CN1332859A - 电致伸缩光纤调制器 - Google Patents
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Abstract
一种用于调制光信号相位的装置。该装置包括传播光信号的光介质(110)。电极(130,132)中的至少一个贴近介质(110)。电极响应交流电压而在介质中感应一个电场并通过电致伸缩效应使光介质(110)的折射率产生变化。优选的是,光信号的相位被调制以致于平行和垂直于电场的光信号的偏振分量经历相等的相移。在某些实施例中,一个直流电压加在光介质上。作为选择,光介质中的直流电压可以从对光介质进行极化产生。本发明的某些实施例包括置于光介质相对面的两个电极。此装置被用于干涉仪中以形成调制装置或开关装置。
Description
本发明涉及光调制器和开关，特别是，基于光纤的光调制器和开关。
目前，只有几种工作于兆赫兹频率范围的相位调制器是可供商用的。例如，电光铌酸锂调制器可以设计成工作于数百吉赫兹上。铌酸锂调制器是相对紧凑(几厘米长)的，且当其制成波导型时只需要几伏特而当其是整块光器件时需要几百伏特。另一方面，它们显示出相当大的至少1dB的内部损耗，以及至少每端口0.5dB的连接损耗。于是，带引线的铌酸锂调制器的光纤至光纤的损耗至少是2dB。而在很多产品中这是相当高的。还有，这些器件的成本高，典型的是几千美元。另外，在整块光器件铌酸锂调制器的情形，当工作于几个兆赫兹的频率上时需要的电压在几百伏特数量级。这个电压需求是通过利用谐振电子电路提升几伏特的低输入电压信号而得到满足的，但是，这种电路一般有典型的约1MHz的带宽的限制，因此调制器工作在一个窄的频率范围上。
另一种高频相位调制器是压电(PZT)环调制器。在这个装置中，典型长度为几米的光纤绕在PZT环上。当一个交流电压作用于环时，环周期性地扩大和缩小，从而拉伸光纤，这将调制在光纤中传播的光信号的相位。虽然这种调制器仅需要几伏特，但它只能在与环的机械共振频率相对应的几个离散的频率上产生有用的相移(典型地大约在π∏左右)。因此，这个装置的带宽也是受到限制的。
第三种相位调制器是声光(A/O)光纤调制器，其中光纤机械地连接到一个PZT调制器上，该调制器周期性地压缩它。(见，例如，I.Abdulhalim，和C.N.Pannell，“Photoelastic in-fiberbirefringence modulator operating at the fundamentaltransverse acoustic resonance，”(工作在基本横向声频谐振上的光弹性光纤内双光折射的调制器)IEEE Photon.Techno.Lett.卷5，第10，1197-1199页，Oct.1993.)这种调制器也由谐振电子电路驱动，因此它的带宽通常限制在1MHz的数量级。A/O调制器可能需要0.7W的输入功率以产生π/2的相位调制。另外，光纤上覆有一层薄PZT薄膜的A/O光纤调制器已经在Stanford大学展示出来。尽管A/O光纤调制器工作良好，但它们仅可工作在离散的谐振频率上并且需要相当高的输入电功率。
对所有这些调制器而言，一个偏振的信号传播过这个装置所经受的相位调制与垂直偏振的信号传播过这个装置所经受的相位调制有显著的差别。这种对偏振依赖性对许多应用是极其不利的，因为输入信号的偏振一般并不恒定而会随时间而不可预知地变化。
虽然有各种各样的光纤器件如滤波器，放大器，连接器，以及激光器，但目前要得到具有合适特性的全光纤光调制器和开关并不容易。这些装置可能对光纤传感器，光纤传感器阵列，光通信系统，以及光纤和波导装置如激光器是有用的。
本发明的一个方面是一种调制光信号相位的装置。此装置包括传播光信号的光介质，以及与光介质贴近的第一和第二电极。交流电压加在第一和第二电极之间，这引起两电极之间的光介质的应变，通过电致伸缩效应，使光介质折射率产生变化。在该发明的一个优选的实施方案中，光介质是非极化的，电极上除了加上交流电压外还可以加上直流电压。光信号的相位可以被调制以使光信号平行和垂直于电场的偏振分量经历相等的相移。该装置被方便地合并到干涉仪中以形成能调制光信号振幅的装置。作为选择，该装置还可采用到干涉仪中以形成光开关装置。
