CN103018932B - 高频电光体位相调制器 - Google Patents

Abstract

一种高频电光体位相调制器，其结构包括波导同轴转换器、第一波导、螺钉、通光孔、E面弯波导、第二波导、第一截止波导、电光晶体和第二截止波导。本发明可用于激光系统受激布里渊效应的抑制和高功率激光装置光谱角色散匀滑，具有微波和光波相速度匹配、调制效率高和通光口径大的特点，适用微波工作频率范围为2-20GHz。

Description

高频电光体位相调制器

技术领域

本发明涉及激光光谱，特别是一种用于激光系统受激布里渊效应（SBS）的抑制和高功率激光装置光谱角色散匀滑的高频电光位相调制器。

背景技术

高频电光体位相调制器，一般采用微波信号来调制光波的位相，这种位相调制可以将窄带激光的光谱展宽：微波信号耦合到电光晶体中，由于晶体的横向电光效应，微波的正弦电场转化为晶体折射率的高频正弦变化；如果通过晶体的s偏振光波与微波相速度匹配，则在光波的位相中引入了一个高频调制的位相量，具体的原理请参考：文献郭凤珍等，“准速度匹配电光位相调制器”，中国激光，VolA24，No.4,pp.307-310(1997)。根据光波在晶体中的传输方式，调制器可以分为光波导位相调制器和体位相调制器，前者采用光波导传输，后者采用空间光传输。高频电光位相调制器可用于激光系统受激布里渊效应（SBS）的抑制，同时也是高功率激光装置光谱角色散匀滑（SSD）技术的核心器件之一。高频电光体位相调制器的技术难点是在于：

1)微波和光波的相速度匹配；

2)较大的通光口径；

3)高的Q值（Q值是度量调制器微波损耗的参数，值越大损耗越小）；

4)高的微波耦合效率，相关参数为反射系数S₁₁（反射电压与入射电压的比值，该值越小，代表耦合效率越高）。

目前，上文所引用文献报道的一种基于电光晶体周期性极性反转技术，具体是通过在钽酸锂晶体上施加高压使得晶体的局部极性发生反转，在一定微波频率下实现光和微波的准速度匹配，并采用行波电极的结构获得了16.25GHz的微波工作频率。该技术达到的是准速度匹配，跟速度匹配的效率相比还有较大差距；晶体极性反转技术对晶体的最大厚度有要求，这限制了调制器的最大通光口径，一般口径小于1mm，同时极性反转技术还会降低晶体的光学质量；调制器采用的是行波电极，Q值较低，通常在几十水平，这也影响调制器最终的效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术中涉及的现有高频电光体位相调制的技术难点，提供一种高频电光位相调制器，该调制器的特点是微波和光波相速度匹配、调制效率高和通光口径大，适用微波工作频率范围2-20GHz。

本发明的技术具体解决方案如下：

一种高频电光体位相调制器，特点在于其构成包括波导同轴转换器、第一波导、E面弯波导、第二波导、第一截止波导、电光晶体和第二截止波导，所述的第一波导、E面弯波导和第二波导构成一体，所述的第一波导的另一端通过标准法兰和所述的波导同轴转换器相连，所述的第一截止波导和第二截止波导与所述的电光晶体两端的通光面封装连成一体，所述的电光晶体的四个侧面镀金，该电光晶体形成高频微波谐振腔，所述的第二波导与所述的第一截止波导经定位销定位后，并由螺丝紧固成一体，所述的E面弯波导的弯角处设有通光孔，所述的s偏振的激光从所述的E面弯波导的通光口输入，从第二截止波导输出，所述的微波工作在TE_10m模，所述的电光晶体的尺寸满足微波和光波相速度匹配的要求，即：

宽 $B=\frac{c}{2f_o\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}-n^2}},$ 高 $H<\frac{c}{2f_o\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}},$ 长L＝(2φ+mπ)/β，

其中：f_o为微波工作频率，c为空气中光速，ε为微波工作频率下材料相应方向的介电常数，n为工作波长下s偏振光的折射率，m为正整数，φ＝arctan(α/β),α和β采用以下公式计算：

$\mathrm{\&alpha;}=\left[2\mathrm{\&pi;}{f}_c^{\&prime;}\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\sqrt{1-{(f_o/f_c^{\&prime;})}^2}\right]/c,$ 其中 $f_c^{\&prime;}=\frac{c}{2B},$

$\mathrm{\&beta;}=\left[2\mathrm{\&pi;}{f}_o\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\sqrt{1-{(f_c/f_o)}^2}\right]/c,$ 其中 $f_c=\frac{c}{2B\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}}.$

