CN104076573A - 电控连续渐变折射率电光晶体偏转器 - Google Patents

Abstract

电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，属于电光偏转器技术领域。本发明是为了解决现有声光衍射式偏转器对于光束的入射角度有要求，且对同一角度入射的不同波长的光波不能同时形成衍射偏转的问题。它将电光偏转晶体放置到待偏转光路中，使入射光束垂直入射于电光偏转晶体表面，所述入射光束的入射方向与电光偏转晶体的生长方向相垂直；沿垂直于电光偏转晶体生长方向施加外加电压，使电光偏转晶体沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转；所述外加电压的电场方向与光束的入射方向相垂直。本发明作为一种电光晶体偏转器。

Description

电控连续渐变折射率电光晶体偏转器

技术领域

本发明涉及电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，属于电光偏转器技术领域。

背景技术

在光信息通信，光学图像处理，信号处理等诸多领域内，偏转器是基本的光学功能元件之一，其应用广泛。传统的偏转器利用机械转动与反射系统进行组合，实现光束的偏转，存在结构复杂，体积大等缺点，无法满足系统小型化，集成化的要求，同时其偏转速率慢，物理惯性大，无法实现对光束的高速连续反向偏转。声光衍射式偏转器利用声波在材料中形成的驻波对材料的折射率形成周期调制，利用衍射达到偏转，虽然可以实现对偏转角度的高精度控制，由于原理上的限制，其存在以下两个缺点：第一、其形成驻波条件对媒介材料尺寸有一定的匹配要求；第二、材料对驻波变化形成新的折射率分布的响应时间相对较慢，第三、对于光束的入射角度有一定要求，且对同一角度入射的不同波长的光波不能同时形成衍射偏转。随着光通讯网络和光信息处理系统的发展，响应速度快，达到纳秒量级，同角度多波长同时可调的偏转器成为必然需求。

发明内容

本发明目的是为了解决现有声光衍射式偏转器对于光束的入射角度有要求，且对同一角度入射的不同波长的光波不能同时形成衍射偏转的问题，提供了一种电控连续渐变折射率电光晶体偏转器。

本发明所述电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，它包括电光偏转晶体和外加电压，

电光偏转晶体为顺电相电光晶体，沿顺电相电光晶体的生长方向切割获得，该顺电相电光晶体为采用顶部籽晶助溶剂法生长出的组分沿生长方向连续变化的晶体；

将电光偏转晶体放置到待偏转光路中，使入射光束垂直入射于电光偏转晶体表面，所述入射光束的入射方向与电光偏转晶体的生长方向相垂直；沿垂直于电光偏转晶体生长方向施加外加电压，使电光偏转晶体沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转；所述外加电压的电场方向与光束的入射方向相垂直。

所述电光偏转晶体为电光系数梯度分布的钽铌酸钾KTa_1-xNb_xO₃电光晶体，其电光系数梯度分布区间为0.96×10^-15m²V^-2～2.70×10^-15m²V^-2，沿生长方向组分铌Nb的变化区间x为0.359～0.371。

所述电光偏转晶体为采用K₂CO₃、Ta₂O₅和Nb₂O₅按照摩尔比例1.04:0.32:0.68配制总质量为100g的原料进行生长获得，该电光偏转晶体在放肩生长阶段的垂直提拉方向尺寸为11.80mm×11.80mm，在等径生长阶段的降温速度为0.4℃/h，其组分铌Nb的梯度分布为0.0031/mm。

所述入射光束为单一波长或多波长的激光束。

外加电压的两个连接端连接在电光偏转晶体的两个相对的表面上，该两个相对的表面上镀银电极。

电光偏转晶体输出端输出光束的偏转角度θ为：

$\mathrm{\θ}=l\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{dy}},$

式中l为电光偏转晶体沿通光方向的长度，为外加电场下电光偏转晶体沿生长方向的折射率梯度；

入射光束在电光偏转晶体内部的偏转轨迹y为：

$y=\frac{2}{n_0}\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{dy}}{x}^2,$

式中n₀为电光偏转晶体的初始折射率，y为沿晶体生长方向的坐标值，x为沿晶体通光方向的坐标值；

若入射光束为单一波长激光束，则外加电场作用下电光偏转晶体折射率变化量△n为：

$\mathrm{\Δn}=-\frac{1}{2}{n_0}^3{s}_{11y}{E}^2,$

式中s_11y为电光偏转晶体在y方向的二次电光系数，E为外加电压下的外加电场强度；

其折射率梯度为：

$\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{dy}}=-\frac{1}{2}{n_0}^{3}s{E}^2\frac{{\mathrm{ds}}_{11y}}{\mathrm{dy}},$