本发明的另外一个方面是一种调制光信号相位的装置，其中装置包括传播光信号的极化光介质。极化光介质有内部的直流电场。至少有一个电极贴近介质。这个电极加有交流电压以在介质中感应出交流电场，通过电致伸缩效应使光介质折射率的变化。在一个优选的实施例中，光信号的相位被调制使光信号平行和垂直于电场的偏振分量经历相等的相移。该装置可有利地采用干涉仪以形成能调制光信号振幅的装置。作为选择，该装置还可有利地采用干涉仪以形成光开关装置。
本发明的另外一个方面是一种调制光信号相位的方法，该方法是通过提供光介质，施加交流电压以便在光介质内产生电场，通过在光介质中引起应变由电致伸缩效应产生光介质的折射率的变化，并且使光信号通过光介质以调制光信号的相位。在该方法的一个优选的实施方案中，交流电压加在第一和第二个电极上，其中，电极贴近光介质。在该方法的另外一个实施例中，所加的交流电压具有某一频率以使光信号通过光介质时光信号平行和垂直于电场的偏振分量经历相等的相移。光介质的输出可以被引导到干涉仪中用以调制光信号的振幅，或用以将光信号从干涉仪第一个输出端口切换至干涉仪的第二个输出端口。
下面将结合有关的附图来描述本发明，其中：
图1示出了作为本发明的一个实施例的一个电致伸缩调制器；
图2A示出按照本发明的利用极化光介质的另一个实施例的一个电致伸缩调制器；
图2B示出了作为本发明的另一个实施例的一个整块电致伸缩调制器；
图3A示出了激光的垂直偏振作用于图2所示的实施例时所得到的相移对应于调制频率的曲线；
图3B示出了激光的平行偏振作用于图2所示的实施例时所得到的相移对应于调制频率的曲线；
图4示出了本发明利用抛光光纤的一个可选择的实施例；
图5示出了本发明的一个基于集成光学技术的实施例；
图6示出了本发明的一个基于集成光学技术的可选择的实施例；以及
图7示出了采用依照本发明的相位调制器一个Mach-Zehnder干涉仪振幅调制器。
这里描述了本发明的几种实施例，在这些实施例中，光纤或波导中的电致伸缩效应用于在仅需不大的电压下就可以在特定的机械谐振频率下产生大指数的调制。另外，在特定的工作频率下，产生的相位调制与输入信号的偏振是无关的。这些谐振用于设计基于全光纤的光学元件，如调制器和开关。与现有商用的，一般是基于电-光晶体如铌酸锂的相位调制器相比，这些基于光纤的元件包括下述优点(1)极低的内部损耗，例如，远小于0.01dB；(2)对单模通信光纤具有低损耗的接合；并且(3)宽带的传输范围，从紫外线(UV)到红外线(IR)。
在本发明的几个实施例中，电场(例如，电压)直接作用于光纤(或另外形式的光波导)以引起折射率的变化，从而对传播于波导中的信号进行调制。大多数光材料的折射率可以由施加电场并通过，例如克尔(Kerr)效应或电致伸缩效应而产生变化。在本发明中，电致伸缩效被用来在玻璃或另外的材料中产生相位调制，在特定频率上由电致伸缩效应引起的相位调制的大小明显超过由Kerr效应所引起的。
由于电致伸缩效应，作用于材料上的频率为ν的交流电场使材料处于周期性的应力之下。这个应力在材料内部产生应变(相对变形)，即材料以频率ν周期性地膨胀和收缩以响应该场。作为材料密度周期性变化的结果，与密度有关的材料的折射率也变化，特别是以两倍于作用的频率2ν变化。于是，穿过材料的光信号在2ν处相位被调制，且这个调制的振幅正比于所加电压的平方，Vm 2。如果除了交流电压外还加上一个直流电压Vdc，那么所得到的相位调制正比于乘积VmVdc，并且在频率ν处发生调制。
当材料受到应力时，与材料的机械谐振相对应的特定频率上应变会大大增强。在这些频率上，材料的变形增加了，对折射率的调制也同样增加。于是，由电致伸缩效应引起的相位调制谱(作为频率的函数)典型地以出一系列尖峰出现，即谐振。这些谐振频率取决于样品的物理形状和尺寸。例如，对一个厚度为d的平板，基本的谐振频率由V0＝V/(2d)给出，这里，v是材料中的声速。光谱将在ν0和更高次的谐波(ν0的奇数倍)上出现谐振，且对于其它样品尺寸和其它声波类型时会显示出其它谐振。对石英而言，纵波速度是v＝5.95km/s，因而在直径为d＝125μm的光纤里，基本的谐振是24MHz。(见，I.Abdulhalim，和C.N.Pannell，supra.)
