CN110967848B - 基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制系统及方法，其技术特点在于：包括激光器光源、聚焦物镜、双线型波导模式调制器、成像物镜、光束质量分析仪、温控仪和高压电源。本发明能够通过增加双线型波导模式调制器的外加电场电压，实现钽铌酸钾晶体双线型波导中TE₀₀模输出到TE₀₁模输出和TE₀₂模输出的调制。

Description

基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制系统及方法

技术领域

本发明属光学功能器件技术领域，涉及基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制系统及方法。

背景技术

随着光通信、光信息处理和激光技术的发展，传统的光学系统由于体积大，信息处理速度慢，已不能适应光电子技术发展的需要。1969年，美国Bell实验室的米勒博士提出了“集成光学”的概念，用类似于半导体集成电路的方法，把各种光学元件集成在同一“芯片”上，实现光学信息处理系统的集成化，微型化和全光信号处理化。光波导是集成光路的基本组成元件，其质量的优劣直接影响整个集成光路的性能。因此，光波导技术的发展在集成光学的发展中有着举足轻重的地位。

双线型波导是应力诱导生成波导的主要类型。对于双线型波导，飞秒激光在晶体内的聚焦区域产生负折射率变化，导致该区域晶格膨胀，附近的区域受到该现象的影响产生应力导致的正折射率改变。对于双线型波导，在两线的中间部分会形成折射率变大的波导区域，该区域可能会有微小的上下偏移。该方法加工简便，刻蚀易于控制，成品率高。此外，由于波导位于两条直写线的中间位置，受加工的影响相对较小，能够保持原本晶体材料的特性，利于实验研究。

电光元件通过改变光的偏振、强度或相位，能够实现快速、精确地控制光的状态，因此在光通信、激光和传感等领域有着广泛的应用。另外，在施加电压或者电场的情况下，电光元件能够产生折射率变化，这一现象被称为电光效应。钽铌酸钾晶体是一种优良的电光晶体，近年来，已被研究出许多潜在的应用，包括能制成高速偏转器，电光调制器，光折变光针，和能进行无尺度光学和无衍射光波传输。通过改变加在钽铌酸钾晶体两端的电压，进而改变钽铌酸钾晶体的折射率，从而实现对钽铌酸钾双线型波导中可导通光模式进行调制，改变了波导输出端光场模式分布，这种电光元件同时拥有快速的响应时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制系统及方法，能够利用电光晶体的电光效应，实现对晶体波导中传输光的模式进行调控。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制器系统，包括激光器光源、聚焦物镜、双线型波导模式调制器、成像物镜和光束质量分析仪；

所述激光器光源用于产生沿水平方向偏振的激光光束，其输出端与聚焦物镜相连接；所述聚焦物镜的输出端与双线型波导模式调制器相连接，用于将线偏振光聚焦在双线波导的端面上；所述双线型波导模式调制器的输出端通过成像物镜与光束质量分析仪相连接，用于将由波导导出的光成像在光束质量分析仪上，光束质量分析仪分析双线波导中传输光的模式分布信息。

所述双线型波导模式调制器包括两侧涂有电极的钽铌酸钾晶体和放置在其下方的制冷片，钽铌酸钾晶体两侧电极与高压电源相连接，通过控制高压电源的电压，能够快速地改变钽铌酸钾晶体的折射率；制冷片与温控仪相连接，温控仪能够将钽铌酸钾晶体的温度控制在所设定的温度。

一种基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制器的调制方法，包括以下步骤：

步骤1、打开温控仪，设置钽铌酸钾晶体温度，待温控仪显示温度趋于稳定后进行下一步；

步骤2、调节基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器，利用光束质量分析仪的探测，使得波导输出端模式为稳定的TE₀₀基模；

步骤3、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器的电压值V，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₁模式，记录电压值和光场模式信息；

步骤4、继续增大电压，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₂模式，记录电压值和光场模式信息，则一次完整的调制过程结束；

