CN107741657B - 一种极低半波电压的波导电光强度调制装置 - Google Patents

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Abstract

一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，包括基底、光波导、微电极、外加驱动电源(11)；以电光透明陶瓷做基底，以飞秒激光微加工的方法在电光透明陶瓷基底上诱导出光波导和制作微电极，集成为马赫曾德尔电光调制器，微电极分别与外加驱动电源(11)相连。本发明具有半波电压低、响应速度快和消光比高的特点，可应用于激光光电子器件和光通信等领域。

Description

一种极低半波电压的波导电光强度调制装置
技术领域
本发明涉及一种波导电光强度调制装置。
背景技术
透明PLZT/PMNT电光陶瓷具有宽的传输波段(0.4～7μm)、大的二次电光系数(等效条件下比LiNbO3高两个数量)、高的激光损伤阈值(>500MW/cm2)、快的响应速度(几十纳秒)等诸多的优点，使得透明PLZT/PMNT电光陶瓷在新型高功率电光开关领域有了很多研究，在器件的创新性上取得了一定的研究成果。结合当前社会迅猛发展的飞秒激光脉冲，利用其可以聚焦在材料体内中进行微加工的独特优势，使得陶瓷在降低尺寸或者激光诱导改性来改善器件的损耗和提高材料的响应速度等方面有着重要意义，另外陶瓷在不加电压时为各项同性介质，因此对于波导集成光电器件无须晶轴的选择方面有着优势，两种小学科的结合使得材料和激光技术的应用相得益彰。
飞秒激光微加工波导技术可应用于玻璃、晶体、陶瓷等各种材料，开创了波导三维刻写的可能。仅采用振荡器的技术能够将刻写的速度增加三到四个数量级，并能够在不改变聚焦情况的条件下，很容易的控制横截面直径。尽管飞秒激光刻写是一个连续的过程，在10×10平方毫米的区域内刻写10um长、间距为10um的波导微结构，能够在10分钟内完成。因为这种技术既不需要掩膜版，也不需要后处理，如今的飞秒激光刻写技术的速度已经接近光刻技术的水平。在过去十年间，飞秒激光微刻的传输损耗、折射率对比以及弯曲半径等特征的内部联系已经被表述。对于很大一部分材料和加工工艺而言，传输损耗是0.1dB/mm量级。波导折射率的空间特性与材料和加工工艺密切相关，接近从石英基底制备光纤。此外，最小弯曲半径已经达到数十毫米量级。
截至到现在，利用PLZT透明陶瓷的电光双折射效应，只有薄膜波导结构有做报道。Kawaguchi在1984年利用离子刻蚀的方法制作了PLZT薄膜波导,波导长度在20μm的情况下损耗为5dB/cm(通讯波段),并制作了早期的MZ电光调制器，半波电压为10V,调制深度为30％。G.H.Jin等也利用固相外延法制成了PLZT薄膜波导，在1550nm波段的损耗为2.7dB/cm，响应制作的MZ调制器半波电压为8.5V。Nashimoto等人用在前期的基础之上也制作了PLZT薄膜波导并提出了一些光电器件应用，如薄膜光束偏转器，电光开关、滤波器等。
综上所述，以飞秒激光未加工技术制作波导结构的工艺既能使得电光陶瓷保留其电光系数大等优点，又能利用其微结构获得极低的电压和更快的响应速度。将激光诱导波导结构器件应用与透明电光陶瓷相结合，开创了透明电光陶瓷和飞秒激光的交叉学科。既为透明电光陶瓷在高速电光器件上的应用指明了新的方向，又为波导器件的发展和集成提供了更多的可能性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明将激光诱导波导结构器件应用与透明电光陶瓷相结合，提出了一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，具有驱动电压低、响应速度快和消光比高的特点，可应用于激光光电子器件和光通信等领域。
本发明所采用的技术方案是：一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，包括基底、光波导、微电极、外加驱动电源；以电光透明陶瓷做基底，以飞秒激光微加工的方法在电光透明陶瓷基底上诱导出光波导和制作微电极，集成为马赫曾德尔电光调制器，微电极分别与外加驱动电源相连。
所述光波导包括第一传输光波导、第二传输光波导、第三传输光波导、第四传输光波导、第五传输光波导、第六传输光波导、调制光波导、第八传输光波导；第一传输光波导分别连接第二传输光波导和第六传输光波导，第二传输光波导和第六传输光波导之间存在夹角，第三传输光波导两端分别连接第二传输光波导、第四传输光波导，调制光波导两端分别连接第六传输光波导、第八传输光波导，第四传输光波导、第八传输光波导交汇于第五传输光波导，第五传输光波导和第一传输光波导在一条直线上，第四传输光波导和第八传输光波导之间存在夹角。