图1表示本发明的一个实施例。一条包括由覆盖层118包围的内芯114的光纤110被埋在电绝缘体122中。绝缘体122可以是聚酰亚胺或另外的具有高绝缘击穿电压的材料。光纤110/绝缘体122的结合体被抛光到一个小的厚度d，例如，30μm，并且夹在面对面的电极130和132之间。一个频率为ν的正弦电压(即V＝Vmsin2πνt)作用在一个电极130上，另一个电极132接地。
基于下面叙述的实验测量，这个实施例在调制电压Vm＝350V，厚度d＝30μm，以及电极长度(延伸入和出纸面的尺寸)L＝24cm的条件下，应该在两倍于基频处(即在差不多200MHz)产生π的相位调制。在这些条件下，作用于此结构的电场是350V/30μm＝11.6V/μm。这超过了空气在室温下的击穿电场，这正是使用绝缘体122的原因。作为选择，除了交流电压外也施加直流电压，即V＝Vdc＋Vmsin2πνt。在d＝30μm且L＝24cm条件下，当Vm＝10V以及Vdc＝3000 V时会在基频99.3MHz处产生π的相位调制。
本发明的另外一个实施例如图2A所示。一个如整块光学石英(例如高纯度的Infrasil材料)的光介质200或抛光成如图1所示的光纤维被置于电极204和208之间，其中一个永久电场已先感生成于石英中。这可以方便地通过“极化”完成，即将石英置于升高的温度中然后加上强电场。当石英冷却之后，关掉所加的电场，而已感生的电场会保持在石英中。(见，例如，R.A.Myers，N.Mukerjhee，和S.R.J.Brueck，“Large Second-Order Nonlinearity in Poled FusedSilica，”(极化熔融石英玻璃中的大的二阶非线性)Opt.Lett.16，第22，1732-1734页，Nov.1991，和A.C.Liu，D.Pureur，M.J.F.Digonnet，和G.S.Kino
“Improving the nonlinearity of silica by polng at highertemperature and voltages，”(在高温和高电压下极化以改善石英玻璃的非线性)Optical Society of America Conference，Williamsburg，VA，November 1997，Paper BtuCS，302-304页。)作为选择，石英可以
暴露在强烈的紫外线(以代替温度升高)和高电压下。(见，例如，T.Fujiwara等人，“Electro-Optical Effect Induced byUV-Excited Poling in a Silica Fibre，”(石英光纤中由紫外激励的极化所感生的电光效应)19th Austalian Conference on OpticalFibre Technol ogy，Paper PDP-3，1994.)
