CN102183851A - 反射式强度可调谐电控衍射光栅及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种反射式强度可调谐电控衍射光栅及其制备方法，反射式强度可调谐电控衍射光栅的构成包括包括透明电光陶瓷材料基底，在该透明电光陶瓷材料基底的入射面镀有入射光的增透膜，在该透明电光陶瓷材料基底的入射面相对的另一面上镀有两组相间的叉指电极，该两组叉指电极的连接点通过各自的电极引线与驱动电源的正负两极相连。通过驱动电源对叉指电极上的电压进行调节可以实现衍射光各衍射级之间能量分布发生变化，实现强度调谐。本发明具有电极制作简单且成本较低，光栅衍射效果不受电极厚度不均匀影响和光路紧凑可制作成集成光学器件的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学器件，具体涉及一种反射式强度可调谐电控衍射光栅及其制备方法，本发明可应用于制作光强调制器，光互连等科学研究工作中，亦可应用在制作微光学器件的工作中。
背景技术
衍射光栅作为光学的基础元件在很多方面都有着广泛的应用，比如用作分光镜或外腔激光器的选频器件。
目前国际上使用电光陶瓷材料制作的强度可调谐光栅，一种方案是叉指电极采用透明电极(ITO电极)制作，参见Song.Q.W所写的论文，“PLZT Based High-Efficiency Electro-optic Grating for Optical Switching”，这种透射式强度可调衍射光栅，电极为透明电极，实现了较好的强度调谐效果。但是这种方案存在的问题包括：透明电极制作难度较大，同时透明电极制作的不均匀性会影响光栅各衍射级的光强分布，同样会损害光栅各衍射级次光强的调谐效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决透明电极(ITO电极)制作困难和电极厚度的不均匀性影响光栅衍射效率的问题，提供一种反射式强度可调谐电控衍射光栅及其制作方法，该衍射光栅的电极制造工艺简单、电极厚度不影响衍射效果。
本发明的技术解决方案如下：
一种反射式强度可调谐电控衍射光栅，其特点在于包括透明电光陶瓷材料基底，在该透明电光陶瓷材料基底的入射面镀有入射光的增透膜，在该透明电光陶瓷材料基底的入射面相对的另一面上镀有两组相间的叉指电极，该两组叉指电极的连接点通过各自的电极引线与驱动电源的正负两极相连。
所述的透明电光陶瓷材料基底为透明的铌镁酸铅钛酸铅，或锆钛酸铅。
所述的透明电光陶瓷材料基底的基底的两表面为平行平面，或成一定夹角。
所述的叉指电极呈彼此平行的线条宽度和线条间隔均匀的梳齿状。
一种反射式强度可调谐电控衍射光栅的制备方法，该方法包括如下步骤：
①将一定厚度的电光陶瓷材料的两面抛光并清洁处理；
②根据设定的电极宽度及陶瓷材料的尺寸制作叉指电极掩模板；
③在所述的电光陶瓷材料的一面涂覆光刻胶，将所述的叉指电极掩模板紧贴在所述的电光陶瓷材料涂有光刻胶的一面上，放在光刻机中曝光；
④在表面溅射一层金属电极，使用化学溶剂去除光刻胶，光刻胶上表面附着的金属薄膜同时被剥离掉，形成所述的叉指电极；
⑤清洗所述的电光陶瓷材料；
⑥在所述的电光陶瓷材料的背面制作增透膜；
⑦在所述的叉指电极上使用导电胶制作连接点，用铜线将该连接点与所述的驱动电路的两极相连接。
6、根据权利要求5所述的反射式强度可调谐电控衍射光栅的制备方法，其特征在于所述的电光陶瓷材料为铌镁酸铅钛酸铅或锆钛酸铅。
本发明的工作原理如下：
当衍射光栅上叉指电极不加电压时，二次电光陶瓷材料内部各点的折射率相同，光在电光陶瓷材料内部走过的光程相同，仅在反射面上反射时，光在二次电光陶瓷材料与金属交界面反射和二次电光陶瓷材料与空气交界面反射引起的相位差不同，因此衍射光栅处于初始状态，此时对应着一个初始的各衍射级能量分布，中央0级衍射能量最强，其他衍射级次能量较弱，具体各级的能量分布取决于叉指电极的占空比。
当在所述的叉指电极上施加电压后，在电光陶瓷材料(如铌镁酸铅钛酸铅(PMNT又名PMN-PT)或者锆钛酸铅(PLZT))内部产生电场分布，由于电光效应的存在，该电场会导致材料内部的折射率发生变化，该折射率变化Δn与电场强度E的关系取决于所采应的透明电光陶瓷材料是一次电光效应还是二次电光效应。
