CN103135261B - 一种电光隔离器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光隔离器及其制作方法。选用铌酸锂晶体材料，根据室温下的位相匹配条件计算出铌酸锂晶体的周期；根据此周期，对晶片进行室温电场极化，在晶体的一端切除1.5个畴，得到具有偶数个完整畴加一个不完整畴的周期极化铌酸锂晶体；将晶体的b轴两侧镀上镍电极；将得到的晶体放入光路中，c轴沿z方向，通光方向沿x方向；在晶体的通光轴另一端放一起偏器；在晶体b轴两侧外接一电压，在晶体内部y方向提供稳恒电场，使线偏振光来回通过晶体一次后偏振面旋转90°，即偏振方向与起偏器垂直，从而达到光隔离的目的。

Description

一种电光隔离器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光无源器件，尤其涉及一种电光隔离器及其制作方法。

背景技术

光隔离器又称光单向器，是一种只允许光单向通过的光无源器件，在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。其作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。例如，在半导体激光源和光传输系统中，隔离器可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响；在高速直接调制、直接检测光纤通信系统中，隔离器可以消除后向传输光产生的附加噪声；在光纤放大器中的掺杂光纤的两端装上光隔离器，可以提高光纤放大器的工作稳定性等。因此，光隔离器的基本功能是实现光信号的正向传输，同时抑制反向光。

通常情况下，光在各向同性或各向异性介质中的传播光路是可逆的，光在介质中往返一次后会回到初始入射状态，不能实现偏振面旋转角度的积累。因此，光隔离器的设计必须考虑如何打破其可逆性。1845年，法拉第发现在处于磁场中的均匀各向同性媒质内，线偏振光束沿磁场方向传播时，其振动面发生旋转，这种现象称为法拉第效应。法拉第效应是不可逆的，光前向和反向通过相应介质时，其偏振面的旋转方向相反，光在介质中往返一次后其偏振面旋转的角度等于单程的两倍，因而可以实现反向光出射时的偏振面与入射光的起偏状态垂直，从而被起偏装置截止而被隔离。目前光隔离器的实现主要是基于法拉第效应，即利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。

传统的法拉第光隔离器需要增加磁场强度，封装比较难，并且磁光材料生长比较困难。

2003年，Y.H.Chen公开了一种周期性极化铌酸锂(简称PPLN)的电光效应在调Q掺入钒酸钇激光器中的应用，提出在电光效应下，线偏振光通过PPLN后，其偏振面会发生偏转；在满足准相位匹配的条件下，每个畴相当于一个半波片，一个不完整畴可以发挥四分之一波片的作用。

有鉴于此，同时考虑到线偏振光通过四分之一波片后变为圆偏振光，光两次通过一个四分之一波片相当于通过一个半波片，本领域的技术人员致力于开发一种电光隔离器，不需要磁光晶体，不需要加强磁场强度，组装简单。

发明内容

有鉴于PPLN的电光效应，本发明提出了一种电光隔离器及其制作方法。本发明考虑到线偏振光通过四分之一波片后变为圆偏振光，光两次通过一个四分之一波片相当于通过一个半波片，因此，通过在PPLN的末端附加具有一个四分之一波片作用的一个不完整畴，可以改变反射光入射到PPLN时的方位角，从而使线偏振光往返通过PPLN时具有不同的传播路径；光往返通过PPLN一次后，可以实现偏振面旋转角度的积累。在一定条件下，该积累的旋转角可以达到90度，从而可以实现一种电光隔离器。

本发明提供了一种电光隔离器，光路的方向为空间直角x-y-z坐标系中的x轴方向，其特征在于，包括起偏器、具有偶数个完整畴加一个不完整畴的z向切割的周期性极化铌酸锂晶体，所述晶体的a轴、b轴和c轴正方向分别对应所述x-y-z坐标系中的x轴、y轴和z轴正方向，所述晶体的b轴两侧镀有导电电极，所述导电电极外接电压，所述起偏器位于远所述晶体含有不完整畴端的一侧，所述起偏器的偏振方向沿z轴。