步骤5、多次重复步骤2至步骤4，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和光场模式分布进行整理、对应。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明首次提出利用钽铌酸钾晶体的二次电光效应，实现对钽铌酸钾晶体双线型波导中传输光的模式进行调控的方法。

2、本发明能够在可见光至近红外波长范围内，通过外加电场电压的变化，实现钽铌酸钾晶体双线型波导单模输出到多模输出的调制，从而实现了电场对光场的调控。

3、本发明能够实现稳定的单模和多模输出，且具有良好的输出效果。

附图说明

图1为本发明的系统原理图；

图2为本发明的双线波导端面示意图；

图3为本发明的实际飞秒激光加工钽铌酸钾晶体双线波导端面结构图；

图4为本发明中光束质量分析仪探测到的波导输出端光场模式分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制器系统，如图1所示，包括激光器光源A、聚焦物镜B、双线型波导模式调制器C、成像物镜D、光束质量分析仪E、温控仪F和高压电源G；

所述激光器光源用于产生沿水平方向偏振的激光光束，其输出端与聚焦物镜相连接；所述聚焦物镜的输出端与双线型波导模式调制器相连接，用于将线偏振光聚焦在双线波导的端面上；所述双线型波导模式调制器的输出端通过成像物镜与光束质量分析仪相连接，用于将由波导导出的光成像在光束质量分析仪上，光束质量分析仪分析双线波导中传输光的模式分布信息。

在本实例中，所述双线型波导模式调制器包括两侧涂有电极的钽铌酸钾晶体和放置在其下方的制冷片，钽铌酸钾晶体两侧电极与高压电源相连接，通过控制高压电源的电压，能够快速地改变钽铌酸钾晶体的折射率；制冷片与温控仪相连接，温控仪能够将钽铌酸钾晶体的温度控制在所设定的温度。

本发明的工作流程为：

首先，激光器产生沿水平方向偏振的的激光光束，之后该光束通过聚焦物镜后，入射到双线型波导模式调制器，从双线型波导模式调制器出来后的光束再经过成像透镜，之后光束入射到光束质量分析仪，由光束质量分析仪记录出射光束的光场模式分布信息。

基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制器系统的调制方法，包括以下步骤：

步骤1、打开温控仪，设置钽铌酸钾晶体温度，待温控仪显示温度趋于稳定后进行下一步；

步骤2、调节基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器，利用光束质量分析仪的探测，使得波导输出端模式为稳定的TE₀₀基模；

步骤3、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器的电压值V，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₁模式，记录电压值和光场模式信息；

步骤4、继续增大电压，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₂模式，记录电压值和光场模式信息，则一次完整的调制过程结束；

步骤5、多次重复步骤2至步骤4，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和光场模式分布进行整理、对应。

下面对本发明的波长扫描光源系统的各个组件的功能作进一步说明：

A、激光器光源，用于产生实验中所需要的沿水平方向偏振的激光光束；

B、聚焦物镜，用于将光束聚焦在双线波导的端面；

C、安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器，钽铌酸钾中有飞秒激光写制的实验所需的双线波导，随着钽铌酸钾晶体两侧电压增大，双线型波导中传输光的模式会由TE₀₀基模转变为TE₀₁一阶模和TE₀₂二阶模；

D、成像物镜，用于将由波导导出的光成像在光束分析仪上；

E、光束质量分析仪(WinCamD^TM Series)，用于分析双线波导中传输光的模式；

F、温控仪(Arroyo Instruments，5305，5A/12V),用于控制钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器的温度；

G、高压电源(BOHER HV，70210P)，用于给钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器提供所需电压。

本发明的钽铌酸钾晶体双线波导中传输光模式调制的运作过程为：

首先，打开高压电源G，将温控仪所连接的安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器温度设置为18℃，待温度趋于稳定后(温度波动范围在0.03℃以内)，打开激光器A，由激光器A产生沿水平方向偏振的激光光束，该光束经聚焦物镜B后，入射到基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器C；