对有关极化石英实施例的测量指出，这样生成的电场在极化阳极下面可延展约15μm，并且其强度可估计为约350V/μm，该值仍然小于高纯度石英的击穿场(高达1000V/μm)。于是，这个内置的内部电场可以方便地代替外部所加的直流场。因为这个直流场很接近(在约15μm内)于电极204，光信号212必须穿过靠近电极204的石英200，如图2A所示。基于对图3A和图3B所示的谐振相移的测量，且已知内部场为350V/μm，在一个长度为L＝10cm和调制电压Vm＝30V的装置中，可以预言调制频率为24MHz时的相位调制为π。如果图2A的石英晶片被象图1所示那样的绝缘和抛光极化光纤替换，可得类似的结果。
这个实施例中的极化光纤装置需要较低的工作电压且消耗很小的电功率。另外，它只有可被忽略的光内部损耗。(在位于1.55μm处典型的内部光纤损耗小于0.5dB/km。)与另一个非极化光纤接合时每接头仅附加0.03dB。于是，极化光纤装置总的光纤至光纤损耗小于0.07dB。这与已供商用的整块光学铌酸锂相位调制器形成了对照，铌酸锂相位调制器在一个给定的频率上(例如5MHz和1MHz的带宽)产生π的相位调制可能需要约200V，且典型地显示出几个dB的光纤至光纤的传输损耗。
现在讨论一个已变为实用的实施例，详情参考图2B，3A，和3B。一个未经极化的石英200厚平板，厚度为d＝406μm。电极204和208是0.3μm厚的铬/金层。光信号由工作于633nm的连续波(cw)激光束212提供，光束212被导向穿过电极204和208之间的石英200。调制电压Vm＝15V及直流电压Vdc＝2220V加于电极204和208上。所加的交流频率在0.5至19MHz之间变化，且给予光信号的调制由Mach-Zehnder干涉仪(未表示)测量。
图3A和3B给出了所测得的作为激光束偏振频率ν的函数的激光束212的相位调制的对数曲线，该偏振分别垂直和平行于所加的电场。这里采用了通常的惯例，即激光束的偏振定为光束电场取向。对这两种偏振来说，一个非常强的谐振存在于7.35MHz，在该频率处有Δφperp＝2mrad和Δφpar＝0.9mrad，这里，Δφperp和Δφpar分别是垂直偏振和平行偏振的相位调制。这个谐振频率与装置的基频精确对应，可计算出该基频ν0＝v/(2d)＝7.34MHz。谐振相当窄(大约20kHz，相应的带宽为0.2％)，所具有的垂直和平行偏振的谐振相位调制比非谐振频率上的提高了大约100倍。
图3A和3B表示尽管平行偏振光谱和垂直偏振光谱通常在相同的频率上呈现谐振，但这两个光谱并不互成比例。其原因是产生的相位变化至少来自两种不同的因素，也就是Kerr效应和电致伸缩效应。每个的机制表现出了它自己的大小，对频率的依赖性，以及对偏振的依赖性。在所示的频率区域中可以看出，对两个偏振中的每一个，Kerr效应的作用大体是恒定的常数，几乎是与频率无关的相位调制。然而，由Kerr效应引起的平行偏振(AφKpar)相位调制的大小与其引起的垂直偏振(ΔφKperp)相位调制的大小是不同的。由于光介质200是各向同性的而Kerr效应产生于3阶非线性，从Kleinman对称性考虑可以表明Kerr效应产生的偏振比率bk是bK＝φKperp/ΔφKpar＝1/3。
另一方面，在上面讨论的原因中，电致伸缩效应确实带来谐振，它是图3A和图3B的突出的尖峰的原因。图3A和图3B的光谱显示在靠近7.35MHz的谐振点：(1)由Kerr调制带来的相移要远比由电致伸缩调制带来的相移为小得多，且(2)垂直偏振的电致伸缩调制带来的相移要强于平行偏振的，即这两个量的比率bE(bE＝ΔφEperp/ΔφEpar)大于1。
比率bE是用图3A和3B的数据推导出来的，即垂直偏振谐振的峰值相移被平行偏振谐振点的峰值相移去除。如上面所讨论的，采用这个步骤是因为在谐振时电致伸缩相移比Kerr相移显著地大。因此，测量到的谐振相移实质上等于ΔφEperp对ΔφEpar的比率，而该比率等于bE。bE的经验确定值大约是2.2。尽管这个值明显地不同于最近发表的论文(见A.Melloni等人，“Direct Measurement ofelectrostriction in optical fibers，”(光纤中电致伸缩的直接测量)Opt.Lett.23，no.9，pp.691-693，May 1998，该文声称bE等于1)，2.2这个值与石英对两种偏振的弹性光学(或光弹性)系数是一致的，即该值等于2.23。事实上，从物理上考虑可以表明，bE与这个弹性光学系数应该相等。
