长周期波导光栅及波导制备方法、光调制器及光调制方法与流程

本发明涉及集成光学领域，尤其涉及一种基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅及其波导制备方法，以及利用该基于基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅所构成的光调制器及其光调制方法。

背景技术：

近几十年来，随着多媒体业务需求的迅猛增长，传统的电传输网络已经不能满足人们的需要，对于超长距离大容量的光纤通信系统有了迫切的需求。由于光纤具有传输容量大、传输损耗小、重量轻等优点，光纤通信已成为有线通信网络中的主流方式。大容量光纤通信网络的迅速发展，有力地推动了宽带、高速和超高速光器件的需求和研究。

制约光网络发展的关键，在于研制出先进的光器件，而波长选路和交换器件在光网络中起到非常关键的作用，尤其是折射率周期性改变的光栅结构，由于其光传输谱具有随光波长而改变的性质，所以在光纤通信和传感等领域有着非常重要的价值。

1996年,美国贝尔实验室的a.m.vengsarkar等人，利用紫外光在氢载硅锗光纤制作出第一个长周期光纤光栅(lpfg)。1998年，d.d.davis等人利用激光脉冲在普通光纤中写入长周期光纤光栅，标志着长周期光栅发展到了一个崭新的阶段。光纤光栅的诞生及发展给光纤通信和光纤传感等领域带来了里程碑式的变革，用光纤制作长周期光栅不仅工艺简单，而且具有低损耗、低反射、可集成化和连接方便等优点，因此，以长周期光纤光栅为基础的器件发展很快，但长周期光纤光栅还是极大地受到光纤材料和结构的限制，功能较为局限，难以对光栅的传输特性进行实时调谐，这种调谐即可以是对光栅阻带谐振波长的调谐，也可以是对光栅强度的调谐。显然，实现这两种调谐可以极大地扩展光栅的功能及应用领域。考虑到当前光波导制作工艺的灵活性，波导材料的多样性及多功能性，因此使用光波导代替光纤来制作长周期光栅不但可以突破以上局限，而且对于实现光栅的可调谐性从而拓展长周期光栅的功能及应用领域有着重要意义。

平面光波导型光栅一般通过在波导上制作周期结构来实现，然而这种固定周期结构不利于实现对光栅强度或谐振波长的调谐。为此，也有通过在波导上放置周期性结构的电极，利用热光或电光效应对波导的折射率进行周期性调制，从而实现可调谐的长周期波导光栅(lpwg)。2008年，郑建成等人首次提出在z切y传铌酸锂波导上面放置叉指电极来实现长周期波导光栅(lpwg)，结构示意图如图1所示，通过在叉指电极上面加驱动电压，使电场在铌酸锂波导内部为周期性分布。由于电光效应，折射率在波导方向上呈周期性分布，从而形成长周期波导光栅，通过加电与否可以实现较灵活的控制。但这种基于叉指电极结构的长周期波导光栅存在调制带宽不高、不易调制等问题，限制了长周期波导光栅在光滤波器、传感器以及光调制器等领域的进一步应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅及制备方法，采用共面波导电极对长周期波导光栅加以控制，以解决现有的叉指电极结构长周期波导光栅调制带宽不高、调制电压较大、难以调制等问题，进而提高长周期波导光栅的性能。

本发明的一种基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅，该波导光栅结构自下而上包括铌酸锂基底5、包层平板波导4、缓冲层2和共面波导电极结构；其中，所述缓冲层2覆盖于所述包层平板波导4的上表面、所述铌酸锂基底5覆盖于所述包层平板波导4的下表面；所述共面波导电极结构进一步包括信号电极6，地电极7、8；所述信号电极6覆盖于所述缓冲层2上表面中部；在所述包层平板波导4的上表面中部并且位于所述信号电极6的正下方设置芯层波导3；所述地电极7、8位于所述信号电极6两侧，且与所述信号电极6位于同一平面。

所述芯层3为质子交换条形波导。

所述包层平板波导4为质子交换周期极化铌酸锂平板波导。

本发明的基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅的波导制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、样品准备，该步骤具体包括：选用光学级z切1mm厚铌酸锂晶片为初始材料，使用精密切割机将晶片切割成的波导样品；

