一种基于γ₅₁的电光调制器及实现方法

专利名称：一种基于γ₅₁的电光调制器及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种电光调制器及实现方法，具体是利用KTahNbxO3或BaTiO3等晶体 材料的巨大电光系数Y51参数来实现电光调制，线性电光系数Y51参数引起的电光效应等 效于一种二次电光效应。
背景技术：
当晶体加上电场后，该晶体的折射率会发生变化，若折射率的变化正比于电场强 度，则为泡克耳斯效应(线性电光效应)。线性电光效应存在于20种无对称中心的晶体中， 常用的电光晶体有2类KDP类晶体属四方晶系D2d-i2m点群，铌酸锂(LiNbO3)类晶体是 三方晶系:3m点群。这两类电光晶体被广泛的用在光通信中电光调制、光开关、激光调Q、光 束的偏转等场合。在实际使用过程中，32m类电光晶体利用的参数是Y63，:3m类晶体LiNbO3 电光晶体的有效电光系数为( / )3y33-Y13。
由于折射率的变化与外加电压成正比，因此电光强度调制器的输出特性与外加电 压的关系是非线性的，需要在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个νλ/4的固定 偏压，或者在调制器的光路上插入一个1/4波片来解决。前者会增加电路的复杂性，而且工 作点的稳定性也差；后者的需要增加1/4波片，使得电光强度调制器只能适用于专用波长， 缺乏通用性。
二次电光效应(克尔效应)可以存在于任何对称类型的介质中，它包括有对称中 心和没有对称中心的晶体，以及各种状态的各向同性介质。并且电场引起的双折射与电场 强度的平方成正比，非常适合作电光强度调制器。最早获得的激光调Q巨脉冲，就是利用各 向同性介质硝基苯在强电场作用下产生的二次电光效应所完成的。但是，由于这类光电效 应的半波电压一般需要数万伏，使用不便，目前已很少采用了。
除此之外，线性电光矩阵中最令人关注的是Y51，Y51参数表示沿晶体折射率椭球 X1方向施加的电场对X1和&轴造成的影响能力。
我们的研究表明
在电场中，三方C3-3、C3v-3m (m丄X1)，单斜C3_m (m丄x2)、四方S4- 和六方Ce_6等晶系均难以在工程上直接应用Y51实现电光调制；正交晶系C2v_mm2的晶体的线性电光系 '0 0 r13、 0 0 r23 0 0 r33 0 r42 0 r51 0 0 v 0 0 0 y
针对正交晶系C2v_mm2的晶体选取如图1所示的切割方式，截面为正方形的晶体， Χι>Χ2>Χ3分别为晶体的折射率椭球的主轴，厂D^pf3为在沿X1方向施加E后的折射率椭 球主轴。
若线偏振光沿&方向传播，且偏振方向与X1、X3轴成45°，未加电场时通过晶体时数矩阵为仍为线偏振光；若施加X1方向电场，则通过电光晶体的ο光和e光之间存在有位相差
Αφ = (Ue-Ti0)I+4πη03γ5ι2Ει21/[λ(Ι Zn02 -1 /ne2)\(1)
n。、ne分别是ο光和e光的折射率，1是光线在晶体中传输的长度，λ是光的波长， E1S施加的调制电场强度。式中第一项是自然双折射，第二项是电场引起的双折射现象。由 于调制信号的强度正比于电场E12,⑴式中由电场所引起位相变化与调制信号的强度呈线 性关系。结论同样适用于四方晶系D4d-4mm和六方晶系C6v-6mm，与C2v-mm2晶系差别是它 们的xjP &轴等价(Y42= Y51)。
可计算出电场引起的位相变化的半波电压Un为
U11 = [λ (l/n02-l/ne2)/(4n03l)]1/2d/Y51 ⑵
n0,ne分别是ο光和e光的折射率，1是光线在晶体中传输的长度，λ是光的波长。 从⑵式可以看出选择Y51大的材料和较小的截面尺寸d可以降低半波电压。
对于直流Kerr效应，Δη = λ KE2, Δ η为电场引起的折射率的变化，K为Kerr系 数，E为沿^方向施加电场，λ为光的波长。Y51电光效应引起的等效二次效应的等效Kerr 系数为
Keff = H03Y512/[λ (l/n02-l/ne2)](3)
KTEta35Nba65OdPBaTiO3的等效Kerr系数在10_7m. V—2量级，远大于通常各向同性 材料的克尔系数10-1 !. T2量级，因而有效地降低了克尔盒高的半波电压，从而使得基于二 次电光效应的电光调制器在工程上的使用成为可能。
参考文献
1. Giinter R and Huignard J R. Photorefractive Materials and TheirApplications I[Μ]. Berlin :Springer_Verlag,2005 :26-29,51,64-66.
