CN107843956A - 基于压电金属包覆光波导的电‑光n倍频信号发生器 - Google Patents

基于压电金属包覆光波导的电‑光n倍频信号发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压电金属包覆光波导的电‑光N倍频信号发生器，包括激光器、转台、压电金属包覆光波导、光电二极管、用于处理反射光的计算机、光电探测器、示波器、放大电路、整形电路、电信号发生器；压电金属包覆光波导固定在转台上，激光器发射激光束射入压电金属包覆光波导上，由波导结构反射出来的反射光通过光电二极管发送给计算机；电信号发生器产生随机的脉冲序列，整形电路将脉冲序列信号整形后得到所需要的形状的信号，并发送给放大电路，放大电路输出的信号加载到压电金属包覆光波导两端；光电探测器将探测到的反射光发送给示波器，示波器用于显示电‑光N倍频信号。具有体积小，功耗低，输入频率可调等特点。

Description

基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器
技术领域
本发明涉及信号发生器技术领域，具体涉及一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器。
背景技术
双面金属包覆波导，具有如下特点：
(1)自由空间耦合技术：如果用准直激光直接照射双面金属包覆波导表面，满足波矢匹配条件(即入射光波矢的切向分量与导模的传播常数一致)，就可以激发对应的双面金属包覆波导超高阶导模，光能量耦合进波导内，这时反射光反射率会出现极小值，数值上小于0.1。如果不满足波失匹配条件，光能量无法耦合进波导内，反射率接近1；
(2)超高阶导模模式密度高：在一定角度范围内，相邻模式之间的波失差异可以认为是恒定的；
(3)偏振无关特性：TE模式和TM模式耦合效率相同。
基于目前信号发生器体积庞大，操作步骤繁琐，信号不确定度高，重复性差，稳定性不好等问题，利用双面金属包覆波导的这些特点，设计了基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，金属波导结构简单使用方便，其超高阶导模模式密度高这一特点是实现N倍频效应的关键，并且金属波导从反射率上无法分别TE模式和TM模式，这一特性提高了信号发生器的适用性。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，解决了目前信号发生器体积庞大，操作步骤繁琐，信号不确定度高，重复性差，稳定性不好的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种压电金属包覆光波导，其特征在于：包括耦合层，导波层和衬底层；所述耦合层采用磁控溅射的方法在导波层上表面溅射镀膜形成；所述导波层采用透明压电陶瓷材料制成；所述衬底层是在导波层下表面蒸发镀膜形成。
前述的一种压电金属包覆光波导，其特征是：所述金属耦合层的厚度为30-50nm，所述导波层厚度为0.5-1.5mm，所述衬底层厚度大于200nm。
前述的一种压电金属包覆光波导，其特征是：所述耦合层和衬底层材料为金或者银。
一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，其特征是：包括激光器、转台、压电金属包覆光波导、光电二极管、用于处理反射光的计算机、光电探测器、示波器、放大电路、整形电路、电信号发生器；
所述压电金属包覆光波导固定在转台上，激光器发射激光束射入压电金属包覆光波导上，由波导结构反射出来的反射光通过光电二极管发送给计算机；所述电信号发生器产生随机的脉冲序列，整形电路将脉冲序列信号整形后得到所需要的形状的信号，并发送给所述放大电路，放大电路输出的信号加载到压电金属包覆光波导两端；所述光电探测器将探测到的反射光发送给示波器，示波器用于显示电-光N倍频信号。
前述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，其特征在于，还包括偏振片和小孔，所述激光器的激光发射口与偏振片、小孔、波导在同一水平线上，所述小孔为两个，分别置于偏振片两侧。
前述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，其特征在于，所述所需要的形状的信号包括三角波、锯齿波。
