CN113867015B - 一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，包括衬底、第一掩膜板、第二掩膜板、波导芯层、锯齿电极、双触角信号电极、第一双触角地线电极、第二双触角地线电极、匹配电阻、第一信号输入口和第二信号输入口。本发明通过双触角信号电极上有电流通过时产生热量，使得波导芯层与驱动电压的热光效应，控制芯层内折射率周期变化的相控阵，实现模式扫摆的倍频调制，且有效降低所需的调制电压和所需调制信号的调制频率。本发明作为一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，可广泛应用于光波导器件领域。

Description

一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器

技术领域

本发明涉及光波导器件领域，尤其涉及一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器。

背景技术

目前，利用机械控制技术、电控液晶技术、声光效应、热光光束偏转技术、光谱色散扫摆技术以及大孔径电光晶体偏转器等技术或器件，均可实现光场模式的偏转及光束扫摆。然而，上述技术或器件存在着驱动电压高，器件体积大、光场偏转依赖光源波长以及扫摆频率低等缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是降低实现光束匀滑和光场模式偏转的所需调制电压及其所需调制信号的频率，提供一种高效的、基频/倍频调制可切换的基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器。

本发明所采用的第一技术方案是：一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，包括衬底、第一掩膜板、第二掩膜板、波导芯层、锯齿电极、双触角信号电极、第一双触角地线电极、第二双触角地线电极、匹配电阻、第一信号输入口和第二信号输入口：

所述第一掩膜板和第二掩膜板间隔设置在衬底上，所述衬底、第一掩膜板和第二掩膜板形成槽状空间；

所述波导芯层设置在槽状空间的底部；

所述锯齿电极设置在波导芯层上方；

所述双触角信号电极分别与第一信号输入口、第二信号输入口和锯齿电极连接；

所述第一双触角地线电极分别与第一信号输入口和锯齿电极连接；

所述第二双触角地线电极分别与第一信号输入口和第二信号输入口连接；

所述匹配电阻的第一端与第二双触角地线电极连接，所述匹配电阻的第二端与双触角信号电极连接。

进一步，所述波导芯层的顶端表面形状与槽状空间的平面形状相同。

进一步，所述波导芯层呈酒瓶状，所述波导芯层包括光束输入区、光束过渡区和光束调制区，所述光束输入区的宽度小于光束调制区的宽度，所述光束过渡区起始端的宽度与光束输入区的宽度相等，所述光束过渡区末尾端的宽度与光束调制区的宽度相等。

进一步：

所述双触角信号电极部分置于第一掩膜板上，所述双触角信号电极部分置于光束调制区一侧的靠近波导芯层的第二掩膜板上；

所述第一双触角地线电极置于第一掩膜板上，所述第一双触角地线部分置于光束调制区一侧的靠近波导芯层的第一掩膜板上；

所述第二双触角地线电极部分置于第一掩膜板上，所述第二双触角地线电极部分置于第二掩膜板上。

进一步，所述双触角信号电极上设有第一触角和第二触角，所述第一触角置于第一掩膜板远离波导芯层的位置，所述第一触角与第二信号输入口连接，所述第二触角置于第二掩膜板远离波导芯层的位置，所述第二触角与第一信号输入口连接，所述第一双触角地线电极上设有第三触角和第四触角，所述第三触角和第四触角均置于第一掩膜板远离波导芯层的位置，所述第三触角与第二信号输入口连接，所述第二双触角地线电极上设有第五触角和第六触角，所述第五触角置于第一掩膜板远离波导芯层的位置，所述第五触角与第二信号输入口连接，所述第六触角置于第二掩膜板远离波导芯层的位置，所述第六触角与第一信号输入口连接，所述匹配电阻的第一端与第六触角连接，所述匹配电阻的第二端与第二触角连接。

进一步，还包括波导芯层缓冲层，所述波导芯层缓冲层覆盖在波导芯层表面。

进一步，所述锯齿电极为等腰三角形锯齿电极。

进一步，所述衬底为铌酸锂晶片，所述波导芯层为铌酸锂波导芯层，所述缓冲层为二氧化硅层。

进一步，还包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤与光束输入区连接，所述输出光纤与光束调制区连接：