式中为电光偏转晶体的电光系数梯度；

若入射光束为多波长的激光束，则折射率的变化量△n为：

$\mathrm{\Δn}=-\frac{1}{2}{n_0}^3{s}_{11}(y,\mathrm{\λ})E^2,$

式中s₁₁(y,λ)为不同波长的激光束对应的电光偏转晶体二次电光系数，λ为入射光束的波长。

所述电光偏转晶体为4.10mm×3.96mm×1.43mm的长方体晶体，其初始折射率为2.24，其相应的二次电光系数的变化范围为0.96×10^-15m²V^-2～2.70×10^-15m²V^-2。

本发明的优点：本发明提供了一种结构简单，易于制备，偏转角度连续可调，高速可控，对同角度不同波长可同时作用的偏转器。它可以满足光通信网络对器件高响应速度的要求，达到纳秒量级，并满足多波长同时调制的要求，同时偏转器的体积小，可以满足系统小型化，集成化的要求。

本发明能够实现高速电控偏转，本发明中，电光偏转晶体使光束偏转对外加电场响应时间为晶体电光效应的响应时间，为纳秒量级，远优于机械偏转器及声光偏转器，可满足光网络对器件高速调制的要求；其电控性能好，当没有外加电压时，光束沿原来路径传播，外加电压后，实现光束偏转，并且偏转角度可以由外加电压控制；实现多波长同时偏转，多信道输出；本发明可以同时对多个波长的光束起到偏转作用，并且可以实现多个波长信号的多信道输出；应用范围广，可以对携带信息的光束进行偏转，以应用于光互联、光信息处理系统及光计算等领域。

附图说明

图1是本发明所述电光偏转晶体组分梯度分布的灰度图；

图2是图1的侧视图，图中箭头所示为晶体生长方向；

图3是本发明所述电控连续渐变折射率电光晶体偏转器在无外加电压情况下的光束传播路径示意图；

图4是图3的侧视图，其灰度表示折射率梯度分布；

图5是本发明所述电控连续渐变折射率电光晶体偏转器在有外加电压情况下的光束传播路径示意图；V_D是外加电压；

图6是图5的侧视图，其灰度表示在外加电压下，晶体的折射率梯度分布；

图7是本发明在晶体原料上切出电光偏转晶体位置处的温度与位置的对应关系图；

图8是本发明实验中电光偏转晶体内部光束轨迹模拟曲线图；

图9是本发明实验中电光偏转晶体内部光束偏转角模拟曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，它包括电光偏转晶体1和外加电压2，

电光偏转晶体1为顺电相电光晶体，沿顺电相电光晶体的生长方向切割获得，该顺电相电光晶体为采用顶部籽晶助溶剂法生长出的组分沿生长方向连续变化的晶体；

将电光偏转晶体1放置到待偏转光路中，使入射光束垂直入射于电光偏转晶体1表面，所述入射光束的入射方向与电光偏转晶体1的生长方向相垂直；沿垂直于电光偏转晶体1生长方向施加外加电压2，使电光偏转晶体1沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体1内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转；所述外加电压2的电场方向与光束的入射方向相垂直。

本实施方式中，外加电压2为直流或交流电压，通过外加电压2能够控制顺电相电光晶体形成连续渐变折射率分布，达到偏转目的。由于电光偏转晶体1沿生长方向的晶体组分连续变化，同一温度下各组分的电光系数不同，因而由电光效应引起的折射率变化也不同，导致外加电场条件下在电光偏转晶体1薄片内沿生长方向形成沿生长方向的折射率渐变。对于已经制备好的电光偏转晶体，其折射率梯度可以由外加电场控制；并且由于不同波长对应的电光系数不同，同一外加电场形成的折射率梯度对于不同波长的光波形成的折射率梯度也不一样。

