CN109149333B - 一种波导集成式光调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波导集成式光调制器及其制备方法，用于主动调制脉冲激光，解决了光调制器应用范围被限制的问题，其包括：内置有纤芯的光波导，所述光波导内开设有凹腔，所述凹腔将所述纤芯分隔为两段；覆设在所述凹腔内壁上、且两侧分别与两段所述纤芯相接触的可饱和吸收体；至少两个设置在所述可饱和吸收体两侧的电极；设置在所述光波导一侧的电源，所述电源与所述电极电连接；所述可饱和吸收体为具有半导体特性的类金属材料；从而能够通过改变电源电压而对可饱和吸收体进行调控，从而增大了光调制器在不同波长的入射光的工作环境下的应用，从而拓宽了光调制器的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种波导集成式光调制器及其制备方法。
背景技术
利用被动锁模技术是超快激光器实现超快脉冲输出的一种有效途径，而被动锁模的关键技术是超快激光器谐振腔中需要具备可饱和吸收效应的光调制器。目前，研究人员通常采用半导体可饱和吸收镜（英文名称为SESAM）作为光调制器来实现光纤激光器锁模超快脉冲输出。
然而，作为光调制器的重要部件，由于商用半导体可饱和吸收镜的可饱和吸收带宽较窄，并且损伤阈值较低，不适用于全方位研究超快激光器的动力学特性，从而导致了光调制器的调制深度，可饱和吸收带宽，饱和光强具有固定的工作值，无法通过外部变量对这些参数进行调节，这些都限制半导体可饱和吸收镜在不同波长的入射光的工作环境下的应用，从而限制了光调制器的应用范围。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种波导集成式光调制器及其制备方法，旨在解决现有半导体可饱和吸收镜在不同工作波长时的应用被限制，导致限制光调制器的应用范围的技术问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种波导集成式光调制器，包括：内置有纤芯的光波导，所述光波导内开设有凹腔；覆设在所述凹腔内壁上、且两侧分别与两段所述纤芯相接触的可饱和吸收体，所述可饱和吸收体将所述纤芯分隔为两段； 至少两个设置在所述可饱和吸收体两侧的电极；设置在所述光波导一侧的电源，所述电源与所述电极电连接。
通过采用上述方案，在入射光从光纤的一端进入光波导后，在光波导内形成光场，可饱和吸收体通过倏逝场作用与上述光场相互作用，此时，通过调节电源的电压，能够调节可饱和吸收体的载流子浓度，从而主动调控光调制器的非线性光学特性，从而主动对入射光进行调制，并将调制后的入射光从光纤的另一端输出，从而使可饱和吸收体能够适应不同波长的入射光，从而使光调制器能够适应不同波长的入射光，拓宽了光调制器的应用范围。
进一步地，所述可饱和吸收体为具有半导体特性的类金属材料；所述可饱和吸收体为铋膜、锑膜及碲膜中的一种或多种。
进一步地，所述光波导为侧抛光纤；所述侧抛光纤上设置有与所述电极相对的管脚。
进一步地，所述可饱和吸收体的厚度范围为10 nm ~ 200 nm。
进一步地，所述可饱和吸收体外侧设置有封装保护层。
进一步地，所述封装保护层为氟化镁薄膜。
进一步地，所述电极为金膜电极。
