CN102360130A - 基于缺陷结构的周期极化铌酸锂的电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电光效应使入射光波偏振方向旋转的电光调制器的设置方法。其特点是在周期结构的铌酸锂晶体中引入缺陷结构。该缺陷结构位于晶体正中间，其宽度为正常畴厚度的2倍。当基波入射至该晶体中，首先偏振方向逐渐发生旋转，在经过缺陷位置后，偏振方向则沿反方向旋转，出射光波则保持与原光波偏振方向相同的偏振状态出射，但相位发生很大的改变。本发明设置新颖，制备可行，在光通信领域可有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及含有缺陷结构的周期极化铌酸锂(PPLN)超晶格中的电光相互作用，以及基于这种作用的一种新型的电光调制器的设置。更具体而言，是一种通过电光效应改变入射光的偏振状态继而改变光波位相的一种电光调制器。
背景技术
上个世纪末全球的信息产业飞速发展，人们对通信的需求也不断增加，人们不仅要求能得到越来越多的语音、数据、图像等业务的传输，更希望能以更快的速度、更高的质量、更便捷的方式来获取信息。在这种形势下，对信息传输系统带来了压力和动力。高速、高效、大容量的宽带通信网络是现代通信网络发展的趋势。光纤凭借着其频带宽、容量大、损耗低等优点已成为现代通信网中一种不可替代的、最主要的信息传输方式。在光纤通信中，信息由激光器发出的光波所携带，光波就是载波，要实现信息的传输，首先必须把信息加载到光源发射的光波上，这一过程就是调制。光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件。
调制方式可分为内调制(也称直接调制)、外调制(也称间接调制)两种。内调制是将调制信号直接注入激光器，调制激光输出参数(如光强)。外调制方式是让激光器连续工作，把外调制器放在激光器输出端之后，用调制信号通过调制器对激光器的连续输出进行调制，因而不会影响光源工作的稳定性，可以提高光纤通信系统的质量。因此在目前高速长距离光纤通信系统中正成为主要的调制方式。从其实现的激励来讲，主要基于电光、声光、磁光和电吸收效应，其中电光效应是在光调制中得到最广泛应用的物理现象。电光效应(electro-optic effect)指材料折射率随外加电场变化的现象，介质的折射率变化随信号电压线性改变，介质折射率变化最终反映到光波相位、振幅或频率上，实现光调制。若电光效应追本溯源，则是由于构成材料原子的电子状态随电场变化，所以对电场变化的响应速度非常快，对飞秒级得电场变化也能瞬息响应，因此可以说这一物理效应最适合于用在超高速光调制器中。电光调制器的优点是响应速度快，调制速率高，带宽也大，且易于集成，此外电光调制无频率啁啾。电光调制器的材料一般为双折射材料，例如液晶与铌酸锂晶体等。设置铌酸锂超晶格提供的倒格矢可以满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配。
铌酸锂晶体是无机材料中电光系数最大的铁电晶体，而且其光学损耗很低，是目前光通讯主干线上高速长距离的主要外调制器。铌酸锂电光调制器具有带宽较宽、可抑制啁啾性能、波长独立性、损耗小等优点，是用于高速光通信系统最有希望的器件，而且铌酸锂材料成本低，工艺相对简单，现已成为国内外研发的热门器件。但是由于铌酸锂晶体的介电常数比较大，因此微波和光波之间的速度失配较大，调制带宽受到限制，如果要提升器件的带宽，需要对波导和电极做复杂的设置。而且干涉型、相位调制型器件的体积相对来说都比较大，因此其集成度具有一定的限制。对铌酸锂电光调制器仍需进一步的研究与改进。而周期极化铌酸锂已经是本申请人在先期的专利申请中有所体现。
参考文献如下：
1.罗雁横、张瑞君，光电子·激光15，190(2004)
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4.姜彬新型电光调制器原理及电路设置
5.E.L.Wooten et.al.IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics 6，69(2000)
发明内容
本发明目的是提出了一种基于电光效应使入射光波偏振方向旋转的电光调制器及其设置方法。这种方法及得到的电光调制器不改变入射光的偏振状态，但极大程度地改变了光波的位相，可以实现低电压的电光调制，而且结构紧凑，易于集成，在高速光通信系统中起到了至关重要的作用。
本发明的技术方案是：一种基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器的设置方法，含有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格基于电光效应引起偏振的旋转方向的旋转，所述铌酸锂超晶格提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配，其特征是：在周期结构中引入缺陷，缺陷位置处于中间，外部直流电源加到周期极化铌酸锂超晶格的y面上实现入射光偏振方向的旋转及沿反方向的旋转。X为光传输方向，Z为畴的极化方向。
在周期极化的铌酸锂超晶格中引入缺陷，所述缺陷是将位于周期极化铌酸锂超晶格中间的极化在一个方向的一个畴的厚度变为原来的两倍；正常的超晶格周期为l，畴宽度为l/2，缺陷畴宽度为l，是正常铁电畴宽度的两倍。本发明周期极化铌酸锂超晶格制备方法是利用常规脉冲外电场极化方法形成的周期铁电畴反转。
