CN1203630C

CN1203630C - 利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器

Info

Publication number: CN1203630C
Application number: CNB031164625A
Authority: CN
Inventors: 杨艳芳; 曹庄琪; 张水英; 沈启舜
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: CN1449128A

Abstract

一种利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器属于光电子通信和光信息处理领域。调制器的上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜依次镀在棱镜的下表面，上下金属膜和电光聚合物薄膜构成双面金属包覆波导结构，棱镜、上层金属膜和电光聚合物薄膜构成了衰减全反射结构，激发的导波就在电光聚合物薄膜中传播。方法如下：首先形成上述调制器，采用半导体激光作为激光光源，当激光入射角达到导波共振角时，产生导波共振模式，通过反射光强随激光入射角度变化的曲线，寻找对应的同步角，使其激光光源在棱镜底部的入射角与所选导波共振模式的同步角相同，采用探测器接收反射光束，实现对多路光的调制。

Description

利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器

技术领域

本发明涉及的是一种同时调制多路光的方法及器件，特别是一种利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器，属于光电子通信和光信息处理领域。

背景技术

近二十年来，随着有机电光材料的快速发展，有机电光调制器的研制取得了很大的进步。不仅如此，多通道的聚合物电光调制器也已有报道。目前有两种形态可实现多通道的聚合物电光调制：波导传输型的Mach-Zender(M-Z)结构和衰减全反射器件结构。Mach-Zehnder干涉型或其改进型结构的电光调制器是当今世界上光调制器的主流，它的优点是调制带宽比较高，如美国Lawrence Livermore国家实验室已制成调制带宽为40GHz的铌酸锂调制器并已实用化。但这类波导结构的调制器普遍存在着插入损耗大，制作工艺复杂的缺点。其插入损耗一般在2dB左右，这意味着调制过程中接近40％的输入能量损失掉了。同时其制作过程中广泛采用的微加工工艺增加了制作的困难度。如Mach-Zehnder干涉型调制器的制备过程包括电极设计、制版、掩模、光刻、刻蚀、剥离等一系列复杂精细的微加工工艺，且整个过程必须在超净除尘的净化室中进行。这就决定了用该方法制作的电光调制器价格昂贵的特点。经文献检索发现，Appl.Phys.Lett.62(24)，14，June，1993，Multilevel registered polymeric intensity modulator array(应用物理快报.62(24)，14，June，1993，多层集成的Mach-Zehnder强度调制器)，该文是首次提出集成两层导波聚合物电光Mach-Zehnder强度调制器，它是在同一芯片上垂直集成两个完全独立的Mach-Zehnder调制器的结构，这两个Mach-Zehnder调制器可以独立极化和操作。虽然这个双通道的Mach-Zehnder调制器可以使用，但它的集成存在着很大的困难。特别是在同一芯片上多路集成M-Z调制器更是困难，每个M-Z结构需要4-5层组合，垂直集成二个M-Z结构需要8-10层，因此在同一芯片上集成多个M-Z实际上是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器，使其利用衰减全反射结构的调制器的导波共振模式实现多路光的同时调制，同时调制器具有工艺简单、价格低廉、小型化等特征。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明调制器由棱镜、上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜构成，上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜依次镀在棱镜的下表面，其中，上下金属膜和电光聚合物薄膜构成双面金属包覆波导结构，棱镜、上层金属膜和电光聚合物薄膜构成了衰减全反射结构，从激光器入射的激光束所激发的导波就在电光聚合物薄膜中传播。

棱镜可以采用玻璃、晶体材料等高折射率材料制作，其折射率在工作波长下应在1.75-2.00之间，且对该波长的激光无吸收，棱镜的形状可根据实际需要选择，如等边、等腰、柱面、球面等其它常见或特殊形状。