一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，包括步骤：
1)将压电金属包覆光波导结构固定在转台上，选用激光器作为激发光源，进行光路-波导结构校准，激光束射入压电金属包覆光波导上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；
2)转动转台，改变激光束打到波导结构上的入射角，同时记录反射光强度，绘制反射光强度-入射角度曲线图，在曲线图上找出工作点；
3)调节转台，使激光束的入射角为工作点的入射角，保持其他条件不变，光电探测器转接示波器；
4)打开电信号发生器，产生随机的脉冲序列，利用整形电路将脉冲信号整形成所需要形状的信号，从小到大调节放大电路放大倍数，实现电光信号转换和N倍频信号。
前述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，所述工作点为：两个超高阶导模正中央的位置对应的入射角度。
前述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，当所需要形状的信号为三角波信号时，所述步骤4)具体实现过程为：将脉冲电信号整形成为三角波形信号，加在导波层两端电压随着三角波的函数逐渐增大的时候，导波层厚度不断增加，使得N/2个导模通过工作点，产生N/2个光脉冲信号；之后，电压随着三角波电压幅度不断减小，在下降沿实现了第N/2个光脉冲，由此实现了倍频功能，N>＝1。
前述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，当所需要形状的信号为锯齿波形信号时，所述步骤4)具体实现过程为：将脉冲电信号整形成为锯齿波信号，放大电路的放大倍数为N，增加在锯齿波信号上升沿周期中通过工作点的N个导模个数，即将一个电信号脉冲转换成为N个光脉冲，从而实现N倍频功能，N>＝1。
本发明所达到的有益效果：本发明设计了一种基于压电陶瓷的压电金属包覆光波导，透明压电陶瓷的厚度会随着施加在两端的电压大小而改变，相比于其他非金属材料响应速度极快；导波层厚度不需要改变很多，就可以使一个、甚至多个超高阶导模依次通过工作点，从而产生一个甚至多个光脉冲信号；倍频后的光脉冲信号也是等间距的；
基于此光波导设计了电光N倍频信号发生器，本发明的信号发生器基于波导结构设计，具有体积小，功耗低，输入频率可调，输出信号可控且操作方便等特点。
附图说明
图1是压电金属包覆的光波导结构(不含电极)；
图2是本发明信号发生器的结构示意图；
图3是利用压电金属包覆的光波导实现电光转换和倍频的基本原理图；
图4是本发明信号发生器实现两倍频功能的波形示意图；
图5是本发明信号发生器实现三倍频功能的波形示意图。
图6是本发明信号发生器实现N倍频功能的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种压电金属包覆光波导，包括耦合层001a，导波层002b和衬底层003c；
金属耦合层001a采用磁控溅射的方法在导波层002b上表面溅射镀膜形成，金属耦合层001a的厚度一般为30-50nm，确保最佳耦合效率，材料为金或者银；
导波层002b厚度为1mm左右，可以为0.5-1.5mm，一般导波层可以使用任何非金属的材料，本发明采用透明压电陶瓷做导波层。
衬底层003c在导波层002b下表面蒸发镀膜形成金属衬底层，材料同样为金或银，厚度大于200nm。对于超过200nm的金膜或者银膜来说，电磁波无法穿透。
采用透明压电陶瓷做导波层，透明压电陶瓷的厚度会随着施加在两端的电压大小而改变，相比于其他非金属材料响应速度极快。
如图2所示，一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，包括激光器001b、小孔002b和004b、偏振片003b(也可以不用)，转台005b、压电金属包覆光波导006b、光电二极管007b、用于处理反射光的计算机008b、光电探测器009b、示波器0010b、放大电路0011b、整形电路0012b、电信号发生器0013b；
压电金属包覆光波导006b固定在转台005b上，激光器001b的激光发射口与偏振片、小孔、波导在同一水平线上，所述小孔为两个，分别置于偏振片两侧，由波导结构上反射出来的反射光通过光电二极管发送给计算机；
电信号发生器产生随机的脉冲序列，整形电路将脉冲序列信号整形成所需要形状的信号(包括三角波、锯齿波)，放大电路可以调节放大倍数，放大电路输出的信号加载到压电金属包覆光波导两端，从而实现电光信号转换，N倍频信号。
