一种可温控的电光振幅调制器及测试方法与流程

本发明属于激光调制技术领域，具体涉及一种可温控的电光振幅调制器及测试方法。

背景技术：

电光调制器是高速光通信的关键器件,它可以对激光器发射光波的幅度或相位进行调制,使输入信号施加到光载波上进行传输,光调制器不仅可改变光波的强度,还可调制光波的偏振态。光纤通信系统对调制的要求是：(1)高调制速率和宽调制带宽；(2)低驱动电压；(3)高消光比；(4)低插入损耗。铌酸锂(linbo3)晶体作为一种优良的横向电光调制材料，具有驱动电压低、插入损耗小、光谱工作范围宽、消光比高和易于大规模生产等优点，在光通信、光信号传输、电光开关等领域得到了广泛的应用。

市场上现有的电光振幅调制器都没有施加温控设施，其原因主要是因为加温控设置很占空间，且耗资大成品效果不好，为了方便批量生产都是裸露的晶体直接加电极的配置；但在实际实验中温度的波动对电光振幅调制的影响很大，导致振幅调制信号不稳定或引入位相调制器信号等，从而光场信号的振幅调制将引入额外无用信号，影响正常使用，尤其是对于量子光学中量子通信和量子态的传输的应用，将直接引入额外噪声而直接导致传输的量子信息无法有效提取。因此，温控的设置是非常必要的。

理想情况下光线沿着铌酸锂晶体的光轴方向传播，并且在理论分析时不考虑自然双折射的影响，但是，实际应用中光线与光轴完全校准是不可能实现的，这就会造成理论与实际之间存在误差。分析铌酸锂晶体在近轴及非近轴情况下的横向电光效应，对于利用角度调节以改善其电光性能具有指导意义。同时，近轴及非近轴条件下晶体的电光特性对既需要利用晶体双折射效应进行分束或者合束，又需要利用其电光效应产生附加相移的新型电光器件来说是至关重要的。本发明提出一种温控电光振幅调制器，其中晶体的温度可控，振幅调制采用简单的装置即可实现。