当入射光束入射到电光偏转晶体1中，由于外加直流或者交流电压，电光偏转晶体1独特的组分分布使其内部形成沿生长方向折射率的渐变分布，导致沿生长方向不同位置光波在晶体中的传播的速度不同，进而导致晶体内部光波等相位面发生偏转，通过晶体后在输出端达到光束方向发生偏转的目的。电光偏转晶体1的开关状态及偏转角度可以由外加电压高速控制。当没有外加电压时，光束通过晶体沿原来方向传播，即偏转器为关的状态；当施加直流或者交流电压，晶体内部形成折射率渐变，使光波等相位面发生偏转，光束传播方向发生偏转，即偏转器为开的状态，其偏转角度可以由外加电压大小进行控制，并且响应时间在纳秒量级。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述电光偏转晶体1为电光系数梯度分布的钽铌酸钾KTa_1-xNb_xO₃电光晶体，其电光系数梯度分布区间为0.96×10^-15m²V^-2～2.70×10^-15m²V^-2，沿生长方向组分铌Nb的变化区间x为0.359～0.371。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述电光偏转晶体1为采用K₂CO₃、Ta₂O₅和Nb₂O₅按照摩尔比例1.04:0.32:0.68配制总质量为100g的原料进行生长获得，该电光偏转晶体1在放肩生长阶段的垂直提拉方向尺寸为11.80mm×11.80mm，在等径生长阶段的降温速度为0.4℃/h，其组分铌Nb的梯度分布为0.0031/mm。

本实施方式中的钽铌酸钾KTa_1-xNb_xO₃，简称KTN；组分铌Nb的梯度分布为0.0031/mm，即居里温度变化梯度为2℃/mm。

所述电光偏转晶体1通过控制熔体原料重量、生长晶体体积和降温速率来实现组分分布。它首先在900℃下进行烧料，得到多晶料。将烧好的多晶料在单晶炉内加热直至原料完全融化且均匀，随后采用[100]方向的籽晶下种收径，待收径结束后进入放肩生长阶段，为通过控制生长体积得到特定组分分布的KTN晶体，在放肩阶段将垂直于提拉方向的晶体尺寸控制在11.80mm×11.80mm大小，放肩阶段生长温度为1155℃。放肩达到要求后，通过调节温度和提拉速度使晶体进入到等径生长阶段，在等径生长阶段保持恒定的提拉速度与转速，通过控制生长温度控制晶体的生长，进入到等径生长阶段后，生长温度由放肩阶段的1155℃升至1157℃，并保持16小时，再由1℃/h的降温速度降至1150℃，并在此温度保持16小时，之后以0.4℃/h的降温速度降温生长直到生长结束，在切出样品位置处，温度与位置的对应关系如图7所示。KTN样品生长结束后，为了保证晶体的质量，采取缓慢降温的方法，将晶体拉离熔体页面1～2cm，以约30℃/小时的速率降温。由上述方向生长所得电光偏转晶体的尺寸为11.80mm×11.80mm×30.40mm。实验中采用顺电相KTN晶体器件尺寸为4.10mm×3.96mm×1.43mm，上下两端的电光系数为0.96×10^-15m²V^-2和2.70×10^-15m²V^-2。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，所述入射光束为单一波长或多波长的激光束。

在偏转光路中可以让多波长的入射激光束同时入射，入射方式与具体实施方式一中一致，由于不同波长对应的电光系数不同，所以在同样外加电压下各个波长对应的折射率梯度不一样，导致各波长等相位面发生偏转的角度不同，即偏转角度不同。因此电光偏转晶体1在实现多波长同步作用偏转的同时，还可以实现多信道的信号输出。

具体实施方式五：下面结合图3和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，外加电压2的两个连接端连接在电光偏转晶体1的两个相对的表面上，该两个相对的表面上镀银电极。

具体实施方式六：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，电光偏转晶体1输出端输出光束的偏转角度θ为：

$\mathrm{\θ}=l\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{dy}},$

式中l为电光偏转晶体沿通光方向的长度，为外加电场下电光偏转晶体沿生长方向的折射率梯度；

入射光束在电光偏转晶体1内部的偏转轨迹y为：

$y=\frac{2}{n_0}\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{dy}}{x}^2,$

式中n₀为电光偏转晶体的初始折射率，y为沿晶体生长方向的坐标值，x为沿晶体通光方向的坐标值；

若入射光束为单一波长激光束，则外加电场作用下电光偏转晶体折射率变化量△n为：

$\mathrm{\Δn}=-\frac{1}{2}{n_0}^3{s}_{11y}{E}^2,$

式中s_11y为电光偏转晶体在y方向的二次电光系数，E为外加电压2下的外加电场强度；

其折射率梯度为：

$\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{dy}}=-\frac{1}{2}{n_0}^3{E}^2\frac{{\mathrm{ds}}_{11y}}{\mathrm{dy}},$

