波长，除了1 = 〇时，|31的绝对值都会大于4〇，所^ 高阶的衍射波就都是隐失波。因此，光栅中主要存在两个波数相同、传输方向相反的导模。 如果两个导模相位相同，就会导致干设相长，产生低品质因数谐振。相反地，如果两个导模 相位相反，就会导致干设相消，产生高品质因数谐振。当光栅相对于垂直轴方向对称，两个 导模的场型相同时，完全的干设相消产生，没有能量泄露到空气层中去。所W，在理论上，无 限周期下运个模式的高品质因数谐振是无限的，线宽是非常狭窄的。如图4,利用严格禪合 波算法(RCWA)得到的光栅高品质因数谐振典型光谱。虽然，在现实中，由于光栅有限周期、 非对称性等原因，高品质因数谐振是有限的，但是，光栅的品质因数谐振的大小足W用来进 行相位调制。
[0039] 谐振模式的反射谱和透射谱能够被描述为洛伦兹函数的形式，即：
[0040] 1 十 / (/^ - /1。）:/ 做.
[00川其中，Ao是中屯、波长，觀是中屯、波长的相位，I O I是半波全宽。如图5所示，利用严 格禪合波算法(RCWA)，可W看出相位剧烈的改变只发生在导模谐振的区域内，而相似的参 数下相位的改变量是基本不变的。
[0042] 因此，光栅光谱带宽越窄，相位变化越剧烈。而光栅产生高品质因数谐振时，光谱 带宽最窄，相位曲线的斜率最大，相位变化最剧烈。所W为了得到高灵敏度的相位调制器， 我们利用光栅的高品质因数谐振特性进行相位调制。
[0043] 根据导模谐振效应特性，一方面，当入射角增大时，非泄露的导模谐振模式会减 少，带宽会增大。除此之外，光栅的有限长度和制作误差都会减少高品质因数谐振。另一方 面，光栅周期也会影响中屯、波长。通过设计和优化运些参数，我们可W得到满意的中屯、波长 和带宽。
[0044]同时，利用严格禪合波算法(RCWA)，我们数值分析发现光谱谐振峰的中屯、波长主 要取决于介质的折射率，即当栅瓣介质折射率增大时，光谱谐振峰的中屯、波长也会增大。对 于娃基光栅，当折射率改变0.0 Ol时，中屯、波长改变0.4nm。同时，中屯、波长dA〇的改变会导致 谐振峰处的反射光或是透射光的相移或是损耗，方程为：
[0047]因此，损耗可W被写为：
[0049] 假如，相移为辑，由上式可得相移M。=句樹和损耗/〇姑(游)91船护7虹10，光谱 的损耗是相移的二次方。
[0050] 因此，只要改变栅瓣介质的折射率，就能改变出射光的相位，从而达到相位调制的 目的。常用的改变栅瓣介质的折射率方式有S种，分别是电光调制、热光调制、声光调制W 及应力调制。电光调制利用外加电场改变原子或分子中电子的运动规律或者材料的晶体结 构，引起的介质折射率的变化，常用的方法有载流子注入法、载流子积累法W及载流子耗尽 法等。如图6(a)(b)所示，光栅和P极，咐及形成p-i-n二极管结构。利用载流子注入方法，在PN 结上加入电极，通过电场的改变载流子注入的浓度，（a)图P极和N极垂直于栅瓣。栅瓣介质 载流子浓度随着通过衬底载流子浓度改变而改变，（b)图P极和N极平行于栅瓣，电场可W直 接改变栅瓣介质载流子浓度。再利用等离子色散效应来改变高折射率介质折射率，最后由 于改变高折射率介质折射率，进而改变光栅光谱中屯、波长的位置，再根据中屯、波长和相位 的关系，达到相位调制的作用。然而，光栅相位调制器不仅仅局限于上述电光调制方法，其 中屯、思想就是改变高折射率介质折射率，从而达到相位调制的目的。因此，只要是可W改变 高折射率介质折射率的调制方法都是可行的。所W光栅相位调制器也可W采用热光或声光 调制的方法。热光调制采用溫度不同，其分子或晶体结构发生变化，从而造成材料的光学性 质不同，进而改变介质的折射率。例如，溫度升高会引起材料膨胀和极化，光栅栅瓣介质(如 娃)材料的热膨胀系数相对极化系数来说很小，栅瓣介质折射率受材料极化影响较大。因 此，利用溫度改变栅瓣介质折射率进而达到相位调制的目的。