專利名稱：對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)光調(diào)制技術(shù)，更具體地涉及對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法和裝置。
在光電子通信和光信息處理領(lǐng)域中，經(jīng)常需要根據(jù)外界信號(hào)來對(duì)傳輸光進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)這一功能的器件稱為光調(diào)制器。根據(jù)光調(diào)制器所依據(jù)物理效應(yīng)的不同，又分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制等。即，由外界輸入電、聲、磁等信號(hào)，對(duì)光進(jìn)行位相、頻率、強(qiáng)度調(diào)制，以及偏振面旋轉(zhuǎn)、傳播方向偏折等方面的控制，使輸出光攜帶所需信息或按設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)某些參數(shù)的變化。光調(diào)制器的應(yīng)用前景十分廣泛，因?yàn)楣庑盘?hào)具有許多電信號(hào)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，如頻率高、抗干擾性能強(qiáng)等。尤其是激光問世以來，更以其強(qiáng)度大、單色性好、方向性強(qiáng)等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域如精密測(cè)量、材料加工、通訊、測(cè)距、全息檢測(cè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等獲得了極為廣泛的應(yīng)用。
電光調(diào)制原理是利用電光效應(yīng)，外加電場(chǎng)會(huì)引起物質(zhì)折射率的改變，從而影響光波在物質(zhì)中的傳播特性，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。在此效應(yīng)中，折射率變化與外加電場(chǎng)成比例的關(guān)系稱為線性電光效應(yīng)，又稱為Pockels效應(yīng)；折射率變化與外加電場(chǎng)的平方成比例的關(guān)系稱為二次電光效應(yīng)，又稱為Kerr效應(yīng)。因?yàn)镵err效應(yīng)一般很弱，所以一般應(yīng)用以Pockels效應(yīng)為主。在結(jié)晶固體或極化聚合物體內(nèi)，線性電光效應(yīng)產(chǎn)生的折射率改變可方便地用光學(xué)折射率矩陣分量的改變來表述。電場(chǎng)作用前折射率橢球方程為(1n2)1x2+(1n2)2y2+(1n2)3z2+2(1n2)4yz+2(1n2)5xz+2(1n2)6xy=1]]>如果選擇x、y和z軸使其平行于晶體的主軸，由于電場(chǎng)E的作用，這些系數(shù)的線性變化為Δ(1n2)i=Σj=13rijEj]]>其中i=1、2、3、4、5、6，j=1、2、3、分別對(duì)應(yīng)于x、y、z軸。如果將上式寫成矩陣形式，此6×3[rij]矩陣稱為電光張量。
由于折射率的變化已能由外部電場(chǎng)來控制，因而可以用外部電調(diào)制信號(hào)來控制光束的各種物理特性。
現(xiàn)有的電光調(diào)制器均采用干涉方式的電光調(diào)制器，如Mach-Zehnder就是干涉型或其改進(jìn)型結(jié)構(gòu)。美國(guó)Uniphase公司的許多高速模擬和數(shù)字式調(diào)制器均采用了Mach-Zehnder干涉型的結(jié)構(gòu)。在這種干涉型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)位相相干的光波傳輸了不同的長(zhǎng)度后發(fā)生了相干。工作時(shí)，光線經(jīng)由單模波導(dǎo)輸人到調(diào)制器，分束器將光分配成兩能量相等的光束，各自沿波導(dǎo)通道a和b傳播。電極加上電壓后，由于電光效應(yīng)使光傳播的有效路程發(fā)生變化。在這類理想設(shè)計(jì)的調(diào)制器中，路程長(zhǎng)度及波導(dǎo)特性都是一模一樣的，所以在沒有電場(chǎng)作用時(shí)，分路光束在輸出波導(dǎo)內(nèi)重新合成而再次產(chǎn)生最低階模。如果加上了電場(chǎng)，以致兩臂間產(chǎn)生π弧度的相移變化，這樣光束重新合成就使輸出波導(dǎo)中心的光場(chǎng)為零，即相當(dāng)于第一階模。如果輸出波導(dǎo)和輸入波導(dǎo)完全一樣，也是一個(gè)單模波導(dǎo)，此第一階模就被截止，并且經(jīng)過一段較短的距離就通過襯底輻射很快的消失了。因而，通過電壓的作用此調(diào)制器就可以從一個(gè)傳輸態(tài)變換到一個(gè)非傳輸態(tài)。