技术实现要素：

本发明目的在于提高电光振幅调制的线性调制性能，且减小外部温度变化对调制器性能的影响。如图12所示，通过对不同晶体主轴加电压对晶体折射率主轴变化的分析，选取了调制性能强且方便经济的铌酸锂晶体作为调制晶体，铌酸锂晶体在z轴通光，x或y轴加电场的情况下均无自然双折射效应(自然双折射是只在加电场之前晶体折射率的变化，即在没有施加外电场时，通过晶体的两个偏振分量o光和e光之间就有相位差的存在)，但是加了电场之后无论是x，y轴都会变为双轴晶体，只是x轴上加电压根据公式有两个交叉项，故会经历两次坐标变换，一次是绕z轴旋转45°，而后的变换与y轴一样。在实际进行电光振幅调制器的设计时，采用铌酸锂晶体，在x轴上加电压，z轴通光，无自然双折射，但是x，z轴会绕y轴旋转一个小的角度，即在x’，y’的一个方向上，振幅会投影，但y轴不转动，故采用两块晶体并排并且互成90°串联的方式可以消除这个投影差。由于在z轴通光，其余轴加电压时，铌酸锂晶体无自然双折射现象，坐标变换后发现当在晶体主轴x轴方向加电压时且光沿z轴传播时晶体的折射率主轴变化满足振幅调制的线性需要，理论研究发现在x轴方向加电压时晶体折射率椭球的主轴会发生两次变换，但对振幅调制有用的变换仅仅是绕通光轴z轴的坐标变换，而绕y轴的坐标变换虽然变换角度微小，但是依然会是影响振幅调制的重要因素之一，因此此发明，利用两块尺寸，性能完全相同的铌酸锂晶体的光轴互成90°串联排列用以补偿晶体加电压后沿y轴的振幅投影；温控设计部分，先利用一种绝缘导热的材料将晶体包裹，而后在材料的外围将设计好的保温铜炉包裹住这些包裹着晶体的材料，在块晶体中间的保温铜炉上插入热敏电阻，插入热敏电阻以此用温控仪来监视晶体温度的变化，保温铜炉的上下两个横截面全部贴敷上用以反馈控温的半导体制冷器(tec)，并且设计了本装置用以固定带温控装置的电光晶体。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种可温控的电光振幅调制器，包括一号底座，在所述一号底座上设有绝缘垫片，所述缘垫片为长方体结构，在所述绝缘垫片上设有二号底座，且使得二号底座的一边与绝缘垫片的一边贴合，其余三边留有间隙，在所述二号底座上并排设有多个一号半导体制冷器，在多个所述一号半导体制冷器上设有保温铜炉，在所述保温铜炉上并排设有多个二号半导体制冷器，在所述保温铜炉的前后端面分别固定设有一号绝热保温层和二号绝热保温层，在所述保温铜炉的左右端面均固定设有一个三号绝热保温层，在所述外壳套的上端面设有多个接头孔，在所述外壳套的左右端面对称设有多个通光孔，在所述绝缘垫片上设有外壳套，且使得外壳套的边缘与绝缘垫片的边缘紧密贴合，并使得外壳套套设在二号底座的外部，在一号底座与二号底座间的放置的绝缘垫片，主要是用来放置平台与二号底座间的电热交换；绝缘垫片三边留有的间隙是用来放置外壳套，使其完美与二号底座间成为一个长方体盒；通过将多个一号半导体制冷器紧密并排的布局在二号底座上，其中并排的一个面除了与二号底座紧密接触，另一个面完全用胶粘在铜炉上，这多个串联的一号半导体制冷器既将铜炉的一个侧面完全覆盖防止热量流失，又可以通过自身的冷热调节能力对铜炉控温，其对立面的二号半导体制冷器亦是同样功能；一号绝热保温层设有沉头孔用塑料螺丝固定在铜炉上，将其中一个面完全覆盖放置热量传导；二号绝热保温层与一号绝热保温层类似，唯一区别是开了一个用以出晶体电极间的线的孔和一个用以出热敏电阻线的孔，与铜炉侧壁的多个出线孔完全一致；铜炉前后端面的三号绝热保温层都设有沉头孔用塑料螺丝固定在铜炉上，防止热传导，中间开有与外壳套的通光孔完全一致的孔；---通过这样的设计将铜炉外部六个面全覆盖(其中两个侧面用来半导体体制冷器来控温,其余四个面全部将铜表面覆盖绝热的保温层以防止与外部热传导)可以达到更好的控温目的。

进一步，所述二号底座包括固定座和挡板，所述固定座和挡板一体成型为l形，在所述固定座的中部设有一号突棱，在所述挡板和一号突棱之间设有一号导热斜面，且使得一号导热斜面从挡板向一号突棱方向向下倾斜，在所述一号突棱的前端设有平台，在所述外壳套的前面板内壁设有二号突棱和二号导热斜面，且使得二号导热斜面和二号半导体制冷器紧密贴合，通过在所述挡板和突棱之间设有一号导热斜面，使得保温铜炉可以设置在斜面上，这样不仅方便放置起偏器，因为只考虑在水平方向与竖直方向上进行光调制能使得铜炉表面完全不和外壳套接触，避免两者间产生热交换且有利于节省空间。

再进一步，所述保温铜炉包括铜炉本体和铜炉盖，所述铜炉盖固定设置在铜炉本体上，所述铜炉本体为左右两端开口的槽形结构，在所述铜炉本体的凹槽内壁和底部均设有凸起，在所述铜炉本体的前端面设有出线孔和热敏电阻安装孔，在所述热敏电阻安装孔内设有热敏电阻，并用绝热材料密封热敏电阻安装孔，用来采集保温铜炉的温度。