步骤2、进行第一次质子交换，该步骤具体包括：将交换源苯甲酸投入内置于恒温扩散炉内等温区的密封石英玻璃管中，加热到交换温度并恒温两小时，然后将清洗干净的样品放入交换源内进行质子交换；交换温度在苯甲酸熔点122℃至沸点249℃之间；

步骤3、制作波导掩膜，该步骤具体包括：在铌酸锂表面镀一层金属掩膜；使用光刻和刻蚀工艺使波导部分没有掩膜，其他部分依然有掩膜，将波导样品清洗；

步骤4、进行第二次质子交换，具体操作与步骤2相同；

步骤5、进行退火处理，该步骤具体包括：把经过步骤4的第二次质子交换后的波导样品洗净，放入石英夹具并推入石英管，石英夹具推入到预定位置后，在氧气氛围里进行高温加热，加热温度为200℃至400℃，持续3-6小时，然后把夹具缓慢地拉出来；

步骤6、进行端面抛光，该步骤具体包括：先后用粒径为20μm、7μm、1.5μm的抛光粉进行抛光，然后用抛光液对波导端面进行抛光；

步骤7、进行周期极化处理，该步骤具体包括：在极化过程中使用高压电表以及示波器接入电路；采用光刻技术在波导样品的波导面上制作出周期图样；光刻过程中选用的电极掩膜板的周期为λ；将波导样品放入液体电极夹具中，并用硅胶垫片密封好；之后，在液体电极夹具中注入饱和licl溶液，在注入溶液的过程中应避免气泡的出现；将波导样品接入高压方波脉冲发生系统；设定极化时间为0.85s，高压直流电源的输出电压为4.0kv；

通过上述步骤，制备出具有周期畴结构的芯层波导3和包层平板波导4。

本发明的一种光调制器，包括依序连接的输入光纤9、基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10和输出光纤11；其中：

所述输入光纤9用于将光传输到基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10；

所述基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10用于对根据电信号对所述输入光进行调制；

所述输出光纤10用于将调制光输出；其中：

当光信号通过输入光纤9进入基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10时，通过共面波导电极结构在基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10的铌酸锂基底5上施加电压，使得对铌酸锂基底5的铌酸锂晶体形成对不同方向畴的不同影响，改变铌酸锂晶体的有效折射率，进而实现对输入光的强度调制。

本发明的一种光调制方法，该方法包括以下步骤：

当光信号通过输入光纤9进入基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10时，在基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10上施加电压，使得对铌酸锂基底5的铌酸锂晶体不同方向畴产生不同的影响，得到电场在铌酸锂波导内部为周期性分布；通过调节加在共面波导电极结构上的电压，改变晶体的折射率在波导方向的分布，改变铌酸锂晶体的有效折射率；影响光信号在波导中传输的共振条件，若波长满足谐振条件，即λ＝λ(no-nm)，其中，λ为谐振波长，λ为长周期波导光栅的周期，no为芯层波导的模式有效折射率，nm为包层平板波导的模式有效折射率，传输的光信号会耦合进周围介质中，其输出光信号的损耗最大，此时光信号输出强度最小；若波长没有满足谐振条件时，其输出光信号的损耗小，光信号输出强度大；通过调节加在长周期波导光栅的电压，就能改变，进而实现对输入光的强度调制。

与现有的基于叉指电极结构的长周期波导光栅相比，本发明的基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅具有调制电压低，调制带宽高，易于调制等明显优势。

与现有的光调制器相比，本发明能通过改变施加在周期畴结构波导层上的电压来实现单波导对光信号的强度调制，结构简单，器件尺寸小。

附图说明

图1为现有技术的叉指电极铌酸锂长周期波导光栅结构示意图；

图2为本发明提出的一种长周期波导光栅结构示意图；

图3为本发明提出的光调制器结构示意图；

附图标记：1、叉指电极，2、缓冲层，3、芯层，4、包层平板波导，5、铌酸锂基底，6、信号电极，7，8、地电极，9、输入光纤，10、基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅，11、输出光纤。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示，为本发明提出的一种长周期波导光栅的结构示意图，包括信号电极6，地电极7、8，缓冲层2，芯层3，包层平板波导4和铌酸锂基底5。包层平板波导4上表面覆盖缓冲层2，下表面覆盖铌酸锂基底5；缓冲层2上表面中部覆盖信号电极6；芯层3设置在包层平板波导4的上表面中部并且位于信号电极6的正下方；地电极7、8位于信号电极6两侧，与信号电极6位于同一平面；通过共面波导电极结构在周期畴结构铌酸锂基底上施加电压，形成对不同方向畴的不同影响，得到电场在铌酸锂波导内部为周期性分布；通过调节加在行波电极上的电压，就能改变晶体的折射率在波导方向的分布，将芯层3光耦合进包层平板波导4中。