式中为电光偏转晶体的电光系数梯度；

若入射光束为多波长的激光束，则折射率的变化量△n为：

$\mathrm{\Δn}=-\frac{1}{2}{n_0}^3{s}_{11}(y,\mathrm{\λ})E^2,$

式中s₁₁(y,λ)为不同波长的激光束对应的电光偏转晶体二次电光系数，λ为入射光束的波长。

本实施方式中，电光偏转晶体1的光入射方向为x，晶体生长方向为y，其外加电压电场方向为z；电光偏转晶体1在y方向具有渐变的二次电光系数，在外加电场作用下沿y方向形成渐变的折射率分布。入射光束为单一波长时，由于电光偏转晶体生长完成后电光系数分布是确定的，因此可以认为其电光系数梯度是定量。随着外加电场的增大，电光偏转晶体沿y方向的折射率梯度大小也不断增大，光束出射后的角度θ也随之增大，从而达到扫描的目的。对于不同波长的入射光，电光偏转晶体二次电光系数的分布不同，其入射光的偏转轨迹与偏转角度均不同，因此对于不同波长的光可以起到分束作用。

实验中，如果入射光束选择在晶体电光系数为2.70×10^-15m²/v²、相应梯度为9.1×10^-13m/v²处入射，则在25℃时，1.5kV/mm电场下得到的晶体内部光束轨迹如图8所示，偏转角模拟结果如图9所示。

具体实施方式七：下面结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一、二、三、四、五或六作进一步说明，所述电光偏转晶体1为4.10mm×3.96mm×1.43mm的长方体晶体，其初始折射率为2.24，其相应的二次电光系数的变化范围为0.96×10^-15m²V^-2～2.70×10^-15m²V^-2。

本发明的具体实施：

一、电光偏转晶体的制备：沿电光晶体生长方向切割得到尺寸为4.10mm×3.96mm×1.43mm的长方体晶体样品，沿晶体生长方向x的晶体尺寸为4.10mm，其组分沿生长方向梯度分布如图2所示，图2中颜色深浅变化代表组分的梯度变化，晶体生长方向c平行于纸面。在晶体平行于纸面的两个面上镀银电极，使外加电压方向沿y轴垂直于纸面。

二、高速电控偏转过程：当外加电压为零时，电光晶体中折射率分布如图4所示，其灰度变化代表折射率梯度，沿生长方向c折射率均匀分布。使光束沿z方向垂直入射到晶体表面，光斑直径内各位置传播相速度相同，等相位面保持不变，因此光束不发生偏转，沿原来光路传播。当外加电场为V_D时，沿生长方向各晶体组分电光系数不同，导致外加电场后沿生长方向晶体的折射率分布不同，具体折射率分布如图6所示，其灰度变化代表折射率梯度，光斑直径内各位置光波传输相速度不同，在晶体内传播一定距离后等相位面发生倾斜，导致光束传播方向发生偏转。折射率的变化量△n可以由外加电压大小通过晶体电光效应进行控制。

图5和图6所示，当入射光束偏振方向调为平行外加电场方向，其利用的电光系数分量为s₁₁,当入射光束偏振方向调节为垂直外加电场方向，其利用的电光系数为s₁₂,由于s₁₁>0,s₁₂<0,当光束偏振方向平行于垂直外加电场方向时，形成的折射率梯度方向相反，导致晶体中传播的等相位面倾斜方向相反，进而两偏振光的偏转方向相反。

当入射光束为多波长的激光束，当同偏振方向不同波长的光束入射到电光偏转晶体中，由于晶体不同波长的电光系数不同，折射率变化△n不仅是位置x的函数，而且是波长λ的函数，所以不同波长对应的折射率梯度也不同，因此相同电压下，不同波长的光束的偏转角不同，可以实现多波长信号的多通道输出。