2.李家泽.光电子学基础[Μ]，北京北京理工大学出版社，1998 :42-44.发明内容
本发明的目的提供一种基于Y51的电光调制器及实现方法，利用钽铌酸钾 KTa1^xNbxO3(0. 37彡χ彡1)或BaTiO3晶体的巨大Y51引起的等效二次电光效应来实现电光 调制。
基于γ51的电光调制器，包括二个偏振片、信号源、正交晶系C2v-mm2、四方晶系 D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体，其特征在于将正交晶系C2v-mm2、四方晶系 D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体沿切割面平行于三个Χι、χ2、α主轴分割，且Xl、x2、 X3分别为电光晶体的折射率椭球的主轴，二个偏振片分别放置在正交晶系C2v-mm2、四方晶 系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化 方向分别与X1^X3轴成45度夹角，信号源沿X1方向施加电场E，x\、x\、x\为在沿X1方向 施加电场E后的折射率椭球主轴。
所述电光晶体材料为钽铌酸钾KTiVxNbxO3 (0. 37彡χ彡1)或BaTiO3晶体。
所述电光晶体切割面分别为(100)、(010)、(001)；且垂直于(010)面的切面为正方形。
一种基于Y51的电光调制器的实现方法按以下步骤进行一束激光沿电光晶体X2主轴方向入射，经过线第一偏振片后，获得线偏振光，线偏振光沿&方向传播，且偏振方 向与Xl、h轴成45°，未加电场时通过晶体时仍为线偏振光；施加X1方向电场则ο光和e光 之间存在有位相差
Αφ = (Ue-Ti0)I+4πη03γ5ι2Ει21/[λ(Ι Zn02 -1 /ne2)\(4)
n0,ne分别是ο光和e光的折射率，1是光线在晶体中传输的长度，λ是光的波长。 E1为施加的调制电场强度，由于调制信号的强度正比于电场仏2，⑷式中由电场所引起位 相变化与调制信号的强度呈线性关系；通过调整两偏振片与电光晶体&主轴的夹角使得不 加电场调制时呈现消光，这样可以消除自然双折射引起的位相变化；当调制电压工作在U =0和扎/2时，分别对应于光的关和开状态；在小信号调制的情况下，施加电场后位相差随 调制信号的强度is(正比于电场E12)成线性变化。
出射光的强度I2
I2 = I1Sin (4 π KeffE12I) /2 E12 is (5)
式中I1为入射光的强度，E1为施加的调制电场强度，is调制信号的强度，出射光强 度和调制信号的强度是一种简单的线性关系，从而实现出射光强度随信号强度线性调制。
本发明提供了一种在小信号情况下，调制的光强度随调制信号强度线性变化的电 光调制器。


图1为基于γ51电光效应示意图。
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
电光调制器的结构见图2，包括二个偏振片(1，4)、信号源3、KTi^5Nba65O3或 BaTiO3的电光晶体2，将KTEia35Nba65O3或BaTiO3的电光晶体2沿切割面平行于三个Xl、χ2、 知主轴分割，且XpXW3分别为电光晶体的折射率椭球的主轴，二个偏振片(1，4)分别放置 在KTiia35Nba6503或BaTiO3的电光晶体2的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化方向 分别与X1^X3轴成45度夹角，信号源3沿X1方向施加电场Ε，χ\、χ\、χ\为在沿X1方向施 加电场E后的折射率椭球主轴。所述电光晶体切割面分别为(100)、(010)、(001)；且垂直 于(010)面的切面为正方形。本发明利用KI^35Nba65O3或BaTiO3晶体的利用巨大γ 51引 起的等效二次电光效应来实现电光调制。
