基于铌酸锂光子线的马赫-曾德干涉仪调制器

陈 明， 程少婷

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

基于铌酸锂光子线的马赫-曾德干涉仪调制器

陈 明， 程少婷

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

设计一种基于铌酸锂(LiNbO3，LN)的马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪光电调制器。采用基于有限元法的电磁仿真软件对该器件进行优化和特性的仿真分析，得到了结构尺寸紧凑、输出调制光透射率随外加输入电压在较大范围呈线性变化，以及在工作波长变化较大的范围内具有较稳定透射率的设计结果。

铌酸锂光子线; 马赫-曾德干涉仪；光电调制器

在光通信技术中，电光调制器是很关键的器件，它主要完成光电信号的转换[1-2]。马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪调制器因其结构简单、全光型的结构优点，被广泛应用[3-5]。在材料选择上，铌酸锂(LiNbO3, LN)光子线因具有优良的电光、声光以及非线性光学特性，并且很容易受稀土元素离子掺杂得到激光活性[6-8]，已经成为集成光学研究的目标。本文采用基于有限元法的商用软件对基于铌酸锂光子线的马赫-曾德干涉仪调制器进行了建模设计与仿真。

1 马赫-曾德干涉仪调制器原理

1.1 工作原理

在该调制器中，输入光信号经Y分支被分成振幅、相位完全相同的两束光，分别沿铌酸锂光波导一个参考臂、一个为干涉臂进行传播。当电极加上电压V后，干涉臂的铌酸锂晶体的折射率发生了变化,使得两平行臂中的两束光的相位改变，两个臂的波导光在输出端分支点处产生合波与干涉，因此就会产生与二者相位差相对应的输出光强度变化，从而实现了调制。

1.2 模型建立

图1(a)为基于铌酸锂光子线的马赫-曾德调制器的结构示意图，在调制器的一个干涉臂加上一对电极。适用于该调制器的波导参数[8]LN波导的折射率和SiO2区域的折射率分别为

nLN=2.2112,
nSiO2=1.44。

为确保实现单模传输，LN波导的高度和宽度分别为

H0= 0.73μm，
W0=0.5μm。

图1(b)为该调制器的Z切割X传输的俯视图。其结构尺寸总长度、电极长度、电极与波导的间距、波导宽度、电极与波导的高度、干涉臂和参考臂之间的夹角分别为

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

图1 马赫-曾德干涉仪调制器的结构示意图

1.3 理论推导

干涉臂加上电压V后，两个电极之间的电场强度为[9]

(1)

其中W0为波导宽度，g为电极与波导的间距。

(2)

(3)

将式(1)分别代入式(2)和式(3)得到

(4)

(5)

其中由于波导传输的是准TM模，沿y方向偏振表现出的折射率为no，马赫-曾德调制器两臂之间的相位差可以表示为[9]

(6)

其中L是电极长度，λ是波长。

输出功率与输入功率满足[9]

(7)

其中Po和Pi分别是光输出功率和输入功率。

(8)

(9)

其中Vi是调制电压，Vπ是偏置电压。

如果Vi≪Vπ，则有

(10)

由于V=Vπ+Vi，因此可在电极上加一个偏置电压Vπ，于是马赫-曾德调制器的透射率与Vi近似成线性关系。

2 仿真结果和讨论

当输入电压为0时，此调制器即为马赫-曾德干涉仪。利用基于有限元法的软件对马赫-曾德调制器的仿真电场模分布如图2所示。仿真结果显示，此时波导透射率约为94.7%。

图2 电压为0的电场模分布图

图3 电压为1295 V时的电场模分布图

当输入电压不为0时，透射率和输入电压V的关系曲线如图4所示。可以看出，透射率随输入电压的增大而减小，当输入电压为3000V时，透射率近似为0，之后又随电压的增大而增大，基本呈余弦曲线变化。

图4 透射率与输入电压的关系图

当V=Vπ+Vi并且满足Vi≪Vπ时，通过改变V得出Vi与透射率的关系如图5所示。结果表明，Vi在-220V到+220V的范围内与透射率成较好的线性关系，与式(10)的计算结果比较吻合。

图5 透射率与调制电压的关系图

当输入电压为0，即不加调制电压时，传输带宽与透射率之间的关系如图6所示，可以看出对于1.55 μm工作波长，透射率大于85%的带宽约为163 nm。

图6 传输带宽与透射率之间的关系曲线

3 结论

设计并仿真了基于LN光子线的马赫-曾德光电调制器，获得了3个主要结果：(1)具有总长度为23 μm、宽度为8 μm的紧凑结构尺寸。(2)加于干涉臂的输入电压对输出调制光波的透射率的影响，证实了该器件的输出光透射率与外加于干涉臂的输入电压之间有较好的线性关系。(3)工作波长变化对输出光波透射率的影响，显示出对于1.55 μm工作波长，透射率大于85%的带宽约为163 nm。若将该器件的电极与天线相连接，可形成微波光子转换器或光子电场检测设备，并可与其它光子器件集成在同一基片上以形成更多功能的仪器或设备。

[1] Lin Cheyun, Wang Alan X, Lee Beom Suk，el at. High dynamic range electric field sensor for electromagnetic pulse detection[J]. Opt Express, 2011，19(18):115-116

[2] Sun Bao, Hu Zhe feng,Chen Kaixin,et al.Integrated Optical Electric Field Probe for nanosecond Pulse Measurement[J]. Opt Mater, 2013,8332(6): 1-5.

[3] Forrest S R,Gokhale M R,Feng nianxia.Vinod Menon.Photonic Integrated Circuits: US, US6795622 B2[P].2004-09-21.

[4] Chen Ming, Liu Zichen. Design of ultra-compact wavelength splitter based on lithium niobate nanowire optical waveguides[J].Optoelectronics Letters, 2012,8(1):19-20.

[5] Dai Daoxin ，Bowers J E.Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires[J].OpticalSocietyofAmerica, 2011,19(11):10940-10949.

[6] Huang Wanwen, Zhang Yao, Li Baojun.Ultracompact wavelength and polarization splitters in periodic dielectric waveguides[J].OpticalSocietyofAmerica, 2008,16(3):1600-1609.

[7] Law M. Nano ribbed waveguide for subwavelength photonic integration[J]. Science,2004,305(27):1269-1273.

[8] HU H, Ricken R, Sohler W. Lithium niobate photonic wires[J].Opt Express,2009，17(26):24261-24268.

[9] Amnon Y , Pochi Y.Optical Electronics in Modern Communications[M]. Oxford: Oxford University Press, 2009：74-384.

[责任编辑:祝剑]

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

国家自然科学基金资助项目(61040064)

陈明(1956-)，男，博士，教授，从事微波光子学、集成光学等研究。E-mail:chenming5628@sina.com 程少婷(1989-),女，硕士研究生，研究方向为微波光子学。E-mail：271613820@qq.com

O436.4

A

2095-6533(2014)01-0055-04