基於缺陷結構的周期極化鈮酸鋰的電光調製器的製作方法
2023-04-24 14:53:46 1
專利名稱：基於缺陷結構的周期極化鈮酸鋰的電光調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電子技術領域，具體涉及含有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰(PPLN) 超晶格中的電光相互作用，以及基於這種作用的一種新型的電光調製器的設置。更具體而言，是一種通過電光效應改變入射光的偏振狀態繼而改變光波位相的一種電光調製器。
背景技術：
上個世紀末全球的信息產業飛速發展，人們對通信的需求也不斷增加，人們不僅要求能得到越來越多的語音、數據、圖像等業務的傳輸，更希望能以更快的速度、更高的質量、更便捷的方式來獲取信息。在這種形勢下，對信息傳輸系統帶來了壓力和動力。高速、高效、大容量的寬帶通信網絡是現代通信網絡發展的趨勢。光纖憑藉著其頻帶寬、容量大、損耗低等優點已成為現代通信網中一種不可替代的、最主要的信息傳輸方式。在光纖通信中， 信息由雷射器發出的光波所攜帶，光波就是載波，要實現信息的傳輸，首先必須把信息加載到光源發射的光波上，這一過程就是調製。光調製器就是實現從電信號到光信號的轉換的器件。調製方式可分為內調製(也稱直接調製)、外調製(也稱間接調製)兩種。內調製是將調製信號直接注入雷射器，調製雷射輸出參數(如光強)。外調製方式是讓雷射器連續工作，把外調製器放在雷射器輸出端之後，用調製信號通過調製器對雷射器的連續輸出進行調製，因而不會影響光源工作的穩定性，可以提高光纖通信系統的質量。因此在目前高速長距離光纖通信系統中正成為主要的調製方式。從其實現的激勵來講，主要基於電光、聲光、磁光和電吸收效應，其中電光效應是在光調製中得到最廣泛應用的物理現象。電光效應 (electro-optic effect)指材料折射率隨外加電場變化的現象，介質的折射率變化隨信號電壓線性改變，介質折射率變化最終反映到光波相位、振幅或頻率上，實現光調製。若電光效應追本溯源，則是由於構成材料原子的電子狀態隨電場變化，所以對電場變化的響應速度非常快，對飛秒級得電場變化也能瞬息響應，因此可以說這一物理效應最適合於用在超高速光調製器中。電光調製器的優點是響應速度快，調製速率高，帶寬也大，且易於集成，此外電光調製無頻率啁啾。電光調製器的材料一般為雙折射材料，例如液晶與鈮酸鋰晶體等。 設置鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢可以滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配。鈮酸鋰晶體是無機材料中電光係數最大的鐵電晶體，而且其光學損耗很低，是目前光通訊主幹線上高速長距離的主要外調製器。鈮酸鋰電光調製器具有帶寬較寬、可抑制啁啾性能、波長獨立性、損耗小等優點，是用於高速光通信系統最有希望的器件，而且鈮酸鋰材料成本低，工藝相對簡單，現已成為國內外研發的熱門器件。但是由於鈮酸鋰晶體的介電常數比較大，因此微波和光波之間的速度失配較大，調製帶寬受到限制，如果要提升器件的帶寬，需要對波導和電極做複雜的設置。而且幹涉型、相位調製型器件的體積相對來說都比較大，因此其集成度具有一定的限制。對鈮酸鋰電光調製器仍需進一步的研究與改進。而周期極化鈮酸鋰已經是本申請人在先期的專利申請中有所體現。參考文獻如下
1.羅雁橫、張瑞君，光電子·雷射15，190(2004)2.李宇波、周強、吳樹高、楊建義、江曉清、王明華，光電子 雷射17，783Q006)3. Y. Q. Lu, Ζ. L. Wan, Q. Wang, Y. X. Xi, N. B. Ming App 1. Phys. Lett. 77，3719 (2000)4.姜彬新型電光調製器原理及電路設置5. E. L. Wooten et. al. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6,69(2000)
發明內容