Mach-Zehnder干涉型或其改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器是當(dāng)今世界上光調(diào)制器的主流，它的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制帶寬比較高，如美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)以制成調(diào)制帶寬為40GHz的鈮酸鋰LiMbO3調(diào)制器并已實(shí)用化。但這類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的調(diào)制器普遍存在著插入損耗大，制作工藝復(fù)雜的缺點(diǎn)。其插入損耗一般在2dB左右，這意味著調(diào)制過程中接近40％的輸入能量損失掉了。同時(shí)其制作過程中廣泛采用的微加工工藝增加了制作的困難度。例如Mach-Zehnder干涉型調(diào)制器的制備過程包括電極設(shè)計(jì)、制版、掩模、光刻、刻蝕、剝離等一系列復(fù)雜精細(xì)的微加工工藝，且整個(gè)過程必須在超凈除塵的凈化室中進(jìn)行。這就決定了用干涉型方法制作的電光調(diào)制器價(jià)格昂貴的特點(diǎn)。
聲光調(diào)制器原理為，聲波在固體中傳播時(shí)，會(huì)引起固體內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)變。機(jī)械應(yīng)變會(huì)引起折射率的變化，從而影響在介質(zhì)中傳播光波的位相。此即所謂光彈性效應(yīng)。和電光效應(yīng)一樣，可以用一個(gè)把應(yīng)變張量和折射率橢球聯(lián)系起來的四階張量來(光彈張量)表示?，F(xiàn)已證明，折射率的變化△n與聲功率Pa的關(guān)系為Δn=n6p2107Pa2ρνa3A]]>其中n為無應(yīng)變介質(zhì)的折射率，p是可適用的光彈張量元，Pa是以瓦(W)為單位的聲波功率，p是質(zhì)量密度，νa為聲速，A是波傳播途徑的橫截面。
由聲波產(chǎn)生的△n會(huì)導(dǎo)致光波之間的相互作用，如果實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)奈幌嗥ヅ?，可使光波相互疊加或相互抵消，產(chǎn)生明顯的衍射效應(yīng)，從而控制光波的位相、強(qiáng)度和方向。聲波在固體中傳播時(shí)，會(huì)引起固體內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)變。機(jī)械應(yīng)變會(huì)引起折射率的變化，從而影響在介質(zhì)中傳播光波的位相。此即所謂光彈性效應(yīng)。和電光效應(yīng)一樣，可以用一個(gè)把應(yīng)變張量和折射率橢球聯(lián)系起來的四階張量來(光彈張量)表示?，F(xiàn)已證明，折射率的變化△n與聲功率Pa的關(guān)系為Δn=n6p2107Pa2ρνa3A]]>其中n為無應(yīng)變介質(zhì)的折射率，p是可適用的光彈張量元，Pa是以瓦(W)為單位的聲波功率，p是質(zhì)量密度，νa為聲速，A是波傳播途徑的橫截面。
聲波產(chǎn)生的△n會(huì)導(dǎo)致光波之間的相互作用，如果實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)奈幌嗥ヅ?，可使光波相互疊加或相互抵消，產(chǎn)生明顯的衍射效應(yīng)，從而控制光波的位相、強(qiáng)度和方向。
現(xiàn)有較有實(shí)用價(jià)值的聲光調(diào)制器均采用布拉格型衍射結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如圖3所示。電信號(hào)作用在壓電陶瓷上，在聲光介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。由于光彈性效應(yīng)在聲光介質(zhì)內(nèi)部形成周期性的折射率改變，相當(dāng)于一個(gè)由聲波控制的光柵。光束以一特定的角度(布拉格角)入射到該光柵結(jié)構(gòu)上，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，便在空間形成0級(jí)光(透射光)和1級(jí)光(衍射光)。所需滿足的條件為2πλ0Lfa2nV2>4π]]>其中L為聲光作用距離，λ0為真空中光波長(zhǎng)，fa為超聲波的頻率，V為介質(zhì)中的超聲波波速，n為介質(zhì)光折射率。
1級(jí)光的強(qiáng)度為I1∝ARFsin2(K1MePa/λ0)]]>其中K1為壓電晶體特征系數(shù)，Me為聲光介質(zhì)材料的特征系數(shù)，ARF為所加電信號(hào)大小。
1級(jí)光偏折方向由下式給出θB=sin-1(λ0fa2V)]]>1級(jí)光的頻率為ν1=ν+fa