已知1)bK＝1/3以及Kerr效应的作用大体上是一个常数，对两种偏振的每一种相位调制几乎是频率无关的，以及2)bE大于1且产生于电致伸缩调制的相移有很强的谐振，由此得知图3A的光谱和图3B的光谱是不成比例的。事实上，Kerr效应和电致伸缩效应在特定的被测样品中的相对值是这样的，即所测光谱在频率上是交叉的。在这些频率处，两种偏振受到相同的相位调制。换句话说，可以通过工作于光谱交叉的任何频率点上来制作一种与偏振无关的调制器或开关。不幸的是，由于bE比1(unity)要大得多，使得这些交叉频率没有出现在谐振峰上，而是出现在相位调制比较弱稍微偏离谐振的地方。
这里公开的实施例中的光介质并不局限于石英，而是可以包括其它材料(如聚合物和其它玻璃)而且光学形式不限于光纤(如光波导)。事实上许多材料表现出比石英还要大的电致伸缩常数。这种材料可以用作光纤200(或波导)和一个(或二个)电极204，208之间的覆层以更有效地将所加的电场转换成光纤200内的应力。这种安排有效地减少了工作装置所需的电压和/或光纤长度。
相位调制器390的另外一个实施例见图4。为制作这个装置，包含内芯402的光纤400被埋入电绝缘体404如聚合物(例如聚酰亚胺)中，然后光纤400的两侧被打磨直到非常薄，例如，直到在光纤内芯402的两侧仅剩下几个微米的玻璃。(见S.Brueck等人，“A poledelectrooptic fiber，”(极化的电光光纤)IEEE PhotonicsTechnology Letters卷8，第2，227-229，February 1996。)然后电极410，412沉积在或用另外方法置于光纤400的每个抛光面，如图所示。这个装置的长度(垂直于纸面的方向)是几个毫米到几个厘米或更长。它可以按这种方法制作成一个调制器，在此情况下，要在其上加一个大的外部场，该场可以是直流加交流，或仅仅是交流，如这里已经描述过的。
作为选择，图4的装置可以包括极化光纤。在此情形下，光纤可以用热或用紫外照射首先被极化。例如，用热极化时该结构被加热到合适的温度(280℃到450℃)且在电极410，412上加一个大的直流电压(几千到几万伏特)并保持一定时间(几分钟到几十分钟)，后面的过程在本技术领域是众所周知的。由于这个技术需要应用大的外部场，人们必须避免电极410和412之间的绝缘体击穿。这就是在光纤400侧面放置电绝缘体404的原因。这样做增加了边缘与电极410和412之间的空气路径。相似地，在垂直于纸面的方向，电极410和412相对于抛光区域的尽端必须足够地凹进以提供的足够长的空气路径，这可以预防绝缘体被击穿。空气的击穿电压随温度增加而减小，因此对高的极化温度(例如300℃或更高)，也许有必要在真空中极化。极化以后，光纤400会呈现一个内置的场，该场在阳极(顶端电极)下延展并通过光纤内芯402。这样调制器390包括如图4所示的装置，并具有加于电极410和412之间交流电压。除了这个交流电压，也可在电极410和412之间加一个直流电压，以增强极化光纤400的固有直流场。
图5和6示出了两个基于集成光学技术的相似的结构。这种结构包括各自的波导510和610，通过采用任何多种众所周知的制作技术，制作在石英晶片514(图5)上，或制作在硅(613)上面的石英(612)晶片(614)上(图6)。在图5中，两个电极520，522被沉积或以别的方式置于晶片514的任一表面，在波导部分510的顶部或下部。图6中，硅基片613起着地电极的作用，而只使用一个另外的电极620，即波导610顶部的电极620。在理想情况下，波导610是埋入的使得这个顶端的电极不会给通过波导610的光信号引入欧姆损耗。其它的电极的配置方式也是可能的，例如，将两个电极都置于晶片514或晶片612的顶上，一个电极置于波导的右手侧而另外一个电极置于左手侧(没有表示)-在这种情形下，最好将电绝缘材料置于电极之间以防止打火。与图4的实施例说明相关的应用也适用于图5和6的结构。但要记住同样的考虑，即电极520，522，620必须小心设计以防止在极化时(如果有的话)和/或在装置作为相位调制器工作时产生空气的绝缘击穿。