所述第一信号输入口用于输入第一调制信号，模式扫摆频率及幅度调制频率等于第一输入调制信号的频率；

所述第二信号输入口用于输入第二调制信号，模式扫摆频率及幅度调制频率等于第二输入调制信号频率的二倍；

所述光场倍频扫摆器的驱动频率范围为1Hz-2.5GHz，光场模式扫摆频率为1Hz-5GHz。

本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过双触角信号电极上有电流通过时产生热量，使得波导芯层与驱动电压的热光效应，控制芯层内折射率周期变化的相控阵，实现模式扫摆的倍频调制，且有效降低所需的调制电压和所需调制信号的调制频率。

附图说明

图1为本发明具体实施例一光波导器件的结构示意图；

图2为本发明具体实施例光波导器件的部分结构示意图；

图3为本发明具体实施例二光波导器件的结构示意图；

图4为本发明具体实施例电光、热光双效应模式扫摆器实验装置结构示意图；

图5为本发明具体实施例幅度调制器实验装置示意图；

图6为本发明具体实施例第一信号输入口连接信号源，不同直流电压驱动下(0V～±50V)，器件输出光场的分布情况；

图7为本发明具体实施例第一信号输入口输入20Hz调制信号后模式位移随时间变化曲线；

图8为本发明具体实施例第一信号输入口输入80Hz调制信号后模式位移随时间变化曲线；

图9为本发明具体实施例第一信号输入口输入160Hz调制信号后模式位移随时间变化曲线；

图10为本发明具体实施例第二信号输入口连接信号源，不同直流电压驱动下(0V～±5V)，器件输出光场的分布情况。

图11为本发明具体实施例第二信号输入口输入20Hz调制信号后模式位移随时间变化曲线；

图12为本发明具体实施例第二信号输入口输入80Hz调制信号后模式位移随时间变化曲线；

图13为本发明具体实施例第二信号输入口输入160Hz调制信号后模式位移随时间变化曲线；

图14为本发明具体实施例第一信号输入口输入20Hz调制信号后输出光场定点光强随时间变化图；

图15为本发明具体实施例第一信号输入口输入80Hz调制信号后输出光场定点光强随时间变化图；

图16为本发明具体实施例第一信号输入口输入160Hz调制信号后输出光场定点光强随时间变化图；

图17为本发明具体实施例电压变化范围为±58.5V信号频率为2.5GHz的输出光场定点光强随时间变化图；

图18为本发明具体实施例第二信号输入口输入20Hz调制信号后输出光场定点光强随时间变化图；

图19为本发明具体实施例第二信号输入口输入80Hz调制信号后输出光场定点光强随时间变化图；

图20为本发明具体实施例第二信号输入口输入160Hz调制信号后输出光场定点光强随时间变化图；

图21为本发明具体实施例电压变化范围为±58.5V信号频率为2.5GHz的输出光场定点光强随时间变化图。

附图说明：10、衬底；11、第一掩膜板；12、第二掩膜板；13、波导芯层；21、波导芯层缓冲层；22、双触角信号电极；23、第一双触角地线电极；24、第二双触角地线电极；25、匹配电阻；26、第一信号输入口；27、第二信号输入口；28、等腰三角形锯齿电极；31、等腰三角形锯齿电极；A、光束输入区；B、光束过渡区；C、光束调制区；e、第一触角；c、第二触角；f、第三触角；h、第四触角；g、第五触角；d、第六触角；a、输入端面；b、输出端面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

实施例一

参照图1和图2，本发明提供了一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，包括衬底10、第一掩膜板11、第二掩膜板12、波导芯层13、波导芯层缓冲层21、锯齿电极、双触角信号电极22、第一双触角地线电极23、第二双触角地线电极24、匹配电阻25、第一信号输入口26和第二信号输入口27：

所述第一掩膜板11和第二掩膜板12的厚度相等，所述第一掩膜板11和第二掩膜板12间隔设置在衬底10上，所述衬底10、第一掩膜板11和第二掩膜板12形成槽状空间，该槽的深度与第一掩膜板11和第二掩膜板12厚度相同，该槽水平方向的形状同波导芯层13表面形状相；

所述波导芯层设置在槽状空间的底部，所述波导芯层13包括光束输入区A、光束过渡区B和光束调制区C；

优选地，光束输入区A的长度为5mm，宽度为8μm，宽度为间隔；光束调制区C的长度为10mm，宽度为80μm；光束过渡区B的长度为5mm，其起始端端宽度与光束输入区A宽度相等，其末端宽度与光束调制区C宽度相等。波导芯层宽度等于第一掩膜板11与第二掩膜板12的间隔。可选地，第一掩膜板11与第二掩膜板12的为二氧化硅，且第一掩膜板11与第二掩膜板12的厚度介于600nm至1mm之间。