以二次电光陶瓷材料PLZT为例，在电场E的作用下，PLZT材料不再是各向同性材料，且电光系数R11≠R12，因此其折射率变化在两个正交的偏振方向上是不同的。两个偏振方向上的折射率变化由下面两式表示：
式中，n0为未加电场时电光陶瓷材料本身的折射率，R11和R12为电光陶瓷材料电光系数矩阵中的两个元素，Ex为电光陶瓷材料内部x方向的电场强度值，Ey为电光陶瓷材料内部x方向的电场强度值。
因此不同位置入射的光在材料内部走过的光程是不同的，产生光程差，因此在远场产生干涉。
以非透明叉指电极占空比50％为例，当静电电压为0时，远场衍射图样中既有中央0级衍射图样存在，也有其他衍射级存在，包括正负一级。随着直流电压的增大，中央0级能量逐渐到达极大值，正负一级逐渐消失；随着直流电压的进一步增大，中央0级能量逐渐减小，正负一级能量逐渐增大，当中央0级能量到达极小值时，中央正负一级能量到达极大值；继续增大叉指电极所加电压，中央0级能量逐渐增强，正负一级能量开始减小。因此随着电压的变化，能量在各衍射级上的分配产生变化，实现了调谐效果。
本发明透明电光陶瓷材料厚度＜1mm。
本发明的优点在于：
1、采用光刻法制作金属电极操作简单、工艺成熟，制作得到的金属电极的厚度不均匀性不影响衍射调谐效果。而现有技术采用透明电极(ITO金属电极)透射式衍射光栅方案中，所镀的金属电极厚度不均匀会导致光在各个透明金属电极里所走的光程不同，光程差不再具有周期性，影响衍射效果。
2、本发明的非透明金属电极相对于透明金属电极(ITO金属电极)成本低，采用普通真空蒸镀即可实现。
3、光刻法制作的电极宽度较灵活，电极宽度和电极间空隙的宽度可以小到微米级，如果采用更为先进的光刻技术，可以到亚微米级；因此可以制作微型光学器件，在光通信产业中有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅基本工作原理示意图。
图2是本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅基本结构示意图。
图3是反射式强度可调谐电控衍射光栅实施例1的结构示意图。
图4是反射式强度可调谐电控衍射光栅实施例2的结构示意图。
图5是评估本发明衍射效率的偏振相关性之光学系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参见图1，图1是本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅的基本原理示意图。图中包括，透明电光陶瓷材料基底1和非透明金属叉指电极2。入射光为平面光波，平面光波经镀有增透膜的下表面入射到透明电光陶瓷材料内部，并在镀有非透明金属电极的上表面反射，并再次透过下表面出射。由于对叉指电极施加的电压，在透明电光陶瓷材料基底的内部存在折射率分布，不同位置的入射光在材料内部的光程不同，因此出射光不再是平面光波，而是存在相位差。由于电场分布的周期性决定了电光陶瓷材料内部折射率分布的周期性，因此出射光的相位也存在周期性分布。因此本发明可以构成一个相位型衍射光栅。
图2是本发明的反射式强度可调谐电控衍射光栅的基本结构示意图，由图可见，本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅100，其构成包括透明电光陶瓷材料基底20，在该透明电光陶瓷材料的上表面具有产生内部折射率分布的非透明金属叉指电极22，用导电胶制作连接端点24，通过铜线26将所述的连接端点24与直流驱动电源28的正负极相连。
直流驱动电源28为可调谐的高压驱动电源，可市场购买。反射式强度可调谐电控衍射光栅的调谐电压取决于透明电光陶瓷材料的电光系数与材料厚度，叉指电极22的宽度与占空比，入射光的入射角度、偏振和所需的各衍射级能量分布。因此不同情况下所需的调谐电压不同，这要求直流电源的驱动电压可以调谐。以叉指电极宽度100um，占空比50％，透明电光陶瓷材料为铌镁酸铅钛酸铅(PMNT)，材料厚度710um为例，入射光为波长为632.8nm的红光，入射角度约为8°偏振方向垂直于金属电极刻线，在此种情况下，中央0级能量完全消失所需调谐电压为41V。若采用其他电光系数较小的透明电光陶瓷材料，则中央0级能量完全消失所需调谐电压可达数百伏特。