其次，从C出来后的光束经过成像物镜D，之后光束入射到连接PC端的光束质量分析仪E，由光束质量分析仪E接收通过双线型波导模式调制器C的光场模式信息；

其次，双线型波导模式调制器C中的钽铌酸钾晶体是典型的二次电光晶体，具有明显的电光效应，通过高压电源G控制加在双线型波导模式调制器C两端的电压，能够快速地改变钽铌酸钾晶体的折射率，从而双线波导的折射率也发生相应的改变，波导折射率改变的同时，波导中传输光的模式也由TE₀₀基模变化为TE₀₁一阶模和TE₀₂二阶模；

最后，当通过高压电源G控制加在双线型波导模式调制器C两端的电压变化时，由光束质量分析仪E检测并记录双线型波导模式调制器C中双线波导传输光模式的变化。

基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制器系统的调制方法，包括以下步骤：

步骤1、打开温控仪，设置钽铌酸钾晶体温度，待温控仪显示温度趋于稳定后进行下一步；

步骤2、调节基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器，利用光束质量分析仪的探测，使得波导输出端模式为稳定的TE₀₀基模；

步骤3、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器的电压值V，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₁模式，记录电压值和光场模式信息；

步骤4、继续增大电压，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₂模式，记录电压值和光场模式信息，则一次完整的调制过程结束；

步骤5、多次重复步骤2至步骤4，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和光场模式分布进行整理、对应。

图2为双线型波导端面的示意图。双线型波导是应力生成波导的主要类型，图中a为波导宽度，d为飞秒激光刻痕长度，本系统中波导宽度a为20μm，刻痕长度为40μm。对于双线型波导，飞秒激光在晶体内的聚焦区域产生负折射率(Δn<0)变化，导致该区域晶格膨胀，附近的区域受到该现象的影响产生应力导致的正折射率改变(Δn>0)。对于双线型波导，在两线的中间部分会形成折射率变大的波导区域，该区域可能会有微小的上下偏移。并且，由于波导位于两条直写线的中间位置，受加工的影响相对较小，能够保持原本晶体材料的特性。

图3为实验实际加工钽铌酸钾晶体双线波导的端面显微镜图片。

图4中从左至右为双线型波导的三种导光模式调制输出结果，分别为TE偏振下TE₀₀基模、TE₀₁一阶模和TE₀₂二阶模。

本发明的工作原理为:

基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制器系统是基于钽铌酸钾具有明显的二次电光效应设计而成。电光效应是一种材料的折射率受外加电场调节的现象，钽铌酸钾晶体是世界上已知的具有最大二次电光系数的晶体，并且，还具有半波电压低、电光调制响应速度快和有效电光调制视场大等突出特性。

用飞秒激光在钽铌酸钾晶体中加工双线波导，激光烧蚀区域折射率变小，导致其附近区域晶格膨胀，折射率相应变大，因此，加工的两条线中间部分折射率变大，能够很好地把光限制在该区域，实现光的信息传递。当钽铌酸钾晶体上下两端未加电压时，可将其看做一般的光纤系统，入射光被束缚在波导内部进行全反射进行传输。实验结果表明，这种情况下，波导仅允许偏振方向为TE模式的光进行传输，而不支持TM模式传输。

本发明中涉及的光电效应是由电极向晶体中注入电荷所引起的，可将这种方式命名为空间电荷控制的电光效应。由这种效应所引起的晶体内部折射率变化在两个电极间呈现出线性变化，折射率的变化量Δn可表示为：

Δn(x)＝-9n³s_ijxV²/8d³ (1)

其中，n为晶体的有效折射率，s_ij是晶体的二次电光系数，x是距离电极的距离，V是外加电场的电压，d是两电极间距。由此可见，在晶体内部，折射率变化在两电极间呈现线性变化。