本发明另一方面提供一种波导集成式光调制器的制备方法，包括：在光波导上制备对称的金膜电极；使用物理气相沉积法制作可饱和吸收体，并通过掩膜版将可饱和吸收体生长至光波导上的指定位置，以形成可饱和吸收层，所述可饱和吸收体为铋膜、锑膜及碲膜中的一种或多种；使用物理沉积法在可饱和吸收层上制作氯化镁薄膜，以在可饱和吸收层上形成封装保护层；将管脚与电极相固定，并将直流电源与管脚电连接；所述在光波导上制备对称的金膜电极包括：将光波导及金靶材置于真空室中，将掩膜版置于光波导上，将金靶材表面电离化产生金的等离子体，将金的等离子体沉积在光波导上形成金膜层；金膜沉积到光波导的位置由掩膜版控制，且通过控制金的等离子体的沉降时间控制金膜的厚度。
本发明另一方面提供一种脉冲光纤激光机，包括上述的波导集成式光调制器；所述脉冲光纤激光机还包括：半导体泵浦激光器；设置在所述半导体泵浦激光器一侧的光波分复用器；设置在所述光波分复用器远离所述半导体泵浦激光器一侧的增益光纤；设置在所述增益光纤远离所述光波分复用器一侧的光学耦合器；设置在所述光学耦合器远离所述增益光纤一侧的光隔离器；设置在所述光隔离器远离所述光学耦合器一侧的偏振控制器；设置在所述偏振控制器远离所述光隔离器一侧的光调制器，所述光调制器远离所述偏振控制器的一侧与所述光波分复用器相连接；所述半导体泵浦激光器、所述光波分复用器、所述增益光纤、所述光学耦合器、所述偏振控制器及所述光调制器组合形成环形结构。
本发明提供的脉冲光纤激光机，半导体泵浦激光器产生的泵浦光经光波分复用器耦合后进入增益光纤，能够对激光脉冲提供增益并对所述激光脉冲进行放大，光学耦合器将放大后的激光脉冲的一部分输出到环形结构外，并将另一部分输出至光调制器，经由光调制器内的可饱和吸收体对激光脉冲进行锁模；光隔离器能够隔离锁模后的激光，并仅允许锁模后的激光单向输出；偏振控制器则用于控制激光的偏振状态；光调制器能够在改变电源电压的情况下，调控可饱和吸收体内的载流子密度，从而改变光调制器对光的调制能力，从而主动调制激光脉冲。
本发明另一方面提供一种脉冲式光学频率梳的产生及调控方法的装置，应用于上述的波导集成式光调制器，所述方法包括：设置有有源区及波导集成式光调制器的光学微环，用于提供光学谐振并产生光学频率梳；设置在所述光学微环上的耦合光波导的两端分别用于将泵浦光耦合进入所述光学微环内及将信号光从所述光学微环内输出；所述有源区用于放大泵浦光，所述波导集成式光调制器用于调制所述光学频率梳，以使所述光学频率梳形成锁模脉冲激光，并通过调控所述光调制器的电源电压，以主动调控可饱和吸收体的可饱和吸收特性，以对所述光学频率梳及锁模脉冲激光进行调控。
本发明提供的脉冲式光学频率梳的产生及调控方法的装置，有源区及波导式光调制器能过对激光进行放大及调制，从而使光学微环产生的光学频率梳形成锁模脉冲激光，并且通过调控光调制器的电源电压能够调控光调制器内的可饱和吸收体的可饱和吸收特性，从而调节锁模脉冲激光及光学频率梳。
本发明提供一种波导集成式光调制器及其制作方法，有益效果在于：当使用波导集成式光调制器时，通过控制电源电压，能够调节可饱和吸收体的可饱和吸收特性，从而使可饱和吸收体能够适应不同波长的入射光，从而使光调制器能够适应不同波长的入射光，拓宽了光调制器的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的波导集成式光调制器的结构示意图；
图2为图1中沿A-A方向的剖视图；
图3为本发明实施例一的波导集成式光调制器的制备方法的结构示意框图；
图4为本发明实施例一的脉冲光纤激光机的结构示意图；
图5为本发明实施例一的脉冲式光学频率梳的产生及调控方法的装置的结构示意图；
