CN103309057B - 非周期宽带响应电光调制器的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电光调制领域的非周期宽带响应电光调制器的制备方法，选择一种铁电单畴晶体；选择待制备的晶体中单个作用样本电畴宽度d和总电畴数目N，计算得到每个电畴区域的极化方向以获得每个正负电畴的排列顺序，从而形成非周期性光学超晶格；对非周期性光学超晶格结构进行室温电场极化；在所得的非周期性光学超晶格的+Z面上利用蒸镀的方式制备行波电极，并在行波电极的尾部串联一个高频电阻，于非周期性光学超晶格的晶体前设置一块偏振器从而形成电光调制器。本发明利用光学超晶格的非周期性来提供丰富的倒格矢，来补偿不同频率微波与光波之间的相速度差，从而迫使该类电光调制器能够在适用带宽下的不同频率微波驱动下，获得效果一致的调制作用。

Description

非周期宽带响应电光调制器的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种电光调制领域的制备方法，具体是一种非周期宽带响应电光调制器的制备方法。

背景技术

随着现代信息社会对高速、大容量通信系统的要求，光电子技术得到了迅速发展。利用比电子通信载频频率高1000倍的光子作为通信载频，克服了微电子技术的局限，实现了更准确、更高效和远距离地传送信息的目的。因此，作为将电子和光子紧密结合的“桥梁”，即电光调制器，得到了蓬勃的发展。

光调制就是将电信号加载到光波上并使得光波的可光测量，如位相、频率、振幅、偏振，发生变化的过程。通过在激光器的外部设置调制器，利用调制信号作用于调制元件时所产生的物理效应，使通过调制器的激光束的某一参量随调制信号变化。如今，利用聚合物材料制成和利用属于铁电畴晶体范围的铌酸锂材料制成的相位调制器和强度调制器的制作技术已经成熟，对于聚合物材料器件，其电光响应快，介电常数小，电光系数大，转换效率高等一些特点受到了研究者的广泛注意，但是从商用开发角度上看，由于该类电光调制器在光功率耐受性和长期稳定性比较差，使得商用开发价值小。而基于铁电畴晶体制成的电光调制器，无论是从光功率性耐受性还是长期稳定性，以及制作成本，都是理想电光调制器的选择。对于该类调制器的特点是：损耗小，典型的器件插入损耗为4dB左右，无频率啁啾器件的半波电压仅为5V。但是由于铌酸锂晶体中微波与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，需要对波导和电极作复杂的设计。然而，对于目前商用微波源来说，其出射微波频率往往由于工作温度，空气湿度，工作电压波动等一些不可预计的影响因素造成了“频率漂移”，其实际频率往往与需求频率存在一段频率差，造成电光调制器由于驱动频率不匹配而调制作用低下。因此，如何克服此类问题成为了光电类研究者的关注点之一。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102004332A，公开日2011-04-06，记载了一种基于内嵌共面波导结构的行波型光调制器，涉及电光调制器波导和电极的设计技术，属于光通信技术领域,涉及集成光学和光波导技术。要解决的技术问题是增强聚合物电光调制器的推挽效率，提高重叠因子，增大调制带宽，实现高速调制。本发明的行波型电光调制器电极结构，所述聚合物光波导芯层位于电极之间，构成一种内嵌共面波导电极结构；同时，过渡区采用1/4椭圆线来实现。但该现有技术光功率耐受性和长期稳定性存在偶然的因素，并且其成本高阻碍了商业开发以及大规模生产。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种非周期宽带响应电光调制器的制备方法，利用光学超晶格的非周期性来提供丰富的倒格矢，来补偿不同频率微波与光波之间的相速度差，从而迫使该类电光调制器能够同时在适用带宽下的不同频率微波驱动下，获得效果一致的调制作用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种非周期宽带响应电光调制器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选择一种在生长过程中长成沿介电体光轴方向自发极化的铁电单畴晶体；

