基于薄膜铌酸锂的偏振无关电光调制器

摘要

基于偏振无关光分束器和模式转换器，提出一种基于薄膜铌酸锂（TFLN）的偏振无关电光调制器。其中，偏振无关光分束器可以实现 TE0 和 TM0 模式的精准分束，模式转换器能够将输入的 TM0 模式高效转换为 TE1 模式。在此基础 上，使用周期性电容加载的行波电极结构可实现对两种模式光的高效电光调制。仿真结果表明，该调制器的电光带宽大于100GHz，有助于解决现有电光调制器因偏振敏感而导致的不稳定问题，为基于 TFLN 的调制器开辟了新的研究思路。

1 引 言

      随着信息时代的迅猛发展，高速光通信系统在全球通信网络中扮演着重要的角色。而在高速光通信系统中，电光调制器是不可或缺的关键器件之一。通过调制光信号，电光调制器使得信息能够以光的形式快速、高效地传输，为现代通信网络的优越性能提供了坚实的基础。在这一背景下，电光调制器的研究和发展成为推动高速光通信系统创新的重要驱动力。其中，基于薄膜铌酸锂（TFLN）的电光调制器，以其特有的材料性质和器件性能优势，成为备受瞩目的方向之一。

      光波在光纤中传播一定距离后，偏振状态会发生随机改变，当光波在不经过外加偏振控制系统的情况下从光纤直接耦合进入偏振敏感的调制器时，会产生偏振相关损耗，影响器件的性能。基于TFLN的高性能电光调制器已经有比较多的报道，但它们中的大多数都工作在TE0模式下，无法满足不同偏振态同时存在或随机偏振态的工作场景。因此，研发高性能的偏振无关TFLN电光调制器具有重要的实际意义。

      现有关于偏振无关电光调制器的研究多集中在二维材料，比如在梯形聚合物波导、槽波导、硅波导或氮化硅波导上覆盖石墨烯吸收层。然而这些新颖的结构设计在物理实现上难度较大。Donval等提出一种基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构的调制器，通过波导极化，采用垂直和水平两个方向的电极，可以同时实现TE和TM模式的调制，但这种方案的缺点在于不同方向的调制效率存在一定差异，并且为了实现偏振不敏感需要牺牲某一方面的器件性能。传统体材料扩散型铌酸锂波导调制器可以采用多组电极，利用不同方向的电光系数，分别控制两个方向偏振折射率，或者将两个偏振光分束到两路分别调制后再合束输出。这些方案需要采用多组电极控制从而导致结构复杂，两个不同方向的电极也使得器件带宽比较小。

      本文仿真设计了一种偏振无关的TFLN调制器。依据模式耦合理论，通过三叉戟型偏振无关光分束器完成TE0和TM0模式的分束；同时，由于不同宽度光学波导的有效折射率不同，通过改变波导结构实现模式匹配，构造了一种高效的模式转换器。这种模式转换器可使TM0转换为TE1模式，同时保持TE0模不变。在光相位调制区，采用周期性电容加载的行波电极结构与硅衬底刻蚀方案，能够同时调制TE0和TE1模式并且提高调制器的性能，实现具有大带宽与低半波电压（Vπ）的偏振无关电光调制器。