当在钽铌酸钾晶体两端加上电压时，沿两电极方向，折射率的变化量呈现出如(1)式的梯度变化，且梯度变化与外加电压的平方成正比，因此，在外加电场的电压增大时，双线波导内部同一位置处上下间的折射率差也会增大，这样，随电压增大，波导出射端的光波模式中出现了一阶模和二阶模，实现了由电场对光场的调控。

下面，对方程(1)中各参数含义再次进行归纳：

方程(1)中：Δn为折射率的变化量，n为晶体的有效折射率，s_ij是晶体的二次电光系数，x是距离电极的距离，V是外加电场的电压，d是两电极间距。

本发明能够在可见光至近红外波长附近，通过电场调控，将双线波导传输模式由TE₀₀基模，变化为稳定的TE₀₁一阶模和TE₀₂二阶模，实现双线波导中的光场模式调控。我们采用纯的钽铌酸钾晶体(该晶体上下两端面面均涂有银胶作为导电电极，内部有飞秒激光加工的双线波导)作为双线型波导模式调制器的核心材料(因纯的钽铌酸钾晶体是目前电光系数最大的晶体，这一特点使其在理论上能够达到最大的折射率调制范围)。通过在双线型波导模式调制器两端施加不同的电压，调节波导内部沿电极方向的折射率差(即方程(1)中的Δn)，由于特定位置处折射率差Δn与电压的平方成正比，而相同电压时，折射率差会沿电极方向呈现梯度变化，因此，波导内部上下位置间的折射率差也与外加电场电压的平方成正比。从而，当外加电场电压增大时，波导内部导光的模式会有基模逐渐向一阶模、二阶模转变，实现了电场对光场模式的调控。

本发明能够实现双线波导不同模式之间的转换和稳定传输。当晶体两端电压为0～400V时，双线波导传输光模式为TE模式的TE₀₀基模，加大电压至400～500V，输出端模式能够出现稳定的TE₀₁一阶模式，继续加大电压至500～700V，输出端模式中又出现了稳定的TE₀₂二阶模式，从而实现了外加电场对钽铌酸钾晶体双线波导中传输光模式的调制。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制系统，其特征在于：包括激光器光源、聚焦物镜、双线型波导模式调制器、成像物镜和光束质量分析仪；

所述激光器光源用于产生沿水平方向偏振的激光光束，其输出端与聚焦物镜相连接；所述聚焦物镜的输出端与双线型波导模式调制器相连接，用于将线偏振光聚焦在双线波导的端面上；所述双线型波导模式调制器的输出端通过成像物镜与光束质量分析仪相连接，用于将由波导导出的光成像在光束质量分析仪上，所述光束质量分析仪分析双线波导中传输光的模式分布信息；

所述双线型波导模式调制器包括两侧涂有电极的钽铌酸钾晶体和制冷片，钽铌酸钾晶体两侧电极与高压电源相连接，通过控制高压电源的电压，进而快速地改变钽铌酸钾晶体的折射率；所述制冷片与温控仪相连接，温控仪能够将钽铌酸钾晶体的温度控制在所设定的温度。

2.如权利要求1所述的一种基于钽铌酸钾晶体双线型波导的模式调制系统的调制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、打开温控仪，设置钽铌酸钾晶体温度，待温控仪显示温度趋于稳定后进行下一步；

步骤2、调节基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器，利用光束质量分析仪的探测，使得波导输出端模式为稳定的TE₀₀基模；

步骤3、增加加在安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的双线型波导模式调制器的电压值V，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₁模式，记录电压值和光场模式信息；

步骤4、继续增大电压，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TE₀₂模式，记录电压值和光场模式信息，则一次完整的调制过程结束；

步骤5、多次重复步骤2至步骤4，看是否能得到相同的结果，最后将记录的电压值和光场模式分布进行整理、对应。