CN101369084A - 一种干涉型集成式光信号调制器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种干涉型集成式光信号调制器及其制作方法。它包括两段标准单模光纤和带有两对微电极的极化双芯光纤，两段标准单模光纤利用融拉耦合方法耦合在带有两对微电极的极化双芯光纤的两端构成Mach－Zehnder干涉仪结构，从单模光纤输入的光在第一个耦合部平均分配到极化双芯光纤构成的Mach－Zehnder干涉仪的两个臂中，两对微电极采用差动调制方式对两臂中的光进行相位调制，两束光在第二个耦合部中干涉并由单模光纤输出，两束光的相位差使得输出光强被调制。本发明具有简单的结构，光路之间能够保证相对稳定，能够有效地避免振动、温度等环境因素的影响，大大提高全光纤电光调制器的性能。

Description

一种干涉型集成式光信号调制器及其制作方法

(一)技术领域

本发明涉及一种干涉型集成式光信号调制器，属于光纤有源器件领域。

(二)背景技术

光电子器件是光通讯和光传感发展的最重要的基础。目前，各种新型光电器件层出不穷，光电器件的性能不断改进。光器件的集成化是满足人们对光电器件需求的必由之路。虽然早在20世纪60年代后期，就首次出现了“集成光学”的概念，其主要思想是在共同衬底上建立各种光学器件，然后用波导将它们连接起来，从而形成一个能完成特定功能的芯片。集成光学器件具有体积小，偏振态稳定，便于光电集成，可批量生产和精密加工的优点，因此在光通信终端中有大量应用。但是，当需要与光纤连接时，集成波导与光纤之间会有较大的耦合损耗(即附加损耗)，虽然通过端面镀膜，改变端面形状和耦合连接方式等手段，集成波导和光纤的耦合效率已经大大提高，目前己能达到60％以上，但与全光纤器件0.1dB以下的连接损耗相比，其附加损耗仍不容忽视。

随着人们对机械稳定性和热稳定性要求的不断提高，全光纤器件来取代块料光学组合器件的需求也变得原来越迫切。利用全光纤器件来组成光路，信号被限制在纤芯范围内传输，从而提高了稳定性。另一个原因则是单模光纤具有非常低的散射和本征损耗。上述因素在全光纤器件的设计和开发过程中扮演了决定性的角色。正因为这些因素，全光纤器件的性能远远超过了块料光学组件和集成光学器件。

飞速发展的光纤通讯和光纤传感技术迫切需要新型的全光纤调制器。目前常用的全光纤调制器用压电陶瓷环上缠绕光纤来实现，但这种调制器受到压电陶瓷材料的响应特性的限制，调制频率通常低于100kHz，这极大地限制了它在光纤通信或传感系统中的应用，于是人们考虑直接应用光纤来制作电光调制器。

1991年，Myers等人通过在高温下对SiO₂材料进行热极化的方法成功地在SiO₂中得到了二阶非线性效应，为SiO₂应用在更广阔的器件领域提供了可能性(MyersR A，Mukherhee N，Brueck S R J.Large second-order nonlinearity in poled fusedsilica[J].Optics Letters，v 16，n 22，15Nov.1991，p1732-4)。之后，人们通过不同的途径提高极化引起的非线性效应。1994年以来，光纤热极化技术的发展，使得在熔石英光纤中可以产生二阶非线性，这为获得新型实用的全光纤电光调制器提供了可能。虽然目前的全光纤电光相位调制器的线性电光系数仍较小，但人们已开始探索将其制成新型光纤器件的途径。对极化熔石英光纤制作光纤电光器件进行了许多试验。

