合的基本理論。到70年代，耦合模理論開始應用在光波導領域。1973年，Yariv發表文章系統地推導了光波導中的稱合模一般理論(Amnon Yariv,Coupler-Mode Theory for Guided-ffave Optics. IEEE Journal of Quantum Electron,1973，QE-9(9) :919 933)。1976 年，Herwig Kogelnik 和 Ronald V. Schmidt 發表文章分析了反轉Λβ雙節到N節定向耦合器的開關特性，為隨后各種基于定向耦合器的光波導器件的提出與發展提供了理論基礎(H. Kogelnik and R. V. Schmidt, Switcheddirectional couplers with alternating Δ β . IEEE Journal of Qournal Electron,1976，QE-12(7) :396^401) 0此后，基于定向耦合器的電光調制器被大量研究。1986年，Thaniyavarn第一次報道了使用無機晶體材料(Ti:LiNb03)制作的一種新型結構的Y分支反饋定向耦合電光調制器，他指出這種調制器不需要設置偏置電壓，半波電壓為7V，比傳統的定向稱合式調制器的要低(S. Thaniyavarn, Modified 1X2 directional couplerwaveguide modulator. Electron Lett. , 1986, 22 (18):941 942)。1991 年，Mark L.Farwell等人設計出一種定向耦合式調制器，測試證明其三階互調失真要比傳統MZ調制器小 30dB( Mark L. FarwelI, Zong-Qi Lin, Ed Wooten, and William S. C. Chang,An Electrooptic Intensity Modulator with Improved Linearity, IEEE PhotonicsTechnology Lett. , 1991, 3 (9) : 792 795)。1999 年，Tavlykaev 和 Ramaswamy 對基于Y分支反饋定向耦合器的電光調制器的線性度，制作工藝誤差，三階互調失真大小等特性 做了系統的理論分析，提出了一種權衡了各參數后的最優化結構(Robert F. Tavlykaevand Ramu V. Ramaswamy, Highly Linear Y-Fed Directional Coupler Modulatorwith Low Intermodulation Distortion. Journal of Lightwave Technology, 1999,17(2) :282 291)。隨后幾年中，許多人開始從實驗中對此類耦合器的尺寸優化，電極設計，材料選取等進行了大量研究，取得了許多突破性的成就。2009年，Beomsuk Lee等人研究指出4節Y分支反饋定向耦合調制器的線性度要好于2節的，他們設計的4節調制器的 SFDR 比 2 節的低 14dB(Beomsuk Lee, Cheyun Lin, Xiaolong Wang, JingdongLuo, and Alex Κ. Y. Jen, Domain-Inversion-Equivalent EO Polymer based Y-FedDirectional Coupler Modulator with High Linearity. IEEE/LEOS Winter TopicalsMeeting Series, 2009:73 74) ;2010年，他們使用電光系數U 33)為79pm / V的有機聚合物制作出一個高線性的2節Y分支反饋定向耦合調制器，其SFDR高達119dB/ Hz2/3,比傳統的MZ調制器的要大 IldB (Beomsuk Lee, Che-Yun Lin, Alan X. Wang, Raluca Dinu,and Ray T. Chen, Linearized electro-optic modulators based on a two-sectionY-fed directional coupler. Applied Optics, 2010, 49(33):6485 6488) ；2011 年，他們在高速(2、GHz)情況下實現了高的極高的動態范圍(Beomsuk Lee, Che-Yun Lin,Alan X. Wang and Ray T. Chen, Demonstration of a Linearized Traveling WaveY-Fed Directional Coupler Modulator Based on Electro-Optic Polymer. Journal ofLightwave Technology, 2011, 29(3) : 1931 1936)。