实施例一、按照图1切割的KTE^5Nba65O3晶体，当1 = 1匪，d = 1匪，1为<010>方 向晶体的长度，d为<100>方向晶体的长度，室温附近T = ^°C，光波波长λ = 0. 633 μ m 时，半波电压υπ为118V。实现电光调制。
实施例二、按照图1切割的BaTiO3晶体，当1 = lcm, d = 1謹，1为<010>方向晶 体的长度，d为<100>方向晶体的长度，室温附近T = ，λ = 0. 546 μ m时，半波电压υ =234V，实现电光调制。
实施例三、将采用薄膜技术生长镀钼Si衬底上a轴外延生长μπι级的 KTE^5Nba65O3薄膜，取1 = lmm，d = 2μπι，样本的宽度取1mm，1为<010>方向晶体的长度，d为<100>方向晶体的长度；室温附近T = 28°C, λ = 0.633 μ m时，半波电压υ 为0. 3V， 实现电光调制。
权利要求
1.基于Y51的电光调制器，包括二个偏振片、信号源、正交晶系C2V-mm2、四方晶系 D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体，其特征在于将正交晶系C2V-mm2、四方晶系 D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体沿切割面平行于三个Χι、χ2、α主轴分割，且Xl、x2、 X3分别为电光晶体的折射率椭球的主轴，二个偏振片分别放置在正交晶系C2v-mm2、四方晶 系D4d-4mm或六方晶系C6v-6mm的电光晶体的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化 方向分别与X1^X3轴成45度夹角，信号源沿X1方向施加电场E，x\、x\、x\为在沿X1方向 施加电场E后的折射率椭球主轴。
2.根据权利要求1所述的基于Y51的电光调制器，其特征在于所述电光晶体材料为 钽铌酸钾 KTa1^xNbxO3 或 BaTiO3 晶体，0. 37 ^ χ ^ I0
3.根据权利要求1或2所述的基于Y51的电光调制器，其特征在于所述电光晶体切 割面分别为(100)、(010)、(001)；且垂直于(010)面的切面为正方形。
4.一种基于Y51的电光调制器的实现方法，其特征在于按以下步骤进行一束激光沿 电光晶体&主轴方向入射，经过线第一偏振片后，获得线偏振光，线偏振光沿&方向传播， 且偏振方向与Xy3轴成45°，未加电场时通过晶体时仍为线偏振光；施加X1方向电场则O 光和 e 光之间存在有位相差=
全文摘要
本发明涉及一种基于γ51电光调制器及实现制备方法，将电光晶体沿切割面(010)分割为三个x1、x2、x3主轴，二个偏振片分别放置在电光晶体的切割面(010)两侧，且二个偏振片的偏振化方向分别与x1、x3轴成45度夹角，信号源沿x1方向施加电场E，x`1、x`2、x`3为在沿x1方向施加电场E后的折射率椭球主轴。本发明采用调整两偏振片的夹角消除自然双折射引起的位相变化在一种在小信号情况下，调制的光强度随调制信号强度线性变化的电光调制器。采用本发明提供的方案可以实现半波电压低于0.5V的电光调制器。
文档编号G02F1/03GK102033334SQ20101058737
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者周幼华, 邵亮 申请人:武汉远澄科技有限公司, 江汉大学