英国南安普顿大学的Kazansky将热极化单模光纤作为电光相位调制器用于制作单模光纤Mach—Zehnder干涉仪，演示了0.83微米波长的光在150kHz调制频率的单模光纤电光强度调制器(Kazasky P G，Russell P S J，Takebe H.Glass fiberpoling and application[J].IEEE Journal of Lightwave Technology，1997，15(8)：1484-1493)。由于该强度调制器用普通单模光纤制成，光传输中光的偏振态变化较大，实验中需用偏振控制器来控制Mach-Zehnder干涉仪系统中的偏振态。另外，该实验中的调制电极是机械地压在光纤上的，没有进行电极的实用化封装，因此该实验在偏振态控制和电极封装上存在困难，也就无法实现长时间的稳定调制。暨南大学光电工程研究所陈哲利用热极化熊猫保偏光纤制成了带有微带电极的全保偏光纤电光相位调制器，该相位调制器较好地解决了偏振态的控制和电极封装的问题(镀有微带电极的热极化光纤器件，专利申请号：00113687.9)。然而，目前全光纤电光调制器在应用中需要与其他光纤器件组成干涉仪结构来构成多种形式的电光调制器。所以整体光纤光路的稳定性是制约全光纤电光调制器应用的瓶颈。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有更简单的结构，光路之间能够保证相对稳定，能够有效地避免振动、温度等环境因素的影响，大大提高全光纤电光调制器性能的一种干涉型集成式光信号调制器及其制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种干涉型集成式光信号调制器，它包括两段标准单模光纤和带有两对微电极的极化双芯光纤，两段标准单模光纤利用融拉耦合方法耦合在带有两对微电极的极化双芯光纤的两端构成Mach-Zehnder干涉仪结构，从单模光纤输入的光在第一个耦合部平均分配到极化双芯光纤构成的Mach-Zehnder干涉仪的两个臂中，两对微电极采用差动调制方式对两臂中的光进行相位调制，两束光在第二个耦合部中干涉并由单模光纤输出，两束光的相位差使得输出光强被调制。

本发明的干涉型集成式光信号调制器还可以包括：

1、所述的极化双芯光纤是利用极化方法使得双芯光纤的两个芯子具有电光调制特性的双芯光纤。

2、所述的微电极是利用显微加工方法在双芯光纤芯位置铣去部分光纤包层，然后利用真空蒸镀的方法将金属镀在光纤上，然后利用显微加工方法将多余金属层去掉，在光纤上形成的微电极结构。

3、所述的两对微电极采用差动调制方式对两臂中的光进行相位调制，是指处于光纤芯同一侧的两个电极所加电信号极性相反。

本发明的干涉型集成式光信号调制器是采用这样的方法来制作的：

1、取两段标准单模光纤与一段双芯光纤的两端分别焊接；

2、将标准单模光纤与双芯光纤的一个焊接点固定在可移动的V型槽内，利用氢氧焰对处于水平状态的光纤焊接部位进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，形成第一个耦合部；

3、将标准单模光纤与双芯光纤的另一个焊接点固定在可移动的V型槽内，重复步骤2，形成第二个耦合部；

4、将制作好的光纤耦合部套入保护石英管，并利用环氧树脂固定好；

5、利用显微加工方法在双芯光纤芯位置去除部分光纤包层，然后利用真空蒸镀的方法将金属镀在光纤的铣槽部位，再次利用显微加工方法将多余金属层去掉，在光纤上形成需要的微电极结构；

6、对制作好微电极的双芯光纤进行极化，使其具有电光效应；

7、将极化后的双芯光纤的调制电极交叉互联，引出电极引线，将双芯光纤极化部分置于封装石英槽中并利用环氧树脂固定好，形成干涉型集成式光信号调制器。

本发明针对现有技术的不足和缺陷，采用双芯光纤制作干涉型集成式光信号调制器，双芯光纤构成集成光纤Mach-Zehnder干涉仪，干涉仪的两臂集成于同一根光纤中，具有更简单的结构，光路之间能够保证相对稳定，所以能够有效地避免振动、温度等环境因素的影响，大大提高全光纤电光调制器的性能。

将光纤电光调制器与Mach-Zehnder干涉仪光路集成到单根光纤中，具有更简单的结构，光路之间能够保证相对稳定，能够有效地避免振动、温度等环境因素的影响。

所述的双芯光纤是一根光纤中包含两个光纤芯。

所述的极化双芯光纤是利用极化方法使得双芯光纤的两个芯子具有电光调制特性。

所述的微电极是利用显微加工方法在双芯光纤芯位置铣去部分光纤包层，然后利用真空蒸镀的方法将金属镀在光纤上，最后利用显微加工方法将多余金属层去掉，即可在光纤上形成需要的微电极结构。

所述的利用融拉耦合方法构成Mach-Zehnder干涉仪结构是指将标准单模光纤与双芯光纤焊接熔拉形成Mach-Zehnder干涉仪的第一个耦合部，在双芯光纤的另一端再次与标准单模光纤进行焊接熔拉形成第二个耦合部，即可构成集成光纤Mach-Zehnder干涉仪。