所述的电光晶体为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、磷酸氧钛钾晶体或砷酸钛氧铷晶体。

所述的E面弯波导设有调节螺钉，以调节微波的耦合效率。

所述的第一波导、E面弯波导和第二波导一体加工而成。

所述的波导是微波波段的标准波导，或经E面过渡后形成的非标准波导。

所述的E面弯波导是切角弯波导或圆弧弯波导。

本发明高频电光体位相调制器的优点如下：

1)通过调制器微波谐振腔体的长、宽、高关键参数的控制，实现了光波与微波的相速度匹配。

2)通光口径较大，其中~10GHz调制器，通光口径为2×3mm。基于材料周期畴反转的体调制器技术受制于晶体畴结构的加工工艺，调制器的口径只能做到~1mm，且畴结构会降低晶体的光学质量。

3)通过第一截止波导将微波耦合到晶体谐振腔的结构，并结合螺钉调节，极大地提高了调制器的微波耦合效率，S₁₁小于-15dB。

4)由于上述微波谐振腔式结构的运用，确保了调制器有高的Q值（~300），比行波结构的体调制器高一个数量级。使得调制器在较大口径的情况下，仍有较低半波电压。

附图说明

图1是本发明高频电光体位相调制器的结构示意图

图2是本发明高频电光体位相调制器的微波谐振腔段的俯视图和左视图

图3是高频电光体位相调制器的电光晶体的主视图和左视图

图4是由标准波导从E面锥形过渡成非标准高度的波导示意图

图5是激光双程通过本发明高频电光体位相调制器的光路结构示意图

图6是本发明高频电光体位相调制器的光谱展宽检测实验结果图

图中：1-波导同轴转换器、2-第一波导、3-螺钉、4-通光孔、5-E面弯波导、6-第二波导、7-第一截止波导、8-电光晶体、9-第二截止波导；GD_1-标准波导、GD_2-E面锥形过渡波导、GD_3-非标准波导；SC_1-反射镜、SC_2-高频电光体位相调制器、SC_3-法拉第旋光器、SC_4-二分之一波片、SC_5-透镜、SC_6-薄膜偏振片。

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。

实施例一：

先请参阅图1，图1是本发明高频电光体位相调制器的结构示意图，由图可见，本发明高频电光体位相调制器，构成包括波导同轴转换器1、第一波导2、E面弯波导5、第二波导6、第一截止波导7、电光晶体8和第二截止波导9，所述的第一波导2、E面弯波导5和第二波导6构成一体，所述的第一波导2的另一端通过标准法兰和所述的波导同轴转换器1相连，所述的第一截止波导7和第二截止波导9与所述的电光晶体8两端的通光面封装连成一体，所述的电光晶体8的四个侧面镀金，该电光晶体8形成高频微波谐振腔，所述的第二波导6与所述的第一截止波导7经定位销定位后，并由螺丝紧固成一体，所述的E面弯波导5的弯角处设有通光孔4，所述的s偏振的激光从所述的E面弯波导的通光口4输入，从第二截止波导输出，所述的微波工作在TE_10m模，所述的电光晶体8的尺寸满足微波和光波相速度匹配的要求，即：

宽 $B=\frac{c}{2f_o\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}-n^2}},$ 高 $H<\frac{c}{2f_o\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}},$ 长L＝(2φ+mπ)β，

其中：f_o为微波工作频率，c为空气中光速，ε为微波工作频率下材料相应方向的介电常数，n为工作波长下s偏振光的折射率，m为正整数，φ＝arctan(α/β),α和β采用以下公式计算：

$\mathrm{\&alpha;}=\left[2\mathrm{\&pi;}{f}_c^{\&prime;}\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\sqrt{1-{(f_o/f_c^{\&prime;})}^2}\right]/c,$ 其中 $f_c^{\&prime;}=\frac{c}{2B},$

$\mathrm{\&beta;}=\left[2\mathrm{\&pi;}{f}_o\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\sqrt{1-{(f_c/f_o)}^2}\right]/c,$ 其中 $f_c=\frac{c}{2B\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}}.$

