CN105739134B - 调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器 - Google Patents
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Abstract
一种调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器，其创新在于：所述电光相位调制器由两块钛扩散铌酸锂波导芯片拼接而成，其中一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用X切Y传模式，另一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用Z切Y传模式。本发明的有益技术效果是：提供了一种调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器，该高频电光相位调制器可与普通单模光纤系统适配，应用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种高频电光相位调制器，尤其涉及一种调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器。
背景技术
电光相位调制器在现代光电系统中有着重要的应用价值，如光纤电流传感器、光纤陀螺等；目前，在技术上较为成熟的电光相位调制器要算钛扩散铌酸锂调制器，但现有的钛扩散铌酸锂调制器只能在光信号具有单一的偏振态时(TE模或TM模)才能有效地工作，而普通单模光纤输出光的偏振态却是随机的，导致钛扩散铌酸锂调制器无法有效工作，大大的限制了钛扩散铌酸锂调制器的应用；
为了使钛扩散铌酸锂调制器能够适用于普通的单模光纤系统，亟待研制一种与偏振无关的钛扩散铌酸锂调制器，为此，本领域技术人员进行了大量的研究：1977年，R·A·Steinberg等人，提出在LiNbO3方向耦合型光开关中采用两组电极，分别提供水平场和竖直场以实现器件与偏振无关；1978年W·K·Burns等人运用上述采用两组电极的思想，设计制作了马赫-泽簿(Mach-Zehnder，缩写成M-Z)型调制器；1984年Y·Bourb1等人用调节电极与波导的相对位置建立非均匀场的方法，采用一组电极设计制作了与偏振无关的M-Z型调制器，但这种器件的设计难度较大，工艺精度要求较高；另外，国内还有报道利用Z传Ti扩散LiNbO3波导在X和Y轴方向上具有相同电光系数来实现制作的，但同时由于LiNbO3在X和Y轴方向上的电光系数只有Z轴方向的电光系数的几分之一，导致制作的器件往往需要较高的半波电压，效果不尽如人意。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器，包括由铌酸锂基底、调制电极和条形波导所组成的钛扩散铌酸锂波导芯片，所述调制电极由一根中心电极和两根地电极组成，其创新在于：所述电光相位调制器由两块钛扩散铌酸锂波导芯片拼接而成，其中一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用X切Y传模式，此钛扩散铌酸锂波导芯片记为第一钛扩散铌酸锂波导芯片，另一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用Z切Y传模式，此钛扩散铌酸锂波导芯片记为第二钛扩散铌酸锂波导芯片；调制电极发出的电场记为调制电场，调制电场与条形波导重叠的区域形成调制区；
当第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向与对应的铌酸锂基底的Z轴方向相反时，第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向也与对应的铌酸锂基底的Z轴方向相反，或者，当第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向与对应的铌酸锂基底的Z轴方向同向时，第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向也与对应的铌酸锂基底的Z轴方向同向；
另外，两块钛扩散铌酸锂波导芯片还满足如下条件：
其中，LX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，LZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，EZX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度，EZZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度。
本发明的原理是：
