[发明专利]基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器

说明书

本发明公开一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，针对现有的电光调制器存在的插入损耗大、稳定性差的问题，本发明的调制器包括传输光纤，所述传输光纤分为三个部分，依次记为第一部分、第二部分、第三部分；第一部分为输入光纤，第二部分为调制区，第三部分为输出光纤；将调制区的传输光纤去除部分包层，并在去除部分包层的平面上制作薄膜铌酸锂波导和调谐电极；利用铌酸锂的电光效应，根据薄膜铌酸锂波导中传播的光场的相位改变，或器件整体模场分布的改变，实现最终输出光信号强度的调制，本发明的在线调制器具备器件体积小、性能稳定的优点。

技术领域

本发明属于光通信领域，特别涉及一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器的结构及其功能实现。

背景技术

在信息爆炸的时代，大数据、物联网、人工智能等技术逐渐渗透到人们的生活中，信息业务的多样性和复杂性使得对通信系统的传输速度和容量要求越来越高。光纤通信以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信，已成为世界通信中的主要传输方式。光纤通信系统主要由传输和交换两部分组成。光纤因为传输损耗低、抗电磁干扰能力强、成本低和通信容量大等优点，已经成为现阶段通信系统中一种重要的传输媒介；而电光调制器作为高速光纤通信系统中完成电光转换，进而实现信息加载的关键器件，对光通信系统的传输质量起着重要的作用。随着光纤网络的普及以及向高速大容量的方向发展，也要求网络中的关键器件--电光调制器具备紧凑、高速、低插损的高性能特性。但传统的电光调制器体积大、插损偏高、成本昂贵等因素限制了其应用，因而将具有大电光系数的铌酸锂薄膜集成到光纤上，实现全光纤结构的调制装置，进而实现光纤调制器微型化、集成化，对光纤通信系统的进一步发展有着重要的意义。

通常光纤调制器的调制机理可分为两种类型，第一种调制机理是通过端部分离、倾斜偏差、光纤的横向偏移等物理方法中断光路；第二种调制机理是将吸收或者电光材料插入光路构成调制介质，这类材料主要有石墨烯和电光聚合物。这其中，石墨烯因其独特的性能而受到科研工作者的广泛关注。2014年，韩国亚洲大学的Eun Jung Lee等人于在NatureCommunications上报道了制作于D型光纤平台上的采用液态离子浆的石墨烯场效应晶体管电吸收调制器，该器件可实现0.8dB的插入损耗，90％的调制深度，及小于5V的工作电压，但其实验测量的调制带宽仅有30.9MHz。之后，在2019年，中国北京大学的Ke Chen等人在Nature Photonics上报道了石墨烯与光子晶体光纤结合的基于液态离子浆的石墨烯电吸收调制器，该项工作创新性地使用CVD技术直接在光子晶体光纤上制作了半米长的石墨烯，器件的工作电压小于2V，可实现20dB/cm的调制深度，但其传输损耗高达6dB/cm，且开关调制速度仅16Hz。以上报道的两种典型的石墨烯电吸收型光纤在线调制器均存在调制带宽(速度)远远不能满足光通信需求的缺点，这也正是目前光纤调制器普遍存在的问题。

铌酸锂晶体具有高电光系数和优良的光学特性，是实现传统电光调制器的首选材料。而铌酸锂薄膜材料相比于传统体材料型铌酸锂晶片，具有可实现高折射率差的小尺寸光波导，对光子束缚效果好的优点。尽管已有一些平面光波导型铌酸锂薄膜电光调制器的工作报道，但是这些调制器在应用时都存在较大的光纤-铌酸锂薄膜波导端面耦合损耗，不利于器件应用。

目前已报道的电光调制器主要有三个方面的局限：首先，传统的基于铌酸锂晶片的平面光波导型电光调制器存在尺寸较大，不利于多个器件的单片集成，插入损耗偏大的缺点；其次，目前提出的铌酸锂薄膜型电光调制器存在较大的光纤-波导间耦合损耗，导致器件插损过大，不利于应用；最后，目前提出的基于石墨烯的电吸收型光纤调制器存在带宽较小，稳定性差等问题，还不能满足实际系统的应用要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于铌酸锂薄膜的新型光纤在线调制器，不仅在结构上更加紧凑，性能稳定，并且其插入损耗低、与光纤系统的兼容性好。