CN102033334A - 一种基于γ51的电光调制器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于γ₅₁电光调制器及实现制备方法，将电光晶体沿切割面(010)分割为三个x₁、x₂、x₃主轴，二个偏振片分别放置在电光晶体的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化方向分别与x₁、x₃轴成45度夹角，信号源沿x₁方向施加电场E，x`<sub>1</sub>、x`₂、x`₃为在沿x₁方向施加电场E后的折射率椭球主轴。本发明采用调整两偏振片的夹角消除自然双折射引起的位相变化在一种在小信号情况下，调制的光强度随调制信号强度线性变化的电光调制器。采用本发明提供的方案可以实现半波电压低于0.5V的电光调制器。

Description

一种基于γ51的电光调制器及实现方法

技术领域

本发明涉及一种电光调制器及实现方法，具体是利用KTa_1-xNb_xO₃或BaTiO₃等晶体材料的巨大电光系数γ₅₁参数来实现电光调制，线性电光系数γ₅₁参数引起的电光效应等效于一种二次电光效应。

背景技术

当晶体加上电场后，该晶体的折射率会发生变化，若折射率的变化正比于电场强度，则为泡克耳斯效应(线性电光效应)。线性电光效应存在于20种无对称中心的晶体中，常用的电光晶体有2类：KDP类晶体属四方晶系

点群，铌酸锂(LiNbO₃)类晶体是三方晶系3m点群。这两类电光晶体被广泛的用在光通信中电光调制、光开关、激光调Q、光束的偏转等场合。在实际使用过程中，

类电光晶体利用的参数是γ₆₃，3m类晶体LiNbO₃电光晶体的有效电光系数为(n_e/n_o)³γ₃₃-γ₁₃。

由于折射率的变化与外加电压成正比，因此电光强度调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的，需要在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个V_λ/4的固定偏压，或者在调制器的光路上插入一个1/4波片来解决。前者会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差；后者的需要增加1/4波片，使得电光强度调制器只能适用于专用波长，缺乏通用性。

二次电光效应(克尔效应)可以存在于任何对称类型的介质中，它包括有对称中心和没有对称中心的晶体，以及各种状态的各向同性介质。并且电场引起的双折射与电场强度的平方成正比，非常适合作电光强度调制器。最早获得的激光调Q巨脉冲，就是利用各向同性介质硝基苯在强电场作用下产生的二次电光效应所完成的。但是，由于这类光电效应的半波电压一般需要数万伏，使用不便，目前已很少采用了。

除此之外，线性电光矩阵中最令人关注的是γ₅₁，γ₅₁参数表示沿晶体折射率椭球x₁方向施加的电场对x₁和x₃轴造成的影响能力。

我们的研究表明：

在电场中，三方C₃-3、C_3v-3m(m⊥x₁)，单斜C₃-m(m⊥x₂)、四方

和六方C₆-6等晶系均难以在工程上直接应用γ₅₁实现电光调制；正交晶系C_2v-mm2的晶体的线性电光系数矩阵为

针对正交晶系C_2v-mm2的晶体选取如图1所示的切割方式，截面为正方形的晶体，x₁、x₂、x₃分别为晶体的折射率椭球的主轴，x`<sub>1</sub>、x`₂、x`₃为在沿x₁方向施加E后的折射率椭球主轴。

若线偏振光沿x₂方向传播，且偏振方向与x₁、x₃轴成45°，未加电场时通过晶体时仍为线偏振光；若施加x₁方向电场，则通过电光晶体的o光和e光之间存在有位相差

n_o、n_e分别是o光和e光的折射率，l是光线在晶体中传输的长度，λ是光的波长，E₁为施加的调制电场强度。式中第一项是自然双折射，第二项是电场引起的双折射现象。由于调制信号的强度正比于电场E₁ ²，(1)式中由电场所引起位相变化与调制信号的强度呈线性关系。结论同样适用于四方晶系D4d-4mm和六方晶系C6v-6mm，与C2v-mm2晶系差别是它们的x₁和x₂轴等价(γ₄₂＝γ₅₁)。

