CN211741391U - 一种直波导相位调制器以及集成组件 - Google Patents
一种直波导相位调制器以及集成组件 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种直波导相位调制器以及集成组件，采用双折射效应更小的钽酸锂晶体作为直波导相位调制器的基底晶体，正交偏振光波的光程差更小、偏振相关的传输损耗和耦合损耗更低。另外，将具有起偏器和耦合器功能的Y分支波导耦合器与直波导相位调制器集成在同一块钽酸锂晶片上。基于该集成组件的光纤电流互感器系统的可靠性更高、装配复杂程度更低、制造成本更低。
Description
技术领域
本实用新型可应用于光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种直波导相位调制器以及集成组件。
背景技术
以法拉第磁光效应为基础的全光纤电流互感器具有绝缘性强、体积小、重量轻、动态范围大、全数字化等特点，与传统的电磁感应式电流互感器相比，在继电保护要求更高、电气设备自动化程度要求更高、绝缘能力要求更强的电力电气系统中具有更为突出的优势。常见的光纤电流互感器主要有基于Y波导相位调制器的Sagnac干涉型光路、基于Y波导相位调制器的共线型光路以及基于直波导相位调制器的共线型光路这三种技术方案，其中以基于直波导的共线型光纤电流互感器光路的空间互异性和时间互异性最好且温度误差最小。
参考图1，图中所示为现有采用直波导相位调制器的共线型光纤电流互感器的光路结构示意图。光纤电流互感器的工作原理为：光波从激光光源发出后经过光纤耦合器和光纤起偏器后形成线偏振光，采用45°光纤熔接后将光功率平均地分配到保偏光纤的两个偏振轴上。两个线偏振光波模式经由传输光纤传输至1/4波片，分别转化为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，并在传感光纤环圈中传输时会在闭合磁场的作用下形成非互异相位差。返回的圆偏振光经过1/4波片重新转化为线偏振光，再次经过光纤起偏器时则会产生干涉光信号。通过在光纤电流互感器的光路中接入相位调制器，可以解调出干涉光信号中所含有的相位信息，也即载流导体上的电流数值。
由图1和共线型光纤电流互感器的基本工作原理可知，直波导相位调制器的两个偏振模式之间存在的折射率差和光波导模式分布差异所导致的光程差、偏振相关传输损耗差异以及偏振相关耦合损耗差异等，对光纤电流互感器的非互异相位误差、干涉光信号对比度等有着重要的影响。
在现有技术中，一般采用钛扩散技术在铌酸锂晶体中制备钛扩散光波导，以此为基础制备直波导相位调制器。和另一种常见的铌酸锂光波导制备技术质子交换相比，钛扩散光波导可以同时传输正交偏振的光波模式，而质子交换光波导仅能传输单一偏振的光波模式。但基于铌酸锂钛扩散波导的直波导相位调制器存在着如下问题：
(1)铌酸锂晶体存在着比较明显的双折射效应。根据Sellmeier方程，在1310nm工作波长且处于25℃室温条件下，同组分的铌酸锂晶体的折射率no和ne分别为2.220和2.145，因而折射率差为0.075。一般地，应用于光纤电流互感器的铌酸锂直波导相位调制器的波导芯片长度约在40mm，因而正交偏振的两束光波在铌酸锂晶体中传输的光程差为3mm。两个线偏振光波之间光程差的存在必然会对光纤电流互感器光路的时间互异性造成影响。
(2)铌酸锂晶体由于沿寻常光晶轴和异常光晶轴的离子扩散速率的不同，TE和TM光波导模式分布(即光斑尺寸)存在着差异，一方面会引起不同偏振态的光波在波导中经历的传输损耗存在不同，另一方面也会引起不同偏振态的光波在光纤耦合点的耦合效率存在不同，最终会对正交偏振光波的干涉光信号的对比度形成较大影响。