步骤二、选择单个作用样本电畴区域宽度d和作用电畴总数目N，其中：d满足在现有室温电场极化的技术条件下实现电畴反转，同时小于电光调制器的电畴宽度Λ；N满足N×d≤L，L为铁电单畴晶体长度；

步骤三、计算得到每个电畴区域的极化方向以获得每个正负电畴的排列顺序，从而在铁电单畴晶体中形成非周期性光学超晶格结构；

步骤四、对非周期性光学超晶格结构进行室温电场极化,制作出实体结构；

步骤五、在步骤四所得的非周期性光学超晶格结构的+Z面上利用蒸镀的方式制备行波电极，并在行波电极的尾部串联一个高频电阻，于非周期性光学超晶格的晶体前设置一块偏振器而得到工作在室温下，能够对多频率响应的电光调制器，其中：X轴、Y轴位于水平面，Z轴位于垂直面，+Z面是与水平面垂直并面向Z轴正方向。

所述的步骤三的排列顺序具体是指选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大：

F＝ΣT(n)-10·Nσ； $\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\ΣT}\left(n\right)}{N};$ $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N-1}\mathrm{\Σ}{(T\left(n\right)-\mathrm{\μ})}^2};$

$T\left(n\right)=\frac{1.5\×{10}^8\·g\left(n\right)\·\sin \left(\frac{(2n-1)\mathrm{\λ}{f}_m\mathrm{\π}}{1.5\·{10}^8}\right)\·\sin \left(\frac{\mathrm{\λ}{f}_m\mathrm{\π}}{1.5\·{10}^8}\right)}{\mathrm{N\λ}{f}_m\mathrm{\π}},$ 其中：

F是目标函数，N是电畴区域数目，μ是样本均值，σ是均方差值，T(n)是样本各个电畴区域的调制强度，g(n)代表每个电畴区域的电畴方向，电畴方向为正则g(n)＝1，电畴方向为负则g(n)＝-1；n代表电畴区域的序号；f_m代表微波频率；λ代表确定的入射光波长。

所述的步骤四的室温电场极化具体是指改变各个电畴的自发极化方向，使得负电畴的晶轴方向与正电畴的晶轴方向相反，具体为：根据得到的正负电畴的排列顺序，用光刻方法在步骤三得到的晶体的+Z面制作数目与负电畴数目相同的金属格栅，该金属格栅与高压电源的一极相连，每个金属格栅的宽度等于电畴宽度d；高压电源的另一极与一块接地的、表面抛光的金属板相连，该金属板直接与步骤三得到的晶片的-Z面接触；高压电源产生高压脉冲施加于+Z面的金属格栅与-Z的金属板之间，在有电极的电畴区域，利用高压电场克服步骤三得到的晶体内部的矫顽场使有电极的电畴区域，电畴的自发极化方向反转；在无电极的电畴区域，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。

所述的高压脉冲的极化电流、极化时间与金属格栅的实际表面积通过公式得到：

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

I_pol为极化电流，Q是晶体表面的输运电荷，t_pol是极化时间，V₁是高压电源直接输出的电压值，V_c是加在非周期光学超晶格上的电压，即实际极化电压，R_s、R_vm分别为分压电阻100MΩ和一可调电阻，P_S为铁电单畴晶体的自发极化强度，A为金属格栅的实际表面积。

所述的步骤五中的行波电极长度为：宽度为：其中：

L_etro是所设计行波电极长度，W_etro是所设计行波电极宽度，H是铁电单畴晶体厚度，Z₀是特征阻抗，ε_r是铁电单畴晶体介电常数，t是行波电极厚度，C是电容，Δf是目标响应带宽，n_m是微波在铁电单畴晶体中的折射率，n_o是入射光在铁电单畴晶体中的折射率。

所述的步骤一中的铁电单畴晶体切割时沿该介电体光轴方向切割，上下表面平行且均进行抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向。