所述Z向切割的周期极化铌酸锂晶体是周期极化铌酸锂晶体的一种，在Z向切割的铌酸锂晶体+Z面上加电压进行极化，改变负畴区域的电畴极化方向。

优选地，所述晶体的b轴两侧镀有的导电电极为镍电极。

为实现上述目的，本发明专利公开了一种电光隔离器的制作方法。选用铌酸锂晶体材料，根据室温下的位相匹配条件计算出铌酸锂晶体的周期，并根据此周期，对铌酸锂晶片进行室温电场极化；在周期极化后的铌酸锂晶体的一端切除1.5个畴，得到具有偶数个完整畴加一个不完整畴的周期性极化铌酸锂晶体；晶体的a轴、b轴和c轴正方向分别对应所述x-y-z坐标系中的x轴、y轴和z轴正方向，将晶体的b轴两侧镀上导电电极；将得到的晶体放入光路中，通光方向沿x-y-z坐标系中的x轴方向；在远所述晶体含有不完整畴端的一侧放置起偏器；在晶体b轴两侧外接电压，在晶体内部y方向提供稳恒电场，使线偏振光来回通过晶体一次后偏振面旋转90°，即偏振方向与起偏器垂直，从而达到光隔离的目的。

本方法包括以下步骤：

(1)在室温下，计算满足准位相匹配条件下所需要的极化周期Λ；

所述的满足准相匹配条件下所需要的极化周期Λ，是指：

$\mathrm{\Λ}=2\frac{\mathrm{\λ}}{n_o-n_e}$

式中：λ--------入射光波长

n_o--------o光的折射率

n_e--------e光的折射率

(2)通过现有的室温极化技术，将铌酸锂晶体按照得到的极化周期实现周期性畴反转，得到含有个畴的周期性极化铌酸锂晶体(简称PPLN)，其中L+Λ为周期性极化铌酸锂晶体的长度；

(3)将周期性极化铌酸锂晶体的一端切除1.5个畴，得到具有个完整畴加一个不完整畴，即具有个畴的周期性极化铌酸锂晶体；

(4)晶体的a轴、b轴和c轴正方向分别对应所述x-y-z坐标系中的x轴、y轴和z轴正方向，在晶体的b轴两侧镀上导电电极；

(5)将晶体放入光路中，晶体的a轴、b轴和c轴正方向分别对应所述x-y-z坐标系中的x轴、y轴和z轴正方向，通光方向沿x方向；

(6)将起偏器放在远离晶体切除1.5个畴端的一侧，偏振方向沿z方向；

(7)晶体b轴两侧外接电压，在晶体内部y方向提供稳恒电场，使线偏振光通过晶体时发生电光效应，来回通过晶体一次后偏振方向旋转90°，即偏振方向与起偏器垂直，从而达到光隔离的目的。

其中，所述实现周期性畴反转是指：根据计算得到的正负电畴的排列顺序，用光刻方式在所述铌酸锂晶体的+Z面制作金属格栅，所述金属格栅与高压电源的一极相连，其中所述金属格栅的每一个的宽度为电畴宽度；所述高压电源的另一极与一块接地的、表面抛光的金属板相连，所述金属板直接与所述晶片的-Z面接触；由所述高压电源产生高压脉冲施加于+Z面的所述金属格栅与-Z面的所述金属板之间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服所述晶体内部的矫顽场使所述有电极的畴区域的电畴的自发极化方向反转；在无电极的畴区域，电畴的极化方向仍保持原来的方向，其中，+Z面与水平面垂直并面向z轴正方向。

所述的使线偏振光旋转90°的电压V，是指：

$V=\frac{\mathrm{d\π\Λ}(1/n_e^2-1/n_o^2)}{4{\mathrm{\γ}}_{51}(2L+\mathrm{\Λ})\mathrm{}}$

式中：d-------晶体的宽度；

L+Λ----晶体的长度；

γ₅₁-------晶体的电光系数；

该电压使晶体发生电光效应，使线偏振光的偏振面选装90°。理论上，前向光通过起偏器、周期性极化铌酸锂晶体后将完全通过，反射光通过极化铌酸锂晶体和起偏器后完全不通过，从而实现光隔离的目的。