所有电极可采用金等导电性良好的金属材料；其中，信号电极6的宽度w为5～20μm，长度l为10～30mm，厚度h为5～30μm；地电极7、8的宽度为800～2500μm，长度l为10～30mm，与信号电极6的长度相同，厚度h为5～30μm，与信号电极6的厚度相同。

信号电极和地电极的间距s为10～30μm；，信号电极6和地电极7、8的间距s为10～30μm。

缓冲层2采用二氧化硅材料制成。

芯层3采用质子交换条形波导，宽度t为5～10μm。

包层平板波导4采用质子交换周期极化铌酸锂平板波导，周期畴结构周期λ为40～100μm。通过共面波导电极结构在周期畴结构铌酸锂晶体上施加电压，使铌酸锂波导内部存在电场，电场对不同方向畴的影响不同，使波导方向折射率呈现周期性分布。

本发明的一种基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅，具体工作原理如下：

设芯层条形波导周围的有效电场强度为ez，在该电场的作用下铌酸锂基底沿z向的折射率发生变化。对于包层平板波导中畴方向与电场方向相同的铌酸锂畴结构，折射率变化为δnz+，公式如下：

对于包层平板波导中畴方向与电场方向相反的铌酸锂畴结构，折射率变化为δnz-，公式如下：

由公式(a)、(b)可得出铌酸锂晶体正反向畴的折射率相对变化量

δnz＝δnz+-δnz-＝neγ33ez(3)

其中，ne为铌酸锂晶体的非寻常光折射率，γ33为铌酸锂晶体的电光系数，ez芯层条形波导周围的有效电场强度。

由公式(3)可知，δnz随外加基于周期畴结构铌酸锂长周期波导光栅的外加有效调制电场而产生，且对于给定的材料和电极结构，δnz完全由有效外加有效电场控制，通过调节加在共面波导电极结构上的电压，就能改变芯层条形波导周围的有效电场，实现对该长周期波导光栅的调谐。与之类似，现有的叉指电极结构的长周期波导光栅的有效调制电场如果想获得同样大小的折射率调制，需要的有效调制电场应满足ez＝ez'，调制电场由外加的调制电压产生，本发明的基于周期畴结构铌酸锂长周期波导光栅中信号电极与条形波导的位置十分接近，调制电压产生的有效电场很大，而现有的叉指电极结构的长周期波导光栅中每一组叉指电极的间距较大，若想获得同样大小的有效调制电场，需要施加更大的调制电压。因此，本发明的基于周期畴结构铌酸锂长周期波导光栅有着调制电压低这一优点，较低的调制电压有利于节约功耗及推动长周期波导光栅的实用化。

该基于周期畴结构铌酸锂长周期波导光栅所采用的共面波导电极结构为行波电极结构；而现有的叉指电极结构的长周期波导光栅采用的是集总参数电极。作为传输线的行波电极制作的电光调制器件比集总参数电极制作的调制器有大得多的调制带宽。经理论计算，集总参数铌酸锂电光调制器件的调制带宽与电极长度乘积约为2.2ghz·cm，(参照非专利文献1)，而已有实验验证行波电极铌酸锂电光调制器件有大于200ghz·cm的调制带宽与调制电极长度乘积(参照非专利文献2)。所以通过行波电极调谐的长周期波导光栅会有更高的调制带宽。

现有的叉指电极结构的长周期波导光栅中，叉指电极产生电场非常不均匀，(参考非专利文献3)而且电极相互之间存在较强的干扰，如果想要实现较为精确的调控，必须进行相当复杂的电场分布计算。但基于周期畴结构的长周期波导光栅中，共面波导电极具有对称结构，能够在芯层条形波导周围产生较为均匀的电场，使波导光栅具有良好的周期性，易于实现对长周期波导光栅的较为精确控制。