上层金属膜和下层金属膜一般可选用对工作波长吸收较小的金属。金属介电常数ε＝ε_r+ε_l与工作波长有关，金属种类可选择银、金等在光频范围内介电常数虚部较小的金属，其介电常数实部ε_r与虚部ε_l比例为|ε_r|/ε_l≥10。

金属膜的厚度应严格控制使导波共振吸收最为强烈，使其调制深度较大。上层金属膜的厚度在20nm～60nm之间，对不同的聚合物采用不同的厚度，下层金属膜的厚度大于100nm。调制器的工作波长在可见和近红外光频范围内选择。

电光聚合物薄膜可选用具有电光效应的有机薄膜，该有机薄膜必须具有较高的电光系数，电光聚合物薄膜的厚度必须能承载多个导波共振模式，通常电光聚合物薄膜的电光系数γ₃₃＞10pm/V，厚度在2μm～4μm之间。为了减小光斑的面积，提高调制度，电光聚合物薄膜的折射率须小于棱镜的折射率，电光聚合物的折射率在1.50～1.70之间。

隔离层可采用各种不导电的有机材料，厚度以保护高电场作用下的电光聚合物不被破坏为宜，折射率须小于极化聚合物的折射率，通常隔离层的厚度在2μm～3μm之间，隔离层的折射率在1.4～1.5之间。

在上述衰减全反射电光调制器的基础上，本发明提出利用不同波长和不同导波共振模式同时实现多路光的调制方法，首先形成由高折射率的棱镜、上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜组成的衰减全反射电光调制器，采用半导体激光作为激光光源，当激光入射角超过棱镜与电光聚合物薄膜的全反射角并达到某一特定角度(导波共振角)时，将在电光聚合物薄膜层内激发导波，形成导波共振，在整个角度范围内，存在若干导波共振角，均能产生导波共振吸收，每产生一次吸收，称为一个模式，而与这些模式对应的角度称为同步角，整个角度范围内反射光强的变化曲线称为ATR谱，ATR谱上与导波共振吸收对应的峰称为ATR吸收峰，由于棱镜—双面金属波导的ATR谱的导模吸收峰对于波导介质的折射率极为敏感，利用反射光强随激光入射角度变化的曲线，寻找各种波长下所对应的不同的导波共振模式所对应的同步角，使其每一个激光光源在棱镜底部的入射角与所选导波共振模式的同步角相同，然后在棱镜的另一侧同时采用和激光器相同个数的探测器接收反射的光束，就可以实现对多路光的调制。

ATR谱的特性之一是整个谱线的共振角位置对于电光聚合物薄膜的折射率n₃的变化很敏感，当n₃变化很小时，整个ATR谱的变化表现为沿坐标横轴方向发生一微小位移。在ATR谱上，其全反射吸收峰的下降沿存在着一段线性区。该段区域的线性较好、斜率较大。这样如果把工作点选择在线性段的中点处。而当在电极上施加一个工作电压之后，由于电光效应会引起电光材料介电系数的微小变化，进而引起整个ATR谱线的平移变化，引起反射光强随工作电压线性变化，从而实现了一个反射光强调制器的功能。

以下对本发明方法作进一步的说明，具体步骤如下：

第一步：选择合适的材料和参数形成由高折射率的棱镜、上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜组成的衰减全反射电光调制器；

采用甩胶法将电光聚合物制作在上层金属膜之上，可通过调节甩胶机转速来控制膜厚，使波导能承载多个共振模式，调制器工作时可选择其中一个模式或多个模式同时进行调制。采用电晕极化方法，将聚合物材料加热至该材料的玻璃化转变温度附近，这时聚合物内部的极性分子处于可自由转动的状态，在垂直于聚合物表面的方向施加极高的电场，则聚合物内部的极性分子在电场作用之下会整齐的排列起来，再保持电场作用，缓慢降至室温，这时极性分子便被牢牢地冻结，这时再撤掉电场，聚合物材料便对外呈现一定的光学各向异性，即具有了电光特性。采用甩胶法将隔离层制作在电光聚合物薄膜之上。采用溅射方法在隔离层下方制作下层金属膜，作为调制器的下电极。