图6为本发明实施例二的波导集成式光调制器的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1及图2，为一种波导集成式光调制器，包括：光波导1、可饱和吸收体2、电极3、电源4；光波导1内设置有纤芯11，且纤芯11从光波导1的一端延伸至另一端，并且光波导1内开设有凹腔12；可饱和吸收体2覆设在凹腔12的内壁上，可饱和吸收体2将纤芯11分隔为两段，且可饱和吸收体2的两侧分别与两段纤芯11相接触；电极3设置在可饱和吸收体2相对的两侧，且不与纤芯11相接触；电源4设置在光波导1外部，且电源4的两级分别与可饱和吸收体2两侧的电极3通过导线相连接；在本实施例中，可饱和吸收体2为铋膜，在其他实施例中，可饱和吸收体2也可为铋膜、锑膜及碲膜中的一种或多种。
当入射光从纤芯11的一端进入光波导1后，在光波导1内形成光场，可饱和吸收体2通过倏逝场作用与上述光场相互作用，此时，通过调节电源4的电压，能够调节可饱和吸收体2的载流子浓度，从而主动调控光调制器的非线性光学特性，从而主动对入射光进行调制，并将调制后的入射光从纤芯11的另一端输出，从而使可饱和吸收体2能够适应不同波长的入射光，从而使光调制器能够适应不同波长的入射光，拓宽了光调制器的应用范围；并且作为本发明提供的光调制器，组成核心为可饱和吸收体2，而本发明提供的光调制器内的可饱和吸收体2为具有半导体特性的类金属材料，具有半导体特性的类金属材料较为容易获得，从而减少了光调制器的制作成本。
在本实施例中，光波导1为侧抛光纤，且在侧抛光纤上设置有管脚13，管脚13与上述电极3相对应，且管脚13及电极3相接触以供电流通过，从而能够使电源4的产生的电流经过导线、管脚13及电极3后到达可饱和吸收体2；在其他实施例中，光波导1还可为硅基光波导1或硫系玻璃光波导1。
在本实施例中，可饱和吸收体2的取值厚度为10nm~200nm之间，具有原子层级厚度时，其禁带宽度与块体厚度不同，相应的带内弛豫时间、载流子浓度和迁移率均不同，因此改变薄膜厚度能改变可饱和吸收体2的特性，而改变施加在可饱和吸收体2上的电压能够改变可饱和吸收体2的厚度，从而能够通过对可饱和吸收体2施加外部电压，并且采用直流偏压或射频信号时，能实现对铋膜、锑膜或碲膜可饱和吸收材料光学带隙的主动调控及对所述结区载流子浓度的调制，进而调控光调制器的非线性光学特性，包括调制深度，可饱和吸收带宽和饱和光强等。
在可饱和吸收体2的外侧还设置有封装保护层，封装保护层能够将可饱和吸收体2与外界隔离，从而降低外界环境对可饱和吸收体2的影响，在本实施例中，可饱和吸收体2为氟化镁薄膜。
在本实施例中，电极3为金膜电极3，金膜电极3为在真空室中的金靶材电离化后，金的等离子体沉积在光波导1上形成。
本发明提供的一种波导集成式光调制器，其工作过程或原理如下：通过对可饱和吸收体2施加直流电压或射频信号，能够改变可饱和吸收体2的厚度，而可饱和吸收体2的厚度改变会使客宝可吸收体的光学特性改变，从而主动调控光调制器的非线性光学特性，并且可饱和吸收体2光学带隙可调谐，环境兼容性高，应用范围广，所用的各材料成本低廉，易于批量性制备，既适于成果转化，又具有广泛的应用前景。
请参阅图3，本发明还提供了一种波导集成式光调制器的制备方法，包括：
S1，在光波导上制备对称的金膜电极；
S2，使用物理气相沉积法制作可饱和吸收体，并通过掩膜版将可饱和吸收体生长至光波导上的指定位置，以形成可饱和吸收层，所述可饱和吸收体为铋膜、锑膜及碲膜中的一种或多种；
S3，使用物理沉积法在可饱和吸收层上制作氯化镁薄膜，以在可饱和吸收层上形成封装保护层；
S4，将管脚与电极相固定，并将直流电源与管脚电连接。
在本实施例中，在光波导上制备对称的金膜电极包括：将光波导及金靶材置于真空室中，将掩膜版置于光波导上，将金靶材表面电离化产生金的等离子体，将金的等离子体沉积在光波导上形成金膜层；金膜沉积到光波导的位置由掩膜版控制，且通过控制金的等离子体的沉降时间控制金膜的厚度。