本發明目的是提出了一種基於電光效應使入射光波偏振方向旋轉的電光調製器及其設置方法。這種方法及得到的電光調製器不改變入射光的偏振狀態，但極大程度地改變了光波的位相，可以實現低電壓的電光調製，而且結構緊湊，易於集成，在高速光通信系統中起到了至關重要的作用。本發明的技術方案是一種基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器的設置方法，含有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格基於電光效應引起偏振的旋轉方向的旋轉，所述鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配，其特徵是在周期結構中引入缺陷，缺陷位置處於中間，外部直流電源加到周期極化鈮酸鋰超晶格的y面上實現入射光偏振方向的旋轉及沿反方向的旋轉。X為光傳輸方向，Z為疇的極化方向。在周期極化的鈮酸鋰超晶格中引入缺陷，所述缺陷是將位於周期極化鈮酸鋰超晶格中間的極化在一個方向的一個疇的厚度變為原來的兩倍；正常的超晶格周期為1，疇寬度為1/2，缺陷疇寬度為1，是正常鐵電疇寬度的兩倍。本發明周期極化鈮酸鋰超晶格製備方法是利用常規脈衝外電場極化方法形成的周期鐵電疇反轉。外部直流電源加到整塊周期極化鈮酸鋰超晶格樣品的y面上實現電光係數的周期性調製，從而使入射光波的偏振方向發生旋轉；設置外部直流電源電場值均為E，含有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格是兩部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期為N，入射光波在經過此部分周期超晶格後原偏振方向旋轉至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍為N，與第一部分呈鏡面關係，光波在經過此部分後新的偏振方向則沿方向旋轉至原偏振方向；由於兩部分的周期數相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出；光波的相位與沒有外加電場的情況下發生較大的變化，且隨著外加電場的變化而變化，用作電光調製器光波的相位的調整。在周期極化的鈮酸鋰超晶格中引入缺陷，所述缺陷是將位於周期極化鈮酸鋰超晶格中間的(極化在一個方向的)一個疇的厚度變為原來的兩倍；正常的超晶格周期為1，疇寬度為1/2，所述鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配；缺陷疇寬度為1，是正常鐵電疇寬度的兩倍。一個周期的二個不同方向的極化的疇的厚度也可以不同。外部直流電源加到整塊周期極化鈮酸鋰超晶格樣品的y面上實現電光係數的周期性調製，從而使入射光波的偏振方向發生旋轉；設置外部直流電源電場值均為E，含有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格是兩部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期為N，入射光波在經過此部分周期超晶格後原偏振方向旋轉至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍為N，與第一部分呈鏡面關係，光波在經過此部分後新的偏振方向則沿方向旋
4轉至原偏振方向。通過調節周期數N和每個周期疇的寬度調節入射光的遲延相位。採用周期極化疇的鈮酸鋰超晶格，鈮酸鋰超晶格中間的一個疇的厚度變為原來的兩倍；即超晶格周期為1，疇寬度為1/2，使鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配；所述中間疇寬度為1，是正常鐵電疇寬度的兩倍。可以認為是超晶格的第一段周期為N，超晶格的第二段周期仍為N，但第二段超晶格疇的結構與第一部分超晶格呈鏡面關係，極化方向仍在同一軸上。所以二段連接的界面處形成了疇寬度的兩倍的疇。本發明的電光調製器原理是1、PPLN中的電光效應(electro-optic effect)外部直流電場加在LN的y面上， 由於電光效應使得介質隔離率張量發生變化，即使折射率橢球發生變形，表現為折射率橢球的主軸方向和長度發生變化。在外部電場E的作用下，折射率橢球主軸偏轉角度θ為 O = V5lEI(IIn2e-IIn2o)0式中r51表示鈮酸鋰晶體的電光係數，ne, n0表示對應波長的異常光與尋常光在晶體中傳播時的折射率。由於在PPLN中，由於在正負疇中三階張量的符號相反，所以r51的符號也在正負疇中不同，新ζ坐標軸方位角也有所不同，在正疇區方位角為θ，負疇區的角度則變為-θ， 這就形成了摺疊式sole濾波器，可以對入射光進行偏振旋轉。以χ向入射y向偏振的光為例，第一個疇區的軸y'與光偏振方向之間的方位角為θ，通過第一個疇區後的出射光束的偏振方向與入射偏振方向之間有Ψ = 2Θ的夾角。