CN101281301A - 基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其中：晶体导波层的上下表面分别附着上下层金属电极，晶体导波层与附着的上下层金属电极共同组成波导结构，输入匹配电路连接上层金属电极和下层金属电极，入射载波光经过聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中，经上层金属电极发生反射，通过输入匹配电路在上层金属电极和下层金属电极之间加上调制电信号，调制信号通过改变导波层的折射率来改变工作角处的反射率，进而实现对反射光强度的调制。本发明具有偏振无关的特性，而且对导波层晶体材料的电光系数要求低。同时，工作电压低，调制带宽大，插入损耗和传输损耗小，且制作简单，成本低廉。

Description

基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器

技术领域

本发明涉及一种光电子通信和光信息处理领域的电光调制器，具体一种基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器。

背景技术

电光调制器是光子学领最重要、最常用的器件之一，电光调制的发展在电子学领域有着重要的引领地位。制备电光调制器使用的各类电光材料，如电光晶体、有机聚合物电光材料等，在外加电场作用下，材料的折射率椭球的取向发生变化，导致器件偏振相关的特点。以目前广泛使用的铌酸锂(LiNbO₃)电光调制为例，它具有高性能、低成本、可靠性高、体积小和易于大规模生产等众多优点。但它对输入光的偏振态敏感，因而要使铌酸锂电光调制器获得最好的调制效果，就必须使输入光是线偏振光，且偏振方向与铌酸锂晶体内部可传播模式的方向一致。偏振相关性使器件在应用中需增加外部元件或环路来保证调制的最佳效果及信号不失真。这增加了器件制备工艺的复杂性，并且价格昂贵。

常见电光调制器的结构主要有两种形态：波导传输型的Mach-Zenhder结构和反射型结构。Mach-Zenhder型电光调制器具有带宽高、半波电压低等优点。但是，波导的传输损耗直接影响器件的插入损耗，使它对电光材料的光学损耗要求很高，并且制备工艺复杂、价格昂贵，限制了它的应用范围。反射型结构的器件，例如：衰减全反射型波导电光调制器、共振光栅波导调制器等，这类器件的调制电压虽然比Mach-Zenhder结构器件高，而且由于不存在传输损耗，降低了对电光材料光学损耗的要求，因而有较好的发展空间。

在各类电光材料中，GaAs晶体、Bi₁₂SiO₂₀晶体、PLZT晶体和PMN-PT晶体等电光晶体以其优良的光学性能和电光特性而具有较强的实用价值。普通双轴晶体或低对称性晶体材料虽然电光系数大、综合性能较好，但在加电场作用下他们的折射率椭球方程主轴往往难于单轴晶体和立方晶体，入射光波矢方向和外加电场方向之间的夹角不能任意变化，因而应用难度大。立方晶体晶格结构简单，在外场作用下可转变为单轴晶体，当沿某确定晶向切割晶体形成平板波导，同时采用金属薄电极作衬底和覆盖层，可构成双面金属包覆波导。以小角度入射的激光激发的超高阶TE和TM导模，场致折射率变化相同，可实现偏振无光调制。另一类立方晶体，如立方晶系的PLZT、PMN-PT具有很高的二次电光系数，由于采用陶瓷工艺制备，这类材料不仅性能好、效应多、功能全，而且尺寸大、成本低，已被应用在小型转换开关等方面。利用这类晶体为波导层材料，可实现基于克尔效应的偏振无关电光调制。