请参阅图4，本发明还提供了一种脉冲光纤激光机，包括上述的波导集成式光调制器57，脉冲光纤激光机还包括：半导体泵浦激光器51、光波分复用器52、增益光纤53、光学耦合器54、光隔离器55及偏振控制器56；光波复用器设置在半导体泵浦激光器51一侧；增益光纤53设置在光波复用器远离半导体泵浦激光器51的一侧，半导体泵浦激光器51产生的泵浦光经过光波复用器耦合后进入增益光纤53，能够对激光脉冲提供增益并对激光脉冲进行放大；光学耦合器54设置在增益光纤53远离光波复用器的一侧，用于将放大后的脉冲激光的一部分输出至腔外，另一部分输出至光调制器57；光隔离器55设置在光学耦合器54远离增益光纤53的一侧，用于隔离锁模后的激光，仅允许锁模后的激光在脉冲光纤激光器内单向输出；偏振控制器56设置在光隔离器55远离光学耦合器54的一侧，用于控制脉冲激光的偏振状态；光调制器57设置在偏振控制器56远离光隔离器55的一侧，并且光调制器57远离偏振控制器56的一侧与光波复用器相连接，从而使半导体泵浦激光器51、光波分复用器52、增益光纤53、光学耦合器54、偏振控制器56及光调制器57依次连接并组合形成环形结构，该环形结构即为谐振腔，光调制器57内的可饱和吸收体2对脉冲激光进行锁模。
本发明提供的一种脉冲光纤激光机，工作过程及原理如下，半导体泵浦激光器51能够产生泵浦光，即脉冲激光，脉冲激光经过光波复用器耦合后进入增益光纤53，从而使增益光纤53对脉冲激光进行放大，放大后的脉冲激光进入光学耦合器54，光学耦合器54将一部分激光输出至光学耦合器54外，将另一部分脉冲激光输出至光调制器57，光调制器57对输入的脉冲激光进行调制，并对对脉冲激光进行锁模，并在循环调制的过程中，光隔离器55将锁模后的激光隔离，从而仅允许锁模后的激光在脉冲光纤激光器内单向输出，偏振控制器56调节脉冲激光的偏振状态；从而能够通过调节光调制器57的电源4电压，利用直流偏压信号，调控可饱和吸收体2的载流子密度，从而改变对脉冲激光的调制能力，从而对谐振腔内的脉冲激光进行主动调制。
请参阅图5，本实施例还提供了一种脉冲式光学频率梳的产生及调控方法的装置，应用于上述的波导集成式光调制器62，上述方法包括：设置有有源区61及波导集成式光调制器62的光学微环6，光学微环6用于提供光学谐振，产生光学频率梳；设置在光学微环6上的耦合光波导631，两端分别用于将泵浦光耦合进入光学微环6内及将信号光从光学微环6内输出；有源区61用于放大泵浦光，波导集成式光调制器62用于调制光学频率梳，以使光学频率梳形成锁模脉冲激光，并通过调控光调制器62的电源4电压，以主动调控可饱和吸收体2的可饱和吸收特性，以对光学频率梳及锁模脉冲激光进行调控。
实施例二
请参阅图6，本实施例提供了一种波导72集成式光调制器，包括：金膜电极7、可饱和吸收体薄膜71、波导72、导线73和驱动电源74；可饱和吸收体设置在波导72上，波导72用于传输入射光，并在可饱和吸收体薄膜71覆盖的位置通过倏逝场作用使得波导72内的光场与可饱和吸收体薄膜71相互作用；金膜电极7设置在可饱和吸收体薄膜71的两侧；驱动电源74的两级分别与不同的金膜电极7通过导线73相连接，从而对可饱和吸收体薄膜71施加外部偏置电压，以实现对可饱和体薄膜的非线性光学特性的主动调控。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种波导集成式光调制器及其制备方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种波导集成式光调制器，其特征在于，包括：
