CN112578581A - 一种基于铌酸锂y波导集成光学器件的电光偏振调制器 - Google Patents

一种基于铌酸锂y波导集成光学器件的电光偏振调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，涉及光电子技术和光通信领域，包括质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件和光纤偏振光束合束器，所述质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件包括第一保偏光纤和铌酸锂晶体，所述光纤偏振光束合束器包含第二保偏光纤，第三保偏光纤和第四保偏光纤；所述铌酸锂晶体包括铌酸锂晶体层、铌酸锂Y波导、金属电极和绝缘介质保护层，所述Y波导置于所述铌酸锂晶体层中，在所述Y波导分支的两侧覆盖所述金属电极，且所述绝缘介质保护层满布于所述铌酸锂Y波导和所述金属电极周围。本发明利用电光效应，实现电信号对光偏振态的调制，便于将电信号加载到光的指定偏振态，进行偏振编码。

Description

一种基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器
技术领域
本发明涉及光电子技术和光通信领域，尤其涉及一种基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器。
背景技术
随着光通信的快速发展，偏振编码由于具有功率均衡性和良好的偏振稳定性受到了极大的关注。偏振编码是通过调制光的偏振态来实现信息加载，因而偏振调制器在偏振编码中显得尤为重要。目前，偏振调制主要依赖于声光、电光和磁光效应，其中，基于电光效应的偏振调制器具有调制速度快、控制精度高等突出优势，因而得到快速的发展和广泛的应用。
电光效应指在外加电场的作用下材料的折射率发生变化的现象。电光偏振调制是利用电光效应，通过加载电信号对光的偏振态进行调制的一种方法。电光偏振调制可以基于多种平台实现，包括硅、液晶材料、Ⅲ-Ⅴ族化合物(如磷化铟、砷化镓)、电光晶体(如铌酸锂)等。其中，单晶硅具有中心对称结构，因而没有线性电光效应，只有极微弱的二阶电光效应，硅基电光调制器主要是利用自由载流子色散效应，通过外加电场改变硅材料中载流子的分布来使折射率发生变化，进而实现电光调制。然而，硅基电光调制器的响应速度受到载流子移动速率的限制，其响应速度在纳秒量级。液晶材料同时具有流动性和晶体结构。在外加电场的作用下，液晶分子的排列发生变化而产生双折射，但同样受限于液晶材料本身，其响应速度在微秒甚至毫秒量级。相比于硅材料和液晶材料而言，Ⅲ-Ⅴ族化合物具有较强的电光效应和非线性光学效应，但是其有两个明显的不足，***损耗高和材料长期的热稳定性差。
相较上述的光学材料，铌酸锂作为一种多功能型的铁电材料，具有宽的透明窗口(0.4-5.0um)，良好的温度热稳定性，很高的电光系数(γ33＝32.2pm/V)和非线性系数(d33＝30pm/V)，拥有出色的电光特性和非线性光学特性，其响应速度在飞秒量级，因而在高速电光偏振调制方面具有极大的优势。基于铌酸锂波导的电光偏振调制器主要由钛扩散和质子交换的方法制备。钛扩散型铌酸锂波导同时支持TE和TM模式，然而其受温度波动大，热稳定性差，使得基于钛扩散型铌酸锂波导的电光偏振调制器消光比低，长期稳定性不足。质子交换型铌酸锂波导传输损耗低，具有较高的偏振消光比，然而其只支持单偏振模工作，因而只能实现相位调控，无法实现偏振调制。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器。
发明内容
本发明针对上述提到的问题，如现有钛扩散型铌酸锂电光偏振调制器偏振消光比低、长期稳定性不足，质子交换型铌酸锂电光调制器只能实现相位调控，无法实现偏振调制等缺陷，提出一种基于质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器。其特点是光经过Y波导分支结构分为两束功率相等偏振相同的光，两束光进入光纤偏振光束合束器后变为两正交的线偏光再进行合束。利用电光效应，通过调节电压改变折射率，使得两光的相位差发生变化，从而可以实现电信号对光偏振态的调制，便于将电信号加载到光的指定偏振态，进行偏振编码。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，包括质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件和光纤偏振光束合束器，所述质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件包括第一保偏光纤和铌酸锂晶体，所述光纤偏振光束合束器包含第二保偏光纤，第三保偏光纤和第四保偏光纤；所述铌酸锂晶体包括铌酸锂晶体层、铌酸锂Y波导、金属电极和绝缘介质保护层，其中，所述Y波导置于所述铌酸锂晶体层中，在所述Y波导分支的两侧覆盖所述金属电极，且所述绝缘介质保护层满布于所述铌酸锂Y波导和所述金属电极周围。