(3)为利用铌酸锂晶体的最大电光系数γ33，直波导相位调制器一般采用X切晶体并选择Y轴方向为光波导的光束传播方向。X切Z传铌酸锂晶体虽然具有很小的双折射效应，但无法利用最大电光系数γ33，会导致调制器半波电压的大幅升高。
(4)参考图1，在光纤电流互感器光路系统装配中，需要将图1中的虚线框中各个分立的光纤无源器件或有源器件进行光纤熔接互连，特别是需要将光纤起偏器和直波导相位调制器进行45°的光纤对轴熔接。过多的光纤熔接点和过多的分立的光纤无源/有源器件，必然会对光纤电流互感器的可靠性、装配复杂程度、制造成本产生很大影响。
实用新型内容
本实用新型的第一目的在于，提出一种直波导相位调制器，采用双折射效应更小的钽酸锂晶体作为直波导相位调制器的基底晶片，正交偏振光波的光程差更小、偏振相关的传输损耗和耦合损耗更低。
本实用新型的第二目的在于，提出一种集成组件，将具有起偏器和耦合器功能的Y分支波导耦合器与直波导相位调制器集成在同一块钽酸锂晶片上，采用保偏光纤将Y分支波导耦合器的单端口与直波导的输入端口连接且Y分支波导耦合器的单端口处的保偏光纤慢轴为45°对轴角度，Y分支波导耦合器的双端口分别可用于通过光纤连接激光光源和光电探测器。基于该集成组件的光纤电流互感器系统的可靠性更高、装配复杂程度更低、制造成本更低。
为实现本实用新型的第一目的，本实用新型提供的技术方案如下：
一种直波导相位调制器，包括直条波导、金属电极、光纤晶体载块、保偏光纤，还包括钽酸锂基底晶片，所述直条波导形成于钽酸锂基底晶片中，所述金属电极放置于钽酸锂基底晶片的上表面，所述光纤晶体载块与直条波导耦合连接，所述保偏光纤放置于光纤晶体载块中。
其中，所述钽酸锂基底晶片采用光学级、X切Y传的钽酸锂晶体。
其中，所述钽酸锂基底晶片的厚度不小于0.5mm，且所述钽酸锂基底晶片的抛光角度为0°-11°。
其中，所述直条波导为氧化锌光波导，形成直条波导的条形氧化锌薄膜的宽度不超过10μm、厚度不超过250nm。
其中，所述金属电极为集总式电极结构，所述金属电极由电极分支一和电极分支二构成，两者分别对称地放置于所述直条波导的上方的两侧。
其中，所述光纤晶体载块采用钽酸锂晶体，且所述光纤晶体载块的抛光角度为0-16°。
其中，所述保偏光纤的慢轴与钽酸锂基底晶片的X轴方向成0°或90°对轴角度。
与现有技术相比，上述技术方案的有益效果在于：
(1)钽酸锂晶体具有更低的双折射效应，和现有技术中采用的铌酸锂晶体相比，no和ne的差值低一个数量级，因此采用钽酸锂晶体制备的直波导相位调制器具有更小的光程差，光纤电流互感器光路系统的时间非互异误差更低。
(2)与现有技术中采用的铌酸锂晶体相比，钽酸锂晶体沿寻常光晶轴和异常光晶轴的离子扩散速率更为接近，因此TE和TM模式的光波导模式分布的差异性更小，偏振相关的波导传输损耗以及光纤耦合损耗更低，光纤电流互感器光路系统中经过起偏器后可以获得更好的干涉光信号对比度。
(3)本实用新型采用的氧化锌扩散技术可以在低于钽酸锂约610℃的居里温度下制备光波导，避免了采用现有的钛扩散技术约1000℃的高扩散温度引起的钽酸锂晶体退极化的现象。
为实现本实用新型的第二目的，本实用新型提供的技术方案如下：
一种集成组件，包括上述的直波导相位调制器和Y分支波导耦合器，
所述Y分支波导耦合器形成于钽酸锂基底晶片上，所述Y分支波导耦合器的光波导为退火质子交换波导，所述Y分支波导耦合器的双端口作为输入端，其中一端用于通过保偏光纤连接激光光源，另一端用于通过保偏光纤连接光电探测器；所述Y分支波导耦合器的单端口作为输出端，通过保偏光纤连接直条波导。