声光调制是使声波通过介质 时会造成介质的局部压缩或伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，从 而介质的折射率发生改变。例如，在超声波作用下的栅瓣介质可视为一种由声波形成的位 相光栅，其光栅的栅距(光栅常数)即为声波波长，当声波通过位相光栅时，引起光栅介质的 弹性应变，进而改变光栅栅瓣折射率，达到相位调制的目的。应力调制是利用应力使得介质 产生伸缩和弹光效应，从而介质的折射率发生改变。例如，在应力作用下，光栅的周期产生 伸缩和弹光效应，引起光栅栅瓣折射率的改变，达到相位调制的目的。
[0051] 通过上述方法，举出光栅相位调制器反射光和透射光的设计实例。
[0052] (1)反射光相位调制器：
[0053] 如图7所示，反射光的光学相位调制器使用一层光栅进行反射，折射率改变0.0002 时，损耗为0.47dB获得了0.53弧度的相移。如果设计一个弧度的移相器需要进行六次反 射，总损耗为2.82地。如果将折射率的改变改为0.0 OOl，则总的损耗可W降低到1.41地。在 一个带宽内相位的改变量约为1，可W算出带宽最大时的A A和带宽都是0.031 Snm。同时，可 W看到反射波相位变化最快的地方是反射率最高的地方，所W比较适合用来作调相器。
[0054] (2)透射光相位调制器
[0055] 透射光相位调制器光路比较简单，但存在透射光光谱不易拟合，不易做定性的分 析和透射光相位变化最剧烈的地方正好是透射率最低的地方，灵敏度略差的缺点。
[0056] 如图8所示，运个调相器的参数是DC = O. 5,Period = O. 62皿，tg = 0. ：34皿，目=5°， nd = 3.6。折射率的改变量是0.001。它的相移是0.30化ad，损耗是0.097地，达到JT弧度的相 移需要11片光栅。总的损耗是1.07地，3地带宽是0.031nm。
【主权项】
1. 一种光学相位调制器，其特征在于，包括一亚波长光栅;该亚波长光栅与一调节所述 条状介质的折射率的折射率调节装置连接。2. 如权利要求1所述的光学相位调制器，其特征在于，所述折射率调节装置为一种通过 电光调制所述条状介质的折射率的折射率调节装置。3. 如权利要求2所述的光学相位调制器，其特征在于，所述条状介质两端设有P级和N 级;其中，所述条状介质垂直于P级和N级，且与p极、N极形成p-i-n二极管结构。4. 如权利要求2所述的光学相位调制器，其特征在于，所述条状介质两侧设有P级和N 级;其中，所述条状介质平行于P级和N级，且与p极、N极形成p-i-n二极管结构。5. 如权利要求1所述的光学相位调制器，其特征在于，所述折射率调节装置为一种通过 热光调节所述条状介质的折射率的折射率调节装置。6. 如权利要求1所述的光学相位调制器，其特征在于，所述折射率调节装置为一种通过 声光调节所述条状介质的折射率的折射率调节装置。7. 如权利要求1所述的光学相位调制器，其特征在于，所述折射率调节装置为一种通过 应力调节所述条状介质的折射率的折射率调节装置。
【专利摘要】本发明公开了一种光学相位调制器，其特征在于，包括一亚波长光栅；该亚波长光栅与一调节所述条状介质的折射率的折射率调节装置连接。导模谐振效应，使光栅具有高品质因数谐振特性，其反射谱或透射谱会产生尖锐的谐振峰。当光栅产生高品质因数谐振时，光谱带宽最窄，相位曲线的斜率最大，相位变化最剧烈。所以为了得到高灵敏度和高速的相位调制器，利用光栅的高品质因数谐振特性进行相位调制。本发明尺寸紧凑，便于光器件集成；且具有高灵敏度和高速度特点、相位移动范围大、插入损耗小。
【IPC分类】G02F1/015
【公开号】CN105527730
【申请号】CN201610008172
【发明人】彭超, 胡薇薇, 张汉星, 王智鑫, 吕佳欣, 张海洋, 赵澈
【申请人】北京大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年1月6日