本发明利用起偏器和具有偶数个完整畴加一个不完整畴的周期性极化铌酸锂晶体，利用周期性极化铌酸锂晶体的电光效应，实现线偏振光偏振态的偏转，从而达到光隔离的目的。通过施加合适的电压，使线偏振光的偏振面通过周期性极化铌酸锂晶体发生偏转，使前向光完全通过，反向光完全不通过，实现基于非磁原理的光隔离。基于周期性极化铌酸锂晶体具有较大的旋光系数，周期性极化铌酸锂晶体具有较强的旋光能力，在很小的电压下就能使反向光出射时的偏振态与入射光的偏振态互相垂直，达到光隔离的目的，相对于基于磁光效应的光隔离器，更易实现。由于积累的旋转角与入射线偏振光的偏振方位角无关，该隔离器适用于任何线偏振光，具有偏振无关的特点。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明一个具体实施例中电光隔离器的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施例中电光隔离器的制作流程图；

图3为本发明一个具体实施例中电光隔离器的工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。图1示出了本发明一个具体实施例的电光隔离器的结构示意图。将具有偶数个完整畴加一个不完整畴的周期性极化铌酸锂晶体放入光路中，通光方向沿x-y-z坐标系中的x轴方向；在远所述晶体含有偶数个完整畴加一个不完整畴端的一侧放置起偏器；在晶体b轴两侧外接电压，在晶体内部y方向提供稳恒电场，使线偏振光来回通过晶体一次后偏振面旋转90°，即偏振方向与起偏器垂直，从而达到光隔离的目的。

图2示出了本发明一个具体实施例中电光隔离器的制作流程。

(1)在室温下，计算满足准位相匹配条件下所需要的极化周期Λ；

$\mathrm{\Λ}=2\frac{\mathrm{\λ}}{n_o-n_e}$

式中：λ--------入射光波长

n_o--------o光的折射率

n_e--------e光的折射率

以1550nm波长为例，室温下Λ＝19.83μm。

(2)选取长50mm、厚度1mm，包含2520个畴的Z切割铌酸锂晶体，+/-Z面均抛光，其中+Z面与水平面平行并面向Z轴正方向，-Z面与水平面平行并面向Z轴负方向；根据得到的周期对晶体进行室温极化，改变电畴的极化方向，形成PPLN，具体如下：所述实现周期性畴反转是指：根据计算得到的极化周期Λ，即得到正负电畴的排列顺序，用光刻方式在所述铌酸锂晶体的+Z面制作金属格栅，所述金属格栅与高压电源的一极相连，其中所述金属格栅的每一个的宽度为电畴宽度；所述高压电源的另一极与一块接地的、表面抛光的金属板相连，所述金属板直接与所述晶片的-Z面接触；由所述高压电源产生高压脉冲施加于+Z面的所述金属格栅与-Z面的所述金属板之间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服所述晶体内部的矫顽场使所述有电极的畴区域的电畴的自发极化方向反转；在无电极的畴区域，电畴的极化方向仍保持原来的方向，其中，+Z面与水平面垂直并面向z轴正方向。

由于铌酸锂晶体的矫顽场为21kV/mm，所以施加在厚度为1mm的铌酸锂晶片上脉冲峰值电压要大于21kV/mm，脉冲周期的长短与次数与电极的实际表面积有关，可通过下面公式计算得到：

$I_{\mathrm{pol}}=\frac{V_1-V_c}{R_S}-\frac{V_c}{R_{\mathrm{vm}}},$ Q＝2P_sA, $t_{\mathrm{pol}}=\frac{Q}{I_{\mathrm{pol}}}$

式中I_pol为极化电流，V₁是高压电源直接输出的电压值，V_c是加在铌酸锂晶体上的电压，即实际极化电压，R_S、R_vm分别为分压电阻(100M和一可调电阻)，Q是晶体表面的输运电荷，P_S为铌酸锂晶体的自发极化强度，A为极化面积，t_pol是极化时间。