所述铁电单畴晶体为不掺杂任何杂质的纯铌酸锂晶体，其尺寸大小：长度L为65mm，宽度W为10mm，厚度H为0.5mm。

本发明涉及一种应用上述方法制备的非周期宽带响应电光调制器，该电光调制器在目标响应带宽条件下，即在f_m=2.7GHz～3.3GHz之间的任何频率微波驱动下，实现入射光的光谱可展宽幅度Δf_n＝2f_mθ，其中：Δf_n是光谱展宽度，f_m为微波频率，θ为光谱调制度。

技术效果

现有的电光调制器只能够单一地对匹配微波频率驱动起明显调制作用，而对匹配频率邻域内其他频率，调制效果迅速下降。然而，目前微波源会时常由于外界温度，空气湿度，工作电压不稳定等因素影响，造成出射微波频率漂移。因此，解决调制器对响应频率过于精确的要求成为了需要解决的问题之一。因此，本发明利用起偏器和经过特殊设计的铌酸锂晶体，成功解决了过去电光调制器对于因“频率漂移”导致的调制作用低下问题。本发明主要是基于准速度匹配原理，利用模拟退火算法，计算得到了能够对中心频率为3GHz，带宽为0.6GHz的微波响应的非周期畴结构分布，实现了在目标带宽内，确保该电光调制器对入射光的相位调制效果一致，避免了上述调制效果迅速下降的问题。另外，通过控制微波功率，可实现光谱扩展可控，达到调制目的。

附图说明

图1为实施例1的非周期性光学超晶格结构俯视图；

图2为实施例1中铌酸锂晶片的结构示意图；

图3为实施例1中行波电极的设计示意图；

图4为实施例1工作示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例制备非周期宽带响应的电光调制器，步骤具体如下：

（1）如图2所示，选取大小为65mm（长度L）×10mm（宽度W）×0.5mm（厚度H）。即厚度为0.5mm的Z切纯铌酸锂晶片，±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；

（2）设定入射光波长为λ=1053nm的连续光，设定驱动频率中心频率为3GHz，响应带宽为0.6GHz；

（3）选择单个作用样本电畴区域宽度d＝55μm，考虑后续步骤的封装便利性，选择作用电畴总数目N＝1000,即光波与微波作用长度为L_eff＝55mm，该作用区域起始于距晶片左端5mm处，结束于距晶片右端5mm处。

（4）根据响应频率范围要求，计算在单个电畴区域宽度条件下，微波与光波的相互调制强度T(n)：

$T\left(n\right)=\frac{1.5\×{10}^8\·g\left(n\right)\·\sin \left(\frac{(2n-1)\mathrm{\λ}{f}_m\mathrm{\π}}{1.5\·{10}^8}\right)\·\sin \left(\frac{\mathrm{\λ}{f}_m\mathrm{\π}}{1.5\·{10}^8}\right)}{\mathrm{N\λ}{f}_m\mathrm{\π}}$

其中，T(n)是样本各个电畴区域的调制强度，g(n)代表每个电畴区域的电畴方向，电畴方向为正则g(n)＝1，电畴方向为负则g(n)＝-1；n代表电畴区域的序号；f_m代表微波频率；λ代表确定的入射光波长。

（5）计算每个电畴区域的极化方向，获得正负电畴的排列顺序。选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算，使得目标函数最大。

F＝ΣT(n)-10·Nσ

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\ΣT}\left(n\right)}{N};$ $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N-1}\mathrm{\Σ}{(T\left(n\right)-\mathrm{\μ})}^2}$

其中F是目标函数，N是电畴区域数目，μ是样本均值，σ是均方差值。

（6）根据得到的正负电畴排列顺序对晶片进行室温电场极化，改变电畴区域的自发极化方向，使得负电畴的晶轴方向与正电畴的晶轴方向相反，从而得到非周期光学超晶格1，具体如下：