可计算出电场引起的位相变化的半波电压U_π为

U_π＝[λ(l/n_o ²-l/n_e ²)/(4n_o ³l)]^1/2d/γ₅₁    (2)

n_o、n_e分别是o光和e光的折射率，l是光线在晶体中传输的长度，λ是光的波长。从(2)式可以看出选择γ₅₁大的材料和较小的截面尺寸d可以降低半波电压。

对于直流Kerr效应，Δn＝λKE²，Δn为电场引起的折射率的变化，K为Kerr系数，E为沿x₁方向施加电场，λ为光的波长。γ₅₁电光效应引起的等效二次效应的等效Kerr系数为

K_eff＝n_o ³γ₅₁ ²/[λ(1/n_o ²-1/n_e ²)]           (3)

KTa_0.35Nb_0.65O₃和BaTiO₃的等效Kerr系数在10^-7m.V^-2量级，远大于通常各向同性材料的克尔系数10^-15m.V^-2量级，因而有效地降低了克尔盒高的半波电压，从而使得基于二次电光效应的电光调制器在工程上的使用成为可能。

参考文献

1.Günter R and Huignard J R.Photorefractive Materials and TheirApplications I[M].Berlin：Springer-Verlag，2005：26-29，51，64-66.

2.李家泽.光电子学基础[M]，北京：北京理工大学出版社，1998：42-44.

发明内容

本发明的目的提供一种基于γ₅₁的电光调制器及实现方法，利用钽铌酸钾KTa_1-xNb_xO₃(0.37≤x≤1)或BaTiO₃晶体的巨大γ₅₁引起的等效二次电光效应来实现电光调制。

基于γ₅₁的电光调制器，包括二个偏振片、信号源、正交晶系C2v-mm2、四方晶系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体，其特征在于：将正交晶系C2v-mm2、四方晶系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体沿切割面平行于三个x₁、x₂、x₃主轴分割，且x₁、x₂、x₃分别为电光晶体的折射率椭球的主轴，二个偏振片分别放置在正交晶系C2v-mm2、四方晶系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化方向分别与x₁、x₃轴成45度夹角，信号源沿x₁方向施加电场E，x`<sub>1</sub>、x`₂、x`₃为在沿x₁方向施加电场E后的折射率椭球主轴。

所述电光晶体材料为钽铌酸钾KTa_1-xNb_xO₃(0.37≤x≤1)或BaTiO₃晶体。

所述电光晶体切割面分别为(100)、(010)、(001)；且垂直于(010)面的切面为正方形。

一种基于γ₅₁的电光调制器的实现方法：按以下步骤进行：一束激光沿电光晶体x₂主轴方向入射，经过线第一偏振片后，获得线偏振光，线偏振光沿x₂方向传播，且偏振方向与x₁、x₃轴成45°，未加电场时通过晶体时仍为线偏振光；施加x₁方向电场则o光和e光之间存在有位相差

n_o、n_e分别是o光和e光的折射率，l是光线在晶体中传输的长度，λ是光的波长。E₁为施加的调制电场强度，由于调制信号的强度正比于电场E₁ ²，(4)式中由电场所引起位相变化与调制信号的强度呈线性关系；通过调整两偏振片与电光晶体x₂主轴的夹角使得不加电场调制时呈现消光，这样可以消除自然双折射引起的位相变化；当调制电压工作在U＝0和U_π/2时，分别对应于光的关和开状态；在小信号调制的情况下，施加电场后位相差随调制信号的强度i_s(正比于电场E₁ ²)成线性变化。

出射光的强度I₂：

I₂＝I₁sin(4πK_effE₁ ²l)/2∝E₁ ²∝i_s(5)