所述的差动调制方式是指处于光纤芯同一侧的两个电极所加电信号极性相反，能够将电光调制能力提高一倍。

该器件构成全光纤电光强度调制器、全光纤光开关、全光纤可调谐光纤电光滤波器。该器件能够低损耗地插入到通用的光纤链路中。

所述的极化方法，其特征在于可以是热极化方法或紫外极化方法之一种。

所述的显微加工方法，可以是侧面抛磨方法或激光微加工方法之一种。

其工作原理为：当光源从标准单模光纤1端入射至第一个耦合部时，其物理模型相当于导波光经历缓慢变化的锥体波导内，传输模式由纤芯模转变为包层模，包层模式在椎体内继续传播，当传输至双芯光纤2的锥体部分时，再次转换为双芯的纤芯模，导波光又会被重新约束在双芯光纤2的纤芯内，从而实现了功率的重新分配。通过调整锥体连接部位的波导形状，可以控制单模光纤1向双芯光纤2的功率分配。

图4所示为这一物理过程的仿真结果，采用BPM(光束传播法)进行仿真计算，取入射光波长1.31μm，光纤芯折射率1.46，光纤包层折射率1.45。从图4中可以看出，入射光进入锥形耦合部时，随着光纤芯逐渐变细，光场的模场直径逐渐扩大，光功率逐渐扩散到包层中传输，当传输至双芯光纤2的锥体部分时，再次转换为双芯的纤芯模，导波光又被重新约束在双芯光纤2的纤芯内，同时双芯光纤2中两个芯的光功率实现了平均分配。

在外加电场的作用下，介质折射率发生变化的现象称为电光效应。以往人们多在晶体中观察到电光效应，当介质材料的极化技术出现之后，人们已经在极化的聚合物，以及熔石英材料中观察到电光效应。光纤经热极化或紫外极化后，将失去中心对称结构，于是产生了二阶非线性效应和线性电光效应。由于此时极化光纤不再是中心反演对称的材料，会产生横向电光效应，这包括Pockels电光效应和Kerr电光效应。以Pockels电光效应为例，极化光纤上通过的光波的相位受到微电极3调制，产生的相位变化可以用如下公式表示：

$\mathrm{\δ\φ}=\frac{\mathrm{\π}{n}_0^3}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\γ}\left(\frac{L}{D}\right)V_m$

式中，n₀为光纤芯折射率，γ为Pockels电光调制系数，L为极化光纤长度，D为调制电极间距，V_m为电极上的调制电压。

在双芯光纤2中传输的光相位被调制电极3所调制，调制电极3的电压采用差动方式，使得调制的效果加倍。具有一定相位差的两束光在第二个耦合部中干涉并由单模光纤1输出，两束光的相位差的变化使得干涉光强被调制，从而构成干涉型集成式光信号调制器。

根据两束光的干涉原理，调制电压与输出光强的关系可以由下式表示：

$I_o=\frac{I_i}{2}\mathrm{\α}[1+\cos \left(\mathrm{\δ\φ}\right)]=\frac{I_i}{2}\mathrm{\α}[1+\cos \left(2\frac{\mathrm{\π}{n}_0^3}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\γ}\left(\frac{L}{D}\right)V_m\right)]$

式中：I_o为干涉型集成式光信号调制器输出光强；I_i为输入光强，α为光传播过程中综合光衰减因子，其中包括耦合器的耦合率、及两臂的光衰减系数。在光无损耗等理想情况下，α≈1。

图5为这一物理过程的仿真结果。干涉型集成式光信号调制器的输出光强随相位差呈现周期性余弦变化，当干涉仪两臂光程差为π的奇数倍时，输出光强为0，当干涉仪两臂光程差为π的偶数数倍时，输出光强为最大值。

本发明具有如下特点：

1.本发明给出了一种新颖的双芯光纤与标准单模光纤耦合连接方法，干涉型集成式光信号调制器的输入输出端均为标准单模光纤，能够与现有的标准单模光纤进行低损耗连接，使得干涉型集成式光信号调制器具有了可在光纤链路中的任意点插入的可能性。

2.传统光纤电光调制器件在应用中需要与其他光纤器件组成干涉仪结构来完成功能，由于干涉仪结构的灵敏性，整个干涉仪光路的局部的扰动都会表现为输出光的不稳定。干涉型集成式光信号调制器将光纤电光调制器与Mach-Zehnder干涉仪光路集成到直径为125微米的单根光纤中，外界影响对干涉仪的两臂影响相同，光路之间能够保持相对稳定，所以能够有效地避免振动、温度等环境因素的影响。