进一步地，所述第一保偏光纤与质子交换型铌酸锂Y波导集成。
进一步地，所述光纤偏振光束合束器的第二保偏光纤与所述第三保偏光纤与所述第一保偏光纤相连，且所述第二保偏光纤沿慢轴传输，所述第三保偏光纤沿快轴传输，所述第二保偏光纤和所述第三保偏光纤合束于第四保偏光纤。
进一步地，其特征在于，所述第二保偏光纤与所述第三保偏光纤通过法兰盘与所述第一保偏光纤相连接。
进一步地，所述Y波导的分支结构可将输入光分为两束强度相等偏振相同的光。
进一步地，所述Y波导通过X-切铌酸锂基片上利用退火质子交换工艺制备。
进一步地，通过调节电压，可以实现电信号对偏振态的调制。
进一步地，所述质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件进一步设有封装结构，所述封装结构包括保偏光纤和外部SMA接口，其中：保偏光纤尾纤与铌酸锂Y波导芯片通过紫外胶粘接固定，通过光纤端面斜耦合方式将激光耦合进/出铌酸锂Y波导，且激光沿保偏光纤慢轴输入/出。
进一步地，所述金属电极，采用推挽结构，在一支路增加相位的同时另一支路相位等量减小。
进一步地，所述绝缘介质保护层为光学透明的填充介质层。
与现有技术相比，本发明将质子交换型铌酸锂Y波导与光纤偏振光束合束器结合，利用电光效应，改变两光路的相位差，最终实现电信号对光偏振态的调制。
本发明具有以下有益技术效果：
一、本发明中质子交换型铌酸锂Y波导的调制金属电极采用推挽调制设计，具有***损耗低、驱动电压低等优点。
二、原理上，调制得到的偏振态由两正交偏振态的相位差决定，改变相位差，可实现对偏振态的调制。铌酸锂晶体的电光效应中，相位变化与所加载的电信号呈简单的线性关系。因而，偏振调制具有良好的响应特性。
三、电光效应的响应速度快，可以实现快速的偏振调制。
四、铌酸锂Y波导集成光学器件只支持单偏振工作模式，具有较高的偏振消光比。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的电光偏振调制器的结构示意图；
图2是本发明一个较佳实施例的电光偏振调制器的俯视结构示意图；
图3是本发明一个较佳实施例的电光偏振调制器中质子交换型铌酸锂Y波导的横截面结构示意图；
图4是本发明一个较佳实施例的电光偏振调制器中质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件的封装结构示意图。
图中：1保偏光纤、11光纤固定、2铌酸锂晶体、21铌酸锂Y波导、22推挽调制金属电极、23铌酸锂晶体层、24绝缘介质保护层、3法兰盘、4基于熔融光纤的偏振光束合束器、41保偏光纤(沿慢轴传输)、42保偏光纤(沿快轴传输)、43保偏光纤、5基座、51电学SMA接口。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例一
如图1、图2和图3所示，本实施例主要包括质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件和光纤偏振光束合束器4，这两个光学器件通过法兰盘3相连接。铌酸锂Y波导集成光学器件包括：保偏光纤1和铌酸锂晶体2。其中，铌酸锂晶体2包括：依次设置于铌酸锂晶体层23上的铌酸锂Y波导21、推挽调制金属电极22和绝缘介质保护层24。基于熔融光纤的偏振光束合束器4包括：沿慢轴传输的保偏光纤41、沿快轴传输的保偏光纤42和保偏光纤43。
如图2所示，所述的铌酸锂晶体2长23mm，宽2.8mm。置于其上的铌酸锂Y波导21两支路的间距为0.4mm。
下面是电光偏振调制器的详细说明。该电光偏振调制器主要由质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件和光纤偏振光束合束器4两部分组成。其中，质子交换型铌酸锂Y波导21是在X-切铌酸锂基片上利用退火质子交换工艺制备的，该波导只支持单偏振模工作。Y波导芯片的两端与保偏光纤1尾纤通过端面斜耦合方式连接并用紫外胶粘接固定11。质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件的保偏光纤1与基于熔融光纤的偏振光束合束器的保偏光纤41、42通过法兰盘3连接，由此，构成马赫-增德干涉仪结构的电光偏振调制器。保偏光纤1输入通信1550nm波段激光，光经过Y波导分支结构分为两束相等功率相同偏振的光，沿保偏光纤慢轴输出，经过法兰盘后，两束对准慢轴的偏振光进入熔融光纤偏振光束合束器4，一支路沿保偏光纤慢轴传输41，另一支路沿快轴传输42，随后两正交的线偏光进行合束。在电光效应的作用下，两支路光的相位差发生变化。当相位差为0，π时，可得到45°线偏振光和135°线偏振光；当相位差为π/2，3π/2时，可得到右旋圆偏振光和左旋圆偏振光；当相位差为0到2π的其他值时，可得到椭圆偏振光。因此，通过调节电压，可以实现电信号对偏振态的调制。电压信号通过推挽调制结构加载，可以有效减小驱动电压。