外部直流电源加到整块周期极化铌酸锂超晶格样品的y面上实现电光系数的周期性调制，从而使入射光波的偏振方向发生旋转；设置外部直流电源电场值均为E，含有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格是两部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期为N，入射光波在经过此部分周期超晶格后原偏振方向旋转至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍为N，与第一部分呈镜面关系，光波在经过此部分后新的偏振方向则沿方向旋转至原偏振方向；由于两部分的周期数相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出；光波的相位与没有外加电场的情况下发生较大的变化，且随着外加电场的变化而变化，用作电光调制器光波的相位的调整。
在周期极化的铌酸锂超晶格中引入缺陷，所述缺陷是将位于周期极化铌酸锂超晶格中间的(极化在一个方向的)一个畴的厚度变为原来的两倍；正常的超晶格周期为l，畴宽度为l/2，所述铌酸锂超晶格提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配；缺陷畴宽度为l，是正常铁电畴宽度的两倍。一个周期的二个不同方向的极化的畴的厚度也可以不同。
外部直流电源加到整块周期极化铌酸锂超晶格样品的y面上实现电光系数的周期性调制，从而使入射光波的偏振方向发生旋转；设置外部直流电源电场值均为E，含有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格是两部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期为N，入射光波在经过此部分周期超晶格后原偏振方向旋转至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍为N，与第一部分呈镜面关系，光波在经过此部分后新的偏振方向则沿方向旋转至原偏振方向。通过调节周期数N和每个周期畴的宽度调节入射光的迟延相位。
采用周期极化畴的铌酸锂超晶格，铌酸锂超晶格中间的一个畴的厚度变为原来的两倍；即超晶格周期为l，畴宽度为l/2，使铌酸锂超晶格提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配；所述中间畴宽度为l，是正常铁电畴宽度的两倍。可以认为是超晶格的第一段周期为N，超晶格的第二段周期仍为N，但第二段超晶格畴的结构与第一部分超晶格呈镜面关系，极化方向仍在同一轴上。所以二段连接的界面处形成了畴宽度的两倍的畴。
本发明的电光调制器原理是：
1、PPLN中的电光效应(electro-optic effect)：外部直流电场加在LN的y面上，由于电光效应使得介质隔离率张量发生变化，即使折射率椭球发生变形，表现为折射率椭球的主轴方向和长度发生变化。在外部电场E的作用下，折射率椭球主轴偏转角度θ为：
式中r51表示铌酸锂晶体的电光系数，ne、no表示对应波长的异常光与寻常光在晶体中传播时的折射率。
由于在PPLN中，由于在正负畴中三阶张量的符号相反，所以r51的符号也在正负畴中不同，新z坐标轴方位角也有所不同，在正畴区方位角为θ，负畴区的角度则变为-θ，这就形成了折叠式solc滤波器，可以对入射光进行偏振旋转。以x向入射y向偏振的光为例，第一个畴区的轴y′与光偏振方向之间的方位角为θ，通过第一个畴区后的出射光束的偏振方向与入射偏振方向之间有ψ＝2θ的夹角。第二个畴区的轴y′以方位角-θ取向，相对于入射到它的光的偏振方向有3θ的夹角，经过这一畴区后输出光的偏振方向将旋转6θ，并以与初始入射光偏振方向夹角-4θ取向。根据以上分析，由于这些畴区依次按+θ，-θ，+θ，-θ，……取向，而这些畴区的出射处的偏振方向呈现2θ，-4θ，6θ，-8θ，……值。因此经过N个畴区后，最终的方位角为2Nθ。若最终这个方位角为90°，输出光则变为沿z方向的线偏振光，从而完成偏振旋转的过程。
2、含有缺陷结构的样品可看作两部分不含缺陷的周期超晶格，当输入y偏振的光波入射至该样品后，经过第一部分，光波的偏振方向由于电光效应旋转至新的方向；由于缺陷结构的存在，第二部分与第一部分结构呈镜面关系，光波在经过第二部分后偏振方向由新的方向沿反方向旋转至原偏振方向。由于两部分的周期数相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出。光波的相位与没有外加电场的情况下发生较大的变化，因此可以通过设置周期数进行相位的任意调节，随着外加电场的变化而变化，可以用作电光调制器。
通过调节加在电光调制器y面上的直流电压，畴在Z轴上极化，入射光在X方向传播。
基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器，采用周期极化畴的铌酸锂超晶格，铌酸锂超晶格中间的一个畴的厚度变为原来的两倍；即超晶格周期为l，畴宽度为l/2，使铌酸锂超晶格提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配；所述中间畴宽度为l，是正常铁电畴宽度的两倍。
基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器，采用周期极化铌酸锂超晶格，可认为包括紧密连接二段超晶格，超晶格的第一段周期为N，超晶格的第二段周期仍为N，但第二段超晶格畴的结构与第一部分超晶格呈镜面关系，极化方向仍在同一轴上。