经对现有技术的文献检索发现，Jingwen W.Zhang等在《应用物理快报》(Applied Physics Letter)2006年89卷061113页上发表的“Opticalamplification in Nd³⁺ doped electro-optic lanthanum lead zirconatetitanate ceramics”(参Nd³⁺镧锆钛酸铅陶瓷电光放大器)中就提及利用PLZT二次电光效应实现基于克尔效应的光强调制，该文献中提及的调制器工作波长为1064.4nm，且由于PLZT晶体电光系数较小，因而该调制器工作电压较高，同时，该文献中装置未提及应用波导高阶膜的偏振无关性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，使其具有偏振无关的特性，而且对晶体导波层晶体材料的电光系数要求低，同时调制器工作电压低，调制带宽大，插入损耗和传输损耗小，且制作简单，成本低廉。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，包括：上层金属电极、晶体导波层、下层金属电极和输入匹配电路。晶体导波层的上表面附着上层金属电极，晶体导波层的下表面附着下层金属电极，晶体导波层与两个表面上附着的上层金属电极和下层金属电极共同组成波导结构。输入匹配电路连接上层金属电极和下层金属电极。入射载波光经过聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中，经上层金属电极发生反射，通过输入匹配电路在上层金属电极和下层金属电极之间加上调制电信号，调制信号通过改变导波层的折射率来改变工作角处的反射率，进而实现对反射光强度的调制。

本发明还可以在上层金属电极、晶体导波层之间设置上层SiO₂保护层，在晶体导波层、下层金属电极之间设置下层SiO₂保护层。晶体导波层与两个表面上附着的上层金属电极、上层SiO₂保护层、下层SiO₂保护层和下层金属电极共同组成波导结构。

所述输入匹配电路由保护电阻、耦合电容构成，输入匹配电路的直流偏压端经保护电阻连接到上层金属电极上，调制信号通过输入端经耦合电容连接到上电极，输入匹配电路的接地端连接下层金属电极。

所述上层金属电极和下层金属电极，其材料为金、银、铝和铂中的一种，且在光频范围内介电常数的实部-50≤ε_r≤0，介电常数虚部0≤ε_i≤8.0。

所述上层金属电极的厚度为20～50nm、下层金属电极的厚度为200～500nm，所述上层SiO₂保护层和下层SiO₂保护层厚度为20～50nm。

所述的晶体导波层，其材料为GaAs晶体、Bi₁₂SiO₂₀晶体、PLZT晶体和PMN-PT晶体等。

所述晶体导波层的厚度为0.5mm～2.0mm。

所述的入射载波光的工作波长为600nm～1650nm。

本发明上述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，采用立方晶系的电光晶体作为平板波导的导波层(厚度为亚毫米量级)，两边采用真空溅射方法镀上保护层和金属薄电极(金或银)。金属薄电极作为电光调制的控制电极。上层金属电极同时作为入射光的耦合层，光波入射到上层金属表面，可被直接耦合进波导，激发厚电极情况下的超高阶导模。立方晶系具有单轴晶体的性质，在外加电场作用下，立方晶系产生一次电光效应或二次电光效应具有单轴晶体的性质。由于TE和TM的超高阶导模的模角相同并接近于零，不同偏振状态的电场感生折射率变化相同，因而调制器具有偏振无关的特性。超高阶导模的传播常数对导波层折射率的变化十分灵敏，降低了器件对导波层电光材料的电光系数要求，降低了器件的工作电压。器件具有反射型非传输的光学结构，金属薄电极的损耗和波导的光学损耗对期间的插入损耗的影像可以忽略。

偏振无光晶体波导电光调制器具有双面金属包覆厚电极波导结构不同于现有的偏振无关电光调制器，它的光学结构简单，不需要采用晶体组合和设计多电极，体积小、制备简单。在本发明基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器中由于金属介电常数的实部为负数，双面金属包覆波导的有效折射率可在零与无穷大之间变化。在入射光波矢与导模传播常数匹配的情况下，入射光波从金属表面的自由空间直接耦合到波导中，且不需要棱镜、光栅等耦合元件。双面金属包覆厚膜波导可容纳大量的导模，其中，低阶模是准连续的，而以小角度耦合的超高阶导模是分立的。

双面金属包覆波导超高阶TE模式本征方程为：

$\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1^2-N^2}=\mathrm{m\π}+2\arctan \left(\sqrt{\frac{N^2-n_2^2}{n_1^2-N^2}}\right)$

双面金属包覆波导超高阶TM模式本征方程：

$\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1^2-N^2}=\mathrm{m\π}+2\arctan \left(\frac{n_1^2}{n_2^2}\sqrt{\frac{N^2-n_2^2}{n_1^2-N^2}}\right)$

