CN111025691A - 基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器。所述的电光调制器包括控制子系统、驱动器和周期性结构电光调制组件；以晶体的纵向电光效应为物理基础制作电光调制器，采用周期性结构电光调制组件降低调制器所需的驱动电压，利用补偿晶体消除入射角度引起的自然双折射的影响，确保电光调制器具有较大视场。本发明属于光调制技术领域，可应用于高速光开关、电光调Q、通信、成像等领域。
Description
技术领域
本发明属于光调制技术领域，具体涉及一种基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器。
背景技术
电光调制器是利用某些晶体(如磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、偏硼酸钡、铌酸锂、钽酸锂等)的电光效应而制成的光调制器件。电光效应是指晶体在外加电场作用下折射率发生改变使得光线在晶体中传输时产生相位延迟的效应。在此效应中，若折射率的改变量与电场的平方成正比则称为二次电光效应(又称为Kerr效应)；若折射率的改变量与电场成正比则称为线性电光效应(又称为Pockels效应)。通光方向与外加电场方向垂直的线性电光效应称为横向电光效应；通光方向与外加电场方向平行的线性电光效应称为纵向电光效应。
随着电光调制器在高速光开关、电光调Q、通信、成像等领域的应用日益广泛，这些应用领域对电光调制器的性能需求也日益提高。然而现有的电光调制器主要对特定方向入射的光线进行调制，且需要驱动器输出很高的电压施加到电光晶体上才能产生足够的相位延迟。
发明内容
为了解决现有电光调制技术驱动电压高、视场角小的问题，提出了基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器。
本发明的技术解决方案是：基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器，包括控制子系统、信号线、驱动器、电导线和周期性结构电光调制组件；控制子系统产生控制信号，经信号线传递给驱动器；驱动器在控制信号的触发下输出电压施加在周期性结构电光调制组件对入射光进行调制。
所述的周期性结构电光调制组件包括N个相同的电光调制元件，N个电光调制元件之间由折射率匹配液进行填充。周期性结构电光调制元件的所有第一透明电极连接在一起，所有第二透明电极连接在一起，并分别与驱动器输出电压的正极、负极相连。若驱动器输出电压为V/N，则每个电光调制元件上施加的电压均为V/N。这样入射光依次受到这N个电光调制元件的作用，本发明驱动器输出电压V/N条件下实现的效果相当于现有电光调制技术驱动器输出电压为V的效果。因此，所需的驱动器输出电压仅为现有技术的1/N。电光调制元件的个数可以根据应用中所需的驱动电压值进行设定，驱动电压值越低，电光调制元件的个数越多。
所述的电光调制元件包括第一透明电极、电光晶体、第二透明电极、补偿晶体；第一透明电极和第二透明电极是相同材质、相同尺寸的，其折射率与电光晶体尽可能一致；电光晶体选择光学均匀性好、纵向电光效应强的晶体材料制备；补偿晶体产生的双折射光程差与角度引起的电光晶体自然双折射光程差互逆，可以消除角度引起的自然双折射影响，有效增大电光调制器的视场角。
本发明的方案与现有方案相比，主要优点在于：
现有的电光调制技术存在驱动电压高、视场角小的问题，本发明设计的周期性结构电光调制组件包含有N个相同的电光调制元件，入射光在周期性结构电光调制组件传输时依次受到这N个电光调制元件的作用，可以将所需的驱动器输出电压降低N倍。
本发明是以纵向电光效应为物理基础，电光晶体的半波电压与晶体尺寸无关，因此每个电光调制元件都可以制作的较薄，电光调制器的结构紧凑。
补偿晶体产生的双折射光程差可以消除角度引起的自然双折射影响，有效增大了电光调制器的视场角。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为周期性结构电光调制组件的结构示意图；
图3为单个电光调制元件的结构示意图。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器，电光调制器包括控制子系统1、信号线2、驱动器3、电导线4和周期性结构电光调制组件5。
如图2、3所示，周期性结构电光调制组件由N个相同的电光调制元件组成，N个电光调制元件之间由折射率匹配液进行填充。每个电光调制元件都由第一透明电极、电光晶体，第二透明电极、补偿晶体组成。周期性结构电光调制元件的所有第一透明电极连接在一起，所有第二透明电极连接在一起，并分别与驱动器输出电压的正极、负极相连。
在本实施例中，基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器选用纵向电光效应较强的磷酸二氘钾晶体(KD*P)材料作为电光晶体，第一、第二透明电极选用氧化铟锡(ITO)薄膜材料，补偿晶体采用氟化镁(MgF2)晶体。
KD*P晶体是负单轴晶体，其电光系数γ63＝23.6×10-12m/V寻常光no＝1.51、异常光折射率ne＝1.47，则单块电光晶体的半波电压(产生π的相位延迟对应的驱动器输出电压)为：
波长λ＝633nm，单块晶体的半波电压Vπ约为3900V，本专利中周期性结构电光调制组件包含N个电光调制元件，因此根据实际应用的需求确定N的个数。当N＝10的时候，驱动器只需要提供390V的电压；当N＝100时，驱动器只需要提供39V的电压。
由于KD*P晶体的半波电压与晶体尺寸无关，因此在保证加工精度的基础上晶体可加工很薄以实现结构紧凑，在本实施例中KD*P晶体的长度L为2mm。非垂直入射的光束在KD*P中传播时自然双折射会产生静态相位延迟，这会造成相同调制电压作用下，不同方向入射的光线会在通光面上产生调制不均匀的缺陷。为了消除入射角度引起的自然双折射影响，保证电光调制器具有较大的视场，采用MgF2晶体作为补偿晶体。MgF2是正单轴晶体，其寻常光折射率nMo＝1.377，异常光折射率nMe＝1.389。为了能够很好地消除入射角度引起的自然双折射，需要MgF2晶体的长度L满足：
在KD*P晶体的长度L为2mm时，补偿晶体MgF2的长度LM为6.67mm。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器，其特征在于：包括控制子系统(1)、信号线(2)、驱动器(3)、电导线(4)和周期性结构电光调制组件(5)；控制子系统(1)与驱动器(3)通过信号线(2)连接，驱动器(3)通过电导线(4)与周期性结构电光调制组件(5)连接；控制子系统(1)产生控制信号经信号线(2)传递给驱动器(3)，驱动器(3)在控制信号的触发下输出的电压通过电导线加载到周期性结构电光调制组件(5)；控制子系统(1)产生的控制信号和驱动器(3)输出的电压可以根据实际需求灵活调整。
2.根据权利要求1所述的基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器，其特征在于：所述的周期性结构电光调制组件(5)包括N个相同的电光调制元件(5-1,5-2，…，5-N)，N个电光调制元件之间由折射率匹配液(6)进行填充。
3.根据权利要求2所述的N个相同的电光调制元件(5-1,5-2，…，5-N)，其特征在于：所述的每一个电光调制元件都包括第一透明电极(5-1-1)、电光晶体(5-1-2)、第二透明电极(5-1-3)、补偿晶体(5-1-4)。
4.根据权利要求1所述的基于纵向电光效应的低压大视场电光调制器，其特征在于：所述的电光调制器以晶体的纵向电光效应为物理基础，通过N个相同的电光调制元件(5-1,5-2，…，5-N)周期性排列降低电光调制器所需的驱动电压；采用补偿晶体(5-1-4)消除角度引起的自然双折射影响确保电光调制器具有较大的视场角。
5.根据权利要求2、3所述周期性结构电光调制元件的所有第一透明电极连接在一起，所有第二透明电极连接在一起，并分别与驱动器输出电压的正极(4-1)、负极(4-2)相连。
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