CN105892104B - 一种电光调制光分路耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用周期性极化畴反转结构集成的电光调制光分路耦合器，包括2个输入接口和4个输出接口，主要由四个周期性极化畴反转结构和金属膜电极组成，四个周期性极化畴反转结构尺寸相同，呈X型对称排列，集成在一块晶体中，金属膜电级均匀覆盖在周期性极化畴反转结构的上下两个表面给畴反转结构施加电场，当使用1个输入和4个输出时为1×4的光分路器，通过控制电场的调节可以实现任意的分光比，当使用2个输入和4个输出时为2×4的光耦合器，通过控制电场的调节可以实现任意的耦合比，该电光调制光分路耦合器具有实时调节功能，可实现多种分光比和耦合比，应用于各种需要进行光分路和耦合的系统。
Description
技术领域
本发明涉及光分路耦合器，具体是一种电光调制光分路耦合器，主要由四个周期性极化畴反转结构电光调制单元组成，四个电光调制单元尺寸相同，呈X型对称排列在一块Z切的电光晶体中，每个电光调制单元包括一个矩形周期性极化畴反转结构和一对金属膜电级，金属膜电极均匀覆盖在周期性极化畴反转结构的上下两个表面，可以对周期性极化畴反转结构加电场，当给周期性极化畴反转结构施加电场时，由于晶体的电光效应，正、反畴结构的折射率发生变化，周期性极化的畴反转结构成为电光光栅，光束通过后发生衍射，在满足布拉格角入射的情况下发生布拉格衍射，光分为0级和1级衍射分束，成为1×2的光分路器，通过调节电场可以改变各衍射级的衍射效率，从而改变分光比，这样通过四个周期性极化畴反转结构电光调制单元的组合应用，可以构成1×4的可实现任意分光比的光分路器，以及2×4的可实现任意耦合比的光耦合器。适用于需要调节分光比和耦合比的光学系统。
背景技术
光分路器和耦合器是组建光路的重要基础光学元之一，应用于许多光学系统。目前能实现分光和耦合功能的光分路耦合器有很多种类，比如分光棱镜，光纤耦合器，衍射光栅等，但大都不具有实时调节功能，器件做好后其分光比和耦合比基本上是固定的，不能任意改变，这对需要进行功率分配调节的许多光学系统带来了诸多不便，因此本发明提供一种可进行实时调节的，并可实现多种分光比和耦合比功能的电光调制光分路耦合器。
发明内容
为克服现有光分路耦合技术不能很好实现实时调节功能的不足，本发明提供一种电光调制光分路耦合器，可实时实现1×4的多种分光比和2×4的多种耦合比，具体为在一块Z切的电光晶体平板上制作四个尺寸相同的周期性极化畴反转结构电光调制单元，四个电光调制单元呈X型对称排列，每个电光调制单元由一个矩形周期性极化畴反转结构和一对金属膜电极组成，金属膜电极均匀覆盖周期性极化畴反转结构，可以对周期性极化畴反转结构施加电场，在电场的作用下，周期性极化畴反转结构成为折射率相位光栅，光束通过时将发生衍射，在满足布拉格角入射的情况下只有0级和1级衍射，可作为1×2的光分束器，由于衍射效率可随施加电场的改变而改变，因此是可改变分光比的电光调制光分束器。一个电光调制单元可作为1×2的可调光分束器，将多个电光调制单元进行恰当组合，则可实现多路输出的1×2m(m为整数)可调光分束器，本发明提供的是一种集分束器和耦合器为一体的1×4的可调分光和2×4的可调光耦合器，具有两个输入端口和四个输出端口，当使用一个输入和四个输出时，为1×4的可调光分束器，当同时使用两个输入和四个输出时，为2×4的可调光耦合器。