其中，在所述Y分支波导耦合器的单端口处，所述保偏光纤的慢轴与钽酸锂基底晶片的X轴方向成45°对轴角度；在所述Y分支波导耦合器的双端口处以及所述直条波导的输入端口和输出端口处，所述保偏光纤的慢轴与钽酸锂基底晶片的X轴方向仍成0°或90°对轴角度，放置有保偏光纤的光纤晶体载块分别与集成组件的每个光波导端口进行耦合粘接。
其中，所述光纤晶体载块预先在表面制作有多个通道的沟槽或在中心制作有多个圆孔，每个通道的沟槽或圆孔各放置一根保偏光纤，每个通道之间的间距不小于82μm。
与现有技术相比，上述技术方案的有益效果在于：
(1)包括有起偏和耦合器两个重要功能的Y分支波导耦合器与直条波导在钽酸锂晶片的单片集成，并通过保偏光纤将两种集成光器件结构直接连接，不仅减少了两个分立的光纤器件，还减少了两个光纤熔接点，十分有利于降低光纤电流互感器光路系统的制造成本、减少光路装配复杂性、提升系统可靠性。
(2)氧化锌扩散光波导的光损伤阈值比钛扩散光波导更高，因此本实用新型提出的集成组件可以传输更高的激光光功率，光电探测器的信噪比更高，有利于提升光纤电流互感器系统的传感性能。
附图说明
图1：现有技术中共线型光纤电流互感器的光路结构示意图；
图2：本实用新型提供的直波导相位调制器的结构示意图；
图3：本实用新型提供的集成组件第一种实施例的结构示意图；
图4：本实用新型提供的集成组件结构中各光波导端口的光纤对轴角度示意图；
图5：本实用新型提供的集成组件第二种实施例的结构示意图；
图中，1、钽酸锂基底晶片；2、直条波导；2-1、直条波导的输入端口；2-2、直条波导的输出端口；3、金属电极；3-1、金属电极的电极分支一；3-2、金属电极的电极分支二；4、光纤晶体载块；5、保偏光纤；6、Y分支波导耦合器；6-1-1、Y分支波导耦合器的双端口的一端；6-1-2、Y分支波导耦合器的双端口的另一端；6-2、Y分支波导耦合器的单端口。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实用新型的技术原理如下：
基于直波导相位调制器的共线型光纤电流互感器既需保证直波导相位调制器可以同时传输正交偏振的两种光波导模式，又需保证两种偏振光波模式的传输损耗和光纤耦合损耗尽可能的一致，以保证在直波导相位调制器输入端尾纤处的45°熔接点可以获得最佳的干涉光信号对比度。此外，两种光波导模式的有效折射率也需尽可能接近以减小光纤电流互感器光路的时间非互异误差。
在现有技术中，一般采用钛扩散技术在铌酸锂晶体中制备用于直波导相位调制器中的导波结构。然而，铌酸锂晶体的寻常光折射率和异常光折射率分别为2.220和2.145(在1310nm工作波长下)，其折射率差在0.075。考虑到铌酸锂直波导相位调制器的波导长度约在40mm，因而正交偏振的两束光波在铌酸锂晶体中传输的光程差为3mm。
钽酸锂是一种和铌酸锂有着十分相似的晶体结构的材料，同属三方晶体，并且也有着十分优秀的电光、声光、压电、热释电和非线性光学等多种集成光学特性。根据钽酸锂晶体的Sellmeier方程，在1310nm工作波长下，钽酸锂的寻常光折射率和异常光折射率分别为2.126和2.130，其折射率差仅为0.004。由此可见，同样对于40mm长的直条波导，两个偏振光波在钽酸锂晶体中传输的光程差在0.167mm，远小于铌酸锂中的光程差。因此，基于钽酸锂晶体直波导相位调制器的共线型光纤电流互感器的时间互异性更为优异。
在铌酸锂晶体中采用钛扩散技术制备的光波导存在TE模式和TM模式的光波导模式分布差异较大的现象。这种现象一方面会导致两种偏振光波导模式在光波导中传输时遇到的吸收、散射、反射等因素引起的传输损耗存在着较大的差异，另一方面也会导致两种偏振光波导模式在光纤耦合处由于模式匹配程度不同而引起的耦合损耗存在着较大的差异。在钽酸锂晶体中采用钛扩散技术制备的光波导的TE模式和TM模式的光波导模式分布虽然差异较小，但是钛扩散光波导的形成温度一般在1000℃以上，远高于钽酸锂晶体约600℃的居里温度，会引起晶体的退极化现象。而氧化锌扩散光波导则可以在低于钽酸锂晶体居里温度的条件下制得，且传输的TE模式和TM模式的光波导模式分布差异较小，同样具有较低的偏振相关的传输损耗和耦合损耗。