上两式中右边的arctan项的取值在

范围内，当m很大时，例如m＝2000时，arctan项相对于mπ是一个小量，可以忽略，上两式具有同样的形式：

$\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{n_1^2-N^2}=\mathrm{m\π}$

超高阶TE模和TM模的本征方程一致，即在双面金属波导中超高阶的TE和TM模的有效折射率相等，它们耦合的相位匹配条件相同，具有偏振无关性。

超高阶导模的有效折射率N对导波层折射率的变化：

$\frac{\mathrm{\ΔN}}{\mathrm{\Δ}{n}_1}\≈\frac{n_1}{N}$

对应于超高阶模，N→0，有： $\frac{\mathrm{\ΔN}}{{\mathrm{\Δn}}_1}\→\∞,$ 超高阶导模的传播常数对导波层折射率的变化十分灵敏。

本发明基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器的结构紧凑，制作工艺简单，可以根据不同的应用需求灵活变化，实现以下不同的功能：

(1)大口径偏振无关电光调制器件的工作口径为上下两层金属薄电极的重叠面积，可以利用掩模板很方便的调整。

(2)采用具有不同电光特性立方晶体，可实现基于泡克耳效应和基于克尔效应的偏振无关电光调制。

(3)可以制备不同工作波长(包括远红外波段)电光调制器。

选择具有不同透明波段的立方晶系材料，设计波导各电极层的参数，可以实现不同工作波长的电光调制。GaAs晶体的透光范围为1～11μm，可制备红外和远红外波段电光调制器；Bi₁₂SiO₂₀晶体的透光范围为：0.47～7.5μm，可制备可见光和红外波段电光调制器：PLZT晶体、PMN-PT晶体的透光范围为0.5～7μm，可制备可见光波段和中红外波段的二次电光调制器。

附图说明

图1为本发明电光调制器的结构示意图

图1中，1为入射载波光、2为上层金属电极、3为上层SiO₂保护层、4为晶体导波层、5为下层SiO₂保护层、6为下层金属电极、7为输入匹配电路、8为出射载波光，R为保护电阻，C为耦合电容，θ为工作角

图2为本发明实施例中装置工作角选取情况下的衰减全反射曲线

图3为本发明在工作角为θ＝32.6°时TM偏振下电光调制效果图

图4为本发明在工作角为θ＝32.6°时TE偏振下电光调制效果图

图5为本发明电光调制器不采用保护层的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的组成包括上层金属电极2、上层SiO2保护层3、晶体导波层4、下层SiO₂保护层5、下层金属电极6和输入匹配电路7。晶体导波层4的上表面为上层SiO₂保护层3，上层SiO₂保护层3上表面附着上层金属电极2，晶体导波层4的下表面为下层SiO₂保护层5，下层SiO₂保护层5下表面附着下层金属电极6，晶体导波层4与两个表面上附着的上层金属电极2、上层SiO₂保护层3、下层SiO₂保护层5和下层金属电极6共同组成波导结构。输入匹配电路7连接上层金属电极2。

上层SiO₂保护层3和下层SiO₂保护层5通过溅射镀膜方法在导波层上溅射形成，然后再通过溅射方式附着上层金属电极2和下层金属电极6。

输入匹配电路7由保护电阻R、耦合电容C构成，输入匹配电路7的直流偏压端A经保护电阻R连接到上层金属电极2上，调制信号通过输入端B经耦合电容C连接到上电极2，输入匹配电路的接地端连接调制器的下电极6。

入射载波光1在不带任何信息情况下经过聚焦后形成聚焦光束沿入射到调制器上层金属电极2上，并在上层金属电极2发生反射。在输入匹配电路的直流偏压端A施加一个直流偏压，在调制信号输入端B上施加一个相对直流偏压较小的输入信号，直流偏压与输入信号同时施加在导波层上来改变导波层电光晶体的折射率，进而调节反射光的输出强度。其中保护电阻R起保护作用，耦合电容C起隔离直流的作用。

