光子晶体电光调制和粗波分复用集成器件研究

提出了一种用于电光调制和粗波分复用的片上集成器件。该集成器件的电光调制器模块和粗波分复用器模块都是由硅基光子晶体波导和L3型谐振腔组成,两个模块间采用硅基光子晶体波导连接。该器件根据等离子体色散效应,采用L3型谐振腔和PN结实现了对波长的调制;根据微腔与波导的直接耦合理论,采用L3型谐振腔结构实现了滤波。利用基于三维时域有限差分法(3D-FDTD)的Lumerical软件对其进行仿真分析,结果表明该集成器件在工作波长1530 nm和1550 nm下均可以先完成各自的电光调制再进行双通道波长的复用。该器件在工作波长1530 nm和1550 nm下的插入损耗分别为0.70 dB和0.95 dB,消光比分别为20.97 dB和22.05 dB,调制深度均为0.99,信道串扰分别为-29.05 dB和-27.59 dB,器件尺寸仅为17.83μm×17.3μm×0.22μm。该集成器件结构紧凑,易于集成,可应用于高速大容量波分复用光通信系统。     

基于波状PN结的低驱动电压电光调制器

本文研究了一种基于波状PN结的低驱动电压电光调制器,该器件在光通信系统中可以获得较高的传输效率和较低的传输损耗。器件主要由光子晶体线缺陷波导和谐振腔组成。在光子晶体平板上下侧分别添加反向偏置电压,同时在波导中心区域引入谐振腔,通过在谐振腔区域添加不同浓度的掺杂,从而在线缺陷波导处形成波状PN结。根据等离子色散效应,在光子晶体两边施加反向偏置电压时会引起掺杂区硅基平板折射率的变化,从而导致光的透射率发生改变,以此达到调制的目的。采用时域有限差分法(FDTD)分析其时域稳态场强分布、模场分布和波状PN结参数对驱动电压的影响,结果表明:在驱动电压为1.04 V时,该器件可以实现中心波长为1 584.5 nm的TE模窄带宽通、断调制,且器件的消光比高达30.8 dB,插入损耗仅有0.5 dB,Q值高达1.4×10^4。     

光子晶体双波长电光调制和模分复用集成器件

为了实现光电子器件小型化和多功能化,进一步提高信息传输容量和速度,提出了一种基于光子晶体双波长电光调制和模分复用的片上集成器件。该集成器件的电光调制模块由硅基光子晶体波导和两个L3型复合腔组成,模分复用模块由硅基非对称平行纳米线波导组成,两个模块的连接处采用硅基光子晶体波导。采用L3型复合腔和PN掺杂结构实现两个波长TE₀模的调制,采用非对称定向耦合结构将两个波长的TE₀模转换为TE₁模。应用基于三维时域有限差分法（3D-Finite Difference Time Domain,3D-FDTD）的Lumerical软件进行仿真分析,结果表明,在调制电压为1.05 V时,该集成器件可以实现中心波长为1 552.1 nm和1 556.1 nm的 TE₀模、TE₁模通断调制及两模式模分复用功能。该器件的消光比高达24.67 dB,调制深度均为0.99,插入损耗小于0.57 dB,信道串扰小于?34.68 dB,调制速率最低为17.54 GHz。该集成器件结构紧凑,可望应用于高速大容量光通信系统。     

基于光子晶体缺陷模频移的超快光控太赫兹波调制器

本文设计了一种基于非线性光子晶体缺陷模频移实现太赫兹(terahertz, THz)波传输阻断的超快光控调制器,该调制器采用在硅基空气柱光子晶体中引入线缺陷和填充砷化镓材料的点缺陷结构,线缺陷形成波导区,传输频率位于光子带隙范围内的THz波,点缺陷作为谐振腔对THz波选频,与谐振频率(缺陷模频率)相同的THz波在谐振腔中发生谐振,耦合到波导中输出。无光激发时,位于线缺陷光子带隙内的1.65 THz缺陷模频率在谐振腔中发生谐振,从波导的另一端输出,调制器处于“通”状态。当中心波长为810 nm、光密度为0.4μJ/cm²的抽运光激发时,砷化镓的折射率由3.55变为3.55-i2.55,使缺陷模频移,在亚纳秒超快时间内实现对1.65 THz入射波的传输阻断。结果表明,该调制器的调制速率为2.3 GHz,消光比为20.3 dB,插入损耗为0.18 dB,具有调制速率高、消光比大、插入损耗小等优点,为其在高速THz波通信系统中的应用提供重要的理论依据。     