内置有纤芯的光波导，所述光波导内开设有凹腔；
覆设在所述凹腔内壁上、且两侧分别与两段所述纤芯相接触的可饱和吸收体，所述可饱和吸收体将所述纤芯分隔为两段；
至少两个设置在所述可饱和吸收体两侧的电极；
设置在所述光波导一侧的电源，所述电源与所述电极电连接；
所述波导集成式光调制器的制备方法包括：
在光波导上制备对称的金膜电极；
使用物理气相沉积法制作可饱和吸收体，并通过掩膜版将可饱和吸收体生长至光波导上的指定位置，以形成可饱和吸收层，所述可饱和吸收体为铋膜、锑膜及碲膜中的一种或多种；
使用物理沉积法在可饱和吸收层上制作氯化镁薄膜，以在可饱和吸收层上形成封装保护层；
将管脚与电极相固定，并将直流电源与管脚电连接；
所述在光波导上制备对称的金膜电极包括：将光波导及金靶材置于真空室中，将掩膜版置于光波导上，将金靶材表面电离化产生金的等离子体，将金的等离子体沉积在光波导上形成金膜层；金膜沉积到光波导的位置由掩膜版控制，且通过控制金的等离子体的沉降时间控制金膜的厚度。
2.根据权利要求1所述的波导集成式光调制器，其特征在于，
所述可饱和吸收体为具有半导体特性的类金属材料；
所述可饱和吸收体为铋膜、锑膜及碲膜中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的波导集成式光调制器，其特征在于，
所述光波导为侧抛光纤；
所述侧抛光纤上设置有与所述电极相对的管脚。
4.根据权利要求1所述的波导集成式光调制器，其特征在于，
所述可饱和吸收体的厚度范围为10 nm ~ 200 nm。
5.根据权利要求1所述的波导集成式光调制器，其特征在于，
所述可饱和吸收体外侧设置有封装保护层。
6.根据权利要求5所述的波导集成式光调制器，其特征在于，
所述封装保护层为氟化镁薄膜。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的波导集成式光调制器，其特征在于，
所述电极为金膜电极。
8.一种脉冲光纤激光机，包括如权利要求1至7任意一项所述的波导集成式光调制器，其特征在于，所述脉冲光纤激光机包括：半导体泵浦激光器；
设置在所述半导体泵浦激光器一侧的光波分复用器；
设置在所述光波分复用器远离所述半导体泵浦激光器一侧的增益光纤；
设置在所述增益光纤远离所述光波分复用器一侧的光学耦合器；
设置在所述光学耦合器远离所述增益光纤一侧的光隔离器；
设置在所述光隔离器远离所述光学耦合器一侧的偏振控制器；
设置在所述偏振控制器远离所述光隔离器一侧的光调制器，所述光调制器远离所述偏振控制器的一侧与所述光波分复用器相连接；
所述半导体泵浦激光器、所述光波分复用器、所述增益光纤、所述光学耦合器、所述偏振控制器及所述光调制器组合形成环形结构。
9.一种脉冲式光学频率梳的产生及调控方法的装置，包括如权利要求1至7任意一项所述的波导集成式光调制器，其特征在于，所述装置还包括：
设置有有源区及波导集成式光调制器的光学微环，用于提供光学谐振并产生光学频率梳；
设置在所述光学微环上的耦合光波导的两端分别用于将泵浦光耦合进入所述光学微环内及将信号光从所述光学微环内输出；
所述有源区用于放大泵浦光，所述波导集成式光调制器用于调制所述光学频率梳，以使所述光学频率梳形成锁模脉冲激光，并通过调控所述光调制器的电源电压，以主动调控可饱和吸收体的可饱和吸收特性，以对所述光学频率梳及锁模脉冲激光进行调控。
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