非周期光学超晶格+Z面上的金属格栅与外接高压电源之间的连接是通过氯化锂电解液来接触导通的。外接高压电源的负电极连接在一块接地并且表面抛光的金属板（未示出）上，直接与样品的-Z面接触。要保证外接高压电源产生的外接电场和金属格栅之间有良好的欧姆接触，且要防止高压击穿。所用外接电场为脉冲高压电场，由于铌酸锂晶体的矫顽场为21kV/mm，所以加载在厚度为0.5mm的铌酸锂晶片上脉冲峰值电压要大于11.5kV，脉冲周期的长短、次数与电极的实际表面积有关，可通过下面公式得到：

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

I_pol为极化电流，Q是晶体表面的输运电荷，t_pol是极化时间，V₁是高压电源直接输出的电压值，V_c是加在非周期光学超晶格上的电压，即实际极化电压，R_s、R_vm分别为分压电阻（100MΩ和一可调电阻），P_S为非周期光学超晶格的自发极化强度，A为金属格栅的实际表面积。

（7）如图3所示，由于本发明采用微波驱动方式，并且响应频率具有一定的带宽，因此电极必须采用行波电极2，并且行波电极2特征阻抗控制在50Ω，因此行波电极2的长度与宽度可通过下面公式计算得到：

长度： $L_{\mathrm{etro}}=\frac{2.8C}{\mathrm{\π\Δf}|n_m-n_o|}$

宽度： $W_{\mathrm{etro}}=\frac{7.48H}{\exp \left(\frac{Z_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+1.41}}{87}\right)}-t$

其中，L_etro是行波电极2长度，W_etro是行波电极2宽度，H是铌酸锂晶体厚度，Z₀是特征阻抗，ε_r是铌酸锂介电常数，t是行波电极2厚度，C是电容，Δf是目标响应带宽，n_m是微波在晶体中的折射率，n_o是入射光在晶体中的折射率。

（8）如图4所示，在非周期光学超晶格1前端设置偏振器3，以控制入射光的偏振特性为晶体中的非常光（E光），在距离铌酸锂晶体右端5mm处串联一个SMA接头的高频电阻，微波可从距离铌酸锂晶体左端5mm处由SMA接口导入，通过控制导入微波的功率，即可实现光谱扩展可控的，非周期宽带响应的电光调制器。

实施例2

本实施例为应用实施例1方法制备的非周期宽带响应电光调制器，该电光调制器在目标响应带宽条件下，即在f_m=2.7GHz～3.3GHz之间的任何频率微波驱动下，实现入射光的光谱可展宽幅度Δf_n＝2f_mθ，其中：Δf_n是光谱展宽度，f_m为微波频率，θ为光谱调制度。

Claims (3)

1.一种非周期宽带响应电光调制器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选择一种在生长过程中长成沿介电体光轴方向自发极化的铁电单畴晶体，其中铁电单畴晶体切割时沿该介电体光轴方向切割，上下表面平行且均进行抛光，上下表面的法线方向即为晶体的自发极化方向；

步骤二、选择单个样本作用电畴区域宽度d和作用电畴总数目N，其中：d满足在现有室温电场极化的技术条件下实现电畴反转，同时小于电光调制器的电畴宽度Λ；N满足N×d≤L，L为铁电单畴晶体长度；

步骤三、计算得到每个电畴区域的极化方向以获得每个正负电畴的排列顺序，从而形成非周期性光学超晶格，具体是指选定模拟退火算法的目标函数F，对正负电畴的排列顺序进行优化计算使得目标函数最大：

F＝ΣT(n)-10·Nσ； $\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\Σ}T\left(n\right)}{N};\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{1}{N-1}\mathrm{\Σ}{\left(T\right(n)-\mathrm{\μ})}^2};$