其中ν為人射光的頻率。
這樣，就實(shí)現(xiàn)了光的方向、強(qiáng)度和頻率的控制。
日本Hoya-Schott公司和美國(guó)Isomet公司均采用布拉格光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一級(jí)光的強(qiáng)度調(diào)制。聲光調(diào)制器的最大優(yōu)點(diǎn)是器件的驅(qū)動(dòng)功率比較小。但缺點(diǎn)也很明顯，調(diào)制帶寬比較小，即調(diào)制速度比較慢，無法滿足高速數(shù)字通信的需要?，F(xiàn)有最高調(diào)制帶寬的聲光調(diào)制器調(diào)制帶寬為200MHz，相比電光調(diào)制器幾十甚至上百GHz(1G=1000M)的調(diào)制帶寬要小得多。另外現(xiàn)有的聲光調(diào)制器都采用結(jié)晶工藝制造，制造加工非常復(fù)雜，成本較高，因而要在大范圍推廣仍有一定的難度。
以上介紹的是世界上目前比較先進(jìn)的光波調(diào)制的原理和實(shí)用器件，不管其依據(jù)的物理效應(yīng)是什么，最終目的都是希望用電信號(hào)來調(diào)制光信號(hào)，控制光的各種參數(shù)。同時(shí)希望實(shí)現(xiàn)較高的調(diào)制帶寬、較小的調(diào)制損耗以及較小的器件功耗。就目前的實(shí)際產(chǎn)品來看，雖然各有優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在制造復(fù)雜、成本較高的不利特點(diǎn)。
因此，如何針對(duì)上述干涉型電光調(diào)制器和布拉格型聲光調(diào)制器存在的缺點(diǎn)，用最經(jīng)濟(jì)而高效的方法對(duì)激光或其它光信號(hào)進(jìn)行高速、低損耗、低能耗的控制，是當(dāng)今迫切需要解決的重大問題。
為此，本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法和裝置，力圖用全新的方法來實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，同時(shí)保證利用該電光調(diào)制方法所制得的器件具有工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、小型化等高技術(shù)性能，使之更具有實(shí)用價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，其方法為一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法，該電光調(diào)制方法是利用衰減全反射譜線的下降沿的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn)，再利用電場(chǎng)(調(diào)制信號(hào))改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制反射光強(qiáng)度。
一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法，該電光調(diào)制方法是利用衰減全反射譜線的上升沿的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn)。再利用電場(chǎng)(調(diào)制信號(hào))改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制反射光強(qiáng)度。
依上述方法所制得的裝置為一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，該裝置包括光學(xué)棱鏡部、基體部、電信號(hào)調(diào)制部，光學(xué)棱鏡部置于基體部上，所述的基體部包括有上層金屬膜、電光介質(zhì)、隔離介質(zhì)、下層金屬膜，并依次相疊而設(shè)，電信號(hào)調(diào)制部的輸出接至基體部。
一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，該裝置包括光學(xué)棱鏡部、基體部、電信號(hào)調(diào)制部，光學(xué)棱鏡部置于基體部上，所述的基體部包括有上金屬電極、電光介質(zhì)、隔離介質(zhì)、下金屬電極，電光介質(zhì)和隔離介質(zhì)置于上下金屬電極之間，電信號(hào)調(diào)制部的輸出接至上金屬電極和下金屬電極。
