一种电调光波导相位调制器及相位调制方法

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1.本发明涉及集成光学器件技术领域，更具体地，涉及一种电调光波导相位调制器及相位调制方法。

背景技术：

2.光学相位调制器是一种非常常见的集成光学器件，应用极为广泛。其基本原理是当某种特定激励(电压，温度或者应力等)施加到光波导上时由于电光效应或者热光效应等一些物理效应，光波导内部介质会在外部作用下发生晶格变化，介质的折射率由此也会发生改变，从而使光束通过光波导的时候由于介质折射率的改变而发生相位的改变。光学相位调制器主要被应用于波长调谐，激光器的主动锁模(fm锁模)，激光稳频，光谱测量，频率梳，光纤通信系统的数据发射器中解码透射的信息等领域。
3.相位调制器是使光的相位按一定规律变化的光调制器。目前相位调制器的类型为基于普克尔斯盒的电光调制器和利用热致光纤折射率变化或者长度变化的热光调制器，或者通过拉伸改变长度应力光学调制器。在集成光学领域中用到各种相位调制器，其调制的光在波导中传播。相位调制器的重要性质包括：1、相位调制的大小(决定了调制指数和边带的相对功率)；2、需要的驱动电压；3、调制带宽(调制频率范围)，电光调制器为ghz量级，采用热效应或者液晶材料的器件则远小于该值；4、器件的工作带宽；5、器件孔径，限制了调制光束的光束半径；6、器件的外部尺寸。对于不同类型的相位调制器来说，这些性质差别很大。因此，不同的实际应用情况下需要采用不同的相位调制器。但由于热光调制器使用时有着很窄的温度适用范围与大的静态功率消耗，应力光学调制器在使用时其调制带宽较小，故三者之中电光调制器目前成为主流，其调制效率，调制带宽与功耗的综合性能是最好的。
4.目前，电光调制器由于量子效应与载流子低温下运动限制的原因，也很难应用于全温度范围。