参考图1，所示为现有技术中基于直波导相位调制器的共线型光纤电流互感器的光路结构示意图。其中，从激光光源发出的光波经过光纤起偏器后形成高偏振的线偏振光，经过45°熔接点的平均分束，光波的功率平均地耦合进入直波导相位调制器的输入尾纤的快轴和慢轴中。由于输入尾纤的慢轴与光波导的TE(或TM)模式平行，因此沿保偏光纤快轴和慢轴传输的线偏振光模式分别和光波导的TE或TM模式耦合。
由于钽酸锂晶体中同样可以实现质子交换光波导的制备，而且此类波导具有天然的起偏特性，偏振消光比可以达到50dB以上，是制备波导起偏器的优秀材料。因此在同一块钽酸锂晶体上可以实现将耦合器、起偏器、直波导相位调制器等多种有源或无源光器件结构的单片集成，并可通过保偏光纤将这些光器件进行合理的连接。
基于上述技术原理，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述。
实施例1
参考图2，图中所示为本实施例所提供的直波导相位调制器的结构示意图。一种直波导相位调制器，包括：钽酸锂基底晶片1，具有电光效应；直条波导2，为氧化锌扩散光波导，形成于钽酸锂基底晶片1中；金属电极3，用于对传输于直条波导2中的光波进行调制；光纤晶体载块4，表面制作有沟槽或中心制作有圆孔，用于放置保偏光纤5，经抛光后与形成于钽酸锂基底晶片1中的直条波导2耦合粘接。
作为基底晶片和形成光波导所用的基板介质，钽酸锂基底晶片1是光学级的晶体材料。优选同组分的钽酸锂晶体材料，但也可以使用特种的钽酸锂晶体材料如掺金属镁钽酸锂、掺氧化镁钽酸锂、近化学计量比钽酸锂等。为确保足够的光纤耦合粘接面积和粘接强度，本实施例的钽酸锂基底晶片1的厚度不小于0.5mm，优选的厚度为1mm。钽酸锂基底晶片1的晶体切向可以选择X切或Z切，为利用钽酸锂晶体的最大电光系数，选择晶体的Y轴方向作为光波的传输方向。本实施例优选X切Y传的晶体切向。
直条波导2需具有可同时传输正交偏振的两种光波导模式的能力。在铌酸锂或钽酸锂晶体中可以实现此类光波导的形成方法有：钛扩散、锌扩散和氧化锌扩散。考虑到钽酸锂晶体的居里温度以及扩散后晶体的表面粗糙情况，本实施例优选采用氧化锌扩散工艺方法在钽酸锂基底晶片1的表面制备直条波导2。为确保直条波导2中传输的光波导模式是基模，用于形成氧化锌扩散波导的条形氧化锌薄膜的宽度不超过10μm、厚度不超过250nm。
金属电极3用于对传输于直条波导2中的光波进行电光调制。常见的金属电极结构有：集总式和行波式，其中前者多用于低调制速率或调制带宽的电光调制器，后者多用于高调制速率或调制带宽的电光调制器。考虑到光纤电流互感器的工作带宽一般在kHz至MHz的量级且行波式电极结构的制作工艺更为复杂，本实施例优选集总式的调制电极结构。
金属电极3放置于钽酸锂基底晶片1的上表面，构成金属电极3的电极分支一3-1(如正电极或负电极)和电极分支二3-2(如负电极或正电极)分别对称地放置于直条波导2的上方的两侧。构成所述金属电极3的金属薄膜材料可以选择铝金属、钛/金双层金属、铬/金双层金属、钛/铂/金多层金属等任一种形式，钛或铬作为过渡金属层起到了提高金薄膜与钽酸锂基底晶片之间的粘附性的作用。铝薄膜层的厚度不小于100nm，钛薄膜层或铬薄膜层的厚度不小于10nm，金薄膜层的厚度不小于100nm。优选的，金属薄膜材料为铬/金双层金属，铬薄膜层的厚度在10nm至50nm，金薄膜层厚度为300nm至700nm。金属薄膜可以采用磁控溅射、电子束蒸发、热蒸镀、电镀等镀膜方法制得。需要说明的是，本实施例也可以按照需要在形成直条波导2后的钽酸锂晶片1的表面放置二氧化硅等氧化物薄膜缓冲层，以避免在金属电极3和直条波导2相交叉处金属薄膜对光波能量的吸收。