第二步：选用半导体激光作为光源，从激光器入射，工作波长在可见到近红外光频范围内选择。将偏振片调到所需要的工作状态：S偏振或P偏振，放在激光器的后面，使激光束垂直的经过偏振片，保持不改变光路。选取某些特定的入射角(导波共振角)，使S偏振波或P偏振波的衰减达到最大。同时，使导波共振角等于或接近高折射率棱镜的底角，以使激光光束能够垂直于入射和出射面，而降低插入损耗。另外，较小的角度入射可减小光斑面积，从而减小电极面积，以便提高调制带宽。激光器的设置使其入射的激光光束分别正对棱镜底面的导波共振模式的同步角，探测器与激光器相对于棱镜对称，使反射的激光光束能够分别照射在探测器上。根据所要选取的偏振方向(S偏振波或P偏振波)，选用激光器在导波共振角下入射到折射率棱镜的底面上，并激发在电光聚合物薄膜中传播的导波。采用探测器接收出射光束。同时，在调制器电极上加一个电信号，利用调制器的工作原理——作用电场使材料的折射率变化而引起光强变化，从而完成由电信号到光信号的调制，可得到调制的光信号，并同时将其显示在示波器上。

通过选择同步角，将工作模式选择在低阶模的吸收峰上，将器件工作点选择在ATR吸收峰的下降沿，以减小驱动电压。

在本发明中，由于ATR导模吸收峰的下降沿随聚合物的折射率等特性变化较为敏感，且成线性关系的特点，同时由于场致介电系数变化引起的ATR谱微小移动转化为反射光强的明显变化，另外，由于波导能乘载多个模式，不同波长又具有不同同步角。因此可利用不同导模和不同波长进行工作，从而实现对多路反射光的直接调制。

本发明能同时调制双面金属波导TE和TM模，可应用于光通讯、光信息处理等各种有需要光调制的场合。如在无线光通讯中，需将信号同时传输到多个不同的地点。另外还可用于其它需要对多路激光或多路光束参数同时进行控制的情况，如精密测量、测距、全息检测、分析仪器等领域。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明实现了对多路光的电光调制，具备以下优点：(1)调制器制备相当简单，可采用电光聚合物作为工作物质，材料处理方便、成本低廉。同时由于电光聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得样品的制备非常简单。例如采用甩胶法可以很方便的控制膜厚。热蒸镀和极化等工艺也已非常成熟。而且聚合物通过电晕极化的方法可以获得高于LiNbO3等无机晶体的电光系数。(2)插入损耗很低，而且调制发生在全反射角之外，入射能量几乎能全部被反射。(3)由于调制器的上下两电极构成一对平行板电容器，电容器的电容决定了调制带宽的大小，在精确控制入射光斑尺寸情况下，通过计算，当电极直径为1mm时，调制带宽可达到2.5GHZ。可通过减小电极面积的方法来提高调制带宽。(4)可用多种方式实现多光路调制。通过选择不同的导波共振模式或不同的波长，可以使调制器在不同的方式下工作：同一波长、不同导波共振模式方式；不同波长、相同导波共振模式方式：不同波长、不同导波共振模式方式。

(5)调制器只有一个电极，施加相同的电信号实现多路光的同时调制，因而没有电串扰。

附图说明

图1本发明原理示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明调制器由棱镜1、上层金属膜2、电光聚合物薄膜3、隔离层4和下层金属膜5组成，上层金属膜2、电光聚合物薄膜3、隔离层4和下层金属膜5依次镀在棱镜1的下表面，其中，上下金属膜2、5和电光聚合物薄膜3构成双面金属包覆波导结构，棱镜1、上层金属膜2和电光聚合物薄膜3构成了衰减全反射结构，从激光器6和7入射的两束激光束所激发的导波就在电光聚合物薄膜3中传播。