铜炉本体与盖可分开主要是为了方便装晶体和排列晶体的电极线，在铜炉本体的凹槽内壁和底部均设有的凸起是用来粘贴晶体(凸起位置不一样是由于两晶体的x、y轴反向平行)，铜炉本体的出线孔开在侧壁中间主要是为了将两个晶体电极间的线引出去，这样设置最节省空间且排线布局更合适。

一种可温控的电光振幅调制器对光场振幅分量施加调制信号的测试方法，包括以下步骤:

步骤1，把两块尺寸完全一样的铌酸锂晶体分别粘在保温铜炉内，通过热敏电阻采集的铌酸锂晶体温度，由温度控制仪将温度信号反馈至电光振幅调制器中的一号半导体制冷器和二号半导体制冷器上，对铌酸锂晶体温度进行恒温控制，同时由信号发生器施加调制信号，对光场振幅进行调制；

步骤2，将电光振幅调制器组装好，准直一束稳定运转的单频激光；

步骤3，准直的激光路中插入一号偏振片/半波片，使激光束沿偏振片中心透射，旋转透振方向保证透过偏振片后得到竖直或水平方向的线偏振光；

步骤4，得到步骤3中竖直或水平方向的线偏振光后，在其后面放置电光振幅调制器，并保证光束由铌酸锂晶体通光中心轴透射输出；

步骤5，将步骤4中经过电光振幅调制器的激光通过1/4λ波片，进行π/2的位相延迟；

步骤6，将步骤5中经过π/2位相延迟的光，再通过一个二号偏振片/偏振分光棱镜；

步骤7，将步骤6中的二号偏振片/偏振分光棱镜透射出的激光输入光电探测器中，光信号转为光电流信号，光电流信号输入至示波器上观测透射信号；当输出信号与输入信号的波形完全一致，即如果输入是一个正弦波信号，输出也是一个完整规则对称的正弦波时，即完成电光振幅调制信号的测试。

通过本装置和测试方法的结合使用，对振幅调制器的线性工作区和信号幅度进行优化，提高了振幅调制的线性调制性能，得到较好的振幅调制信号，增强了调制器的实施效果。

进一步，所述步骤3中一号偏振片/半波片的旋转透振方向与铌酸锂晶体中没加电压时的x或y轴方向一致。

再进一步，所述步骤5中波片的主轴方向与坐标系中的x,y轴方向一致。

更进一步，所述步骤6中二号偏振片/偏振分光棱镜透的透光方向与一号偏振片/半波片的透光方向垂直。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明在所述一号底座上设有绝缘垫片，主要是用来放置平台与二号底座间的电热交换；绝缘垫片三边留有的间隙是用来放置外壳套，使其与二号底座间成为一个长方体盒；通过将多个一号半导体制冷器紧密并排的布局在二号底座上，其中并排的一个面除了与二号底座紧密接触，另一个面用胶或焊接方式粘在保温铜炉上，多个串联的一号半导体制冷器与保温铜炉的一个侧面完全覆盖防止热量流失，又可以通过自身的冷热调节能力对保温铜炉控温，其对立面的二号半导体制冷器亦是同样功能；一号绝热保温层设有沉头孔用塑料螺丝固定在保温铜炉上，将其中一个面完全覆盖放置热量传导；二号绝热保温层与一号绝热保温层类似，唯一区别是开了一个晶体电极间的引线孔和一个热敏电阻引线孔，与保温铜炉侧壁的多个出线孔对应；保温铜炉前后端面的三号绝热保温层都设有沉头孔用塑料螺丝固定在保温铜炉上，防止热传导，中间开有与外壳套的通光孔完全一致的孔；通过这样的设计将保温铜炉外部六个面全覆盖(其中两个侧面用来半导体体制冷器来控温,其余四个面全部将铜表面覆盖绝热的保温层以防止与外部热传导)可以达到更好的控温目的。