基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器在相位延迟方面的应用。
传统的铌酸锂电光调制器，光在晶体中传播时偏振方向不变，而本发明的偏振方向发生了旋转又转回的过程。传统的铌酸锂电光调制器，电场加在晶体上引起折射率椭球的芯片，无论是寻常光折射率(no)还是异常光折射率(ne)均发生变化，但由于晶体的电光系数一般在pm/v的量级，即使加到数十V/mm量级左右的电场，晶体的折射率改变仍很小。这样，铌酸锂调制器就电极就必须很接近，或者加场区就须较长。
本发明方法是机制上的变化，利用到铌酸锂的本征双折射(约0.08)，即不是用电场去改变折射率本身的大小，而是改变入射光的偏振方向，这样，在光的传播过程中，它可以部分改变偏振，进而改变传播速度(位相)，其变化量要远大于电场引起折射率变化对应的传播速度(位相)改变。而且，由于特殊的结构设置，最终光的偏振又可以完全回复。电场作用就只是改变了光的位相。因此无论是寻常光还是异常光，普通单畴铌酸锂仅能产生几个弧度的位相变化，而本发明的结构可以产生1000弧度的位相变化，增强两个数量级以上，可以根据实用任意进行设置；在应用上，本发明设置不但可以用作低电压的调制器，还可以用作可调的延迟线等等。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，其显著优点是：(1)传统的铌酸锂电光调制器，光在晶体中传播时偏振方向不变。但本发明中的电光调制器使基波的偏振方向发生了旋转但是接着沿反方向旋转到原偏振方向，出射光波则保持与原光波偏振方向相同的偏振状态出射，但相位发生很大的改变。(2)传统的铌酸锂电光调制器，电场加在晶体上引起折射率椭球的变化，由于晶体的电光系数在pm/V的量级，即使很高的电压折射率改变也很小。在相同的电压下，对于相同长度的普通的单畴铌酸锂仅能产生几个弧度的位相变化(图3(a))，但本发明中的电光调制器可以产生1000弧度的位相变化(图3(b))，增强两个数量级以上。(3)本发明设置新颖，制备可行，在光通信领域可有广泛的应用前景。本发明尤其是可以实现低电压的电光调制，而且结构紧凑，易于集成，在高速光通信系统中起到了至关重要的作用。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是在位相匹配点(入射波长为1550nm)处寻常光和异常光的光强随着晶体长度的变化。
图3(a)是单畴铌酸锂中位相改变量与所加电压的关系；(b)本发明中的电光调制器中位相该变量与所加电压的关系
具体实施方式
在周期极化的铌酸锂超晶格中引入缺陷，所述缺陷是将位于周期极化铌酸锂超晶格中间的(极化在一个方向的)一个畴的厚度变为原来的两倍；正常的超晶格周期为l，畴宽度为l/2，所述铌酸锂超晶格提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配；缺陷畴宽度为l，是正常铁电畴宽度的两倍。外部直流电源加到整块周期极化铌酸锂超晶格样品的y面上实现电光系数的周期性调制，从而使入射光波的偏振方向发生旋转；设置外部直流电源电场值均为E，所谓含有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格可以是两部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期为N，入射光波在经过此部分周期超晶格后原偏振方向旋转至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍为N，但畴的结构与第一部分超晶格呈镜面关系，光波在经过此部分超晶格后新的偏振方向则沿方向旋转至原来的偏振方向；由于两部分的周期数相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出。
下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是用这些实施例来限制本发明。
实施例1：
为了保证电光调制器工作在通信波段，设置入射波长为1550nm，根据电光效应的位相匹配条件，正常超晶格的周期为l＝20.48μm，所提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配；位于周期极化铌酸锂超晶格正中间的缺陷畴宽度为l＝20.48μm，是正常铁电畴宽度的两倍。外部直流电源加到整块周期极化铌酸锂超晶格样品的y面上实现电光系数的周期性调制，从而使入射光波的偏振方向发生旋转；设置外部直流电源电场值均为E＝360V/mm。将有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格是两部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期为N＝250，长度为IN＝5.12mm，入射光波在经过此部分周期超晶格后原偏振方向旋转至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍为N＝250，长度为IN＝5.12mm，光波在经过此部分后新的偏振方向则沿方向旋转至原偏振方向；由于两部分的周期数相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出。晶体总长度为10.48mm，入射光波在经过电光调制器后偏振方向不发生改变，但位相与没有外加电场的情况下发生较大的变化，且随着外加电场的变化而变化。本发明中的电光调制器可与普通的无缺陷的周期极化的铌酸锂超晶格构成一个Mach-Zehnder光强调制器。将电光调制器置于Mach-Zehnder干涉仪的一个分支上，普通的周期极化的铌酸锂超晶格置于另一分支上。通过调节加在电光调制器y面上的直流电压，畴在Z轴上极化，入射光在X方向传播；能够通过位相调制而调节干涉仪的输出光强，产生干涉的图像输出。由于同样的电压可实现较大的位相该变量，可将Mach-Zehnder光强调制器的半波电压降低到两个数量级。
