[发明专利]新型聚合物调制器共面波导电极设计方法

说明书

技术领域

新型聚合物调制器共面波导电极设计方法，采用聚合物作为波导材料，电极结构采用共面电极，利用较简单的电极结构就能实现微波与光波的相速匹配。属于光通信技术领域，涉及集成光学和光波导技术。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，尤其在微波光通信领域，信号频率的增加，调制器必须具有高速、宽带宽、低损耗等特性。微波光调制的本质是微波电场引起光波导材料的电致折射率改变，光场经过波导时将产生相位、振幅或频率的变化，实现微波信号的光调制。微波与光波相互作用的理想条件是光波导对微波和光波所呈现的折射率相等，即达到速率匹配。目前应用较广泛的是基于LiNbO₃晶体材料制作的调制器，但是LiNbO₃等有机材料的介电常数比较大，无机波导中微波与光波频段间存在固有的速率失配，限制了带宽。

由于有机高分子聚合物材料的微波介电常数低，其微波等效折射率与光波等效折射率相差很小，且其电光系数较高，因而用较简单的电极系统就能制成低半波电压、宽带宽的电光调制器。聚合物波导的材料和结构确定后，调制器的性能就取决于电极系统。由于聚合物的微波介电常数小，利用较简单的电极结构就能实现微波与光波的相速匹配，而不必像LiNbO₃调制器那样复杂的电极结构以实现微波与光波的相速匹配。聚合物电光调制器主要有微带和CPW两种电极结构。CPW电极比较容易实现双臂调制，同时CPW电极是共面方式，电极过渡到能与微波同轴接插座较为容易。因此，我们采用了CPW结构的行波电极系统。

发明内容

本发明要解决的主要问题是在采用共面波导电极调制的条件下，设计脊型波导和共面调制电极结构，在满足单模传输的条件下，使波导结构对微波和光波波段呈现的折射率相等，实现光速与微波的速率匹配，并使电极达到接近50Ω的阻抗。

本方法采用了共面波导电极，有效折射率法对脊波导的三维结构进行设计，结构图见说明书附图。采用有机聚合物CLD-1/APC作为电光材料，λ＝1.55μm时折射率为1.612，微波频段介电常数为3.0；上包层材料为UFC-170，λ＝1.55μm时折射率为1.488，介电常数为2.5；下包层材料为UV-15，λ＝1.55μm时折射率为1.504，介电常数为2.5；衬底材料为SiO₂。

本发明的有益效果：

1.实现光速与微波的速率匹配。

2.实现共面电极的阻抗匹配。

3.实现了电极的双臂调制，降低了半波电压。

本文的应用价值：高速宽带光通信及军事领域有着广泛的应用。

附图说明

图1：共面波导电极调制器的剖面结构图，1为中心金电极，2为接地金电极，3为上包层，4为芯层，5为下包层，6为衬底。

具体实施方式

脊波导和共面电极的设计过程如下：

1.运用有效折射率法和单模传输条件，在不同脊高、脊宽和芯层材料厚度条件下，得到最佳基模有效折射率；

2.微波有效折射率与电极宽度W和电极间距h有关，本方法采用共面波导电极调制。在不同W/h，得到最佳微波等效折射率。将共面波导电极条内嵌于上包层目的是为了保证阻抗匹配即50Ω。

3.结合步骤1和2的结果，得到一组光波有效折射率与微波等效折射率相同的结构参数。具体参数：脊形波导宽度w＝3um，高度d＝1um，中心电极宽度w_e＝129um，电极厚度t_e＝2.2um，芯层脊形波导处高度t＝3um，电极间距G＝15um，上包层厚度d_u＝4um，下包层厚度d₁＝6um。