所述的光学导模位于退火质子交换工艺制备的Y波导21结构中。
所述的绝缘介质保护层24是光学透明的填充介质层。主要用于保护光波导并可防止空气电击穿等。
如图4所示，为铌酸锂Y波导集成光学器件的封装结构，该封装结构将保偏光纤1尾纤与铌酸锂Y波导芯片两端通过紫外胶粘接固定11，通过光纤端面斜耦合方式将激光耦合进/出铌酸锂Y波导21。
所述的质子交换型铌酸锂Y波导的保偏光纤1与基于熔融光纤的偏振光束合束器4的保偏光纤41、42、43均沿慢轴输出，且慢轴平行于key键。
加载到铌酸锂Y波导集成光学器件的电压通过设置于封装结构上的SMA接口51输入，接口电极通过金丝导线焊接在Y波导的调制电极上；半波电压约为3.5V，远低于传统的普克尔盒，是一种具有低驱动电压特性的电光偏振调制器。
铌酸锂晶体的电光效应中，相位变化与所加载的电信号呈简单的线性关系；而调制得到的偏振态由两正交偏振态的相位差决定，因而，偏振调制具有良好的响应特性。
铌酸锂晶体的电光系数高(γ33＝32.2pm/V)，具有很高的响应速度(飞秒量级)，利用改变两正交偏振之间的相位差调制偏振态的原理，将可以实现高速的偏振调制。
实施例二
所提出的方案不仅限于实施案例1中所述的基于光纤偏振光束合束器，也可以在双折射晶体的偏振合束器中实现。通过双折射晶体合束后，输出光可以是空间光，也可以再耦合至光纤中。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，包括质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件和光纤偏振光束合束器，所述质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件包括第一保偏光纤和铌酸锂晶体，所述光纤偏振光束合束器包含第二保偏光纤，第三保偏光纤和第四保偏光纤；所述铌酸锂晶体包括铌酸锂晶体层、铌酸锂Y波导、金属电极和绝缘介质保护层，其中，所述Y波导置于所述铌酸锂晶体层中，在所述Y波导分支的两侧覆盖所述金属电极，且所述绝缘介质保护层满布于所述铌酸锂Y波导和所述金属电极周围。
2.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述第一保偏光纤与所述质子交换型铌酸锂Y波导集成。
3.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述光纤偏振光束合束器的第二保偏光纤与所述第三保偏光纤与所述第一保偏光纤相连，且所述第二保偏光纤沿慢轴传输，所述第三保偏光纤沿快轴传输，所述第二保偏光纤和所述第三保偏光纤合束于第四保偏光纤。
4.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述第二保偏光纤与所述第三保偏光纤通过法兰盘与所述第一保偏光纤相连接。
5.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述Y波导的分支结构可将输入光分为两束强度相等偏振相同的光。
6.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述Y波导通过X-切铌酸锂基片上利用退火质子交换工艺制备。
7.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，通过调节电压，可以实现电信号对偏振态的调制。
8.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述质子交换型铌酸锂Y波导集成光学器件进一步设有封装结构，所述封装结构包括保偏光纤和外部SMA接口，其中：保偏光纤尾纤与铌酸锂Y波导芯片通过紫外胶粘接固定，通过光纤端面斜耦合方式将激光耦合进/出铌酸锂Y波导，且激光沿保偏光纤慢轴输入/出。
9.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述金属电极，采用推挽结构，在一支路增加相位的同时另一支路相位等量减小。
10.如权利要求1所述的基于铌酸锂Y波导集成光学器件的电光偏振调制器，其特征在于，所述绝缘介质保护层为光学透明的填充介质层。
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