基于光子晶体纳米梁腔的反射壁下载型电光调制器

随着光通信产业和光互联技术的高速发展，具有高调制速率且易集成的小尺寸电光调制器件研究越来越重要。提出了一种以硅绝缘体(SOI)材料为基底的光子晶体纳米梁腔(PCNC)反射壁下载型电光调制器。信号光经过主线波导后首先被锥形波导耦合进一维光子晶体纳米梁腔中，然后进入下载波导并输出。优化主线波导与下载波导中反射圆孔的位置与个数，可以提高器件的整体透射率。纳米梁腔采用圆孔形渐变孔径，使得光束更好地被束缚在腔内。同时，在纳米梁腔两侧引入掺杂以形成PN结，施加较低偏压以改变纳米梁腔的谐振波长，从而实现工作波长光信号的“通”“断”调制。运用三维时域有限差分(3D-FDTD)法对调制器的光学特性和电学性能进行仿真分析。结果表明，该电光调制器可以实现波长为1550.01 nm的光信号调制，调制电压仅为1.2 V，插入损耗为0.2 dB，消光比为24 dB，面积仅为54μm²，调制速率为8.7 GHz，调制带宽为122 GHz，调制速率下的能耗仅为4.17 pJ/bit。所提出的电光调制器结构紧凑，性能优异，有望应用于高速大容量光通信系统和集成硅光子技术等领域。     

基于光子晶体和纳米线波导的马赫-曾德尔型调制器

提出了一种基于光子晶体和纳米线波导的马赫-曾德尔型调制器.该调制器由硅基光子晶体平板波导、纳米线波导和光子晶体多模干涉耦合器(MMI)构成。在光子晶体与纳米线波导连接处采用了锥型结构,用于减少模式失配造成的损耗。利用时域有限差分法(3D-FDTD)进行仿真分析,结果表明,该调制器在工作波长1 550 nm下的插入损耗为0. 3 dB,消光比为15. 1 dB,器件尺寸仅46μm×8μm×0. 22μm,调制带宽可以达到68 GHz,且工作区域覆盖了以1 551 nm为中心波长20 nm的通信波段。该调制器结构紧凑,易于集成,可应用于高速光通信系统。     

交叉耦合效应对M-Z调制器谐波抑制比的影响

针对微波光子链路低噪声高线性度的应用需求,研究了Mach-Zehnder (M-Z)型电光调制器波导交叉耦合效应对谐波抑制比的影响。首先通过OptiBPM和MATLAB联合仿真发现波导间交叉耦合效应会导致调制器射频电极与偏置电极工作点的偏移,进而降低谐波抑制比;其次利用特制的窄波导间距铌酸锂调制器实测验证了该现象,最后提出了一种能快速检测M-Z型电光调制器交叉耦合效应的方法。文章不仅探索了波导结构对谐波抑制比的影响,还为用于微波光子技术的脊波导及光子晶体薄膜铌酸锂调制器的研制提供了一定参考。     