2.本发明所述二号底座包括固定座和挡板，所述固定座和挡板一体成型，且所述挡板设置在固定座的后端，在所述固定座的中部设有一号突棱，在所述挡板和一号突棱之间设有一号导热斜面，且使得一号导热斜面从挡板向一号突棱方向向下倾斜，在所述一号突棱的前端设有平台，在所述外壳套的前面板内壁设有二号突棱和二号导热斜面，且使得二号导热斜面和二号半导体制冷器紧密贴合，通过在所述挡板和突棱之间设有一号导热斜面，使得保温铜炉可以设置在斜面上，这样不仅方便放置起偏器，因为只考虑在水平方向与竖直方向上进行光调制能使得铜炉表面完全不和外壳套接触，避免两者间产生热交换且有利于节省空间。

3.本发明所述保温铜炉包括铜炉本体和铜炉盖，所述铜炉盖固定设置在铜炉本体上，所述铜炉本体为左右两端开口的槽形结构，在所述铜炉本体的凹槽内壁和底部均设有凸起，在所述铜炉本体的侧壁设有多个出线孔。铜炉本体与盖可分开主要是为了方便装晶体和排列晶体的电极线，在铜炉本体的凹槽内壁和底部均设有的凸起是用来粘贴晶体(凸起位置不一样是由于两晶体的x、y轴反向平行)，铜炉本体的出线孔开在侧壁中间主要是为了将两个晶体电极间的线引出去，这样设置最节省空间且排线布局更合适。

4.本发明通过装置和测试方法的结合使用，对振幅调制器的线性工作区和信号幅度进行优化，提高了振幅调制的线性调制性能，得到较好的振幅调制信号，增强了调制器的实施效果。

附图说明

图1为本发明的主视整体结构示意图；

图2为本发明的后视整体结构示意图；

图3为本发明的分解结构示意图；

图4为本发明去掉外壳套的结构示意图；

图5为本发明二号底座的结构示意图；

图6为本发明外壳套的结构示意图；

图7为本发明铜炉本体的三维结构示意图；

图8为本发明铜炉本体的俯视结构示意图；

图9为本发明铜炉盖的结构示意图；

图10为本发明中电光振幅调制器对光信号的透射率与调制电压对应关系的实测图；

图11为本发明测试状态图；

图12为电光振幅调制原理示意图；

图13为本发明信号发生器给电光振幅调制器所加的小振幅正弦波调制信号的测试结果图；

图14是本发明经过电光振幅调制器后输出的光强调制波测试结果图；

图中：1-一号底座、2-绝缘垫片、3-二号底座、301-固定座、302-挡板、303-一号导热斜面、304-平台、4-外壳套、401-接头孔、402-通光孔、403-二号突棱、404-二号导热斜面、5-一号半导体制冷器、6-保温铜炉、601-铜炉本体、602-铜炉盖、603-凸起、604-出线孔、605-热敏电阻安装孔、7-二号半导体制冷器、8-一号绝热保温层、9-二号绝热保温层、10-三号绝热保温层、11-电光振幅调制器、12-一号偏振片/半波片、13-波片、14-二号偏振片/偏振分光棱镜、15-光电探测器、16-示波器、17-温度控制仪、18-信号发生器。

具体实施方式

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做出创造性劳动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。

实施例

如图1-14所示，一种可温控的电光振幅调制器，包括一号底座1，在所述一号底座1上设有绝缘垫片2，所述缘垫片2为长方体结构，在所述绝缘垫片2上设有二号底座3，且使得二号底座3的一边与绝缘垫片2的一边贴合，其余三边留有间隙，在所述二号底座3上并排设有多个一号半导体制冷器5，在多个所述一号半导体制冷器5上设有保温铜炉6，在所述保温铜炉6上并排设有多个二号半导体制冷器7，在所述保温铜炉6的前后端面分别固定设有一号绝热保温层8和二号绝热保温层9，在所述保温铜炉6的左右端面均固定设有一个三号绝热保温层10，在所述外壳套4的上端面设有多个接头孔401，在所述外壳套4的左右端面对称设有多个通光孔402，在所述绝缘垫片2上设有外壳套4，且使得外壳套4的边缘与绝缘垫片2的边缘紧密贴合，并使得外壳套4套设在二号底座3的外部。