在一块Z切的电光晶体中制作四个矩形的周期性极化畴反转结构，其中输入端两个，输出端两个，呈X型方式对称排列，每个周期性极化畴反转结构被相同形状的金属膜电极覆盖，可以给畴结构施加电场。当使用一个输入端口和四个输出端口时，光束首先被输入端的一个周期性极化畴反转结构衍射，分成两束光，接着分开的两束光分别进入输出端的两个周期性极化畴反转结构，两束光分别再次衍射分成四束光，通过控制三个周期性极化畴反转结构的施加电场，每一级的衍射效率都可以被改变，从而得到四束输出光强可变的1×4的可调光分路器。当使用两个输入端口和四个输出端口时，合理设计四个周期性极化畴反转结构的位置和畴壁方向，使得从两个输入端入射的光束在被输出端的两个周期性极化畴反转结构再次衍射时具有相同的衍射方向，从而实现光束的分光耦合，成为2×4的可调光耦合器。
本发明一种电光调制光分路耦合器，通过组合控制四个周期性极化畴反转结构的施加电场对各调制单元的衍射效率进行调节，可得到需要的任意分光比和耦合比。
本发明的技术解决方案如下：
一种电光调制光分路耦合器，包含两组共四个呈X型对称排列的周期性极化畴反转结构电光调制单元，每个周期性极化畴反转结构电光调制单元由矩形的周期性极化畴反转结构和相同形状的电极组成，电极均匀覆盖畴反转结构区域。所述的矩形周期性极化畴反转结构的畴壁与电光晶体入射端的表面分别成θ-90°角和90°-θ角，θ角为周期性极化畴反转结构的布拉格衍射角，根据公式θ＝arcsin(λ/2nΛ)确定，其中，λ为入射光波长，Λ为畴反转结构极化周期，n为周期性极化畴反转结构所处的背景介质折射率。
本发明一种电光调制光分路耦合器利用矩形相反畴结构的电光效应产生不同的感应折射率变化，使整个矩型周期性极化畴反转结构成为一个折射率相位光栅，在特定的条件下发生布拉格衍射，衍射光强可随电场的调制而改变，从而实现可调的光分路器和光耦合器。
附图说明
图1是本发明一种电光调制光分路耦合器结构图。
图2是本发明电光调制单元结构图
图3本发明电光调制单元电光衍射示意图
图4是本发明矩形周期性极化畴反转结构几何关系图
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明一种电光调制光分路耦合器结构如图1所示，其构成包括电光调制单元1(01)，电光调制单元2(02)，电光调制单元3(03)和电光调制单元4(04)，四个电光调制单元呈X型对称集成在一块长方形的电光晶体(05)中。每个电光调制单元包括一个矩形周期性极化畴反转结构(06)和一对金属膜电极(07，08)，金属膜电极均匀覆盖在周期性极化畴反转结构的上下两个表面。具有2个输入端口A，B和4个输出端口C，D，E，F。
该电光调制光分路耦合器的原理是基于相邻反转畴的电光效应，电光调制单元结构如图2所示，在晶体中制作极化方向相邻相反的畴结构，畴体极化方向和晶体自发极化相同的称为正畴，相反的称为负畴，当寻常偏振光o光或者是非常偏振光e光通过这样的畴结构时，在电场作用下，正畴和负畴的折射率变化为：
其中γ33为晶体电光系数，E＝U/d为施加在周期性极化畴反转结构上的电场，U为电压，d为晶片厚度，no和ne分别为寻常偏振光和非常偏振光的晶体折射率。这样周期性极化畴反转结构在电场的作用下就形成了折射率光栅，正畴和负畴区域为一个光栅周期Λ，光束通过折射率光栅发生衍射，当入射角为布拉格角时产生布拉格衍射，出现0级和1级衍射光，如图3所示，其中入射角布拉格条件为：
θ＝arcsin(λ/2nΛ)， (3)
这里，λ为入射光波长，Λ为畴反转结构极化周期，n为周期性极化畴反转结构所处的背景介质折射率。发生布拉格衍射时，0级和1级衍射光强I0和I1为：
I0＝Iicos2(KL) (4)
I1＝Iisin2(KL) (5)
其中，Ii为入射光光强，对寻常偏振光，对非常偏振光L为光在折射率光栅中通过的长度。因此，通过改变施加电场，可改变衍射光强，从而实现可调的功率分配功能。
