基于鈮酸鋰光子線的馬赫-曾德干涉儀調制器

陳 明， 程少婷

(西安郵電大學 電子工程學院， 陜西 西安 710121)

基于鈮酸鋰光子線的馬赫-曾德干涉儀調制器

陳 明， 程少婷

(西安郵電大學 電子工程學院， 陜西 西安 710121)

設計一種基于鈮酸鋰(LiNbO3，LN)的馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉儀光電調制器。采用基于有限元法的電磁仿真軟件對該器件進行優(yōu)化和特性的仿真分析，得到了結構尺寸緊湊、輸出調制光透射率隨外加輸入電壓在較大范圍呈線性變化，以及在工作波長變化較大的范圍內具有較穩(wěn)定透射率的設計結果。

鈮酸鋰光子線; 馬赫-曾德干涉儀；光電調制器

在光通信技術中，電光調制器是很關鍵的器件，它主要完成光電信號的轉換[1-2]。馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉儀調制器因其結構簡單、全光型的結構優(yōu)點，被廣泛應用[3-5]。在材料選擇上，鈮酸鋰(LiNbO3, LN)光子線因具有優(yōu)良的電光、聲光以及非線性光學特性，并且很容易受稀土元素離子摻雜得到激光活性[6-8]，已經(jīng)成為集成光學研究的目標。本文采用基于有限元法的商用軟件對基于鈮酸鋰光子線的馬赫-曾德干涉儀調制器進行了建模設計與仿真。

1 馬赫-曾德干涉儀調制器原理

1.1 工作原理

在該調制器中，輸入光信號經(jīng)Y分支被分成振幅、相位完全相同的兩束光，分別沿鈮酸鋰光波導一個參考臂、一個為干涉臂進行傳播。當電極加上電壓V后，干涉臂的鈮酸鋰晶體的折射率發(fā)生了變化,使得兩平行臂中的兩束光的相位改變，兩個臂的波導光在輸出端分支點處產(chǎn)生合波與干涉，因此就會產(chǎn)生與二者相位差相對應的輸出光強度變化，從而實現(xiàn)了調制。

1.2 模型建立

圖1(a)為基于鈮酸鋰光子線的馬赫-曾德調制器的結構示意圖，在調制器的一個干涉臂加上一對電極。適用于該調制器的波導參數(shù)[8]LN波導的折射率和SiO2區(qū)域的折射率分別為

nLN=2.2112,
nSiO2=1.44。

為確保實現(xiàn)單模傳輸，LN波導的高度和寬度分別為

H0= 0.73μm，
W0=0.5μm。

圖1(b)為該調制器的Z切割X傳輸?shù)母┮晥D。其結構尺寸總長度、電極長度、電極與波導的間距、波導寬度、電極與波導的高度、干涉臂和參考臂之間的夾角分別為

L0=23μm，L=5μm，
g=0.1μm，W0=0.5μm，
H0=0.73μm，θ=10.61°。

圖1 馬赫-曾德干涉儀調制器的結構示意圖

1.3 理論推導

干涉臂加上電壓V后，兩個電極之間的電場強度為[9]

(1)

其中W0為波導寬度，g為電極與波導的間距。

(2)

(3)

將式(1)分別代入式(2)和式(3)得到

(4)

(5)

其中由于波導傳輸?shù)氖菧蔜M模，沿y方向偏振表現(xiàn)出的折射率為no，馬赫-曾德調制器兩臂之間的相位差可以表示為[9]

(6)

其中L是電極長度，λ是波長。

輸出功率與輸入功率滿足[9]

(7)

其中Po和Pi分別是光輸出功率和輸入功率。

(8)

(9)

其中Vi是調制電壓，Vπ是偏置電壓。

如果Vi?Vπ，則有

(10)

由于V=Vπ+Vi，因此可在電極上加一個偏置電壓Vπ，于是馬赫-曾德調制器的透射率與Vi近似成線性關系。

2 仿真結果和討論

當輸入電壓為0時，此調制器即為馬赫-曾德干涉儀。利用基于有限元法的軟件對馬赫-曾德調制器的仿真電場模分布如圖2所示。仿真結果顯示，此時波導透射率約為94.7%。

圖2 電壓為0的電場模分布圖

圖3 電壓為1295 V時的電場模分布圖

當輸入電壓不為0時，透射率和輸入電壓V的關系曲線如圖4所示?？梢钥闯?，透射率隨輸入電壓的增大而減小，當輸入電壓為3000V時，透射率近似為0，之后又隨電壓的增大而增大，基本呈余弦曲線變化。

圖4 透射率與輸入電壓的關系圖

當V=Vπ+Vi并且滿足Vi?Vπ時，通過改變V得出Vi與透射率的關系如圖5所示。結果表明，Vi在-220V到+220V的范圍內與透射率成較好的線性關系，與式(10)的計算結果比較吻合。

圖5 透射率與調制電壓的關系圖

當輸入電壓為0，即不加調制電壓時，傳輸帶寬與透射率之間的關系如圖6所示，可以看出對于1.55 μm工作波長，透射率大于85%的帶寬約為163 nm。

圖6 傳輸帶寬與透射率之間的關系曲線

3 結論

設計并仿真了基于LN光子線的馬赫-曾德光電調制器，獲得了3個主要結果：(1)具有總長度為23 μm、寬度為8 μm的緊湊結構尺寸。(2)加于干涉臂的輸入電壓對輸出調制光波的透射率的影響，證實了該器件的輸出光透射率與外加于干涉臂的輸入電壓之間有較好的線性關系。(3)工作波長變化對輸出光波透射率的影響，顯示出對于1.55 μm工作波長，透射率大于85%的帶寬約為163 nm。若將該器件的電極與天線相連接，可形成微波光子轉換器或光子電場檢測設備，并可與其它光子器件集成在同一基片上以形成更多功能的儀器或設備。

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[責任編輯:祝劍]

Mach-Zehnder interferometer modulator based on LiNbO3photon wire

CHEN Ming, CHENG Shaoting

(School of Electronics Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

A Mach-Zehnder interferometer optical modulator based on Lithium niobate (LiNbO3, abbreviated as LN) photonic wires is obtained in this paper. Its structure size parameters and characterization are optimally designed and analyzed respectively, by using the commercial electromagnetic simulation software that based on the finite element method. Three main results are obtained. First, it has compact size. Second, a good linear relationship between the output light transmittance of the device and the input voltage applied on the interferometer arm is confirmed within a large scale. Third, it has stable effect of the changes of the operating light wavelength upon the changes of transmittance of the output light.

lithium niobate photonic wire, Mach-Zehnder interferometer, optical modulator

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.01.011

2013-12-16

國家自然科學基金資助項目(61040064)

陳明(1956-)，男，博士，教授，從事微波光子學、集成光學等研究。E-mail:chenming5628@sina.com 程少婷(1989-),女，碩士研究生，研究方向為微波光子學。E-mail：271613820@qq.com

O436.4

A

2095-6533(2014)01-0055-04