所述二号底座3包括固定座301和挡板302，所述固定座301和挡板302一体成型为l形，在所述固定座301的中部设有一号突棱305，在所述挡板302和一号突棱305之间设有一号导热斜面303，且使得一号导热斜面303从挡板302向一号突棱305方向向下倾斜，在所述一号突棱305的前端设有平台304，在所述外壳套4的前面板内壁设有二号突棱403和二号导热斜面404，且使得二号导热斜面404和二号半导体制冷器7紧密贴合。

所述保温铜炉6包括铜炉本体601和铜炉盖602，所述铜炉盖602固定设置在铜炉本体601上，所述铜炉本体601为左右两端开口的槽形结构，在所述铜炉本体601的凹槽内壁和底部均设有凸起603，在所述铜炉本体601的前端面设有出线孔604和热敏电阻安装孔605，在所述热敏电阻安装孔605内设有热敏电阻，并用绝热材料密封热敏电阻安装孔605，用来采集保温铜炉6的温度。

一种可温控的电光振幅调制器对光场振幅分量施加调制信号的测试方法，包括以下步骤:

步骤1，把两块尺寸完全一样的铌酸锂晶体分别粘在保温铜炉6内，通过热敏电阻采集的铌酸锂晶体温度，由温度控制仪17将温度信号反馈至电光振幅调制器11中的一号半导体制冷器5和二号半导体制冷器7上，对铌酸锂晶体温度进行恒温控制，同时由信号发生器18施加调制信号，对光场振幅进行调制；

步骤2，将电光振幅调制器11组装好，准直一束稳定运转的单频激光；

步骤3，准直的激光路中插入一号偏振片/半波片12，使激光束沿偏振片中心透射，旋转透振方向保证透过偏振片后得到竖直或水平方向的线偏振光；所述一号偏振片/半波片12的旋转透振方向与铌酸锂晶体中没加电压时的x或y轴方向一致；

步骤4，得到步骤3中竖直或水平方向的线偏振光后，在其后面放置电光振幅调制器11，并保证光束由铌酸锂晶体通光中心轴透射输出；

步骤5，将步骤4中经过电光振幅调制器11的激光通过1/4λ波片13，进行π/2的位相延迟；所述波片13的主轴方向与坐标系中的x,y轴方向一致。

步骤6，将步骤5中经过π/2位相延迟的光，再通过一个二号偏振片/偏振分光棱镜14；所述二号偏振片/偏振分光棱镜透14的透光方向与一号偏振片/半波片12的透光方向垂直；

步骤7，将步骤6中的二号偏振片/偏振分光棱镜透14射出的激光输入光电探测器15中，光信号转为光电流信号，光电流信号输入至示波器16上观测透射信号；当输出信号与输入信号的波形完全一致，即如果输入是一个正弦波信号，输出也是一个完整规则对称的正弦波时，即完成电光振幅调制信号的测试。

入射光先通过平行于坐标系x轴的起偏器，然后通过在晶体x轴方向加电压的铌酸锂晶体，通过晶体后，再经过一个快轴平行于铌酸锂晶体在x轴加电压后的x’轴，最后再通过平行于坐标系y轴的检偏器，这就是电光振幅调制的基本原理，外加电场的方向平行于晶体x轴，调制光为出射光，出射光方向平行于坐标系y轴，所述中间晶体为电光调制晶体，所述中间晶体规格为3mm×4mm×20mm；两个晶体尺寸性能完全相同且光轴互成90°串联排列，即一块晶体的y’轴和x轴分别与另一块晶体的x’轴和y轴平行。