光波导器件还包括覆盖波导芯层13的波导芯层缓冲层21，波导芯层缓冲层21用于保护波导芯层13，降低金属电极对波导芯层13的光学性能影响。可选地，波导芯层缓冲层21为光折射率低的缓冲材料层。优选地，波导芯层缓冲层21为二氧化硅层，以降低金属电极对波导芯层13的光学性能的影响。其中，缓冲层21的厚度介于0至600nm之间。

所述双触角信号电极分别与第一信号输入口、第二信号输入口和锯齿电极连接，所述双触角信号电极上设有第一触角e和第二触角c；

所述第一双触角地线电极分别与第一信号输入口和锯齿电极连接，所述第一双触角地线电极上设有第三触角f和第四触角h；

所述第二双触角地线电极分别与第一信号输入口和第二信号输入口连接，所述第二双触角地线电极上设有第五触角g和第六触角d；

优选地，双触角信号电极22功能部分置于光束调制区C一侧的第二掩膜板12上靠近波导芯层13一侧，第一触角e置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘中段靠近光束输入端面a位置，第二触角c置于第二掩膜板远离波导芯层13一侧的长边边缘尾端靠近光束输出端面b位置；第一双触角地线电极23功能部分置于光束调制区另一侧的第一掩膜板11上靠近波导芯层13一侧，第三触角f置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘中段靠近光束输入端面a位置，且与双触角信号电极22的一个触角e临近但不交叉重叠，第四触角h置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘尾端靠近光束输出端面b位置；第二双触角地线电极24功能部分置于第二掩膜板12上，且远离双触角信号电极22，第五触角g置于第一掩膜板11远离波导芯层13一侧的长边边缘中段靠近光束输入端面a位置，且与上述双触角信号电极22的一个触角e临近但不交叉重叠，第六触角d置于第二掩膜板12远离波导芯层13一侧的长边边缘尾端靠近光束输出端面b位置，且与上述双触角信号电极22的第二触角c临近但不交叉重叠。

所述第六触角d连接第一信号输入口26的信号接口，第二触角c连接第一信号输入口26的地线接口；在第二触角c和第六触角d之间连接匹配电阻25，优选的连接一颗10Ω的匹配电阻25；第一触角e连接第二信号输入口27的信号接口，第三触角f和第五触角g连接第二信号输入口27的地线接口

所述锯齿电极设置在波导芯层上方，所述锯齿电极为等腰三角形锯齿电极，等腰三角形锯齿电极28的底边与第一双触角地线电极23连接，顶角面向双触角信号电极22，且底边上的高等于波导芯层光束输出区C的宽。等腰三角形锯齿电极28的顶角与双触角信号电极22无接触，其顶角距离双触角信号电极22约5μm。

进一步作为本方法优选实施例，波导衬底10为铌酸锂晶片，波导芯层13为铌酸锂波导芯层。波导衬底10为铌酸锂晶片，波导芯层13为基于退火质子交换技术的铌酸锂波导芯层。

波导衬底10为铌酸锂晶体切片，基于退火质子交换技术制备出铌酸锂波导芯层13。

以下对铌酸锂波导芯层的制备进行说明，利用退火质子交换技术，形成铌酸锂退火质子交换波导芯层。质子源为苯甲酸，将铌酸锂晶片浸入为180℃的苯甲酸溶液2小时，进行铌酸锂晶体中Li+和H+的交换，然后对交换后的波导芯层进行退火温度为333℃，退火时间为6小时的退火处理。

完成波导芯层的质子交换后，对波导芯层进行温度为333℃、6小时的退火处理，如图1所示，基于退火质子交换技术得到的铌酸锂波导芯层的横截面积呈半圆形。选用衬底10为铌酸锂晶片，波导芯层13为铌酸锂波导芯层，以提高波导芯层13的光学性能。

实施例一的光波导器件，通过连接第一双触角地线电极23的等腰三角形锯齿电极28，使波导芯层13的折射率变为一个相控阵，提高光波导对待调光束的偏转性能。

实施例二

本实施例与实施例一类似，参照图2和图3，为光波导器件另一种方案的示意图，本实施例与实施例一的区别在于，等腰三角形锯齿电极31的底边与双触角信号电极22连接，顶角面向第一双触角地线电极23，且底边上的高等于波导芯层光束输出区C的宽。等腰三角形锯齿电极31的顶角与第一双触角地线电极22无接触，其顶角距离第一双触角地线电极22约5μm。