基于SOI的一维光子晶体纳米梁腔电光调制器

随着光通信和光互联的高速发展,研究调制速率高、器件尺寸小且易于集成的电光 调制器具有重要意义。提出了一种基于Si绝缘体材料(silicon-on-insulator,SOI)的一维光子晶体纳 米梁腔(photonic crystal nanobeam cavity,PCNC)侧耦合电光调制器。根据时域耦合模理 论,通过主线波导与一维光子晶体纳米梁腔形成侧耦合结构。采用圆柱型渐变孔径的一维光 子晶体纳米梁腔,使光束更好的束缚在腔内,调整纳米梁腔的结构参数,使其工作在通信波 段波长。同时,根据自由载流子色散效应,在纳米梁腔两侧引入掺杂形成p-n 结,施加较 低 偏压调节纳米梁腔的谐振波长,从而实现对工作波长光信号的“通”“断”调制。应用三维 时域有限差分法(3D-finite difference time domain,3D-FDTD)对调制器光学特性和电学 性能进行仿真分析。结果表明,该电光调制器可以实现波长为 1550.55 nm的光信号调制,调 制电压仅为1.175 V,插入损耗为0.04 dB,消 光比为18.2 dB,尺寸仅为 25 μm²,调制 速率 为8.3 GHz,调制带宽可以达到90 GHz,可应 用于集成光子器件及高速光通信领域。     

有机聚合物电光波导调制器中光波与微波相互作用的增强

对有机聚合物电光波导调制器中光波与微波的相互作用进行了分析, 提出利用局域极化结构可使在光波导中传播的光波与调制微波间的相互作用明显增强,与传统的使用平面电极的电光波导调制器进行了比较, 调制效率增强一倍以上.此外还提出将槽线结构用作接地电极,从而增加了进行优化设计时调节器件性能的选择参数.并计算了电极的几何参数对重叠积分的影响情况.     

基于狭缝波导振荡微环的电光调制器

针对传统电光调制器存在调制速度慢、损耗高和封装尺寸大等问题,采用高电光系数的高分子材料,结合狭缝波导理论,提出了一种基于振荡微环的电光调制器,并利用COMSOL Multiphysics和Lumerical FDTD solutions仿真软件对该调制器的关键性能进行仿真分析。分析结果表明:该电光调制器在小封装尺寸条件下,具有优异的光电性能,而且兼容互补金属氧化物半导体(CMOS)标准制造工艺。     

1064nm低电压薄膜铌酸锂电光调制器

低半波电压电光调制器是实现大规模光电集成的关键。文章提出了一种半波电压低于1.5 V的薄膜铌酸锂马赫-曾德尔(Mach-Zehnder, MZ)电光调制器，选用绝缘体上单晶薄膜铌酸锂材料作为设计基础，分析了直波导、多模干涉耦合器、弯曲波导和调制臂等结构对电光调制器的影响。结果表明，当调制臂长为3 mm时，该薄膜铌酸锂电光调制器具有1.05 V的低半波电压、0.319 dB的低损耗和27 dB的高消光比。同时，该调制器半波电压长度积为0.315 V·cm,调制效率高，具有与CMOS技术兼容的半波电压，有利于大规模光电集成。     

全封装的薄膜铌酸锂电光调制器（特邀）

高速电光调制器是宽带光通信网络和微波光子系统中的关键元器件之一。相对于体材料铌酸锂而言,薄膜铌酸锂材料由于其较强的光场限制能力,在构建小尺寸、宽带、低半波电压的高性能电光调制芯片上有独特的优势。文章基于薄膜铌酸锂材料研制了一种3 dB带宽不低于50 GHz的电光调制芯片,并采用光纤与波导水平端面耦合的光学封装方案和基于1.85 mm同轴接头的射频封装方案,实现了全封装的薄膜铌酸锂电光调制器。测量结果表明,封装后器件的光学插入损耗小于等于5 dB,3 dB带宽大于等于40 GHz,射频半波电压小于等于3 V@1 GHz。     

Design of a Silicon Based High Speed Plasmonic Modulator

In this paper, we propose a silicon-based high-speed plasmonic modulator. The modulator has a double-layer structure with a 16 μm long metal-dielectric-metal plasmonic waveguide at the upper layer and two silicon single-mode waveguides at the bottom layer. The upper-layer plasmonic waveguide acts as a phase shifter and has a dielectric slot that is 30 nm wide. Two taper structures that have gradually varied widths are introduced at the bottom layer to convert the photonic mode into plasmonic-slot mode with improved coupling efficiency. For a modulator with two 1 μm-long mode couplers, simulation shows that there is an insertion loss of less than 11 dB and a half-wave voltage of 3.65 V. The modulation bandwidth of the proposed modulator can be more than 100 GHz without the carrier effect being a limiting factor in silicon. The fabrication process is also discussed, and the proposed design is shown to be feasible with a hybrid of CMOS and polymer technology.     