本领域技术人员应该清楚，LiNbO3晶体为单轴晶体，LiNbO3晶体X轴和Y轴晶向上的电光调制系数与Z轴晶向上的电光调制系数存在差异；将LiNbO3晶体制作成钛扩散铌酸锂波导芯片后，在对同时传导TE模和TM模的光信号进行调制时，就会出现芯片中的同一电场对TE模和TM模的电光调制系数不一致的问题，最终就使得现有的钛扩散铌酸锂调制器只有在光信号具有单一的偏振态时(TE模或TM模)才能有效地工作；
本发明的思路是，虽然钛扩散铌酸锂波导芯片对光信号的TE模和TM模具有不同的电光调制系数，但在电场方向和Z轴晶向的相对位置保持不变的条件下，钛扩散铌酸锂波导芯片对TE模和TM模的电光调制系数的比例是不变的，即：若在X切Y传的钛扩散铌酸锂波导芯片中沿着Z轴晶向的反方向加载一高频调制电场，此时，钛扩散铌酸锂波导芯片对TE模和TM模的电光调制系数的比例可记为1：x，那么，在Z切Y传的钛扩散铌酸锂波导芯片中沿着Z轴晶向的反方向加载一高频调制电场，此时，钛扩散铌酸锂波导芯片对TE模和TM模的电光调制系数的比例应为x：1(当X切Y传的钛扩散铌酸锂波导芯片上加载的高频调制电场沿着Z轴晶向的正方向加载时，Z切Y传的钛扩散铌酸锂波导芯片上加载的高频调制电场也应沿着相应铌酸锂基底的Z轴晶向的正方向加载)，于是，我们就可以通过两块不同调制方式的钛扩散铌酸锂波导芯片来对光信号进行两次调制，利用第二块钛扩散铌酸锂波导芯片的调制差异来对第一块钛扩散铌酸锂波导芯片的调制差异进行补偿(或修正)，从而获得一种调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器；
当然了，前面的分析仅是在理论上示明了本发明的可行性，具体实施时，还需要考虑钛扩散铌酸锂波导芯片的参数设置问题，于是，本发明中还限定了两块钛扩散铌酸锂波导芯片
须满足的条件，这一限定条件的得出，可由如下过程进行推导：
按本发明方案设置好高频电光相位调制器后，用高频电光相位调制器对同时传导TE模和TM模的光信号进行调制器，调制后的光信号的TE模式相位变化量和TM模式相位变化量可由如下两式示出：
ΔφTE＝ΔφneX+ΔφnoZ (1)
ΔφTM＝ΔφnoX+ΔφneZ (2)
其中，ΔφTE为TE模式相位变化量，ΔφTM为TM模式相位变化量，ΔφneX为对应第一钛扩散铌酸锂波导芯片的非寻常光相位变化量，ΔφneZ为对应第二钛扩散铌酸锂波导芯片的非寻常光相位变化量，ΔφnoX为对应第一钛扩散铌酸锂波导芯片的寻常光相位变化量，ΔφnoZ为对应第二钛扩散铌酸锂波导芯片的寻常光相位变化量；
由现有理论可知，电场调制时的相位变化公式为：
其中，Δφ为相位变化量、λ为光在真空中的波长、Δn为折射率变化量、L为调制区的长度；
另外，本领域技术人员应该清楚，寻常光在LiNbO3晶体X轴晶向和Y轴晶向上的折射率相同，为了便于阐述，将寻常光在X轴晶向和Y轴晶向上的折射率统一简称为寻常光折射率n0，非寻常光在LiNbO3晶体Z轴晶向上的折射率与n0不同，于是将非寻常光在Z轴晶向上的折射率简称为非寻常光折射率ne；由现有理论可知，同时传导TE模和TM模的光信号经钛扩散铌酸锂波导芯片调制时的折射率调制变化关系可由如下两式示出：
其中，Δn0为调制后的寻常光折射率变化量，Δne为调制后的非寻常光折射率变化量，n0为寻常光折射率，ne为非寻常光折射率，γ13为对应铌酸锂基底X轴晶向的电光调制系数，γ33为对应铌酸锂基底Z轴晶向的电光调制系数，电光调制系数的大小由铌酸锂基底的晶体轴向决定且为常量，EZ为对应铌酸锂基底Z轴的电场强度，电场强度的大小可通过调节电极间距进行控制；
于是，根据(3)式、(4)式和(5)式，(1)式和(2)式中的ΔφneX、ΔφneZ、ΔφnoX和ΔφnoZ又可展开为如下四个式子：
其中，LX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，LZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，EZX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度，EZZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度。
当高频电光相位调制器的调制效率与偏振无关时，ΔφneX、ΔφneZ、ΔφnoX和ΔφnoZ应满足ΔφnoX＝ΔφnoZ、ΔφneX＝ΔφneZ的条件，于是将(6)、(7)、(8)、(9)式代入前述条件并化简，即得其中，LX、LZ、EZX和EZZ均为芯片制作时的可调参数(EZX和EZZ的大小由电极间距决定，具体数值可调)，在明悉了本发明的方案和原理后，具备本领域基本技能的本领域技术人员应该就能够实施本发明了。
本发明的有益技术效果是：提供了一种调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器，该高频电光相位调制器可与普通单模光纤系统适配，应用范围更广。
附图说明
图1、本发明的结构示意图；
图2、第一钛扩散铌酸锂波导芯片断面图；