激光束垂直入射压电金属包覆光波导上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；转动转台，改变激光束打到波导上的入射角，同时记录反射光强度，计算机绘制反射光强度-入射角度曲线图，在曲线图上找出合适的工作点(即两个超高阶导模正中央的位置对应的入射角度)；
调节转台，使激光束的入射角为工作点的入射角，保持其他条件不变，光电探测器转接示波器，光电探测器将探测到的反射光发送给示波器，用于显示本发明信号发生器得到的电-光N倍频信号。
图2中的0014b是原始脉冲序列信号，0015b是整形后的信号，0016b是按照N倍频要求放大后的信号，0017b是倍频后的光信号。
图3是利用基于压电金属包覆光波导结构实现电光转换和倍频的原理示意图，图3的上部是计算机绘制的反射光强度-入射角度曲线图(也叫反射角谱)，即改变激光发出的入射光的反射角度时，反射率的变化图，其中每一个低点对应一个超高阶导模，由图中可以看出：
(1)导模耦合所对应的角度，反射率接近0，实验中可接近0.1，而导模不耦合时，反射率大于0.9；
(2)模式密度很好，入射角度在1度范围内就存在9个导模，另外，导模与导模之间的间距近似相同。
图3的下部，说明了当导波层厚度改变时，导模会发生平移，这时候，如果入射光的光路不变，即入射角固定(假设入射角为20.05度)，那么从图3中看到，左侧的导模随着厚度增加不断向右移动，厚度增加20nm时，不断接近20.05度，厚度增加60nm时，刚刚通过该角度，当厚度增加140nm时，已经完全通过了这个角度。这时可以在光电探测器上看到光强在某一个时刻突然变弱，反射率降低到0.1，然后又增加到0.9。如果继续增大导波层厚度，假设厚度增加超过300nm，那么可以看到第二个超高阶导模通过。
一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，包括步骤：
1)将压电金属包覆光波导结构固定在转台上，选用激光器作为激发光源，进行光路-波导结构校准，激光束垂直入射压电金属包覆光波导上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；
2)转动转台，改变激光束打到波导结构上的入射角，同时记录反射光强度，绘制反射光强度-入射角度曲线图，在曲线图上找出工作点，即两个超高阶导模正中央的位置对应的入射角度；
3)调节转台，使激光束的入射角为工作点的入射角，保持其他条件不变，光电探测器转接示波器；
4)打开电信号发生器，产生随机的脉冲序列，利用整形电路将脉冲信号整形成所需要形状的信号(三角波或锯齿波信号)，从小到大调节放大电路放大倍数，可以依次实现电光信号转换N倍频信号，如1倍频信号，2倍频信号，3倍频信号等，N>＝1。
实施例一：如图4所示，为通过三角波形信号实现2倍频功能。将脉冲波形整形为三角波形电信号，选择入射角度为在曲线图上的工作点，即两个超高阶导模正中央的位置对应的入射角度，调节三角波形的电压幅度，使得它的单个上升沿所引起的导波层厚度改变，正好使得一个超高阶导模通过这个工作点，那么可以实现倍频功能。实现原理如下，加在导波层两端电压随着三角波的函数逐渐增大的时候，导波层厚度不断增加，使得一个导模通过工作点，产生一个光脉冲信号；之后，电压随着三角波电压幅度不断减小，原先通过工作点的导模开始原路返回，最终在下降沿实现了第二个光脉冲，由此实现了倍频功能。
当通过三角波形信号实现N倍频功能时，加在导波层两端电压随着三角波的函数逐渐增大的时候，导波层厚度不断增加，使得N/2个导模通过工作点，产生N/2个光脉冲信号；之后，电压随着三角波电压幅度不断减小，原先通过工作点的导模开始原路返回，最终在下降沿实现了第N/2个光脉冲，由此实现了N倍频功能。
实施例二：如图5所示，三倍频功能的实现。001e是经过整形并且放大的单周期锯齿波，002e是该单周期锯齿波使三个超高阶导模依次通过工作点，形成三个光脉冲信号，003e是单周期锯齿波电信号连续出现，004e是每一个单周期锯齿波对应3个光脉冲信号，因此实现了3倍频功能。
实施例三，如图6所示，实现N倍频。首先将脉冲电信号整形成为锯齿波信号，而要实现几倍频完全由放大电路的放大倍数决定。提高放大倍数，可以增加在锯齿波信号上升沿周期中通过工作点的导模个数，为N个，N>＝1,(只要没有超过压电陶瓷厚度变化的阈值即可)，那么就可以将一个电信号脉冲转换成为N个光脉冲，从而实现N倍频功能。