实施例2：
为了保证电光调制器工作在通信波段，设置入射波长为1550nm，根据电光效应的位相匹配条件，正常超晶格的周期为l＝20.48μm，所提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配；位于周期极化铌酸锂超晶格正中间的缺陷畴宽度为l＝20.48μm，是正常铁电畴宽度的两倍。外部直流电源加到整块周期极化铌酸锂超晶格样品的y面上实现电光系数的周期性调制，从而使入射光波的偏振方向发生旋转；设置外部直流电源电场值均为E＝360V/mm。将有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格是两部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期为N＝250，长度为IN＝5.12mm，入射光波在经过此部分周期超晶格后原偏振方向旋转至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍为N＝250，长度为IN＝5.12mm，光波在经过此部分后新的偏振方向则沿方向旋转至原偏振方向；由于两部分的周期数相同，因此出射光波仍保持y偏振方向射出。晶体总长度为10.48mm，入射光波在经过电光调制器后偏振方向不发生改变，但位相与没有外加电场的情况下发生较大的变化，且随着外加电场的变化而变化。由于位相与电场的变化关系基本呈线性相关，可以用作电控的相位延迟器。对于晶体宽度为0.5mm的调制器来说，500V的电压即可获得1000弧度的电压改变量，半波电压可达到1V左右，大大降低了现有的铌酸锂的电光调制器的半波电压。
通过调节周期数N和每个周期畴的宽度调节入射光的迟延相位。
Claims (8)
1.一种基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器的设置方法，含有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格基于电光效应引起偏振的旋转方向的旋转，所述铌酸锂超晶格提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配，其特征是：在周期结构中引入缺陷，缺陷位置处于中间，外部直流电源加到周期极化铌酸锂超晶格的y面上实现入射光偏振方向的旋转及沿反方向的旋转。
2.根据权利要求1所述的基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器的设置方法，其特征是：在周期极化的铌酸锂超晶格中引入缺陷，所述缺陷是将位于周期极化铌酸锂超晶格中间的极化在一个方向的一个畴的厚度变为原来的两倍；正常的超晶格周期为l，畴宽度为l/2，缺陷畴宽度为l，是正常铁电畴宽度的两倍。
3.根据权利要求2所述的基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器的设置方法，其特征是周期性非线性极化率调制的含有缺陷的周期结构，制备方法是利用脉冲外电场极化方法形成的周期铁电畴反转。
4.根据权利要求2所述的基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器的设置方法，其特征是：外部直流电源加到整块周期极化铌酸锂超晶格样品的y面上实现电光系数的周期性调制，从而使入射光波的偏振方向发生旋转；设置外部直流电源电场值均为E，含有缺陷结构的周期极化铌酸锂超晶格是两部分不含缺陷的周期超晶格，超晶格的第一部分周期为N，入射光波在经过此部分周期超晶格后原偏振方向旋转至新的偏振方向；超晶格的第二部分周期仍为N，与第一部分呈镜面关系，光波在经过此部分后新的偏振方向则沿方向旋转至原偏振方向。
5.根据权利要求4所述的基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器的设置方法，其特征是：通过调节周期数N和每个周期畴的宽度调节入射光的迟延相位。
6.基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器，其特征是采用周期极化畴的铌酸锂超晶格，铌酸锂超晶格中间的一个畴的厚度变为原来的两倍；即超晶格周期为l，畴宽度为l/2，使铌酸锂超晶格提供的倒格矢满足入射光实现偏振旋转的波矢匹配；所述中间畴宽度为l，是正常铁电畴宽度的两倍。
7.基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器，其特征是采用周期极化铌酸锂超晶格，包括二段超晶格，超晶格的第一段周期为N，超晶格的第二段周期仍为N，但第二段超晶格畴的结构与第一部分超晶格呈镜面关系，极化方向仍在同一轴上。
8.基于电光效应引起偏振旋转的电光调制器在相位延迟方面的应用。
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