第二個疇區的軸y'以方位角-Θ 取向，相對於入射到它的光的偏振方向有3 θ的夾角，經過這一疇區後輸出光的偏振方向將旋轉6 θ，並以與初始入射光偏振方向夾角-4 θ取向。根據以上分析，由於這些疇區依次按+ Θ，- Θ，+ Θ，- Θ，……取向，而這些疇區的出射處的偏振方向呈現2 θ，-4Θ， 6 θ , -8 θ ,……值。因此經過N個疇區後，最終的方位角為2Ν θ。若最終這個方位角為 90°，輸出光則變為沿ζ方向的線偏振光，從而完成偏振旋轉的過程。2、含有缺陷結構的樣品可看作兩部分不含缺陷的周期超晶格，當輸入y偏振的光波入射至該樣品後，經過第一部分，光波的偏振方向由於電光效應旋轉至新的方向；由於缺陷結構的存在，第二部分與第一部分結構呈鏡面關係，光波在經過第二部分後偏振方向由新的方向沿反方向旋轉至原偏振方向。由於兩部分的周期數相同，因此出射光波仍保持y 偏振方向射出。光波的相位與沒有外加電場的情況下發生較大的變化，因此可以通過設置周期數進行相位的任意調節，隨著外加電場的變化而變化，可以用作電光調製器。通過調節加在電光調製器y面上的直流電壓，疇在Z軸上極化，入射光在X方向傳播。基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器，採用周期極化疇的鈮酸鋰超晶格，鈮酸鋰超晶格中間的一個疇的厚度變為原來的兩倍；即超晶格周期為1，疇寬度為1/2，使鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配；所述中間疇寬度為1，是正常鐵電疇寬度的兩倍。基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器，採用周期極化鈮酸鋰超晶格，可認為包括緊密連接二段超晶格，超晶格的第一段周期為N，超晶格的第二段周期仍為N，但第二段超晶格疇的結構與第一部分超晶格呈鏡面關係，極化方向仍在同一軸上。基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器在相位延遲方面的應用。
傳統的鈮酸鋰電光調製器，光在晶體中傳播時偏振方向不變，而本發明的偏振方向發生了旋轉又轉回的過程。傳統的鈮酸鋰電光調製器，電場加在晶體上引起折射率橢球的晶片，無論是尋常光折射率(no)還是異常光折射率(ne)均發生變化，但由於晶體的電光係數一般在pm/v的量級，即使加到數十V/mm量級左右的電場，晶體的折射率改變仍很小。 這樣，鈮酸鋰調製器就電極就必須很接近，或者加場區就須較長。本發明方法是機制上的變化，利用到鈮酸鋰的本徵雙折射(約0. 08)，即不是用電場去改變折射率本身的大小，而是改變入射光的偏振方向，這樣，在光的傳播過程中，它可以部分改變偏振，進而改變傳播速度(位相)，其變化量要遠大於電場引起折射率變化對應的傳播速度(位相)改變。而且，由於特殊的結構設置，最終光的偏振又可以完全回復。電場作用就只是改變了光的位相。因此無論是尋常光還是異常光，普通單疇鈮酸鋰僅能產生幾個弧度的位相變化，而本發明的結構可以產生1000弧度的位相變化，增強兩個數量級以上，可以根據實用任意進行設置；在應用上，本發明設置不但可以用作低電壓的調製器，還可以用作可調的延遲線等等。本發明的有益效果是與現有技術相比，其顯著優點是(1)傳統的鈮酸鋰電光調製器，光在晶體中傳播時偏振方向不變。但本發明中的電光調製器使基波的偏振方向發生了旋轉但是接著沿反方向旋轉到原偏振方向，出射光波則保持與原光波偏振方向相同的偏振狀態出射，但相位發生很大的改變。( 傳統的鈮酸鋰電光調製器，電場加在晶體上引起折射率橢球的變化，由於晶體的電光係數在pm/V的量級，即使很高的電壓折射率改變也很小。在相同的電壓下，對於相同長度的普通的單疇鈮酸鋰僅能產生幾個弧度的位相變化 (圖3(a))，但本發明中的電光調製器可以產生1000弧度的位相變化(圖3(b))，增強兩個數量級以上。( 本發明設置新穎，製備可行，在光通信領域可有廣泛的應用前景。本發明尤其是可以實現低電壓的電光調製，而且結構緊湊，易於集成，在高速光通信系統中起到了至關重要的作用。
圖1是本發明結構示意2是在位相匹配點(入射波長為1550nm)處尋常光和異常光的光強隨著晶體長度的變化。圖3(a)是單疇鈮酸鋰中位相改變量與所加電壓的關係；(b)本發明中的電光調製器中位相該變量與所加電壓的關係