所述微电极包括微电极、微电极；微电极和微电极分别设置在调制光波导两侧，并使用银胶连接外加驱动电源。
所述调制光波导、第三传输光波导均与第一传输光波导平行。
所述第二传输光波导和第六传输光波导之间的夹角小于5度。
所述第四传输光波导和第八传输光波导之间的夹角小于5度。
所述第一传输光波导的入口、第五传输光波导的出口分别在电光透明陶瓷两侧端面，第一传输光波导、第二传输光波导、第三传输光波导、第四传输光波导、第五传输光波导、第六传输光波导、调制光波导、第八传输光波导组成的波导结构与陶瓷上表面平行且距离上表面100μm～150μm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用飞秒激光诱导波导，波导易于形成，制作简单。飞秒激光烧蚀材料刻蚀电极，尺寸小，适用于波导通光结构。针对电光调制的功耗问题，采用新型电光陶瓷结合飞秒激光微加工技术制作电光调制装置，利用其电光双折射效应及很高的电光系数来降低驱动电压，将光传输和调制集成与同一各项同性基底，对光电子集成领域的发展具有重要意义。
(2)本发明的半波电压极低，在1V以下。双折射电光陶瓷选择有立方晶系结构的材料如PMNT、PLZT等。此类新型透明陶瓷具有二次电光效应，电光系数大，已经在大尺寸电光调制的激光系统方面发挥了至关重要的作用。PMNT的电光系数在30×10-16m2/V2～66×10- 16m2/V2，前文在计算半波电压时选用的电光系数为40×10-16m2/V2，通光长度为6.5cm，计算得出的半波电压为1V。如果选择具有更高电光系数的材料以及增加通光长度均可使得半波电压更低，以满足实际应用。
(3)本发明采用的透明电光陶瓷为各项同性介质，避免了常用晶体如铌酸锂、磷酸二氢钾等单轴晶体复杂的轴向对准问题。本发明在制作调制器时无晶向选择问题，为实现光电子集成提供了便捷。
(4)本发明采用光电子器件和飞秒激光微加工，特点是以飞秒激光聚焦到透明陶瓷形成波导，以飞秒激光烧蚀制作微电极，调制器驱动电压极低。
附图说明
图1是波导结构电光调制器的结构示意图；
图2为基于PMNT的电光双折射效应示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，图1是本发明极低电压调制器的结构示意图，由图可见，一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，包括第一传输光波导1，第二传输光波导2，第三传输光波导3，第四传输光波导4，第五传输光波导5，第六传输光波导6，调制光波导7，第八传输光波导8、微电极9，微电极10和外加电源11，以电光透明陶瓷(PLZT/PMNT)做基底，以飞秒激光微加工的方法在电光透明陶瓷基底上诱导出光波导和制作微电极，集成为马赫曾德尔电光调制器(M-Z干涉仪)，微电极分别与外加驱动电源11相连。上述元部件的位置关系如下：
第一传输光波导1，第二传输光波导2，第三传输光波导3，第四传输光波导4，第五传输光波导5，第六传输光波导6，调制光波导7和第八传输光波导8形成一个M-Z干涉仪。
激光器发出的光入射到所述的第一传输光波导1，以1:1耦合进入第二传输光波导2和第六传输光波导6。第二传输光波导2和6之间的夹角小于5度。其中一路光通过光波导2耦合入第三传输光波导3。第三传输光波导3为M-Z干涉仪的一条臂，另一路光通过第六传输光波导6耦合进入调制光波导7。调制光波导7为M-Z干涉仪的另一条臂。两路光分别通光第四传输光波导4和第八传输光波导8耦合进入第五传输光波导5，两路光在第五传输光波导5内进行干涉并输出。
外加驱动电源11分别与微电极9和微电极10相连接。通过外加电压的变化对调制光波导内光相位进行调制。
本发明的整个框架由飞秒激光微加工技术诱导的光波导和微电极以及外加驱动电源组成。电光透明陶瓷材料要求六面抛光，在光波导截面的两个面镀增透膜。微电极间距为50μm，调制长度不小于10mm，实现电压低于1V，响应速度在1ns左右。
调制器加工完成后，以通信波段的光入射，使偏振方向与两微电极所产生电场方向平行，以得到最好的调制效果。
飞秒激光微加工技术诱导光波导的方法具体步骤如下：
将六面抛光的PLZT透明陶瓷用去离子水、丙酮、无水乙醇分别超声清洗。选取合适的飞秒激光参数，使得飞秒激光经过物镜聚焦在陶瓷表面一下100μm～150μm处扫描出圆波导，圆波导直径为5μm。