技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明中提供了一种电调光波导相位调制器，以解决现有技术中基于电光效应的电光调制器不能适用低温范围的问题，同时通过电光与应力光学效应的结合来提升调制带宽与调制效率。
6.上述方案的有益效果是：
7.1)本发明中将压电组件与光学波导组件相结合，并可采用直流电压偏置的方式给压电层施加电压，从而通过逆压电效应产生应力并作用于光波导组件上，使其折射率发生改变，从而达到调制传播光相位的目的；本发明中可同时利用电光效应与应力光学效应进一步提升调制带宽与调制效率；
8.2)本发明中可利用内、外电极以及缓冲介质层中电压正负的不同在缓冲介质层中产生电场分布，以利用电光效应使光学波导组件的折射率发生变化，从而达到对光信号相位进行调制的目的；
9.3)本发明提供的调制器通过电光与应力光学效应的结合保留了现有电光调制器功耗较低、调制带宽较大的优点，因而可避免热-光调制器使用时适用范围窄、静态功率消耗大的问题，同时也可避免应力光学调制器使用时调制带宽较小的问题。
附图说明
10.图1为本发明的实施例1中提供的相位调制器的结构示意图；
11.图2为本发明的实施例1中提供的相位调制器波导材料折射率特征值偏移图；
12.图3为氧化铟锡(ito)与铌酸锂(ln)的pockels系数对比图；
13.图4为本发明的实施例2中提供的相位调制器的结构示意图；
14.图5为本发明的实施例3中提供的相位调制器的结构示意图。
15.附图中：100、基底；110、缓冲介质层；120、光学波导组件；130、压电组件；131、外电极；132、压电材料层；133、内电极。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
18.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
19.本发明中提供了一种电调光波导相位调制器，其包括包括：基底100、缓冲介质层110、光学波导组件120和压电组件130，缓冲介质层110沉积于基底100上，光学波导组件120沉积于缓冲介质层110上，压电组件130沉积于光学波导组件上，上述压电组件130由外向内依次包括外电极131、压电材料层132和内电极133。
20.实施例1
21.如图1所示，本实施例中光学波导组件120为条状单臂波导，缓冲介质层110由绝缘介质制成。使用时使用者可向压电组件130中外电极131及内电极133分别施加电流方向相反的直流电，并通过调节直流电电压来改变压电材料中由于逆压电效应产生的纯应力，从而利用该应力对单臂波导的有效折射率进行调节(本发明中当光学波导组件120为条状单臂波导时应力光学关系式可以表示为δn
ij
＝b
ijklskl
，其中，n
ij
是折射率张量，b
ijkl
是应力光学张量，s
kl
是应力张量)，并进而调节光学波导组件120内传输光的相位。
22.如图2所示，在应力作用下本发明中光学波导组件120的ne与no均发生了变化，即波导组件120折射率发生可观的改变，由此验证说明本方案是可行的。
23.实施例2
24.本实施例中光学波导组件120为条状单臂波导，缓冲介质层110由ito制成，上述结构下使用时可向压电组件中外电极131及内电极133施加电流方向相同的直流电，再向缓冲介质层110中施加电流方向相反的直流电，以在缓冲介质层110内形成正负交替的电场线分布，此时通过电光效应缓冲介质层110会作为光学波导组件120的增益介质调节其有效折射
率。
25.如图3所示，相比于传统使用铌酸锂ln作为介质，使用ito还能更大的激发电光效应。在此基础上，实施例2中相位调制器还能利用上实施例1的应力光学效应，即施加合适的直流电压时实施例2能有更大的调制带宽与更高的能量利用率，同时适用于更复杂的温度环境。
26.实施例3
27.如图4所示，本实施例中光学波导组件120为条状双臂波导，缓冲介质层110由绝缘介质制成。使用时使用者可向压电组件130中外电极131及内电极133分别施加电流方向相反的直流电，并通过调节直流电电压来改变压电材料中由于逆压电效应产生的纯应力，从而利用该应力对单臂波导的有效折射率进行调节(本发明中当光学波导组件120为条状双臂波导时应力光学关系式可以表示为δn
ij
＝b
ijklskl
，其中，n
ij
是折射率张量，b
ijkl
是应力光学张量，s
kl
是应力张量)，并进而调节光学波导组件120内传输光的相位。
28.实施例4
29.如图5所示，本发明中光学波导组件120为微环谐振腔，上述微环谐振腔中线波导与环波导之间的间距约为可见光波长量级(500nm-1μm)，缓冲介质层110由绝缘介质制成。使用时使用者可向压电组件130中外电极131及内电极133分别施加电流方向相反的直流电，并通过调节直流电电压来改变压电材料中由于逆压电效应产生的纯应力，从而利用该应力对环形波导的有效折射率进行调节(本发明中当光学波导组件120为微环谐振腔时应力光学关系式可以表示为δn
ij
＝b
ijklskl
，其中，n
ij
是折射率张量，b
ijkl
是应力光学张量，s
kl
是应力张量)，并进而调节光学波导组件120内传输光的相位。
30.对于微环谐振腔来说，其谐振波长公式为mλ0＝2πrn
eff
，环的周长决定了腔的谐振波长，从而限制了该谐振波长光的输出，由此说明本实施例提供的结构为可调谐的。
31.以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种电调光波导相位调制器，其特征在于，包括：基底、缓冲介质层、光学波导组件和压电组件，所述缓冲介质层沉积于所述基底上，所述光学波导组件沉积于所述缓冲介质层上，所述压电组件沉积于所述光学波导组件上，所述压电组件由外向内依次包括外电极、压电材料层和内电极，所述缓冲介质层由绝缘介质或导电介质制成。2.根据权利要求1所述的电调光波导相位调制器，其特征在于，所述基底由绝缘介质制成。3.根据权利要求1所述的电调光波导相位调制器，其特征在于，所述光学波导组件为条状的单臂波导装置。4.根据权利要求1所述的电调光波导相位调制器，其特征在于，所述光学波导组件为条状的双臂波导装置。5.根据权利要求1所述的电调光波导相位调制器，其特征在于，所述光学波导组件为微环谐振腔。6.一种权利要求1-5任一项所述电调光波导相位调制器的相位调制方法，其特征在于，向压电组件中外电极及内电极分别施加电流方向相反的直流电，以通过逆压电效应及电光效应调制光学波导组件中光的相位。7.一种权利要求1-5任一项所述电调光波导相位调制器的相位调制方法，其特征在于，向压电组件中外电极及内电极施加电流方向相同的直流电，再向缓冲介质层中施加电流方向相反的直流电，以通过逆压电效应及电光效应调制光学波导组件中光的相位。

技术总结

本发明涉及一种电调光波导相位调制器及相位调制方法，上述相位调制器包括：基底、缓冲介质层、光学波导组件和压电组件，缓冲介质层沉积于基底上，光学波导组件沉积于缓冲介质层上，压电组件沉积于光学波导组件上，压电组件由外向内依次包括外电极、压电材料层和内电极，缓冲介质层由绝缘介质或导电介质制成。本发明中将压电组件与光学波导组件相结合，并可采用直流电压偏置的方式给压电层施加电压，从而通过逆压电效应产生应力并作用于光波导组件上，使其折射率发生改变，从而达到调制传播光相位的目的；本发明中可同时利用电光效应与应力光学效应进一步提升调制带宽与调制效率。应力光学效应进一步提升调制带宽与调制效率。应力光学效应进一步提升调制带宽与调制效率。