具體實施例方式在周期極化的鈮酸鋰超晶格中引入缺陷，所述缺陷是將位於周期極化鈮酸鋰超晶格中間的(極化在一個方向的)一個疇的厚度變為原來的兩倍；正常的超晶格周期為1，疇寬度為1/2，所述鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配；缺陷疇寬度為1，是正常鐵電疇寬度的兩倍。外部直流電源加到整塊周期極化鈮酸鋰超晶格樣品的y面上實現電光係數的周期性調製，從而使入射光波的偏振方向發生旋轉；設置外部直流電源電場值均為E，所謂含有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格可以是兩部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期為N，入射光波在經過此部分周期超晶格後原偏振方向旋轉至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍為N，但疇的結構與第一部分超晶格呈鏡面關係，光波在經過此部分超晶格後新的偏振方向則沿方向旋轉至原來的偏振方向；由於兩部分的周期數相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出。下面通過實施例來進一步闡明本發明方法及應用，而不是用這些實施例來限制本發明。實施例1 為了保證電光調製器工作在通信波段，設置入射波長為1550nm，根據電光效應的位相匹配條件，正常超晶格的周期為1 = 20. 48 μ m，所提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配；位於周期極化鈮酸鋰超晶格正中間的缺陷疇寬度為1 = 20. 48 μ m，是正常鐵電疇寬度的兩倍。外部直流電源加到整塊周期極化鈮酸鋰超晶格樣品的y面上實現電光係數的周期性調製，從而使入射光波的偏振方向發生旋轉；設置外部直流電源電場值均為E = 360V/mm。將有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格是兩部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期為N = 250，長度為IN = 5. 12mm，入射光波在經過此部分周期超晶格後原偏振方向旋轉至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍為N = 250，長度為IN =5. 12mm，光波在經過此部分後新的偏振方向則沿方向旋轉至原偏振方向；由於兩部分的周期數相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出。晶體總長度為10. 48mm，入射光波在經過電光調製器後偏振方向不發生改變，但位相與沒有外加電場的情況下發生較大的變化， 且隨著外加電場的變化而變化。本發明中的電光調製器可與普通的無缺陷的周期極化的鈮酸鋰超晶格構成一個Mach-Zehnder光強調製器。將電光調製器置於Mach-Zehnder幹涉儀的一個分支上，普通的周期極化的鈮酸鋰超晶格置於另一分支上。通過調節加在電光調製器y面上的直流電壓，疇在Z軸上極化，入射光在X方向傳播；能夠通過位相調製而調節幹涉儀的輸出光強，產生幹涉的圖像輸出。由於同樣的電壓可實現較大的位相該變量，可將 Mach-Zehnder光強調製器的半波電壓降低到兩個數量級。實施例2 為了保證電光調製器工作在通信波段，設置入射波長為1550nm，根據電光效應的位相匹配條件，正常超晶格的周期為1 = 20. 48 μ m，所提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配；位於周期極化鈮酸鋰超晶格正中間的缺陷疇寬度為1 = 20. 48 μ m，是正常鐵電疇寬度的兩倍。外部直流電源加到整塊周期極化鈮酸鋰超晶格樣品的y面上實現電光係數的周期性調製，從而使入射光波的偏振方向發生旋轉；設置外部直流電源電場值均為E = 360V/mm。將有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格是兩部分不含缺陷的周期超晶格， 超晶格的第一部分周期為N = 250，長度為IN = 5. 12mm，入射光波在經過此部分周期超晶格後原偏振方向旋轉至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍為N = 250，長度為IN = 5. 12mm，光波在經過此部分後新的偏振方向則沿方向旋轉至原偏振方向；由於兩部分的周期數相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出。晶體總長度為10. 48mm，入射光波在經過電光調製器後偏振方向不發生改變，但位相與沒有外加電場的情況下發生較大的變化，且隨著外加電場的變化而變化。由於位相與電場的變化關係基本呈線性相關，可以用作電控的相位延遲器。對於晶體寬度為0. 5mm的調製器來說，500V的電壓即可獲得1000弧度的電壓改變量，半波電壓可達到IV左右，大大降低了現有的鈮酸鋰的電光調製器的半波電壓。通過調節周期數N和每個周期疇的寬度調節入射光的遲延相位。