3.将光纤进行微加工后，电极间距近，使得光纤极化率提高，通过调制电极的电压采用差动方式，使得调制的效果加倍。

4.利用干涉型集成式光信号调制器可以构成光强度调制器、光开关、可调谐光纤滤波器等多种新型全光纤电光器件。

(四)附图说明

图1是干涉型集成式光信号调制器结构示意图；

图2为标准单模光纤与双芯光纤焊接熔拉示意图；

图2-1是图2的A-A剖视图；

图2-2是图2的B-B剖视图；

图3为调制电极引线示意图；

图4(a)是单芯光纤与双芯光纤光功率耦合仿真结果；

图4(b)是单芯光纤与双芯光纤的纤芯内光功率分配的仿真结果；

图5是干涉型集成式光信号调制器的输出光强随相位差变化仿真结果。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，干涉型集成式光信号调制器的组成包括两段标准单模光纤1和带有两对微电极的极化双芯光纤2，两段标准单模光纤利用融拉耦合方法耦合在带有两对微电极3的极化双芯光纤的两端构成Mach-Zehnder干涉仪结构，从单模光纤输入的光在第一个耦合部平均分配到极化双芯光纤构成的Mach-Zehnder干涉仪的两个臂中，两对微电极采用差动调制方式对两臂中的光进行相位调制，两束光在第二个耦合部中干涉并由单模光纤输出，两束光的相位差使得输出光强被调制。所述的极化双芯光纤是利用极化方法使得双芯光纤的两个芯子具有电光调制特性的双芯光纤。所述的微电极是利用显微加工方法在双芯光纤芯位置铣去部分光纤包层，然后利用真空蒸镀的方法将金属镀在光纤上，然后利用显微加工方法将多余金属层去掉，在光纤上形成微电极结构。所述的两对微电极采用差动调制方式对两臂中的光进行相位调制使处于光纤芯同一侧的两个电极所加电信号极性相反。

本发明的干涉型集成式光信号调制器的具体制作方法为：

具体实施方式1：利用热极化方法与紫外激光显微加工制作干涉型集成式光信号调制器。

步骤如下：

1.分别取两段标准单模光纤1，利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层约30mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将光纤端面切割平整，再次对光纤包层清洗。

2.取一段长度为400mm双芯光纤2，利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层约30mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将光纤的两个端面切割平整，再次对光纤包层清洗。

3.将两段标准单模光纤1与双芯光纤2的两端分别焊接。

4.将标准单模光纤1与双芯光纤的一个焊接点固定在可移动的V型槽4内，利用氢氧焰5对处于水平状态的光纤焊接部位进行加热并施以轴向拉力，使光纤焊接部分逐渐被拉细，当拉伸距离约为2cm时，停止拉伸，此时形成器件的第一个耦合部。

5.将标准单模光纤1与双芯光纤2的另一个焊接点固定在可移动的V型槽4内，重复步骤4，形成第二个耦合部。

6.将制作好的光纤耦合部套入石英管，并利用环氧树脂固定好，从而对耦合部位进行有效地保护。

7.利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层约100mm，利用紫外激光微加工系统或飞秒激光微加工系统沿着双芯光纤2的两个纤芯所处的平面位置的两面铣去部分包层，当包层厚度减小为30μm时停止加工。

8.利用真空蒸镀的方法将金属铝镀在光纤的去除包层的部位，利用激光微加工系统将多余金属层去掉，在光纤上形成宽度为40μm的两条的金属微电极3结构。

9.将光纤翻转180度，重复步骤8，在双芯光纤2的另一面形成宽度为40μm的两条的金属微电极3结构。

10.把制作好微电极的待极化双芯光纤2置于高温炉内，将电极与高压电源相连，在光纤上加上4000V的直流电压。高温炉缓慢升温，当升至200摄氏度后保持恒温恒压20分钟后缓慢降温，为了防止内电场退化，在温度降至室温后才撤去外电场。至此完成双芯光纤2的热极化。

11.将极化后的双芯光纤的调制电极3按图3所示交叉互联，引出电极引线。

12.将双芯光纤2极化部分置于封装石英槽中并利用环氧树脂固定好，即形成干涉型集成式光信号调制器。

具体实施方式2，利用紫外极化方法与紫外激光显微加工制作干涉型集成式光信号调制器。

步骤如下：

1.分别取两段标准单模光纤1，利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层约30mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将光纤端面切割平整，再次对光纤包层清洗。

2.取一段长度为400mm双芯光纤2，利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层约30mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净，用光纤切割刀将光纤的两个端面切割平整，再次对光纤包层清洗。