Fabrication and characterization of an InGaAsP/InP active waveguide optical isolator with 14.7 dB/mm TE mode nonreciprocal attenuation

The authors have fabricated transverse electric (TE) mode InGaAsP/InP active waveguide optical isolators based on the nonreciprocal loss shift and demonstrated improved TE mode isolation ratio of 14.7 dB/mm with reduced insertion loss at a wavelength of 1550 nm for monolithically integrable optical isolators. The wavelength dependence of the isolation ratio and the propagation loss were also measured. An isolation ratio greater than 10 dB/mm was realized over the entire wavelength range of 1530-1560 nm. These results lead to the monolithic integration of semiconductor waveguide optical isolators with edge-emitting semiconductor lasers and highly functional photonic integrated circuits with many cascaded optical devices.     

1550nm低推挽电压聚合物定向耦合电光开关的设计

应用保角变换法、镜像法、耦合模理论和电光调制理论设计了一种推挽电极聚合物脊形波导定向耦合电光开关,阐述了基本结构和工作原理,给出了器件的设计和优化过程,主要分析了耦合长度、开关电压、输出光功率、插入损耗、串扰等特性.为了实现正常的开关功能,讨论了制作公差、波谱漂移以及单模光纤耦合损耗对器件性能的影响.模拟结果表明,所设计的开关的耦合长度为3082μm,开关电压为2.14V;插入损耗小于1.14dB,串扰小于-30dB.与BPM仿真结果以及实验结果的对比表明,文中提出的波导和电极的理论分析与计算方法具有较高的精度和可行性.     

硅基光子材料和器件的进展

评述硅基光子材料和器件的进展,包括硅二极管的受激发射、具有量子结构的RCE(谐振腔增进型)光电二极管、MOS高频光调制器、SOI光开关阵列和可调谐波长滤波器,重点介绍低插入损耗、快响应的SOI基热光波导开关阵列的最新结果.以SOI为基片,成功地研制出带有全内反射(TIR)镜的重排无阻塞型光开关阵列,并首次研制出16×16阻塞型光开关阵列.在1.55μm波段,插入损耗和偏振相关性随着器件长度的增加而略微增大.如果器件的末端镀上抗反射膜,插入损耗会降低2～3dB,这些器件的上升和下降时间分别为2.1和2.3μs.     

Improved 8×8 integrated optical matrix switch usingsilica-based planar lightwave circuits

An improved 8×8 optical matrix switch was fabricated using silica-based planar lightwave circuits (PLCs) on a silicon substrate. Three improvements were made. First, the waveguide material was changed from titanium-doped silica (SiO₂₂-TiO₂) to germanium-doped silica (SiO₂₂-GeO₂) to reduce propagation loss. Second, offset driving powers were supplied to every switch unit to realize high extinction ratios. Third, the dummy switch units were modified to suppress the crosstalk through these units. The average insertion loss of the fabricated device was 3.81 db in the TE mode and 3.82 dB in the TM mode. The average extinction ratio of the switch units was 25.3 dB in the TE mode and 22.3 dB in the TM mode. The accumulated crosstalk was estimated to be less than -14 dB in the TE mode and -11 dB in the TM mode. The average driving power of the phase shifter in the on-state was 0.54 W in the TE mode and 0.52 W in the TM mode. The switching response time was 1.3 ms. The packaged 8×8 matrix switch with additional fiber-waveguide coupling loss of 2.7 dB was successfully employed in photonic multimedia switching and photonic inter-module connector system experiments