所述的电光材料为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、磷酸氧钛钾晶体或砷酸钛氧铷晶体。

所述的第一波导2、E面弯波导5和第二波导6一体加工而成。

所述的波导是微波波段的标准波导。

所述的E面弯波导5是切角弯波导或圆弧弯波导。

所述的第一截止波导和第二截止波导，宽度小于c2f_o，也可以和晶体相同的宽度，截止波导的高度小于截止波导的宽度。

所述的调制器微波工作频率，在调制器封装好后，采用微波网络分析仪测试调制器的TE10m模的频率，并作为调制器的实际微波工作频率。

实施例二：

先请参阅图1，图1是本发明实施例的结构示意图，本实施例与实施例一的区别是所述的波导是微波波段的E面过渡后形成的非标准波导，如图4所示，图中：GD_1-标准波导、GD_2-E面锥形过渡波导、GD_3-非标准波导。

所述的调制器微波工作频率，在调制器封装好后，采用微波网络分析仪测试调制器的TE_10m模的频率，并作为调制器的实际微波工作频率。

实施例三：

本实施例与实施例一或实施例二的区别是，所述的E面弯波导5设有调节螺钉3，以调节微波的耦合效率。

举例说明：

以微波工作频率为~10GHz的体调制器为例，图中：1为X波段的波导同轴转换器；第一波导2是X波段的E面锥形过渡波导；螺钉3为M2；通光孔4为3×3mm；E面弯波导5的弯度为90度；第二波导6为非标准高度波导；第一截止波导7；电光晶体8为四面镀金的铌酸锂晶体；第二截止波导9。调制器的微波工作频率为10.3GHz，调制器的通光口径3×2mm，S₁₁参数小于-15dB。波长1053nm、脉宽3ns的窄带脉冲激光。

本发明高频电光体位相调制器可用于激光单通、双通或多通的情况，图5是激光双程通过本发明高频电光体位相调制器的光路结构示意图，图中SC_1-反射镜、SC_2-高频电光体位相调制器、SC_3-法拉第旋光器、SC_4-二分之一波片、SC_5-透镜、SC_6-薄膜偏振片。在微波功率300W情况下获得的光谱带宽约0.7nm，请参见图6，相应的调制深度为0.072rad/V。

Claims (5)

1.一种高频电光体位相调制器，特征在于其构成包括波导同轴转换器(1)、第一波导(2)、E面弯波导(5)、第二波导(6)、第一截止波导(7)、电光晶体(8)和第二截止波导(9)，所述的第一波导(2)、E面弯波导(5)和第二波导(6)构成一体，所述的第一波导(2)的另一端通过标准法兰和所述的波导同轴转换器(1)相连，所述的第一截止波导(7)和第二截止波导(9)与所述的电光晶体(8)两端的通光面封装连成一体，所述的电光晶体(8)的四个侧面镀金，该电光晶体(8)形成高频微波谐振腔，所述的第二波导(6)与所述的第一截止波导(7)经定位销定位后，并由螺丝紧固成一体，所述的E面弯波导(5)的弯角处设有通光孔(4)，s偏振的激光从所述的E面弯波导的通光孔(4)输入，从第二截止波导输出，微波工作在TE_10m模，所述的电光晶体(8)的尺寸满足微波和光波相速度匹配的要求，即：

宽 $B=\frac{c}{{2f}_0\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}-n^2}},$ 高 $H<\frac{c}{{2f}_0\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}},$ 长L＝(2φ+mπ)/β，

其中：f_o为微波工作频率，c为空气中光速，ε为微波工作频率下材料相应方向的介电常数，n为工作波长下s偏振光的折射率，m为正整数，φ＝arctan(α/β),α和β采用以下公式计算：

$\mathrm{\&alpha;}=\left[2\mathrm{\&pi;}{f}_c^{\&prime;}\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\sqrt{1-{(f_o/f_c^{\&prime;})}^2}\right]/c,$ 其中 $f_c^{\&prime;}=\frac{c}{2B},$

$\mathrm{\&beta;\&alpha;}=\left[2\mathrm{\&pi;}{f}_o^{\&prime;}\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}\sqrt{1-{(f_c/f_o^{\&prime;})}^2}\right]/c,$ 其中 $f_c=\frac{c}{2B\sqrt{\mathrm{\&epsiv;}}}.$

2.根据权利要求1所述的高频电光体位相调制器，其特征在于所述的电光晶体为铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、磷酸氧钛钾晶体或砷酸钛氧铷晶体。

3.根据权利要求1所述的高频电光体位相调制器，其特征在于所述的E面弯波导(5)设有调节螺钉(3)，以调节微波的耦合效率。

4.根据权利要求1所述的高频电光体位相调制器，其特征在于所述的第一波导(2)、E面弯波导(5)和第二波导(6)一体加工而成。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高频电光体位相调制器，其特征在于所述的E面弯波导是切角弯波导或圆弧弯波导。