光纤晶体载块4可以是表面预先制作有V形、方形、半圆形等其中一种形状沟槽的方形或长方形晶体，或是在其中心形成有圆孔的圆形晶体或D形晶体，主要用于放置光纤、增加光纤耦合时的粘接面积和粘接强度。光纤的放置方式一般是：首先，在光纤晶体载块4的表面预先制作出特定形状的沟槽，如V形、方形、半圆形等，或在光纤晶体载块4的中心预先制作出圆孔；然后将保偏光纤5放置于沟槽或圆孔中并按要求放置好保偏光纤5的慢轴的对轴角度；在沟槽或圆孔与光纤之间的空隙中填充紫外胶水并通过紫外光曝光以充分固化。光纤晶体载块4及放置于其中的保偏光纤5一起进行研磨抛光，之后可与光波导进行耦合粘接。
光纤晶体载块4可以采用铌酸锂、钽酸锂、石英、玻璃、硅等晶体材料，未特别限定，优选为钽酸锂晶体材料。光纤晶体载块4的抛光倾斜角度为0°～11°，钽酸锂基底晶片1的抛光倾斜角度为0°～16°。
保偏光纤5的慢轴与钽酸锂基底晶片1的X轴方向成0°或90°对轴角度，放置于光纤晶体载块4的沟槽或圆孔中，光纤和沟槽或圆孔之间的空隙填充紫外胶水并通过紫外光曝光以充分固化，经抛光后与含有所述直条波导2的输入端口2-1和输出端口2-2分别进行耦合粘接。
为获得最佳的光纤耦合效率并降低光器件的背向反射，光纤晶体载块4的抛光倾斜角度为14.7°±0.5°，钽酸锂基底晶片1的抛光倾斜角度为10°±0.5°。
实施例2
参考图3，图中所示为本实施例所提供的集成组件的一种实施例的结构示意图。一种集成组件，包括：钽酸锂基底晶片1、直条波导2、金属电极3、光纤晶体载块4、保偏光纤5、Y分支波导耦合器6。其中，钽酸锂基底晶片1、直条波导2、金属电极3、光纤晶体载块4等结构与实施例1相同，在此不再做详细描述。
Y分支波导耦合器6集成了波导耦合器和波导起偏器的两个重要功能，其中：波导耦合器功能通过Y分支结构实现；波导起偏器功能通过退火质子交换光波导的高起偏特性实现。
参考图3，本实施例可将图1虚线框图中的各分立的光纤器件在钽酸锂晶片中实现单片集成。在本实施例所提供的集成组件中，所述Y分支波导耦合器的光波导为退火质子交换波导，包括一个双端口和一个单端口，其中：双端口的一端6-1-1可用于通过光纤连接激光光源，双端口的另一端6-1-2可用于通过光纤连接光电探测器，单端口6-2通过保偏光纤5连接直条波导2。
退火质子交换波导为起偏型光波导，所输出的光波导模式为高偏振的线偏振光模式。如图4所示，Y分支波导耦合器6的单端口6-2处的保偏光纤5的对轴角度设置为45°，即慢轴方向与钽酸锂基底晶片1的X轴方向成45°对轴，即可获得与图1所示的45°光纤熔接角度相同的功能。在其余光波导端口处，包括Y分支波导耦合器6的双端口6-1-1和6-1-2以及直条波导2的两个端口2-1和2-2，保偏光纤5的慢轴方向与钽酸锂基底晶片1的X轴方向均成0°或90°的对轴角度。放置有保偏光纤5的光纤晶体载块4分别与集成组件的每个光波导端口进行耦合粘接。
实施例3
参考图5，图中所示为本实施例所提供的集成组件的结构示意图。为进一步提升集成组件的集成度、提升组件可靠性、降低装配难度和制造成本，在实施例2的基础上，本实施例中对光纤晶体载块4做出改进，采用多通道的光纤晶体载块4并在每一个通道中各放置一根保偏光纤5，形成多通道的光纤阵列。
具体地，包括：钽酸锂基底晶片1、直条波导2、金属电极3、光纤晶体载块4、保偏光纤5、Y分支波导耦合器6。其中，钽酸锂基底晶片1、直条波导2、金属电极3、Y分支波导耦合器6等结构与实施例2相同，在此不再做详细描述。