实施例二的光波导，通过连接双触角信号电极22的锯齿电极31，使波导芯层13的折射率变为一个相控阵，提高光波导对待调光束的偏转性能。

实施例三

如图4所示为电光、热光双效应模式扫摆器实验装置示意图，激光器41、输入光纤42、光波导43、信号源44、透镜45和模式监测器46其中，输入光纤42包括单模光纤或熊猫保偏光纤，优选的，使用熊猫保偏光纤作为输入光纤52。激光器41输出的待调光束通过连接输入光纤42导出。输入光纤42的尾端对准光波导的输入端面a的中心，使待调光束耦合进光波导43，其中。光波导的信号输入口连接信号源44，令光波导中的光束得到调制，若信号源44连接光波导43上的第一信号输入口，则模式往复移动的频率同信号源44的信号频率相同，若信号源44连接光波导43上的第二信号输入口，则会有模式往复移动的频率为信号源44的信号频率的二倍的倍频效应。输出光束由光波导43的输出端面b输出，输出光束通过透镜45聚焦在模式监测器46上。

基于实施例二所展示的器件的与实施例三的实验装置布局，将信号源同光波导的第一信号输入口连接，并输入不同的直流电压，器件输出光场模式保持准单模状态，模式中心随着直流电压的变化而变化，正电压输入时输出光场模式中心向右移动产生正向模式位移，负电压输入时输出光场模式中心向左移动产生负向模式位移，模式位移定义为输出模式中心与无电压输入时模式中心位置的相对变化量。此时光场模式扫摆由电光效应产生，图6为不同直流电压驱动下(0V～±50V)，器件输出光场的分布情况。

基于实施例二所展示的器件的与实施例三的实验装置布局，信号源同光波导的第一信号输入口连接，并输出电压变化范围为±25V的正弦调制电信号，模式往复移动的频率同信号源输出的正弦调制电信号频率相同。图7、图8和图9分别为电压变化范围为±25V、信号频率为20Hz、80Hz及160Hz时的模式位移随时间变化图。

基于实施例二所展示的器件的与实施例三的实验装置布局，将信号源同光波导的第二信号输入口连接，并输入不同的直流电压，器件输出光场模式保持准单模状态，模式中心随着直流电压的变化而变化，正电压输入时输出光场模式中心向右移动产生正向模式位移，负电压输入时输出光场模式中心向右移动产生正向模式位移，模式位移定义为输出模式中心与无电压输入时模式中心位置的相对变化量。此时光场模式扫摆主要由热光效应产生，图10为不同直流电压驱动下(0V～±5V)，器件输出光场的分布情况。

基于实施例二所展示的器件的与实施例三的实验装置布局，将信号源同光波导的第二信号输入口连接，并输出电压变化范围±5V的正弦调制电信号，模式往复移动的频率为信号源输出正弦调制电信号的频率的二倍。图11、图12和图13为电压变化范围±5V，信号频率分别为20Hz、80Hz及160Hz时的模式位移随时间变化图。

实施例四

如图5所示为幅度调制器实验装置示意图，激光器51、输入光纤52、光波导53、信号源54、透镜55和输出光纤56。其中，输入光纤52包括单模光纤或熊猫保偏光纤，优选的，使用熊猫保偏光纤作为输入光纤52；输出光纤56包括单模光纤、双模光纤或多模光纤，优选的，使用多模光纤作为输出光纤56。激光器51输出的待调光束通过连接输入光纤52导出。输入光纤52的尾端对准光波导的输入端面a的中心，使待调光束耦合进光波导43，其中。光波导的信号输入口连接信号源54，令光波导中的光束得到调制，若信号源54连接光波导53上的第一信号输入口，则光强幅度变化频率同信号源54的信号频率相同，若信号源54连接光波导53上的第二信号输入口，则会有光强幅度变化频率为信号源54的信号频率的二倍的倍频效应。输出光束由光波导53的输出端面b输出，输出光束通过透镜55聚焦在输出光纤56的端面上，另输出光束耦合进输出光纤56，输出光纤56的另一端连接强度检测器57。