發明內容
本發明的目的在于提供一種能應用于模擬光纖系統的具有高線性度和大非線性抑制的電光調制器。本發明為了實現上述目的采用以下技術方案一種基于有機聚合物的Y分支定向稱合電光調制器，其特征在于包括
波導結構包括Y分支波導、與Y分支波導連接的兩個平行且間距很小的光波導，所述兩個波導構成了定向耦合器，所述波導尾端通過S彎曲波導擴大兩平行波導的間距，以便輸出端與光纖I禹合；
電極結構電極為“Z”字型結構，分別覆蓋了定向耦合器的兩個波導，電極上下兩段相互平行，且分別通過一個1/4圓彎曲結構外接輸入電源和負載阻抗。上述方案中，所述波導的橫向結構采用反脊型結構。上述方案中，所述波導的芯層材料折射率大于包層材料的折射率。上述方案中，定向耦合區兩段耦合作用長度(即器件實際尺寸，即圖I中的LI和L2)均為耦合長度(即一個波導中的光完全耦合到另一個波導中所需要的最小長度)的 2.85倍，其中耦合長度為5000 μ m。上述方案中，所述“Z”字型電極前后兩段區域內芯層材料極化方向相反，上下波導間傳播常數之差互為相反數。上述方案中，所述波導的芯層材料中電場通過方向順著材料極化方向。上述方案中，所述電極的匹配阻抗為50Ω，外接電極需要接地來做觸電防護和設備安全保護。上述方案中的一種基于有機聚合物的Y分支定向稱合電光調制器的制備方法，包括以下步驟
1)在硅片上先后蒸鍍一層20nm的鉻和電鍍一層3μ m的金作為下電極；
2)旋涂一層3μ m厚的包層聚合物材料作下包層，其折射率在1550nm處為I. 51 ;
3)采用反應離子束刻蝕的方法在下包層上刻上波導的形狀，刻蝕深度為O.3 μ m ;
4)旋涂一層2μ m厚的極化聚合物材料作為芯層，其折射率在1550nm處為I. 67 ；
5)在芯層上沉積一層3μπι厚的金，并用濕法刻蝕去掉多余金，形成極化電極；
6)將上述樣品加熱到120°C下進行接觸極化，極化電壓為800V的脈沖電壓，極化時間
Ih ；
7)用腐金液去掉極化電極；
8)旋涂一層3μπι后的包層聚合物作為上包層，其折射率在1550nm處為I.55 ;
9)在芯層上沉積一層3μ m厚的金，并用濕法刻蝕去掉多余金，形成調制電極。本發明具有以下有益效果
一、本發明工作過程中光通過Y分支波導后平均耦合進定向耦合器的上下兩個光波導中。在不考慮波導損耗和波導制作工藝誤差的情況下。當沒有外加電場時，由于器件結構的對稱性，上下兩臂中輸出的光的強度與相位相同。因此該器件的工作點能夠自動設置在3dB點上而無需額外的偏置電壓。從而極大降低器件結構的復雜度。二、本發明在定向耦合區存在一個疇反轉結構，S卩“Z”字型電極前后兩段區域內芯層材料極化方向相反，則上下波導間傳播常數之差互為相反數。這種雙向調制的電極結構能夠在保證高速調制的同時極大得提高調制器的線性度，保證了被調制的模擬信號能夠盡可能完美得保持波形。


圖I為本發明的結構示意圖。圖2為兩種調制器的調制曲線(虛線是MZ調制器，實線是定向耦合調制器)。圖3為反脊型波導橫截面示意圖。圖4為調制電極的結構示意圖。圖I中+Δ多，-Δ彡分別表示定向耦合區疇反轉前后兩段區域內上下波導間傳播
常數之差，LI和L2分別表示耦合作用長度，即定向耦合區疇反轉前后兩段區域的長度。圖4中標記I表示調制電極,標記2表示波導。
具體實施方式
·
下面將結合附圖對本發明實施的技術方案進行具體的描述。圖I中Y分支波導部分長為688 μ m,輸出端波導中心距為12 μ m ;定向I禹合部分長度為28515 μ m ;S彎曲波導部分長度為4750 μ m，輸出端中心距為132 μ m。圖3為本發明調制器所使用的反脊型波導橫截面圖，其中上下包層厚度均為3 μ m,芯層厚度為2 μ m,脊高O. 3 μ m,脊寬5 μ m。圖4為調制電極的結構示意圖。其中橫向電極部分寬度為17μπι，長度為14250 μ m,電極內側與定向耦合波導內側在縱向上相平。上下電極間連接部分寬度為15 μ m。1/4圓彎曲電極部分的半徑為1700 μ m。本發明所述的調制器，其制作工藝流程沿用常規的在超大規模集成電路制作中應用的平板印刷技術。具體制作方法是
首先在硅片上先后蒸鍍一層20nm的鉻和電鍍一層3 μ m的金作為下電極。旋涂一層3 μ m厚的包層聚合物材料作下包層，其折射率在1550nm處為I. 51。采用反應離子束刻蝕的方法在下包層上刻上波導的形狀，刻蝕深度為O. 3 μ m。旋涂一層2 μ m厚的極化聚合物材料作為芯層，其折射率在1550nm處為I. 67。在芯層上沉積一層3μπι厚的金，并用濕法刻蝕去掉多余金，形成極化電極。將上述樣品加熱到120°C下進行接觸極化，極化電壓為800V的脈沖電壓，極化時間Ih。用腐金液去掉極化電極。旋涂一層3 μ m后的包層聚合物作為上包層，其折射率在1550nm處為I. 55。最后，在芯層上沉積一層3 μ m厚的金，并用濕法刻蝕去掉多余金，形成調制電極。本發明工作原理如下，