放置于Y分支波导耦合器6的单端口6-2一侧的光纤晶体载块4包含2个通道，即2个沟槽或2个圆孔，分别用于放置2根保偏光纤，每个通道之间的间距不小于82μm。放置于Y分支波导耦合器6的单端口6-2处的保偏光纤的慢轴方向与钽酸锂基底晶片1的X轴方向成45°对轴角度，放置于直条波导2的端口2-1处的保偏光纤的慢轴方向与钽酸锂基底晶片1的X轴方向成0°或90°对轴角度。
放置于Y分支波导耦合器6的双端口6-1-1和6-1-2一侧的光纤晶体载块4包含3个通道，即3个沟槽或3个圆孔，分别用于放置3根保偏光纤，每个通道之间的间距不小于82μm。3根保偏光纤的慢轴方向均与钽酸锂基底晶片1的X轴方向成0°或90°对轴角度。
含有多通道的所述光纤晶体载块的抛光倾斜角度为14.7°±0.5°。所述钽酸锂基底晶片的抛光角度为10°±0.5°。
另外，本实用新型还提供一种直波导相位调制器的制造方法。所述制造方法用于制造实施例1中的一种直波导相位调制器，具体包括以下步骤：
步骤1：在钽酸锂基底晶片1表面，采用光刻剥离工艺或光刻腐蚀工艺并结合磁控溅射或化学气相沉积等薄膜镀膜工艺，制备一层宽度不超过10μm、厚度不大于250nm的条形氧化锌薄膜；
步骤2：将制备好条形氧化锌薄膜的钽酸锂基底晶片1放入高温扩散炉的中心区域，充入湿氧，扩散炉中心区域的炉温不超过钽酸锂晶体的居里温度并保持恒定，恒温1小时以上以保证条形氧化锌薄膜在钽酸锂晶体中的充分扩散；
步骤3：待扩散完成后关闭扩散炉，待扩散炉中心炉温降至室温后，将钽酸锂基底晶片1从扩散炉中取出；
步骤4：在形成有氧化锌直条波导2的钽酸锂基底晶片1的表面，采用光刻剥离工艺或光刻电镀工艺并结合磁控溅射或蒸镀等金属薄膜镀膜工艺，制备金属电极3，并使金属电极3的电极分支一3-1和电极分支二3-2相对于直条波导2对称地套准；
步骤5：将钽酸锂基底晶片1的端面和放置有保偏光纤5的光纤晶体载块4的端面分别进行精密抛光，光纤晶体载块4均抛光为14.7°±0.5°的倾斜角度，钽酸锂基底晶片1的抛光角度为10°±0.5°；
步骤6：将放置有保偏光纤5的光纤晶体载块4与钽酸锂基底晶片1的直条波导2的输入端口2-1与输出端口2-2分别进行精密对准，在光纤晶体载块和光波导的端面之间填充紫外胶水，待紫外胶水经紫外光曝光固化充分后，完成耦合粘接。
另外，本实用新型还提供一种集成组件的制造方法，用于制造实施例2和实施例3中的集成组件，具体地，所述制造方法包括以下步骤：
步骤1：在钽酸锂基底晶片1表面，采用光刻剥离工艺或光刻腐蚀工艺并结合磁控溅射或化学气相沉积等薄膜镀膜工艺，制备一层厚度不大于250nm的条形氧化锌薄膜；
步骤2：将制备好条形氧化锌薄膜的钽酸锂基底晶片1放入高温扩散炉的中心区域，充入湿氧，扩散炉中心区域的炉温不超过钽酸锂晶体的居里温度并保持恒定，恒温1小时以上以保证条形氧化锌薄膜在钽酸锂晶体中的充分扩散；
步骤3：待扩散完成后关闭扩散炉，待扩散炉中心炉温降至室温后，将钽酸锂基底晶片1从扩散炉中取出；
步骤4：在形成有氧化锌直条波导2的钽酸锂基底晶片1的表面，采用光刻剥离工艺或腐蚀光刻工艺并结合磁控溅射、化学气相沉积或蒸镀等薄膜镀膜工艺，制备一层二氧化硅薄膜或金属钛或金属铬等金属薄膜或非金属薄膜，作为质子交换掩膜，掩膜开口图形为Y分支耦合器，掩膜开口不超过10μm；
步骤5：将钽酸锂基底晶片1放入盛放有纯苯甲酸溶液的石英烧杯中或盛放有苯甲酸和苯甲酸锂混合溶液的石英烧杯中，并将石英烧杯加温至150℃～250℃，恒温时间不小于0.5小时；
步骤6：将完成了质子交换工艺的钽酸锂基底晶片1表面的金属薄膜或非金属薄膜腐蚀掉；
步骤7：将钽酸锂基底晶片1放入退火炉的中心区域，对已进行了质子交换的区域进行退火处理，当退火炉中心炉温达到300℃～400℃时，恒温1小时以上，再将钽酸锂基底晶片1从退火炉中取出；
