引用本文:

项彤,陈鹤鸣,胡宇宸. 基于宽度调制谐振腔的光子晶体电光调制器[J]. 光通信技术,2021,45(2):46-50.

基于宽度调制谐振腔的光子晶体电光调制器

项 彤1,陈鹤鸣2*,胡宇宸1

(1.南京邮电大学 电子与光学工程学院,南京 210023;2.南京邮电大学 贝尔英才学院,南京 210023)

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摘要:针对目前电光调制器插入损耗高的问题,提出了一种基于宽度调制(WM)型谐振腔的光子晶体电光调制器。该器件由输入端纳米线波导、硅基光子晶体波导和WM型谐振腔组成,前二者的连接处采用锥形结构,用于减少2种波导之间的级联损耗。根据时域耦合模理论与等离子体色散效应,采用WM型谐振腔和PN掺杂结构实现对横电(TE)模的调制,并应用二维时域有限差分法对其性能进行仿真分析。仿真结果表明:该器件在调制电压为1.24 V时可以实现中心波长为1553.91 nm的TE模窄带通断调制功能;在工作波长为1550~1560 nm时的插入损耗为0.16 dB,消光比为19.73 dB,调制深度为0.9894,Q值达1.5×104,尺寸约为20 μm×9 μm。

关键词:宽度调制;光子晶体;耦合模理论;电光调制;锥形结构

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2021)02-0046-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2021.02.011

0 引言
       在硅基光子学中,通常采用硅、硅绝缘体(SOI)、聚合物材料和铌酸锂材料等常见光波导材料来制造各类光电子器件[1-2]。硅光子技术因其低功耗、高速率以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的特性,得到了广泛的应用。
  光子晶体[3-5]具有独特的带隙和慢光特性,能够制作出性能优良的硅基电光调制器[6-11]。2008年,Takasumi Tanabe等人[12]设计了一种PIN结构的光子晶体谐振腔型低功耗、快速电光调制器,它可以实现高Q值与小尺寸的设计目标。但是,此类电光调制器所需的调制电压较高,而采用PN电学结构的电光调制器可实现较低的调制电压[13]。2015年,Yuta Ooka等人[14]在硅光子平台上通过光刻技术设计出了CMOS兼容的高Q值光子晶体纳米腔,设计时引入了纳米线波导来输入光源。但是,由于与光子晶体平板的连接处未使用任何过渡结构,所以造成一定的级联损耗,插损高达0.8 dB。2017年,该团队[15]又在设计滤波器时引入了本征Q值高达6.1×104的宽度调制(WM)型光子晶体谐振腔结构,这比L3型谐振腔[16]高一个量级。同年,Nurul Ashikin Binti DAUD等人[17]利用光刻技术在硅基材料的平板上刻蚀圆形空气孔形成WM型光子晶体谐振腔结构,制作出了具有超高品质因数(Q值高达105)的电光调制器,能够在小折射率差的条件下实现较优的调制功能,这表明WM型谐振腔有着高Q值的性能优势。但是,上述器件并没有考虑光源与调制器之间的耦合结构[18],插入损耗较高。因此,本文提出一种基于WM型谐振腔的光子晶体电光调制器,在光子晶体波导和纳米线波导之间采用锥形结构来减少2种波导之间的级联损耗,且采用PN掺杂结构来实现较低的调制电压。

3 结束语
       本文设计了一种基于WM型谐振腔的光子晶体电光调制器,在光源与调制器即纳米线波导与光子晶体波导之间引入一种锥形的耦合结构来解决器件插入损耗高的问题,采用PN掺杂结构可以在小折射率差的条件下实现较低的调制电压。该器件插入损耗低,消光比高,调制深度大,Q值大且结构紧凑,尺寸约为20 μm×9 μm,可应用于高速大容量光通信系统,对提高系统集成度具有重要价值。