选取合适的飞秒激光参数在陶瓷表面烧蚀出沟槽，用硝酸银溶液在沟槽区形成硝酸银薄膜，放置一段时间后，再用飞秒激光辐照该区域使硝酸银分解并在沟槽内沉积出银原子，最后把沟槽内沉积有银原子的陶瓷放进配好的沉铜液中，加温搅拌一段时间，刻蚀。最后以合适的激光功率和刻写速度在电极中间集成合适的波导结构。
本发明的基本原理如下：
PLZT/PMNT电光陶瓷未加电场时为各向同性介质，类似于m3m晶体，加电压后使得折射率发生改变，折射率椭球相应变化，其二次电光效应可以写成如下形式：
Figure BDA0001421547580000051
式中，ΔBi为折射率椭球系数，γij为电光系数张量，Ep为电场强度分量。相应的矩阵关系为
Figure BDA0001421547580000061
电光克尔效应折射率椭球可以表示为
Figure BDA0001421547580000062
式中，n0是PMNT在无外加电压下的折射率(即o光传输对应的材料折射率)。若外加电场沿x3方向，如图2所示，即E1＝E2＝0，E3＝E。折射率椭球可以表达为
Figure BDA0001421547580000063
主折射率可以表达为
Figure BDA0001421547580000064
设陶瓷尺寸沿x3方向的厚度为d，沿x1方向的长度为l。如果外加电压为U，则E＝U/d，光沿x1轴传播时，通光陶瓷的相位延迟量为
Figure BDA0001421547580000065
相应的半波电压为
Figure BDA0001421547580000066
式中，γeff＝γ11–γ12为有效电光系数，λ为传输光的波长。电光系数γeff＝40×10-16m2/V2,n0＝2.45,取d＝50μm,λ＝1550nm,l＝6.5mm时，Uλ/2＝1V，即电光调制的半波电压为1V。目前最常用的铌酸锂电光调制器，电压为5.5V。因此，此调制器的设计大大降低了调制器的功耗。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，其特征在于，包括基底、光波导、微电极、外加驱动电源(11)；以电光透明陶瓷做基底，以飞秒激光微加工的方法在电光透明陶瓷基底上诱导出光波导和制作微电极，集成为马赫曾德尔电光调制器，微电极分别与外加驱动电源(11)相连；
所述光波导包括第一传输光波导(1)、第二传输光波导(2)、第三传输光波导(3)、第四传输光波导(4)、第五传输光波导(5)、第六传输光波导(6)、调制光波导(7)、第八传输光波导(8)；第一传输光波导(1)分别连接第二传输光波导(2)和第六传输光波导(6)，第二传输光波导(2)和第六传输光波导(6)之间存在夹角，第三传输光波导(3)两端分别连接第二传输光波导(2)、第四传输光波导(4)，调制光波导(7)两端分别连接第六传输光波导(6)、第八传输光波导(8)，第四传输光波导(4)、第八传输光波导(8)交汇于第五传输光波导(5)，第五传输光波导(5)和第一传输光波导(1)在一条直线上，第四传输光波导(4)和第八传输光波导(8)之间存在夹角；
所述第一传输光波导(1)的入口、第五传输光波导(5)的出口分别在电光透明陶瓷两侧端面，第一传输光波导(1)、第二传输光波导(2)、第三传输光波导(3)、第四传输光波导(4)、第五传输光波导(5)、第六传输光波导(6)、调制光波导(7)、第八传输光波导(8)组成的波导结构与陶瓷上表面平行且距离上表面100μm～150μm。
2.根据权利要求1所述的一种极低驱动电压的波导电光强度调制装置，其特征在于：所述微电极包括第一微电极(9)、第二微电极(10)；第一微电极(9)和第二微电极(10)分别设置在调制光波导(7)两侧，并使用银胶连接外加驱动电源(11)。
3.根据权利要求2所述的一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，其特征在于：所述调制光波导(7)、第三传输光波导(3)均与第一传输光波导(1)平行。
4.根据权利要求3所述的一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，其特征在于：所述第二传输光波导(2)和第六传输光波导(6)之间的夹角小于5度。
5.根据权利要求4所述的一种极低半波电压的波导电光强度调制装置，其特征在于：所述第四传输光波导(4)和第八传输光波导(8)之间的夹角小于5度。
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