如图1所示，当波长为650nm的输入载波光的准直后入射到调制器的上层金属电极2，样品放置于θ/2θ转台上。通过M-line测量的方法，确定该电光调制的衰减全反射谱，可得到一系列的衰减全反射吸收峰以及对应的角度入图2所示，从图2谱中选取一个狭窄的吸收峰，并取吸收峰上升(或下降)沿对应的角度作为该调制装置的工作角θ，在该调制装置上施加直流偏压和调制电信号后，观察输出光的调制幅度，微调入射角，使输出的光信号调制幅度值最大。

在本例中，入射载波光波长为650nm，金属电极是介电常数为ε＝-13+1.05i的金，SiO₂的折射率为1.5，晶体导波层为Bi₁₂SiO₂₀，Bi₁₂SiO₂₀在波长为650nm时的折射率为2.45。上层金属电极2厚度为30nm、上层SiO₂保护层3厚度40nm、晶体导波层4厚度1mm、下层SiO₂保护层5厚度40nm、下层金属电极6厚度为300nm。工作角为θ＝32.6°时，在直流偏压端加上直流电压V＝50V，在信号输入端施加峰峰值为70V的正弦高频信号。出射载波光8通过接收端采用高频探测器接收到被调制的光信号并输入到示波器进行观察。TM偏振下输入调制信号和出射载波光8的波形如图3所示，图3上方是输入外加电调制正弦信号波形，下方是通过高频探测器接收到的被调制光信号。TE偏振下输入调制信号和出射载波光8的波形如图4所示，图4上方是输入外加电调制正弦信号波形，下方是通过高频探测器接收到的被调制光信号。从图3、4中可以看出，对于同一电调制信号作用下，对于不同偏振态载波光，出射载波光受调制后信号波形相同，器件具有偏振无关性。

本例中：

偏振相关损耗：0.3dB

器件的插入损耗：1.2dB

工作电压：5V。

Claims (9)

1、一种基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征在于，包括：上层金属电极、晶体导波层、下层金属电极和输入匹配电路，晶体导波层的上表面附着上层金属电极，晶体导波层的下表面附着下层金属电极，晶体导波层与两个表面上附着的上层金属电极和下层金属电极共同组成波导结构，输入匹配电路连接上层金属电极和下层金属电极，入射载波光经过聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中，经上层金属电极发生反射，通过输入匹配电路在上层金属电极和下层金属电极之间加上调制电信号，调制信号通过改变导波层的折射率来改变工作角处的反射率，进而实现对反射光强度的调制。

2、根据权利要求1所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述上层金属电极、晶体导波层之间设置上层SiO₂保护层，晶体导波层、下层金属电极之间设置下层SiO₂保护层，晶体导波层与两个表面上附着的上层金属电极、上层SiO₂保护层、下层SiO₂保护层和下层金属电极共同组成波导结构。

3、根据权利要求2所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述上层SiO₂保护层和下层SiO₂保护层厚度为20nm～50nm。

4、根据权利要求1或2所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述上层金属电极和下层金属电极，其材料为金、银、铝和铂中的一种，且在光频范围内介电常数的实部-50≤ε_r≤0，介电常数虚部0≤ε_i≤8.0。

5、根据权利要求1或2所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述上层金属电极的厚度为20～50nm，下层金属电极的厚度为200～500nm。

6、根据权利要求1或2所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述的晶体导波层，其材料为GaAs晶体、Bi₁₂SiO₂₀晶体、PLZT晶体和PMN-PT晶体中的一种。

7、根据权利要求1或2所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述晶体导波层的厚度为0.5mm～2.0mm。

8、根据权利要求1所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述的入射载波光的工作波长为600nm～1650nm。

9、根据权利要求1所述的基于双面金属反射型偏振无关晶体电光调制器，其特征是，所述输入匹配电路由保护电阻、耦合电容构成，输入匹配电路的直流偏压端经保护电阻连接到上层金属电极上，调制信号通过输入端经耦合电容连接到上电极，输入匹配电路的接地端连接下层金属电极。

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