權利要求
1.一種基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器的設置方法，含有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格基於電光效應引起偏振的旋轉方向的旋轉，所述鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配，其特徵是在周期結構中引入缺陷，缺陷位置處於中間，外部直流電源加到周期極化鈮酸鋰超晶格的y面上實現入射光偏振方向的旋轉及沿反方向的旋轉。
2.根據權利要求1所述的基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器的設置方法，其特徵是在周期極化的鈮酸鋰超晶格中引入缺陷，所述缺陷是將位於周期極化鈮酸鋰超晶格中間的極化在一個方向的一個疇的厚度變為原來的兩倍；正常的超晶格周期為1，疇寬度為1/2，缺陷疇寬度為1，是正常鐵電疇寬度的兩倍。
3.根據權利要求2所述的基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器的設置方法，其特徵是周期性非線性極化率調製的含有缺陷的周期結構，製備方法是利用脈衝外電場極化方法形成的周期鐵電疇反轉。
4.根據權利要求2所述的基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器的設置方法，其特徵是外部直流電源加到整塊周期極化鈮酸鋰超晶格樣品的y面上實現電光係數的周期性調製，從而使入射光波的偏振方向發生旋轉；設置外部直流電源電場值均為E，含有缺陷結構的周期極化鈮酸鋰超晶格是兩部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期為N， 入射光波在經過此部分周期超晶格後原偏振方向旋轉至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍為N，與第一部分呈鏡面關係，光波在經過此部分後新的偏振方向則沿方向旋轉至原偏振方向。
5.根據權利要求4所述的基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器的設置方法，其特徵是通過調節周期數N和每個周期疇的寬度調節入射光的遲延相位。
6.基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器，其特徵是採用周期極化疇的鈮酸鋰超晶格，鈮酸鋰超晶格中間的一個疇的厚度變為原來的兩倍；即超晶格周期為1，疇寬度為1/2， 使鈮酸鋰超晶格提供的倒格矢滿足入射光實現偏振旋轉的波矢匹配；所述中間疇寬度為 1，是正常鐵電疇寬度的兩倍。
7.基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器，其特徵是採用周期極化鈮酸鋰超晶格， 包括二段超晶格，超晶格的第一段周期為N，超晶格的第二段周期仍為N，但第二段超晶格疇的結構與第一部分超晶格呈鏡面關係，極化方向仍在同一軸上。
8.基於電光效應引起偏振旋轉的電光調製器在相位延遲方面的應用。
全文摘要
本發明公開了一種基於電光效應使入射光波偏振方向旋轉的電光調製器的設置方法。其特點是在周期結構的鈮酸鋰晶體中引入缺陷結構。該缺陷結構位於晶體正中間，其寬度為正常疇厚度的2倍。當基波入射至該晶體中，首先偏振方向逐漸發生旋轉，在經過缺陷位置後，偏振方向則沿反方向旋轉，出射光波則保持與原光波偏振方向相同的偏振狀態出射，但相位發生很大的改變。本發明設置新穎，製備可行，在光通信領域可有廣泛的應用前景。
文檔編號G02F1/035GK102360130SQ20111031875
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者宋曉詩, 徐飛, 陸延青 申請人:南京大學