基于实施例二所展示的器件的与实施例四的实验装置布局，将信号源同光波导的第一信号输入口连接，并输出正弦调制电信号，强度检测器所测量的输出光场定点光强变化的频率同信号源输出的正弦调制电信号频率相同。图14、图15和图16为电压变化范围±25V，信号频率分别为20Hz、80Hz及160Hz时的输出光场定点光强随时间变化图；图17为电压变化范围为±58.5V信号频率为2.5GHz的输出光场定点光强随时间变化图。

基于实施例二所展示的器件的与实施例四的实验装置布局，将信号源同光波导的第二信号输入口连接，并输出正弦调制电信号，强度检测器所测量的输出光场定点光强幅度变化的频率为信号源输出正弦调制电信号的频率的二倍。图18、图19和图20为电压变化范围±5V，信号频率为20Hz、80Hz及160Hz时的输出光场定点光强随时间变化图；图21为电压变化范围为±58.5V信号频率为2.5GHz的输出光场定点光强随时间变化图。

Claims (9)

1.一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于，包括衬底、第一掩膜板、第二掩膜板、波导芯层、锯齿电极、双触角信号电极、第一双触角地线电极、第二双触角地线电极、匹配电阻、第一信号输入口和第二信号输入口：

所述第一掩膜板和第二掩膜板间隔设置在衬底上，所述衬底、第一掩膜板和第二掩膜板形成槽状空间；

所述波导芯层设置在槽状空间的底部；

所述锯齿电极设置在波导芯层上方；

所述双触角信号电极分别与第一信号输入口、第二信号输入口和锯齿电极连接；

所述第一双触角地线电极分别与第二信号输入口和锯齿电极连接；

所述第二双触角地线电极分别与第一信号输入口和第二信号输入口连接；

所述匹配电阻的第一端与第二双触角地线电极连接，所述匹配电阻的第二端与双触角信号电极连接。

2.根据权利要求1所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于，所述波导芯层的顶端表面形状与槽状空间的平面形状相同。

3.根据权利要求2所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于，所述波导芯层包括光束输入区、光束过渡区和光束调制区，所述光束输入区和光束调制区均为长方形，所述光束过渡区为梯形，所述光束输入区的宽度小于光束调制区的宽度，所述光束过渡区起始端的宽度与光束输入区的宽度相等，所述光束过渡区末尾端的宽度与光束调制区的宽度相等。

4.根据权利要求3所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于：

所述双触角信号电极部分置于第一掩膜板上，所述双触角信号电极部分置于光束调制区一侧的靠近波导芯层的第二掩膜板上；

所述第一双触角地线电极置于第一掩膜板上，所述第一双触角地线电极部分置于光束调制区一侧的靠近波导芯层的第一掩膜板上；

所述第二双触角地线电极部分置于第一掩膜板上，所述第二双触角地线电极部分置于第二掩膜板上。

5.根据权利要求4所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于，所述双触角信号电极上设有第一触角和第二触角，所述第一触角置于第一掩膜板远离波导芯层的位置，所述第一触角与第二信号输入口连接，所述第二触角置于第二掩膜板远离波导芯层的位置，所述第二触角与第一信号输入口连接，所述第一双触角地线电极上设有第三触角和第四触角，所述第三触角和第四触角均置于第一掩膜板远离波导芯层的位置，所述第三触角与第二信号输入口连接，所述第二双触角地线电极上设有第五触角和第六触角，所述第五触角置于第一掩膜板远离波导芯层的位置，所述第五触角与第二信号输入口连接，所述第六触角置于第二掩膜板远离波导芯层的位置，所述第六触角与第一信号输入口连接，所述匹配电阻的第一端与第六触角连接，所述匹配电阻的第二端与第二触角连接。

6.根据权利要求5所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于，还包括波导芯层缓冲层，所述波导芯层缓冲层覆盖在波导芯层表面。

7.根据权利要求6所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于，所述锯齿电极为等腰三角形锯齿电极。

8.根据权利要求7所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于，所述衬底为铌酸锂晶片，所述波导芯层为铌酸锂波导芯层，所述波导芯层缓冲层为二氧化硅层。

9.根据权利要求8所述一种基于电光材料光波导的光场倍频扫摆器，其特征在于：

当所述第一信号输入口输入第一调制信号，模式扫摆频率及幅度调制频率等于第一输入调制信号的频率；

当所述第二信号输入口输入第二调制信号，模式扫摆频率及幅度调制频率等于第二输入调制信号频率的二倍；

所述光场倍频扫摆器的驱动频率范围为1Hz-2.5GHz，光场模式扫摆频率为1Hz-5GHz。