步骤8：采用光刻剥离工艺或光刻电镀工艺并结合磁控溅射或蒸镀等金属薄膜镀膜工艺，在钽酸锂基底晶片1的表面制备金属电极3，并使金属电极3的电极分支一3-1和电极分支二3-2相对于直条波导2对称地套准；
步骤9：将钽酸锂基底晶片1的端面和放置有保偏光纤5的光纤晶体载块4的端面分别进行精密抛光，光纤晶体载块4均抛光为14.7°±0.5°的倾斜角度，钽酸锂基底晶片1的抛光角度为10°±0.5°；
步骤10：将放置有保偏光纤5的光纤晶体载块4与钽酸锂基底晶片1的各个波导端口分别进行精密对准，在光纤晶体载块和光波导的端面之间填充紫外胶水，待紫外胶水经紫外光曝光固化完全后，完成耦合粘接。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种直波导相位调制器，包括直条波导(2)、金属电极(3)、光纤晶体载块(4)、保偏光纤(5)，其特征在于，
还包括钽酸锂基底晶片(1)，所述直条波导(2)形成于钽酸锂基底晶片(1)中，所述金属电极(3)放置于钽酸锂基底晶片(1)的上表面，所述光纤晶体载块(4)与直条波导(2)耦合连接，所述保偏光纤(5)放置于光纤晶体载块(4)中。
2.根据权利要求1所述的直波导相位调制器，其特征在于，所述钽酸锂基底晶片(1)采用光学级、X切Y传的钽酸锂晶体。
3.根据权利要求1或2所述的直波导相位调制器，其特征在于，所述钽酸锂基底晶片(1)的厚度不小于0.5mm，且所述钽酸锂基底晶片(1)的抛光角度为0°-11°。
4.根据权利要求1或2所述的直波导相位调制器，其特征在于，所述直条波导(2)为氧化锌光波导，形成直条波导(2)的条形氧化锌薄膜的宽度不超过10μm、厚度不超过250nm。
5.根据权利要求1或2所述的直波导相位调制器，其特征在于，所述金属电极(3)为集总式电极结构，所述金属电极(3)由电极分支一和电极分支二构成，两者分别对称地放置于所述直条波导(2)的上方的两侧。
6.根据权利要求1或2所述的直波导相位调制器，其特征在于，所述光纤晶体载块(4)采用钽酸锂晶体，且所述光纤晶体载块(4)的抛光角度为0-16°。
7.根据权利要求1或2所述的直波导相位调制器，其特征在于，所述保偏光纤(5)的慢轴与钽酸锂基底晶片(1)的X轴方向成0°或90°对轴角度。
8.一种集成组件，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的直波导相位调制器和Y分支波导耦合器，
所述Y分支波导耦合器形成于钽酸锂基底晶片(1)上，所述Y分支波导耦合器(6)的光波导为退火质子交换波导，所述Y分支波导耦合器(6)的双端口作为输入端，其中一端用于通过保偏光纤连接激光光源，另一端用于通过保偏光纤连接光电探测器；所述Y分支波导耦合器(6)的单端口作为输出端，通过保偏光纤连接直条波导(2)。
9.根据权利要求8所述的一种集成组件，其特征在于，
在所述Y分支波导耦合器(6)的单端口处，所述保偏光纤(5)的慢轴与钽酸锂基底晶片(1)的X轴方向成45°对轴角度；在所述Y分支波导耦合器(6)的双端口处以及所述直条波导(2)的输入端口和输出端口处，所述保偏光纤(5)的慢轴与钽酸锂基底晶片的X轴方向仍成0°或90°对轴角度，放置有保偏光纤(5)的光纤晶体载块分别与集成组件的每个波导端口进行耦合粘接。
10.根据权利要求9所述的一种集成组件，其特征在于，
所述光纤晶体载块(4)预先在表面制作有多个通道的沟槽或在中心制作有多个圆孔，每个通道的沟槽或圆孔各放置一根保偏光纤，每个通道之间的间距不小于82μm。
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