$T\left(n\right)=\frac{1.5\×{10}^8\·g\left(n\right)\·sin\left(\frac{(2n-1){\mathrm{\λf}}_m\mathrm{\π}}{1.5\·{10}^8}\right)\·sin\left(\frac{{\mathrm{\λf}}_m\mathrm{\π}}{1.5\·{10}^8}\right)}{{\mathrm{N\λf}}_m\mathrm{\π}},$ 其中：

F是目标函数，N是电畴总数目，μ是样本均值，σ是均方差值，T(n)是样本各个电畴区域的调制强度，g(n)代表每个电畴区域的电畴方向，电畴方向为正则g(n)＝1，电畴方向为负则g(n)＝-1；n代表电畴区域的序号；f_m代表微波频率；λ代表确定的入射光波长；

步骤四、对非周期性光学超晶格结构进行室温电场极化，制作出实体结构，具体是指改变各个电畴的自发极化方向，使得负电畴的晶轴方向与正电畴的晶轴方向相反，具体为：根据得到的正负电畴的排列顺序，用光刻方法在步骤三得到的晶体的+Z面制作数目与负电畴数目相同的金属格栅，该金属格栅与外接高压电源的一极相连，每个金属格栅的宽度等于电畴区域宽度d；高压电源的另一极与一块接地的、表面抛光的金属板相连，该金属板直接与步骤三得到的晶片的-Z面接触；高压电源产生高压脉冲施加于+Z面的金属格栅与-Z面的金属板之间，在有电极的电畴区域，利用高压电场克服步骤三得到的晶体内部的矫顽场，使有电极的电畴区域中电畴的自发极化方向反转；在无电极的电畴区域中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；

步骤五、在步骤四所得的非周期性光学超晶格的+Z面上利用蒸镀的方式制备行波电极，并在行波电极的尾部串联一个高频电阻，于非周期性光学超晶格结构的晶体前设置一块偏振器从而得到工作在室温下，能够对多频率响应的电光调制器，其中：X轴、Y轴位于水平面，Z轴位于垂直面，+Z面是与水平面垂直并面向Z轴正方向；

所述的行波电极长度为： $L_{etro}=\frac{2.8C}{\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}f|n_m-n_o|},$ 宽度为： $W_{etro}=\frac{7.48H}{\exp \left(\frac{Z_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r+1.41}}{87}\right)}-t,$ 其中：

L_etro是所设计行波电极长度，W是所设计行波电极宽度，H是铁电单畴晶体厚度，Z₀是特征阻抗，ε_r是铁电单畴晶体介电常数，t是行波电极厚度，C是电容，Δf是目标响应带宽，n_m是微波在铁电单畴晶体中的折射率，n_o是入射光在铁电单畴晶体中的折射率；

所述铁电单畴晶体为不掺杂任何杂质的纯铌酸锂晶体，其尺寸大小：长度L为65mm，宽度W为10mm，厚度H为0.5mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的高压脉冲的极化电流、极化时间与金属格栅的实际表面积通过公式得到：

$I_{pol}=\frac{V_1-V_c}{R_S}-\frac{V_c}{R_{vm}},Q=2P_{s}A,t_{pol}=\frac{Q}{I_{pol}},$

其中：I_pol为极化电流，Q是晶体表面的输运电荷，t_pol是极化时间，V₁是高压电源直接输出的电压值，V_c是加在非周期光学超晶格上的电压，即实际极化电压，R_s、R_vm分别为分压电阻100MΩ和一可调电阻，P_S为非周期光学超晶格的自发极化强度，A为金属格栅的实际表面积。

3.一种应用上述任一权利要求所述的制备方法制备得到的非周期宽带响应电光调制器，其特征在于，该电光调制器在目标响应带宽条件下，即在f_m＝2.7GHz～3.3GHz之间的任何频率微波驱动下，实现入射光的光谱可展宽幅度Δf_n＝2f_mθ，其中：Δf_n是光谱展宽度，f_m为微波频率，θ为光谱调制度。