以下结合根据本发明方法内容提供三个实施例，实施例中所给出的材料的介电常数和折射率是在波长为832nm时的情况。

实施例1

利用相同波长(832nm)的不同导波共振模式(TM1和TM2)实现两路光的同时调制：

第一步：棱镜1材料选用高折射率等边三角棱镜(ZF6，n＝1.7355)。上层金属膜2材料采用银(ε＝-30.0+i15)，利用溅射方法镀在棱镜1的下底面上，厚度为45.0nm。电光聚合物薄膜3材料选用交联型的有机材料，其折射率为1.680，厚度为3.0μm。然后在电光聚合物3材料的玻璃化转变温度(160℃)附近，在垂直于聚合物表面的上方的金属针尖上施加极高的电场(3800V)，使空气放电。则聚合物内部的极性分子在电场作用之下会整齐的排列起来。再保持电场作用，缓慢降至室温。这时极性分子便被牢牢地冻结。这时再撤掉电场，聚合物材料便对外呈现一定的光学各向异性，即具有了电光特性。隔离层4采用成膜性较好的高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其折射率为1.490，用甩胶法将PMMA制作在电光聚合物薄膜3之上，其厚度为2μm。下层金属膜5材料采用金(ε＝-28.0+i2.0)，用溅射方法镀在PMMA的下底面上，厚度为100.0nm。

第二步：选取激光器6和激光器7的波长均为832nm，输出光偏振片10、11方向均为P偏振，两个导波共振模式分别为TM1和TM2，其同步角分别是θ₁、θ₂。使从激光器6和7入射的两束激光束在确定的角度——导波共振角64.0530度和63.4230度下入射到棱镜1的底面上，激发在电光聚合物薄膜3中传播的导波。用探测器8和探测器9分别接受从激光器6和激光器7出射的光束。同时，在调制器的上下电极上加一个40V电信号，利用调制器的工作原理，得到两路不同的光信号，其大小分别为1.7V和1.6V，并将其同时显示在示波器上。

实施例2

利用不同波长(832nm和980nm)的相同导波共振模式(TM1)实现两路光的同时调制：

第一步：棱镜1材料选用高折射率等边三角棱镜(ZF7，n＝1.7837)。上层金属膜2材料采用银(ε＝-30.0+i1.5)，利用溅射方法镀在棱镜1的下底面上，厚度为55.0nm。电光聚合物薄膜3材料选用交联型的有机材料，其折射率为1.680，厚度为3.5μm。然后在电光聚合物3材料的玻璃化转变温度(160℃)附近，在垂直于聚合物表面的上方的金属针尖上施加极高的电场(4000V)，使空气放电。则聚合物内部的极性分子在电场作用之下会整齐的排列起来。再保持电场作用，缓慢降至室温。这时极性分子便被牢牢地冻结。这时再撤掉电场，聚合物材料便对外呈现一定的光学各向异性，即具有了电光特性。隔离层4采用成膜性较好的高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其折射率为1.49，用甩胶法来将PMMA制作在电光聚合物薄膜3之上，其厚度为2.5μm。下层金属膜5材料采用金(ε＝-28.0+i2.0)，用溅射方法镀在PMMA的下底面上，厚度为150.0nm。

第二步：选取激光器6和激光器7的波长分别为832nm和980nm，输出光偏振片10、11方向均为P偏振，两个导波共振模式均为TM1，其同步角分别是θ₁、θ₂。使从激光器6和7入射的两束激光束在确定的角度——导波共振角63.6134度和62.1707度下入射到棱镜1的底面上，激发在电光聚合物薄膜3中传播的导波。用探测器8和探测器9分别接受从激光器6和激光器7出射的光束。同时，在调制器的上下电极上加一个40V电信号，利用调制器的工作原理，得到两路不同的光信号，其大小分别为1.7V和1.4V，并将其同时显示在示波器上。