利用上述特性，在Z切晶体中制作四个相同结构的周期性极化畴反转结构，设计入射端的周期性畴反转结构的极化畴壁和入射光成布拉格角，使之在电场作用下产生布拉格衍射，对电光调制单元1(01)和电光调制单元4(04)使用0级和-1级衍射，电光调制单元2(02)和电光调制单元3(03)使用0级和+1级衍射，以水平方向为入射方向，各电光调制单元的周期性极化畴反转结构的畴壁和入射方向成布拉格角θ，根据公式(2)确定。入射光束A通过电光调制单元1(01)分成0级和-1级衍射光，0级衍射光进入电光调制单元3(03)，被再次衍射输出光束D和C，-1级衍射光进入电光调制单元4(04)，再次发生衍射输出光束F，E，每个电光调制单元的衍射输出光强满足公式(3)和公式(4)，成为电光调制的1×4光分路器。入射光束B通过电光调制2(02)分成0级和+1级衍射光，0级衍射光进入电光调制单元4(04)，同样再次衍射后输出光束E和F，+1级衍射光进入电光调制单元3(03)，再次衍射后输出光束C和D，当A，B光束同时入射时，输出四个A，B合成的光束，成为耦合比可调的2×4光耦合器。
具体实施如下：(1)确定晶体材料，入射光偏振态和工作波长，本实施例采用钽酸铌晶体作为设计材料，非常偏振光为入射光，工作波长1550nm，在此波长上，非常偏振光对应的晶体折射率ne＝2.12。
(2)确定周期性极化畴反转结构的极化周期，根据工艺以及成本综合考虑极化周期为8.9μm，根据公式(5)计算出布拉格衍射角为θ＝2.35度。
(3)采用电场极化法，在长×宽×厚＝60mm×20mm×0.5mm的Z切晶片上制作四个尺寸相同，呈X型对称排列的周期性极化畴反转结构(06)，定义如图2所示的坐标平面，其中z方向为晶体的自发极化方向即晶体光轴方向，xy平面为垂直光轴的晶体主截平面，则电光调制单元1(01)和电光调制单元4(04)的周期性极化畴反转结构的畴壁方向和垂直方向y方向成θ-90°＝-87.65度角，电光调制单元2(02)和电光调制单元3(03)的周期性极化畴反转结构的畴壁方向和垂直方向y方向成90°-θ＝87.65度角。设计每个周期性极化畴反转结构的尺寸为长×宽＝6mm×5mm，以晶体中心按X型对称排列，如图4所示。
(4)制作好四个周期性极化畴反转结构后，给周期性极化畴反转结构镀上相同尺寸的金属膜电极07和08，这样，采用一束非常偏振光从A端口或者B端口入射，给每个电光调制单元加上电场，一个1×4电光调制光分路器就实现了，光通过每个电光调制单元的衍射光强分别由公式(4)和公式(5)确定，可以实时调节各输出端C，D，E，F的输出光强，实现不同的分光比。采用两束非常偏振光同时从A，B端口入射，则成为一个2×4的电光调制光耦合器，可以调节各电光调制单元的电场，实时调节两束光的耦合比。
Claims (2)
1.一种电光调制光分路耦合器，其特征在于，它包括2个输入端口和4个输出端口，其构成包括电光调制单元1(01)，电光调制单元2(02)，电光调制单元3(03)和电光调制单元4(04)，四个电光调制单元尺寸相同，呈X型对称排列在一块长方形的电光晶体(05)中；每个电光调制单元包括一个矩形周期性极化畴反转结构(06)和一对金属膜电极(07，08)，其中金属膜电极均匀覆盖在周期性极化畴反转结构的上下两个表面；
所述的电光调制单元1(01)和电光调制单元4(04)，其矩形周期性极化畴反转结构的畴壁与电光晶体入射端的表面成θ-90°角，θ角为周期性极化畴反转结构的布拉格衍射角，根据公式θ＝arcsin(λ/2n∧)确定，其中，λ为入射光波长，∧为畴反转结构极化周期，n为周期性极化畴反转结构所处的背景介质折射率；
所述的电光调制单元2(02)和电光调制单元3(03)，其矩形周期性极化畴反转结构的畴壁与电光晶体入射端的表面成90°-θ角。
2.根据权利要求1所述的一种电光调制光分路耦合器，其特征在于所述的电光晶体(05)为Z切的电光晶体平片，其光轴平行于周期性极化畴反转结构的极化方向。
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