本发明的一种长周期波导光栅的波导制备方法，具体步骤如下：

步骤1、样品准备，具体为：本发明选用的是光学级z切1mm厚铌酸锂晶片为初始材料，使用精密切割机将晶片切割成l(长)×10(宽)(mm)的样品；

步骤2、进行第一次质子交换，该步骤具体包括：将交换源投入内置于恒温扩散炉内等温区的密封石英玻璃管中，加热到交换温度并恒温两小时左右，然后将清洗干净的样品放入交换源内进行质子交换。交换源一般为苯甲酸，在交换过程中为了减轻表面腐蚀，可以在交换源中加一定量的苯甲酸锂或苯甲酸钠。考虑到苯甲酸的易挥性，交换装置一般是密封的。苯甲酸熔点为122℃，沸点为249℃，故交换温度应该在这两个温度之间；

步骤3、制作波导掩膜，该步骤具体包括：在铌酸锂表面镀一层金属膜(如铝膜)；光刻和刻蚀工艺使波导部分没有掩膜，其他部分依然有掩膜，将样品清洗；

步骤4、进行第二次质子交换，具体操作与步骤2相同；

步骤5、退火，该步骤具体包括：把经过步骤4的质子交换后的样品洗净，放入石英夹具上推入石英管，在氧气氛围里进行高温加热(200-400℃)；为了防止晶片升温太快而破裂，推入推火炉的速度不能太快，推入预定位置后在有氧的氛围中持续一定的时间(3-6h)，然后把夹具缓慢地拉出来。

步骤6、进行光波导端面抛光，该步骤具体包括：先后用粒径为20μm、7μm、1.5μm的抛光粉进行抛光，然后用抛光液对光波导的端面进行抛光；

步骤7、进行周期极化处理，该步骤具体包括：在极化过程中使用高压电表以及示波器接入电路；采用光刻技术在样品的波导面上制作出周期图样；光刻过程中选用的电极掩膜板的周期为λ；波导样品放入液体电极夹具中，并用硅胶垫片密封好；之后，在液体电极夹具中注入饱和licl溶液，在注入溶液的过程中应尽量避免气泡的出现；接入高压方波脉冲发生系统；设定极化时间为0.85s，高压直流电源的输出电压为4.0kv；

通过上述步骤，制备出具有周期畴结构的质子交换包层平板波导和芯层质子交换条形波导。

另外，本发明还提出一种基于周期畴结构铌酸锂长周期波导光栅的光调制器，实现了单波导对光信号的强度调制，结构简单，易于制作。

如图3所示，为使用本发明提出的一种基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅所实现的光调制器结构示意图，包括输入光纤9、基于周期畴结构铌酸锂的长周期波导光栅10和输出光纤11。其中：输入光纤9用于将光传输到长周期波导光栅10；长周期波导光栅10用于对根据电信号对所述输入光进行调制；所述输出光纤10用于将调制光输出。

当某一特定功率的光信号通过输入光纤进入芯层波导时，若波长满足谐振条件，即λ＝λ(no-nm)，其中λ为谐振波长，λ为长周期波导光栅的周期，no为芯层波导的模式有效折射率，nm为包层平板波导的模式有效折射率；传输的光信号会耦合进周围介质中，其输出光信号的损耗最大，此时光信号输出强度最小；若波长没有满足谐振条件时，其输出光信号的损耗小，光信号输出强度大。所以改变共振条件就能改变输出光信号的强度。光信号在波导中的共振条件与条形波导周围介质的有效折射率有关，在长周期波导光栅上施加电压，对铌酸锂不同方向畴的影响不同，也就会改变它的有效折射率。通过调节加在长周期波导光栅的电压，就能改变光信号在波导中传输的共振条件，进而实现对输入光的强度调制。

本发明中的芯层条形波导和包层平板波导也可以采用钛扩散方法来制得，利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

非专利文献1：

alfernessrc.waveguideelectroopticmodulators[j].ieeetransactionsonmicrowavetheory&techniques,1982,30(8):1121-1137.

非专利文献2：

macarioj,yaop,shis,etal.fullspectrummillimeter-wavemodulation.[j].opticsexpress,2012,20(21):23623-23629.

非专利文献3：

蒋强,王暄,李志远.共面插指电极结构电光聚合物薄膜器件的电光系数测量[j].光学学报,2013(9):290-294。