本发明利用压电金属包覆光波导的以下特性来实现电-光信号的N倍频功能：
(1)压电效应：透明压电陶瓷的厚度会随着施加在两端的电压大小而改变，并且响应速度极快；
(2)超高阶导模模式密度很高，使得导波层厚度不需要改变很多，就可以使一个、甚至多个超高阶导模依次通过工作点，从而产生一个甚至多个光脉冲信号；
(3)超高阶导模在一定角度范围内，相邻模式之间的波矢差异可以认为是恒定的，这样使得倍频后的光脉冲信号也是等间距的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电金属包覆光波导，其特征在于：包括耦合层，导波层和衬底层；所述耦合层采用磁控溅射的方法在导波层上表面溅射镀膜形成；所述导波层采用透明压电陶瓷材料制成；所述衬底层是在导波层下表面蒸发镀膜形成。
2.根据权利要求1所述的一种压电金属包覆光波导，其特征是：所述金属耦合层的厚度为30-50nm，所述导波层厚度为0.5-1.5mm，所述衬底层厚度大于200nm。
3.根据权利要求1所述的一种压电金属包覆光波导，其特征是：所述耦合层和衬底层材料为金或者银。
4.一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，其特征是：包括激光器、转台、压电金属包覆光波导、光电二极管、用于处理反射光的计算机、光电探测器、示波器、放大电路、整形电路、电信号发生器；
所述压电金属包覆光波导固定在转台上，激光器发射激光束射入压电金属包覆光波导上，由波导结构反射出来的反射光通过光电二极管发送给计算机；所述电信号发生器产生随机的脉冲序列，整形电路将脉冲序列信号整形后得到所需要的形状的信号，并发送给所述放大电路，放大电路输出的信号加载到压电金属包覆光波导两端；所述光电探测器将探测到的反射光发送给示波器，示波器用于显示电-光N倍频信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，其特征在于，还包括偏振片和小孔，所述激光器的激光发射口与偏振片、小孔、波导在同一水平线上，所述小孔为两个，分别置于偏振片两侧。
6.根据权利要求4所述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生器，其特征在于，所述所需要的形状的信号包括三角波、锯齿波。
7.一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，包括步骤：
1)将压电金属包覆光波导结构固定在转台上，选用激光器作为激发光源，进行光路-波导结构校准，激光束射入压电金属包覆光波导上，当反射光与入射光重合时，为校准点，此时转台角度称为零点；
2)转动转台，改变激光束打到波导结构上的入射角，同时记录反射光强度，绘制反射光强度-入射角度曲线图，在曲线图上找出工作点；
3)调节转台，使激光束的入射角为工作点的入射角，保持其他条件不变，光电探测器转接示波器；
4)打开电信号发生器，产生随机的脉冲序列，利用整形电路将脉冲信号整形成所需要形状的信号，从小到大调节放大电路放大倍数，实现电光信号转换和N倍频信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，所述工作点为：两个超高阶导模正中央的位置对应的入射角度。
9.根据权利要求7所述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，当所需要形状的信号为三角波信号时，所述步骤4)具体实现过程为：将脉冲电信号整形成为三角波形信号，加在导波层两端电压随着三角波的函数逐渐增大的时候，导波层厚度不断增加，使得N/2个导模通过工作点，产生N/2个光脉冲信号；之后，电压随着三角波电压幅度不断减小，在下降沿实现了第N/2个光脉冲，由此实现了倍频功能，N>＝1。
10.根据权利要求7所述的一种基于压电金属包覆光波导的电-光N倍频信号发生方法，其特征在于，当所需要形状的信号为锯齿波形信号时，所述步骤4)具体实现过程为：将脉冲电信号整形成为锯齿波信号，放大电路的放大倍数为N，增加在锯齿波信号上升沿周期中通过工作点的N个导模个数，即将一个电信号脉冲转换成为N个光脉冲，从而实现N倍频功能，N>＝1。
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