实施例3

利用不同波长的不同导波共振模式--832nm的TM1和980nm的TE2实现两路光的同时调制：

第一步：棱镜1材料选用高折射率等边三角棱镜(n＝1.900)。上层金属膜2材料采用银(ε＝-30.0+i1.5)，利用溅射方法镀在棱镜1的下底面上，厚度为60.0nm。电光聚合物薄膜3材料选用交联型的有机材料，其折射率为1.680，厚度为4.0μm。然后在电光聚合物3材料的玻璃化转变温度(160℃)附近，在垂直于聚合物表面的上方的金属针尖上施加极高的电场(4300V)，使空气放电。则聚合物内部的极性分子在电场作用之下会整齐的排列起来。再保持电场作用，缓慢降至室温。这时极性分子便被牢牢地冻结。这时再撤掉电场，聚合物材料便对外呈现一定的光学各向异性，即具有了电光特性。隔离层4采用成膜性较好的高分子材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其折射率为1.490，用甩胶法来将PMMA制作在电光聚合物薄膜3之上，其厚度为3μm。下层金属膜5材料采用金(ε＝-28.0+i2.0)，用溅射方法镀在PMMA的下底面上，厚度为200.0nm。

第二步：选取激光器6和激光器7的波长分别为832nm和980nm，输出光偏振片10、11方向分别为P偏振和S偏振，两个导波共振模式分别为TM1和TE2，对应同步角分别是θ₁、θ₂。使从激光器6和7入射的两束激光束在确定的角度——导波共振角62.3347度和60.6719度下入射到棱镜1的底面上，激发在电光聚合物薄膜3中传播的导波。用探测器8和探测器9分别接受从激光器6和激光器7出射的光束。同时，在调制器的上下电极上加一个40V电信号，利用调制器的工作原理，得到两路不同的光信号，其大小分别为1.8V和1.0V，并将其同时显示在示波器上。

上述所给出的三个实例，全是对两路光的调制。对于多路光的调制，只需找到不同波长下所对应的各个不同导波共振模式的同步角，然后采用多个激光器提供激光光源，利用相同的原理，使其每一个光源在棱镜底部的入射角与所选共振模式的同步角相同，然后在棱镜的另一侧同时采用和激光器相同个数的探测器接收反射的光束，就可以实现对多路光的调制。

Claims

1、一种利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，包括：棱镜(1)、隔离层(4)，其特征在于还包括：上层金属膜(2)、电光聚合物薄膜(3)和下层金属膜(5)，上层金属膜(2)、电光聚合物薄膜(3)、隔离层(4)和下层金属膜(5)依次镀在棱镜(1)的下表面，其中，上下金属膜(2)、(5)和电光聚合物薄膜(3)构成双面金属包覆波导结构，棱镜(1)、上层金属膜(2)和电光聚合物薄膜(3)构成了衰减全反射结构，从激光器(6)和(7)射出的两束激光束在棱镜底部的入射角应与所选导波共振模式的同步角分别相同，这样激发的导波就在电光聚合物薄膜(3)中传播。

2、根据权利要求1所述的利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，其特征是，棱镜(1)采用高折射率材料制作，其折射率在工作波长下在1.75-2.00之间。

3、根据权利要求1所述的利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，其特征是，上层金属膜(2)和下层金属膜(5)选用对工作波长吸收较小的金属，金属种类选择在光频范围内介电常数虚部较小的金属，如：银、金，其介电常数实部ε_r与虚部ε_i比例为|ε_i|/ε_i≥10。

4、根据权利要求1或3所述的利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，其特征是，上下层金属膜的厚度使导波共振吸收最为强烈，上层金属膜(2)的厚度在20nm～60nm之间，下层金属膜(5)的厚度大于100nm。