图3为本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅实施例1的结构示意图，其结构特点为透明电光陶瓷材料的上下两个表面(镀有非透明金属电极的表面和镀有增透膜的表面)相互平行。
图4为本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅实施例2的结构示意图，其结构特点为透明电光陶瓷材料的上下两个表面(镀有非透明金属电极的表面和镀有增透膜的表面)具有一定的夹角，整个透明电光陶瓷材料呈现为梯形结构。
图5是评估本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅衍射效率的偏振相关性的光学系统示意图。由图可见，光栅的衍射效率偏振相关性测试系统，其构成包括：He-Ne激光器30，沿该He-Ne激光器30的激光输出方向依次是：准直透镜32，起偏器34，本发明静电驱动的反射式强度可调衍射光栅100，聚焦透镜36和CCD探测器38。
He-Ne激光器30发出的波长为632.8nm的红光经准直透镜32后进入起偏器34，得到线偏光，该线偏光进入本发明反射式强度可调谐电控衍射光栅100，并在非透明金属电极22和电光陶瓷材料的交界面发生反射，反射光经镀有增透膜的入射面出射，并在空气中传播一定距离后进入聚焦透镜36，使用CCD探测器38在聚焦透镜36的后焦面观察衍射情况。
由于驱动电源28对在非透明金属叉指电极22上施加电压之后，在电光陶瓷材料20内部形成电场分布。在电场作用下，电光陶瓷材料PMN-PT或者PLZT不再是各向同性材料，因此n0≠ne，不同的偏振方向对应着不同的折射率，所以不同偏振态的光在二次电光陶瓷材料内部走过的光程不同，因此会有不同的远场衍射分布。即本发明反射式强度可调衍射光栅存在偏振相关性。
Claims (6)
1.一种反射式强度可调谐电控衍射光栅，其特征在于包括透明电光陶瓷材料基底(20)，在该透明电光陶瓷材料基底(20)的入射面镀有入射光的增透膜，在该透明电光陶瓷材料基底(20)的入射面相对的另一面上镀有两组相间的叉指电极(22)，该两组叉指电极(22)的连接点(24)通过各自的电极引线(26)与驱动电源(28)的正负两极相连。
2.根据权利要求1所述的反射式强度可调谐电控衍射光栅，其特征在于所述的透明电光陶瓷材料基底(20)为透明的铌镁酸铅钛酸铅，或锆钛酸铅。
3.根据权利要求1所述的反射式强度可调谐电控衍射光栅，其特征在于所述的透明电光陶瓷材料基底(20)的基底的两表面为平行平面，或成一定夹角。
4.根据权利要求1所述的反射式强度可调谐电控衍射光栅，其特征在于所述的叉指电极(22)呈彼此平行的线条宽度和线条间隔均匀的梳齿状。
5.一种反射式强度可调谐电控衍射光栅的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
①将一定厚度的电光陶瓷材料的两面抛光并清洁处理；
②根据设定的电极宽度及陶瓷材料的尺寸制作叉指电极掩模板；
③在所述的电光陶瓷材料的一面涂覆光刻胶，将所述的叉指电极掩模板紧贴在所述的电光陶瓷材料涂有光刻胶的一面上，放在光刻机中曝光；
④在表面溅射一层金属电极，使用化学溶剂去除光刻胶，光刻胶上表面附着的金属薄膜同时被剥离掉，形成所述的叉指电极；
⑤清洗所述的电光陶瓷材料；
⑥在所述的电光陶瓷材料的背面制作增透膜；
⑦在所述的叉指电极上使用导电胶制作连接点，用铜线将该连接点与所述的驱动电路的两极相连接。
6.根据权利要求5所述的反射式强度可调谐电控衍射光栅的制备方法，其特征在于所述的电光陶瓷材料为铌镁酸铅钛酸铅或锆钛酸铅。
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