(3)将晶体的一端切除1.5个畴，得到具有偶数个完整畴和一个不完整畴的极化铌酸锂晶体；

(4)在极化铌酸锂晶体的b轴两侧镀上镍电极；

(5)将得到的铌酸锂晶体放入光路中，c轴沿z向，通光方向沿x方向；

(6)将一起偏器放在远离晶体切除1.5个畴端的一侧，偏振方向沿z方向，并置于光路中；

(7)在晶体b轴两侧外接一电压在y方向晶体内部提供稳恒电场，使线偏振光通过晶体时发生电光效应，往返一次后偏振面旋转90°。

图3示出了本发明一个具体实施例的工作示意图。1550nm的光通过起偏器后沿+z方向偏振，由于电光效应，经过铌酸锂晶体的偶数个完整畴后偏振面右旋45°，通过不完整畴后变为圆偏振光；当光反向沿-x方向传播时，圆偏振光通过不完整畴后变成沿-45°方向偏振的线偏振光，通过其余偶数个完整畴后右旋45°，变成沿y方向偏振的线偏振光，不能通过偏振方向沿z轴的起偏器，从而实现光隔离。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种电光隔离器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在室温下，计算铌酸锂晶体满足准位相匹配条件下所需要的极化周期Λ；

(2)通过室温极化技术，将所述铌酸锂晶体按照得到的所述极化周期实现周期性畴反转，得到含有个畴的周期性极化铌酸锂晶体，其中L+Λ为周期性极化铌酸锂晶体的长度；

(3)将得到的周期性极化铌酸锂晶体的一端切除1.5个畴，得到具有偶数个完整畴加一个不完整畴的周期性极化铌酸锂晶体；

(4)所述具有偶数个完整畴加一个不完整畴的周期性极化铌酸锂晶体的a轴、b轴和c轴正方向分别对应所述x-y-z坐标系中的x轴、y轴和z轴正方向，在所述晶体的b轴两侧镀上导电电极；

(5)将所述晶体放入光路中，所述晶体的a轴、b轴和c轴正方向分别对应所述x-y-z坐标系中的x轴、y轴和z轴正方向，通光方向沿x方向；

(6)将起偏器置于远离所述晶体切除1.5个畴的端的一侧，所述起偏器的偏振方向沿z方向；

(7)所述晶体b轴两侧外接电压，在所述晶体内部y方向提供稳恒电场，使线偏振光通过所述晶体时发生电光效应，来回通过晶体一次后偏振方向旋转90°，即偏振方向与起偏器垂直，从而达到光隔离的目的。

2.如权利要求1所述的一种电光隔离器的制作方法，其特征在于，步骤(2)中所述周期性极化铌酸锂晶体为长50mm、厚度1mm，包含2520个畴的Z切割铌酸锂晶体，所述铌酸锂晶体+Z和-Z面均抛光，其中+Z面与水平面平行并面向Z轴正方向，-Z面与水平面平行并面向Z轴负方向。

3.如权利要求1所述的一种电光隔离器的制作方法，其特征在于，所述极化周期是指：

$\mathrm{\Λ}=2\frac{\mathrm{\λ}}{n_o-n_e}$

式中，λ为入射光波波长，n_o为o光的折射率，n_e为e光的折射率。

4.如权利要求1所述的一种电光隔离器的制作方法，其特征在于，所述外接电压是指：

$V=\frac{\mathrm{d\π\Λ}(1/n_e^2-1/n_o^2)}{4{\mathrm{\γ}}_{51}(2L+\mathrm{\Λ})},$

式中，γ₅₁为电光系数，L+Λ为晶体长度，d为晶体宽度，n_o为o光的折射率，n_e为e光的折射率。

5.如权利要求1所述的一种电光隔离器的制作方法，其特征在于，所述实现周期性畴反转是指：根据计算得到的极化周期Λ，即得到正负电畴的排列顺序，用光刻方式在所述铌酸锂晶体的+Z面制作金属格栅，所述金属格栅与高压电源的一极相连，其中所述金属格栅的每一个的宽度为电畴宽度；所述高压电源的另一极与一块接地的、表面抛光的金属板相连，所述金属板直接与所述晶片的-Z面接触；由所述高压电源产生高压脉冲施加于+Z面的所述金属格栅与-Z面的所述金属板之间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服所述晶体内部的矫顽场使所述有电极的畴区域的电畴的自发极化方向反转；在无电极的畴区域，电畴的极化方向仍保持原来的方向，其中，+Z面与水平面垂直并面向z轴正方向。