2 器件设计

    所提基于TFLN的偏振无关电光调制器如图1（a）所示。整体结构基于1个对称的MZI，包括2个偏振无关光分束器、4个模式转换器和1个电光相位调制器。偏振无关光分束器将TM0和TE0模式均匀地分成两束光，而后通过模式转换器将TM0转换为TE1模式，同时保持TE0模式不变。在调制区域，TE0和TE1这两种模式同时由相同的电场通过周期性电容加载的行波电极结构进行调制。图1（b）为调制器的截面结构，硅衬底上方是3µm厚的二氧化硅，X切铌酸锂膜层的总厚度为400nm，半刻蚀的方式使得铌酸锂脊波导的高度为200nm，在铌酸锂上方生长300nm的二氧化硅以降低金属吸收损耗，波导宽度wg为2.84µm。调制器采用周期性电容加载的行波电极结构，由金属主电极和周期性微结构电极组成，微结构电极阻止电流在靠近两个主电极之间的区域流动，保证电流在较为宽的主电极结构中分布更均匀。因此，在不扩大电极间隙的情况下，增加了导体有效尺寸，在减小微波传输损耗的同时，提高调制效率，突破带宽-半波电压的制衡关系。但这种电极结构会导致传输线的每单位长度的电容增加，相对于传统的行波电极结构来说其微波群速度将会显著降低，造成严重的速度失配，可对硅衬底进行去除以降低微波的群折射率，实现光波和微波的速度匹配。为了保证器件的机械强度，在S电极下方保留了一部分硅衬底以进行支撑。行波电极的结构参数包括D、d、ws、r、c、s、t、h、u、g1、l，值分别为1.1、0.2、78、47、3、2、5、15、9、4.6、39μm，微结构电极细节如图1（c）所示。

图1 偏振无关调制器结构。（a）整体结构（插图是光分束器和模式转换器的结构示意图）；（b）侧面结构；（c）电极结构细节图

偏振无关光分束器的仿真设计如图2所示。在所提出的偏振无关电光调制器中，这种三叉戟形偏振无关光分束器具有将TE0和TM0均匀分束的功能。根据模式耦合理论，当两根波导具有相同宽度时，由于满足相位匹配条件，光波的耦合主要发生在该位置。光分束器的结构如图2（a）中插图所示，由中间的输入波导、绝热耦合区和侧边的两根对称波导组成，光经输入波导传输至绝热耦合区并逐渐耦合到两侧的输出波导中。光分束器的结构尺寸设计如下：输入波导宽度w1为1.3μm，耦合区中的波导尖端宽度w2为0.8μm，耦合区长度L1为38μm，波导间隙宽度g1为0.45μm且在耦合区中保持不变。在1550nm处，TE0和TM0的耦合损耗为0.05dB和0.07dB，可有效实现3dB分束，仿真结果如图2（a）所示，这种器件结构避免了多模干涉耦合器中两个基模拍长不一致的问题。此外如图2（b）~（d）所示，对耦合区波导尖端宽度、侧壁间距和耦合长度进行了扫描，可以发现这种三叉戟形的偏振无关光分束器具有较大的制造容差。

图 2 光分束器的仿真结果。（a）TE0 和 TM0 模式的耦合效率（插图是光分束器结构示意图）；（b）波导宽度对耦合效率的影响；（c）间 距对耦合效率的影响；（d）长度对耦合效率的影响

      为了实现对不同偏振态的光调制，采用了基于模式转换的设计方案。为此，需要设计一种模式转换器，将输入光中某一偏振态基模转换到另一偏振的高阶模，而另一种偏振态则保持不变。首先，对TFLN波导不同模式的有效折射率进行分析，如图3所示。

图 3 模式转化器的仿真结果。（a）铌酸锂脊波导上宽度变化与模式有效折射率的关系；（b）模式转化器的传输效率（插图是模式转 化器结构示意图和光场分布图）

    从图3（a）可以看到，当波导宽度为1.6μm时，TM0和TE1发生模式杂化。在模式杂化点附近，采用一个简单的锥形渐变结构就可以实现TM0到TE1的互相转换。而后使用LumericalMode软件对该模式转换器的效率进行仿真优化，仿真结果如图3（b）中的两条曲线所示。可以看到，当模式转换器的长度L2超过600μm时，TE0模式可以实现超低损耗传输，而TM0模式则以99.7%转换效率转化为TE1模式。图3（b）中的插图为模式转换器的结构示意图，以及TE0和TM0两种偏振态的光在模式转换器中的光场分布图，模式转换器的输入宽度w3为1.3μm，输出宽度w4为2.5μm。