图3、第二钛扩散铌酸锂波导芯片断面图；
图中各个标记所对应的名称分别为：铌酸锂基底1、调制电极2、条形波导3、第一钛扩散铌酸锂波导芯片4、第二钛扩散铌酸锂波导芯片5、电场方向A、中心电极2-1、地电极2-2。
具体实施方式
一种调制效率(本文所指“调制效率”，即相位调制器分别对TE模和TM模的调制效率)与偏振无关的高频电光相位调制器，包括由铌酸锂基底、调制电极和条形波导所组成的钛扩散铌酸锂波导芯片，所述调制电极由一根中心电极和两根地电极组成，其特征在于：所述电光相位调制器由两块钛扩散铌酸锂波导芯片拼接而成，其中一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用X切Y传模式，此钛扩散铌酸锂波导芯片记为第一钛扩散铌酸锂波导芯片，另一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用Z切Y传模式，此钛扩散铌酸锂波导芯片记为第二钛扩散铌酸锂波导芯片；调制电极发出的电场记为调制电场，调制电场与条形波导重叠的区域形成调制区；
当第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向与对应的铌酸锂基底的Z轴方向相反时，第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向也与对应的铌酸锂基底的Z轴方向相反，或者，当第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向与对应的铌酸锂基底的Z轴方向同向时，第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向也与对应的铌酸锂基底的Z轴方向同向；
另外，两块钛扩散铌酸锂波导芯片还满足如下条件：
其中，LX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，LZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，EZX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度，EZZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度。
从图1和图2中可见，当第一钛扩散铌酸锂波导芯片采用X切Y传模式，只有将条形波导设置于中心电极和左侧的地电极之间，才能使调制区范围内的电场方向与铌酸锂基底的Z轴方向相反，当第二钛扩散铌酸锂波导芯片采用Z切Y传模式，只有将条形波导设置于中心电极正下方，才能使调制区范围内的电场方向与铌酸锂基底的Z轴方向相反，因此，条形波导和调制电极的位置关系是唯一确定的。
Claims (1)
1.一种调制效率与偏振无关的高频电光相位调制器，包括由铌酸锂基底、调制电极和条形波导所组成的钛扩散铌酸锂波导芯片，所述调制电极由一根中心电极和两根地电极组成，其特征在于：所述电光相位调制器由两块钛扩散铌酸锂波导芯片拼接而成，其中一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用X切Y传模式，此钛扩散铌酸锂波导芯片记为第一钛扩散铌酸锂波导芯片，另一块钛扩散铌酸锂波导芯片采用Z切Y传模式，此钛扩散铌酸锂波导芯片记为第二钛扩散铌酸锂波导芯片；调制电极发出的电场记为调制电场，调制电场与条形波导重叠的区域形成调制区；
当第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向与第一铌酸锂基底的Z轴方向相反时，第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向也与第二铌酸锂基底的Z轴方向相反，或者，当第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向与第一铌酸锂基底的Z轴方向同向时，第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区范围内的调制电场方向也与第二铌酸锂基底的Z轴方向同向；
构成第一钛扩散铌酸锂波导芯片的铌酸锂基底即为第一铌酸锂基底，构成第二钛扩散铌酸锂波导芯片的铌酸锂基底即为第二铌酸锂基底；
另外，两块钛扩散铌酸锂波导芯片还满足如下条件：
其中，LX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，LZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的长度，EZX为第一钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度，EZZ为第二钛扩散铌酸锂波导芯片上的调制区的电场强度。
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