图12为电光振幅调制原理示意图，铌酸锂晶体(两块光轴互成90°排列在两个成正交的偏振器之间，其中启偏器1的偏振方向平行于图中所示坐标轴的x轴，检偏器2的偏振方向平行于图中所示坐标轴的y轴，并且在晶体与检偏器2之间插入λ/4玻片。当晶体在x轴方向上施加电场时，晶体的感应主轴x’和y’分别旋转到与原主轴x和y成45°的夹角方向，因此，沿z轴入射的光束经过启偏器1变为图示坐标系的x轴方向的线偏振光，进入晶体后被分解为x’和y’方向的两个分量，其振幅和位相都相同；由透过率和调制电压的关系图如图2可知在一般情况下，调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的；若调制器工作在非线性区，则调制光强会发生畸变；为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的π/2相位延迟，使得调制器的电压偏值在透射率为50％的工作点上；固在调制器的光路上插入一个λ/4玻片，其快慢轴与晶体的主轴x轴成45°角，从而使得两分量间产生π/2的固定相位差。

利用电光晶体的横向电光效应可以实现电光振幅调制，如图1入射光经过启偏器后变为平行于x轴的线偏振光，它在晶体上的投影和相位均相等，设分别为:

ex′＝ey′＝acosδ(1)

或用复振幅的方法,将将入射晶体z＝0表面的光波表示为：

ex′(0)＝ey′(0)＝a(2)

所以入射光的强度是:

ii＝|ex′(0)|²+|ey′(0)|²＝2a²(3)

当光通过总长度为l的两块铌酸锂晶体后x’和y’就产生位相差δ:

ex′(l)＝a,ey′(l)＝ae^iδ(4)

当不考虑λ/4玻片时通过检偏器出射的光是该两分量在y轴上的投影之和:

其对应的输出光强it可以写为:

光强透过率t为:

又有：

由此可见，δ和加在晶体上的电压有关，当电压增加到某一值时，x’和y’方向的偏振光经过晶体后可以产生相位差δ＝π，此时光强透过率t＝100％,这时加在晶体上的电压称作半波电压，通常用vπ表示，vπ是描述晶体电光效应的重要参数，

其中v0是加在晶体上的直流电压，vmsinωt是同时加在晶体上的交流调制信号，vm是其振幅，ω是调制频率，从上式可以看出，改变v0或vm，输出特性将相应的有变化。对单色光和确定的晶体来说，vπ为常数，因而t将仅随晶体上所加的电压变化。

接下来是考虑直流偏压对输出特性的影响：

当vm<<vπ时，将工作点选择在线性工作区的中心可以获得较高效率的线性调制，把带入(9)式得：

由于vm<<vπ

即

t∝sinωt(12)

这时，调制器输出的信号和调制信号虽然振幅不同，但是两者的频率却是相同的，输出信号不失真，即为线性调制。

用该装置的测试结果如图13，图14，其中图13为信号发生器给电光振幅调制器所加的小振幅正弦波调制信号，图14是经过电光振幅调制器后输出的光强调制波；可以看出光场调制信号的频率、波形保真度高，证明调制器工作与图10中所述的线性区域，调制效果完全满足应用需要。

本发明的一号底座1、绝缘垫片2、二号底座3、固定座301、挡板302、一号导热斜面303、平台304、外壳套4、接头孔401、通光孔402、二号突棱403、二号导热斜面404、一号半导体制冷器5、保温铜炉6、铜炉本体601、铜炉盖602、凸起603、出线孔604、热敏电阻安装孔605、二号半导体制冷器7、一号绝热保温层8、二号绝热保温层9、三号绝热保温层10、电光振幅调制器11、一号偏振片/半波片12、波片13、二号偏振片/偏振分光棱镜14、光电探测器15、示波器16、温度控制仪17、信号发生器18均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。