    为了同时实现对TE0和TE1两个模式的调制，需要确保两个模式调制时的特征值保持一致，具有相同的VπL值。由于TE0和TE1两个模式的模场分布不同，随着波导宽度的展宽，TE0模峰值能量主要集中在中间位置不变，TE1的峰值能量则会往左右两边移动。

    另外，施加的电场在空间上的分布也不均匀，越靠近电极，场强越大，中间区域的场强较小，如图4（a）所示。虽然TE0和TE1两个模式的折射率不一样，但是TE0的模场能量比较集中，外加场强小，与TE1模刚好相反。随着波导宽度的变化，两个模式与施加电场的相互作用变化是不一样的，TE1模相对更敏感一些。所以在一定的波导参数下，两个模式与外加的电场可能达到相同的作用，即相同的VπL。在确定电极间距g1为4.6µm后，扫描了不同波导宽度下两个模式的VπL，发现在波导宽度wg在2.84µm附近，两条曲线有一个交点，结果如图4（b）所示。

   采用周期性电容加载的行波电极结构可以打破TFLN调制器的电压-带宽限制，提升调制器的性能，但也会引发光波与微波速度失配的问题。将硅衬底更换为石英衬底可以解决这一问题，但是石英衬底无法和CMOS工艺兼容，而掏空硅衬底形成悬臂梁结构的方法可以实现群速度匹配。

图 4 调制器电场仿真设计。（a）TE0 和 TE1 在调制区域多模波导内的光场和电场分布图；（b）TE0 和 TE1 随着波导宽度变化时的 Vπ L 曲线

    基于HFSS仿真软件对电极结构参数和衬底孔的尺寸进行了模拟优化，仿真结果如图5所示。通过微电极之间的小孔对底部硅衬底进行约28µm深的各向同性刻蚀后，调制器的特征阻抗接近50Ω，微波损耗较小，为0.1379dB·cm−1·GHz−1/2，如图5（b）所示。这种条件下两种模式的VπL均为2.5V∙cm。由于具有不同的有效折射率，要实现微波与TE0和TE1光学模式的群折射率匹配有一定的难度。但通过仿真可发现，这两种模式的光波群折射率很接近（TE0为2.28，TE1为2.25），微波的群速度折射率也可以通过对衬底的刻蚀调整到中间值，如图5（c）所示。在调制长度为8mm时，可以发现两种模式的3dBEO带宽都在100GHz以上，在性能上与大部分的单偏振TFLN电光调制器相当，如图5（d）所示。

图 5 调制器的特征值。（a）微波特征阻抗；（b）微波损耗；（c）不同模式下的群折射率；（d）不同模式下的电光带宽

3 分析与讨论

    所提基于TFLN的偏振无关电光调制器打破了单偏振调制器的应用限制，可满足不同偏振态同时存在的工作场景。由于采用周期性电容加载的行波电极结构，其在保持较低的半波电压的同时实现了>100GHz的响应带宽，相比于其他的电光调制器更具优势。虽然模式转换结构导致器件整体尺寸偏大，但可以通过特殊形状（抛物线或正弦曲线）、多变量优化算法（遗传算法和粒子群优化算法）等来进一步优化模式转换器的结构设计，从而降低器件整体尺寸。未来还可以采用Z切TFLN，实现波导的任意弯折，进一步降低整体器件的尺寸。

 

4 结 论

      提出一种基于TFLN的偏振无关电光调制器。通过对三叉戟形偏振无关光分束器、模式转换器、多模相位调制器等结构进行仿真设计和优化，实现了偏振无关的调制功能。进一步使用周期性电容加载的行波电极结构和衬底掏空方案，有效提升调制器的带宽性能。在波长为1550nm时，该调制器对于两种偏振态调制时的VπL均为2.5V·cm，电光带宽超过100GHz。这种调制器的设计方案在大容量和偏振无关光互连系统中具有良好的应用潜力，有望助力未来更先进的数据互联通信网络发展。

[作      者] 王宗，陈冠宇，余宇，张新亮

[来源期刊] 激光与光电子学进展

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