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纳秒级微带线电极驱动的聚合物马赫-曾德尔干涉仪电光调制器:高速响应与优化设计
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更新于2024-07-14
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本文主要探讨了一种基于优化微带线电极(MSL)和客体-主体型电光(EO)聚合物DR1/SU-8的纳米级聚合物马赫-曾德尔干涉仪(MZI)电光调制器的实验研究。该工作旨在提升电光调制器的响应速度,通过精心设计电极结构和严格控制制造工艺,确保其性能优越。 微带线电极作为关键组件,其最终的特征阻抗被优化至约49.4欧姆,这种阻抗匹配对于减小信号损失和提高调制效率至关重要。同时,为了实现高效光波与微波的传输,文章强调了对微波指数(1.5616)和光波指数(1.6006)之间差异的最小化处理。 在1550纳米波长下,该调制器表现出优异的性能,插入损耗仅为12分贝,消光比更是达到了16分贝,这对于减少信号干扰和保持信号质量非常有利。在开关操作模式下,上升时间和下降时间分别为16.3纳秒和16.7纳秒,这表明其具有出色的瞬态响应能力。 作者们进行了长达2000小时的室温(25摄氏度)下的长期稳定性监测。值得注意的是,他们在响应时间上进行了创新性的逻辑函数建模,揭示了随时间演变的新趋势。初始的上升和下降时间大约为16纳秒,然而在300小时后,这两个时间参数分别增加到了接近28纳秒的稳定值,显示出良好的长期可靠性。 这项研究通过优化的微带线电极设计和精密的工艺控制,成功地实现了纳秒级的聚合物Mach-Zehnder干涉仪电光调制器,为集成光电子学领域提供了高性能的解决方案。此外,通过逻辑建模方法,研究人员能够更好地理解和预测设备的长期行为,为进一步优化和应用奠定了基础。
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Nanosecond polymer Mach-Zehnder interferometer electro-optic 281
2 Structure and optimization
2.1 Device structure
The schematic illustration of the designed polymer MZI EO modulator is shown in Fig. 1a,
which consists of a 3-dB Y-branch splitter, an MZI EO region and a 3-dB Y-branch cou-
pler. The modulator is equipped with MSL electrode, which contains a pair of electrodes on
two MZI arms and a grounded electrode. For increasing cutoff modulatoring frequency, the
MSL electrode is configured to be traveling-wave style with a load resister Z
L
= 50 .The
switching or modulation signal generated by a bias-tee driver, which has a direct current bias
for adjusting the device to be 3-dB state, is supplied to the MSL electrode. The EO active
region length is L
EO
, and the gap between the two MZI arms is d. The electrode width and
gapintheMZIregionareW and G, respectively. The input power and output power are
denoted by P
in
and P
out
, respectively.
The cross-section view AA’ in EO active region is shown in Fig. 1c. The poling directions
of the two rib cores are opposite, as labeled in the figure. Silicon is used as substrate; the
DR1 chromophore doped EO polymer DR1/SU-8 is used as core; the upper and under buffer
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
800 1000 1200 1400 1600
1.570
1.575
1.580
1.585
1.620
1.625
1.630
1.635
SU-8
κ
2
κ
1
n
1
n
2
Extinction Coefficient
κ
Refractive Index
n
Wavelength
λ
(nm)
DR1/SU-8
L
EO
d
G
W
P
out
P
in
Bias- Tee dri ver
A
A
'
W
MSL el ect rode
Z
L
(a)
(b)
(1)
S
S
U
G
W
upper confined layer
n
40
,
α
40
Si substrate
upper buffer layer
under buffer layer
EO
core
n
10
,
α
10
n
20
,
α
20
n
20
,
α
20
n
30
,
κ
30
Al electrode
b
4
b
2
b
1
b
3
a
d
W
y
x
O
(2) (3)
(4)
n
50
under electrode
n
30
,
κ
30
(5)
(6)
(7)
(8)
poling direction
(c)
Fig. 1 a Schematic illustration of the fabricated polymer MZI EO modulator, b the measured refractive indi-
ces and bulk extinction coefficients of SU-8 and DR1/SU-8, and c cross-section view AA’ in the EO active
region
123
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