三、电光偏转实例：生长出4.10mm×3.96mm×1.43mm的长方体晶体样品，取电光偏转晶体KTN光束入射方向为x，生长方向为y，电场方向为z，坐标轴单位为mm，三个方向对应的尺寸分别为4.10mm、3.96mm和1.43mm。晶体基础折射率为2.24，在生长方向上晶体Nb元素的含量x从0.359线性变化至0.371，相应的二次电光系数的变化范围为0.96×10^-15m²/V^-2～2.70×10^-15m²/V^-2。在25℃环境下，外加电场为800V/mm时，偏转角度能够达到13.4mrad，外加电场为1.5kV/mm时，偏转角度能够达到44.8mrad，响应时间小于10ns。

Claims (7)

1.一种电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，它包括电光偏转晶体(1)和外加电压(2)，

电光偏转晶体(1)为顺电相电光晶体，沿顺电相电光晶体的生长方向切割获得，该顺电相电光晶体为采用顶部籽晶助溶剂法生长出的组分沿生长方向连续变化的晶体；

将电光偏转晶体(1)放置到待偏转光路中，使入射光束垂直入射于电光偏转晶体(1)表面，所述入射光束的入射方向与电光偏转晶体(1)的生长方向相垂直；沿垂直于电光偏转晶体(1)生长方向施加外加电压(2)，使电光偏转晶体(1)沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体(1)内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转；所述外加电压(2)的电场方向与光束的入射方向相垂直。

2.根据权利要求1所述的电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，所述电光偏转晶体(1)为电光系数梯度分布的钽铌酸钾KTa_1-xNb_xO₃电光晶体，其电光系数梯度分布区间为0.96×10^-15m²V^-2～2.70×10^-15m²V^-2，沿生长方向组分铌Nb的变化区间x为0.359～0.371。

3.根据权利要求2所述的电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，所述电光偏转晶体(1)为采用K₂CO₃、Ta₂O₅和Nb₂O₅按照摩尔比例1.04:0.32:0.68配制总质量为100g的原料进行生长获得，该电光偏转晶体(1)在放肩生长阶段的垂直提拉方向尺寸为11.80mm×11.80mm，在等径生长阶段的降温速度为0.4℃/h，其组分铌Nb的梯度分布为0.0031/mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，所述入射光束为单一波长或多波长的激光束。

5.根据权利要求1、2或3所述的电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，外加电压(2)的两个连接端连接在电光偏转晶体(1)的两个相对的表面上，该两个相对的表面上镀银电极。

6.根据权利要求5所述的电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，电光偏转晶体(1)输出端输出光束的偏转角度θ为：

$\mathrm{\&theta;}=l\frac{\mathrm{d\&Delta;n}}{\mathrm{dy}},$

式中l为电光偏转晶体沿通光方向的长度，为外加电场下电光偏转晶体沿生长方向的折射率梯度；

入射光束在电光偏转晶体(1)内部的偏转轨迹y为：

$y=\frac{2}{n_0}\frac{\mathrm{d\&Delta;n}}{\mathrm{dy}}{x}^2,$

式中n₀为电光偏转晶体的初始折射率，y为沿晶体生长方向的坐标值，x为沿晶体通光方向的坐标值；

若入射光束为单一波长激光束，则外加电场作用下电光偏转晶体折射率变化量△n为：

$\mathrm{\&Delta;n}=-\frac{1}{2}{n_0}^3{s}_{11y}{E}^2,$

式中s_11y为电光偏转晶体在y方向的二次电光系数，E为外加电压(2)下的外加电场强度；

其折射率梯度为：

$\frac{\mathrm{d\&Delta;n}}{\mathrm{dy}}=-\frac{1}{2}{n_0}^{3}s{E}^2\frac{{\mathrm{ds}}_{11y}}{\mathrm{dy}},$

式中为电光偏转晶体的电光系数梯度；

若入射光束为多波长的激光束，则折射率的变化量△n为：

$\mathrm{\&Delta;n}=-\frac{1}{2}{n_0}^3{s}_{11}(y,\mathrm{\&lambda;})E^2,$

式中s₁₁(y,λ)为不同波长的激光束对应的电光偏转晶体二次电光系数，λ为入射光束的波长。

7.根据权利要求1、2或3所述的电控连续渐变折射率电光晶体偏转器，其特征在于，

所述电光偏转晶体(1)为4.10mm×3.96mm×1.43mm的长方体晶体，其初始折射率为2.24，其相应的二次电光系数的变化范围为0.96×10^-15m²V^-2～2.70×10^-15m²V^-2。