光通過Y分支波導后平均耦合進定向耦合器的上下兩個光波導中。在不考慮波導損耗和波導制作工藝誤差的情況下。當沒有外加電場時，由于器件結構的對稱性，上下兩臂中輸出的光的強度與相位相同。因此該器件的工作點能夠自動設置在3dB點上而無需額外的偏置電壓。這將極大降低器件結構的復雜度。當電極上加載了額外電壓后，兩個波導間的傳播常數不再相等，器件的對稱性被打破，此時上下兩臂中輸出的光強發生改變。而不同大小的電壓造成的兩個波導間的傳播常數之差(Δ,β_)不同，上下兩臂中輸出的光強也會不同，這樣光信號就能夠受外加控制電壓的調制。另外，在定向耦合區存在一個疇反轉結構，S卩“Ζ”字型電極前后兩段區域內芯層材料極化方向相反，則上下波導間傳播常數之差互為相反數。這種雙向調制的電極結構能夠在保證高速調制的同時極大得提高調制器的線性度，以保證被調制的模擬信號能夠完美得保持器波形。我們假設兩個波導中傳輸的光的復振幅分別為R(Z)和S(Z)，其中z表示光的傳輸方向。由光波導賴合模理論(Amnon Yarivj Coupler-Mode Theory for Guided-WaveOptics. IEEE Journal of Quantum Electron, 1973，QE-9 (9) : 919 933)我們可以得到
權利要求
1.一種基于有機聚合物的Y分支定向稱合電光調制器，其特征在于包括 波導結構包括Y分支波導、與Y分支波導連接的兩個平行且的光波導，所述兩個波導構成了定向耦合器，所述波導尾端通過S彎曲波導擴大兩平行波導的間距； 電極結構電極為“Z”字型結構，分別覆蓋了定向耦合器的兩個波導，電極上下兩段相互平行，且分別通過一個1/4圓彎曲結構外接輸入電源和負載阻抗。
2.根據權利要求I所述的一種基于有機聚合物的Y分支定向耦合電光調制器，其特征在于所述波導的橫向結構采用反脊型結構。
3.根據權利要求I所述的一種基于有機聚合物的Y分支定向耦合電光調制器，其特征在于所述波導的芯層材料折射率大于包層材料的折射率。
4.根據權利要求I所述的一種基于有機聚合物的Y分支定向耦合電光調制器，其特征在于定向耦合區兩段耦合作用長度均為耦合長度的2. 85倍。
5.根據權利要求I所述的一種基于有機聚合物的Y分支定向稱合電光調制器，其特征在于所述“Z”字型電極前后兩段區域內芯層材料極化方向相反，上下波導間傳播常數之差互為相反數。
6.根據權利要求I或5所述的一種基于有機聚合物的Y分支定向I禹合電光調制器，其特征在于所述波導的芯層材料中電場通過方向順著材料極化方向。
7.根據權利要求I所述的一種基于有機聚合物的Y分支定向耦合電光調制器，其特征在于所述電極的匹配阻抗為50 Ω。
8.根據權要求1-7任一所述的一種基于有機聚合物的Y分支定向耦合電光調制器的制備方法，包括以下步驟 1)在硅片上先后蒸鍍一層20nm的鉻和電鍍一層3μ m的金作為下電極； 2)旋涂一層3μ m厚的包層聚合物材料作下包層，其折射率在1550nm處為I. 51 ； 3)采用反應離子束刻蝕的方法在下包層上刻上波導的形狀，刻蝕深度為O.3 μ m ; 4)旋涂一層2μ m厚的極化聚合物材料作為芯層，其折射率在1550nm處為I. 67 ； 5)在芯層上沉積一層3μ m厚的金，并用濕法刻蝕去掉多余金，形成極化電極； 6)將上述樣品加熱到120°C下進行接觸極化，極化電壓為800V的脈沖電壓，極化時間Ih ； 7)用腐金液去掉極化電極； 8)旋涂一層3μ m后的包層聚合物作為上包層，其折射率在1550nm處為I. 55 ; 9)在芯層上沉積一層3μ m厚的金，并用濕法刻蝕去掉多余金，形成調制電極。
全文摘要
本發明公開了一種基于有機聚合物的Y分支定向耦合電光調制器，屬于光通信及集成光學領域，其包括波導結構和電極結構，波導結構包括Y分支波導、與Y分支波導連接的兩個平行的光波導，所述兩個光波導構成了定向耦合器，所述波導尾端通過S彎曲波導擴大兩平行波導的間距；電極結構為“Z”字型結構，分別覆蓋了定向耦合器的兩個波導，電極上下兩段相互平行，且分別通過一個1/4圓彎曲結構外接輸入電源和負載阻抗。
文檔編號G02F1/065GK102879923SQ20121036657
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者廖進昆, 楊曉軍, 邢飛, 翁丹妹, 唐雄貴 申請人:電子科技大學