式中I₁为入射光的强度，E₁为施加的调制电场强度，i_s调制信号的强度，出射光强度和调制信号的强度是一种简单的线性关系，从而实现出射光强度随信号强度线性调制。

本发明提供了一种在小信号情况下，调制的光强度随调制信号强度线性变化的电光调制器。

附图说明

图1为基于γ₅₁电光效应示意图。

图2为本发明的结构示意图。

具体实施方式

电光调制器的结构见图2，包括二个偏振片(1，4)、信号源3、KTa_0.35Nb_0.65O₃或BaTiO₃的电光晶体2，将KTa_0.35Nb_0.65O₃或BaTiO₃的电光晶体2沿切割面平行于三个x₁、x₂、x₃主轴分割，且x₁、x₂、x₃分别为电光晶体的折射率椭球的主轴，二个偏振片(1，4)分别放置在KTa_0.35Nb_0.65O₃或BaTiO₃的电光晶体2的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化方向分别与x₁、x₃轴成45度夹角，信号源3沿x₁方向施加电场E，x`<sub>1</sub>、x`₂、x`₃为在沿x₁方向施加电场E后的折射率椭球主轴。所述电光晶体切割面分别为(100)、(010)、(001)；且垂直于(010)面的切面为正方形。本发明利用KTa_0.35Nb_0.65O₃或BaTiO₃晶体的利用巨大γ₅₁引起的等效二次电光效应来实现电光调制。

实施例一、按照图1切割的KTa_0.35Nb_0.65O₃晶体，当l＝1mm，d＝1mm，l为<010>方向晶体的长度，d为<100>方向晶体的长度，室温附近T＝28℃，光波波长λ＝0.633μm时，半波电压U_π为118V。实现电光调制。

实施例二、按照图1切割的BaTiO₃晶体，当l＝1cm，d＝1mm，l为<010>方向晶体的长度，d为<100>方向晶体的长度，室温附近T＝28℃，λ＝0.546μm时，半波电压U_π＝234V，实现电光调制。

实施例三、将采用薄膜技术生长镀铂Si衬底上a轴外延生长μm级的KTa_0.35Nb_0.65O₃薄膜，取l＝1mm，d＝2μm，样本的宽度取1mm，l为<010>方向晶体的长度，d为<100>方向晶体的长度；室温附近T＝28℃，λ＝0.633μm时，半波电压U_π为0.3V，实现电光调制。

Claims (4)

1.基于γ₅₁的电光调制器，包括二个偏振片、信号源、正交晶系C2v-mm2、四方晶系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体，其特征在于：将正交晶系C2v-mm2、四方晶系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体沿切割面平行于三个x₁、x₂、x₃主轴分割，且x₁、x₂、x₃分别为电光晶体的折射率椭球的主轴，二个偏振片分别放置在正交晶系C2v-mm2、四方晶系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化方向分别与x₁、x₃轴成45度夹角，信号源沿x₁方向施加电场E，x`<sub>1</sub>、x`₂、x`₃为在沿x₁方向施加电场E后的折射率椭球主轴。

2.根据权利要求1所述的基于γ₅₁的电光调制器，其特征在于：所述电光晶体材料为钽铌酸钾KTa_1-xNb_xO₃或BaTiO₃晶体，0.37≤x≤1。

3.根据权利要求1或2所述的基于γ₅₁的电光调制器，其特征在于：所述电光晶体切割面分别为(100)、(010)、(001)；且垂直于(010)面的切面为正方形。

4.一种基于γ₅₁的电光调制器的实现方法，其特征在于：按以下步骤进行：一束激光沿电光晶体x₂主轴方向入射，经过线第一偏振片后，获得线偏振光，线偏振光沿x₂方向传播，且偏振方向与x₁、x₃轴成45°，未加电场时通过晶体时仍为线偏振光；施加x₁方向电场则o光和e光之间存在有位相差

式中n_o、n_e分别是o光和e光的折射率，l是光线在晶体中传输的长度，λ是光的波长，E₁调制信号的电场强度，由于调制信号的强度正比于电场E₁ ²，(4)式中由电场所引起位相变化与调制信号的强度呈线性关系；通过调整两偏振片与电光晶体x₂主轴的夹角使得不加电场调制时呈现消光，消除自然双折射引起的位相变化；当调制电压工作在U＝0和U_π/2时，分别对应于光的关和开状态，U_π为半波电压；在小信号调制的情况下，施加电场后位相差随调制信号的强度i_s成线性变化，出射光的强度I₂，I₂＝I₁sin(4πK_effE₁ ²l)/2∝E₁ ²∝i_s(5)，I₁为入射光的强度，E₁为施加的调制电场强度，i_s调制信号的强度，从而实现出射光强度随信号强度线性调制。

Images