5、根据权利要求1所述的利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，其特征是，电光聚合物薄膜(3)选用具有电光效应的有机薄膜，该有机薄膜必须具有较高的电光系数，电光聚合物薄膜(3)的厚度必须能承载多个导波共振模式，电光聚合物薄膜(3)的电光系数γ₃₃＞10pm/V，厚度在2μm～4μm之间，电光聚合物薄膜(3)的折射率小于棱镜(1)的折射率，电光聚合物薄膜(3)的折射率在1.50～1.70之间。

6、根据权利要求1所述的利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，其特征是，隔离层(4)采用不导电的有机材料，隔离层(4)厚度在2μm～3μm之间，隔离层(4)的折射率在1.4～1.5之间。

7、根据权利要求1所述的利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，其特征是，调制器的工作波长在可见和近红外光频范围内选择。

8、一种利用导波共振模式同时调制多路光的方法，其特征在于，首先形成由棱镜(1)、上层金属膜(2)、电光聚合物薄膜(3)、隔离层(4)和下层金属膜(5)组成的衰减全反射电光调制器，采用半导体激光作为激光光源，当激光入射角超过棱镜(1)与电光聚合物薄膜(3)的全反射角并达到导波共振角时，将在电光聚合物薄膜(3)层内激发导波，形成导波共振，产生导波共振模式，模式对应的角度为同步角，通过反射光强随激光入射角度变化的曲线，寻找各种波长下所对应的导波共振模式所对应的同步角，使其每一个激光光源在棱镜(1)底部的入射角与所选导波共振模式的同步角相同，然后在棱镜(1)的另一侧同时采用和激光器相同个数的探测器接收反射的光束，实现对多路光的调制。

9、根据权利要求8所述的利用导波共振模式同时调制多路光的方法，其特征是，具体步骤如下：

第一步：选择材料和参数形成由高折射率的棱镜(1)、上层金属膜(2)、电光聚合物薄膜(3)、隔离层(4)和下层金属膜(5)组成的衰减全反射电光调制器，采用甩胶法将电光聚合物制作在上层金属膜(2)之上，通过调节甩胶机转速来控制膜厚，使波导能承载多个共振模式，调制器工作时选择其中一个模式或多个模式同时进行调制；采用电晕极化方法，将聚合物材料加热至该材料的玻璃化转变温度附近，在垂直于聚合物表面的方向施加极高的电场，再保持电场作用，缓慢降至室温，这时极性分子被牢牢地冻结，再撤掉电场，聚合物材料便具有了电光特性；采用甩胶法将隔离层制作在电光聚合物薄膜(3)之上；采用溅射方法在隔离层(4)下方制作下层金属膜(5)，作为调制器的下电极。

第二步：选用半导体激光作为光源，从激光器入射，工作波长在可见到近红外光频范围内选择，将偏振片调到S偏振或P偏振，设置在激光器的后面，使激光束垂直的经过偏振片，并避免光路改变，选取导波共振角，使S偏振波或P偏振波的衰减达到最大；同时，选择等于或接近棱镜(1)底角的导波共振角，使激光光束垂直于入射和出射面；激光器的设置满足入射的激光光束正对棱镜(1)底面的导波共振模式的同步角，探测器与激光器相对于棱镜(1)对称，反射的激光光束分别照射在探测器上；根据选取的S偏振波或P偏振波，选用激光器在导波共振角下入射到折射率棱镜(1)的底面上，并激发在电光聚合物薄膜(3)中传播的导波，采用探测器接收出射光束；在调制器电极上加一个电信号，通过调制器完成由电信号到光信号的调制，得到调制的光信号，并同时将其显示在示波器上。

10、根据权利要求8或9所述的利用导波共振模式同时调制多路光的方法，其特征是，通过以下方法减小驱动电压：选择同步角，将工作模式选择在低阶模的吸收峰上，将电光调制器的工作点选择在ATR吸收峰的下降沿。