3.将两段标准单模光纤1与双芯光纤2的两端分别焊接。

4.将标准单模光纤1与双薪光纤的一个焊接点固定在可移动的V型槽4内，利用氢氧焰2对处于水平状态的光纤焊接部位进行加热并施以轴向拉力，使光纤焊接部分逐渐被拉细，当拉伸距离约为2cm时，停止拉伸，此时形成器件的第一个耦合部。

5.将标准单模光纤1与双芯光纤2的另一个焊接点固定在可移动的V型槽4内，重复步骤4，形成第二个耦合部。

6.将制作好的光纤耦合部套入保护石英管，并利用环氧树脂固定好，从而对耦合部位进行有效地保护。

7.利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层约100mm，利用紫外激光微加工系统或飞秒激光微加工系统沿着双芯光纤2的两个纤芯所处的平面位置的两面铣去部分包层，当包层厚度减小为30μm时停止加工。

8.利用真空蒸镀的方法将金属铝镀在光纤的去除包层的部位，再次利用紫外激光微加工系统将多余金属层去掉，在光纤上形成宽度为40μm的两条的金属微电极3结构。

9.将光纤翻转180度，重复步骤8，在双芯光纤2的另一面形成宽度为40μm的两条的金属微电极3结构。

10.把制作好微电极3的待极化双芯光纤2放入高压载氢罐中进行载氢，室温条件下，150个标准大气压需载氢7天。

11.把待极化双芯光纤2电极与高压电源相连，在光纤上加上4000V的直流电压。利用200mJ波长为244nm的紫外激光对双芯光纤2进行照射8分钟。

12.关闭紫外激光器，撤掉极化电场，将极化后的双芯光纤2放入高温炉中，在100摄氏度下退火2～3小时。

13.将极化后的双芯光纤的调制电极3按图3所示交叉互联，引出电极引线。

14.将双芯光纤2极化部分置于封装石英槽中并利用环氧树脂固定好，即形成干涉型集成式光信号调制器。

Claims (5)

1.一种干涉型集成式光信号调制器，其特征是：它包括两段标准单模光纤和带有两对微电极的极化双芯光纤，两段标准单模光纤利用融拉耦合方法耦合在带有两对微电极的极化双芯光纤的两端构成Mach-Zehnder干涉仪结构，从单模光纤输入的光在第一个耦合部平均分配到极化双芯光纤构成的Mach-Zehnder干涉仪的两个臂中，两对微电极采用差动调制方式对两臂中的光进行相位调制，两束光在第二个耦合部中干涉并由单模光纤输出，两束光的相位差使得输出光强被调制。

2.根据权利要求1所述的干涉型集成式光信号调制器，其特征是：所述的极化双芯光纤是利用极化方法使得双芯光纤的两个芯子具有电光调制特性的双芯光纤。

3.根据权利要求1或2所述的干涉型集成式光信号调制器，其特征是：所述的微电极是利用显微加工方法在双芯光纤芯位置铣去部分光纤包层，然后利用真空蒸镀的方法将金属镀在光纤上，然后利用显微加工方法将多余金属层去掉，在光纤上形成的微电极结构。

4.根据权利要求1或2所述的干涉型集成式光信号调制器，其特征是：所述的两对微电极采用差动调制方式对两臂中的光进行相位调制，是指处于光纤芯同一侧的两个电极所加电信号极性相反。

5.一种干涉型集成式光信号调制器的制作方法，其特征是：

(1)取两段标准单模光纤与一段双芯光纤的两端分别焊接；

(2)将标准单模光纤与双芯光纤的一个焊接点固定在可移动的V型槽内，利用氢氧焰对处于水平状态的光纤焊接部位进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，形成第一个耦合部；

(3)将标准单模光纤与双芯光纤的另一个焊接点固定在可移动的V型槽内，重复步骤2，形成第二个耦合部；

(4)将制作好的光纤耦合部套入保护石英管，并利用环氧树脂固定好；

(5)利用显微加工方法在双芯光纤芯位置去除部分光纤包层，然后利用真空蒸镀的方法将金属镀在光纤的铣槽部位，再次利用显微加工方法将多余金属层去掉，在光纤上形成需要的微电极结构；

(6)对制作好微电极的双芯光纤进行极化，使其具有电光效应；

(7)将极化后的双芯光纤的调制电极交叉互联，引出电极引线，将双芯光纤极化部分置于封装石英槽中并利用环氧树脂固定好，形成干涉型集成式光信号调制器。

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