这个公开所描述的任何一种相位调制器都可以用于将相位调制器置于光干涉仪中而构成振幅调制器，对此存在着多种配置。具体地，相位调制器可以置于干涉仪的多个臂中一个臂内。在这个臂中传播的信号的相位会被调制，而在其它臂中传播的信号的相位不会被调制。从两臂来的信号会在输出处汇合，在干涉仪的输出处信号产生干涉，从而使输出信号的振幅被调制。
同样地，只要将电压脉冲作用于相位调制器，这同一个干涉仪可被用来构成开关。由于谐振限制了调制器的带宽，人们可以应用一个电压脉冲，该脉冲具有的宽度、上升时间和下降时间被限制在接近调制器谐振频率之倒数上。这个概念如图7所示，其中有一个Mach-Zehnder干涉仪700，该干涉仪包括一个第一连接器702和一个第二连接器704以互连两个光波导从而于两个连接器702、704之间形成第一个臂706和第二个臂708。一个按照本发明的相位调制器720被置于第二个臂708上。当干涉仪700被用作振幅调制器时，信号功率从端口1(710)和端口2(712)交替输出，连续不断地在这两个端口之间以作用于相位调制器720的频率(或两倍于这个频率)来回切换。干涉仪700可以用光纤元件构成，例如，熔接的光纤连接器。作为选择，干涉仪是可以采用众所周知的各种技术直接在平面型晶片(石英，硅上的石英，或其它材料)上制成的单片集成光学结构。其它可以完成振幅调制或开关操作的干涉仪包括Sagnac和Michelson干涉仪。
尽管本发明优选的实施例已在上面详细讨论，本技术领域的普通技术人员会明白，可以对这里描述的实施例做某些明显的修改和变化而不背离本发明的精神和基本特征。
Claims (24)
1.一种用于调制光信号相位的装置，包括：
用于传播光信号的光介质；
贴近于所述光介质的第一电极；以及
贴近于所述光介质的第二电极，所述的第一和第二电极其间加有有交流电压，所述交流电压通过电致伸缩效应使所述光介质的折射率产生变化。
2.权利要求1的装置，其中所述介质是非极化的。
3.权利要求2的装置，其中，所述各电极上加有直流电压，所述交流和直流电压改变了通过所述光介质传播的光信号的相位调制。
4.权利要求2的装置，其中，所述介质有第一和第二表面，所述第一和第二电极被分别附在所述第一和第二表面上。
5.权利要求2的装置，其中，光信号的相位被调制以致于平行于和垂直于电场的光信号分量经历相同的相移。
6.权利要求2的装置，还包含一个干涉仪以形成一个调制光信号振幅的装置。
7.权利要求2的装置，还包含一个干涉仪以形成一个光开关装置。
8.一种调制光信号相位的装置，包括：
用于传播光信号的极化光介质，所述极化光介质有内部直流场；
以及
至少有第一和第二电极贴近所述介质，所述电极上加有交流压，该电压用于在所述介质内产生交流电场，该电场通过电致伸缩效应使所述光介质的折射率发生变化。
9.权利要求8的装置，其中，光信号的相位被调制以致于平行于和垂直于电场的光信号分量经历相同的相移。
10.权利要求8的装置，还包括一个干涉仪以形成调制光信号振幅的装置。
11.权利要求8的装置，还包含一个干涉仪以形成一个光开关装置。
12.权利要求8的装置，其中所述光介质包括一个基片，所述基片包括所述电极中的一个。
13.权利要求8的装置，其中所述电极上加上了直流电压以增加所述光介质内部的直流电场。
14.一种调制光信号的相位的方法，包括：
提供光介质；
加交流电压，以在光介质内部产生电场；
通过在光介质中引起应变的电致伸缩效应以使光介质的折射率发生变化；以及
使光信号通过光介质，以调制光信号的相位。
15.权利要求14的方法，其中交流电压加在贴近光介质的第一和第二电极上。
16.权利要求15的方法，其中，还包括将直流电压加在电极上。
17.权利要求16的方法，其中光介质是非极化的。
18.权利要求16的方法，其中光介质是极化的。
19.权利要求14的方法，其中光介质是极化的。
20.权利要求14的方法，其中光介质是非极化的。
21.权利要求14的方法，包括将第一和第二电极附着在光介质的至少一个表面上。
22.权利要求14的方法，包括加上一定频率的交流电压，从而当光信号通过光介质时，平行和垂直于电场的光信号的偏振分量经历相等的相移。
23.权利要求14的方法，还包括将光介质的输出引导到干涉仪，以调制光信号的振幅。
24.权利要求14的方法，还包括将光介质的输出引导到干涉仪，以使光信号从干涉仪的第一个输出端口切换到干涉仪的第二个输出端口。
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