由于本發(fā)明采用了全新的方法來實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，即，利用衰減全反射譜線的下降沿或上升沿的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn)，再利用電場(chǎng)(調(diào)制信號(hào))改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)制反射光強(qiáng)度；以及依上述方法而制作的電光調(diào)制裝置來對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制。因此，本發(fā)明既可克服Mach-Zehnder干涉型或其改進(jìn)型的電光調(diào)制器普遍存在著插入損耗大，制作工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。同時(shí)，又克服了布拉格型聲光調(diào)制器存在的調(diào)制帶寬比較小、調(diào)制速度比較慢、無法滿足高速數(shù)字通信的需要的缺點(diǎn)。具有較高的調(diào)制帶寬、較小的調(diào)制損耗、較小驅(qū)動(dòng)功率，同時(shí)保證器件具有工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、小型化等高技術(shù)性能。
下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的方法和裝置作進(jìn)一步地詳細(xì)描述

圖1為光調(diào)制器工作原理示意圖。
圖2為Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為布拉格型聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的衰減全反射譜線圖。
圖5為理論計(jì)算得到的部分譜線圖。
圖6為本發(fā)明的電光調(diào)制裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明的電光調(diào)制裝置結(jié)構(gòu)的參數(shù)定義示意圖。
圖8為本發(fā)明的電光調(diào)制裝置又一結(jié)構(gòu)示意圖。
請(qǐng)參閱圖1所示，該圖示意了光調(diào)制器的一般工作原理，包括了電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制。光調(diào)制器上面的箭頭表示外界輸入信號(hào)，也是調(diào)制信號(hào)，左面的箭頭表示入射光，它為原始光，不帶有信息，右面的箭頭表示出射光，它為輸出光，已攜帶了外界信息。
圖2示意了Mach-Zehnder干涉型電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，圖中1為電光調(diào)制器的襯底，2表示電極，中間的電極接調(diào)制信號(hào)VS，另二個(gè)電極接地，3為光波通道。
圖3示意了布拉格型聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，圖中，4為壓電陶瓷，5為聲光晶體，調(diào)制信號(hào)VS直接接至壓電陶瓷4上。
請(qǐng)參閱圖4、圖5所示，橫坐標(biāo)為人射光的入射角度，縱坐標(biāo)為反射光的相對(duì)光強(qiáng)度I，在圖4中，AB段表示下降沿，下降沿的底部B為衰減全反射譜線的吸收峰，相對(duì)應(yīng)的入射角為同步角，從圖中要以看出AB段呈良好的線性。同樣圖5中，AB段也具有良好的線性。如圖4、圖5所示，對(duì)于上升沿CD來說，也具有良好的線性。
為了能便于更好地理介本發(fā)明所基于的原理，請(qǐng)先結(jié)合圖6、圖7所示。圖6中，由上至下為棱鏡11、上層金屬膜12、電光介質(zhì)13、隔離介質(zhì)14、下層金屬膜15構(gòu)成了電光調(diào)制器10。上下兩層金屬膜12、15構(gòu)成原理上的電光調(diào)制器10的上下電極，電光介質(zhì)13為工作物質(zhì)。外界信號(hào)(電調(diào)制信號(hào))通過改變電光介質(zhì)13的折射率n3來對(duì)入射光λi的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。隔離介質(zhì)14的作用是防止電光介質(zhì)13因厚度太小、場(chǎng)強(qiáng)過大而擊穿。另外，若采用極化聚合物作為電光介質(zhì)13，則還能防止聚合物在極化過程中直接受高動(dòng)量電離離子的沖擊而造成損傷。
電光調(diào)制器10工作時(shí)，入射光λi從棱鏡11入射至棱鏡11底面與上層金屬膜12的交界處。當(dāng)入射角比較小時(shí)，光的能量一部分反射，一部分透射，此時(shí)反射能量較小。當(dāng)入射角度逐漸增加，直至棱鏡11與上層金屬膜12的臨界角時(shí)，透射能量減為零，能量全部反射。當(dāng)入射角度繼續(xù)增大，并到某一特定角度時(shí)，棱鏡11與上層金屬膜12交界面的光波矢沿棱鏡底面方向的能量大小與上層金屬膜中離子振動(dòng)能量大小一致時(shí)，就會(huì)激發(fā)等離子共振，這時(shí)會(huì)引起反射能量的急劇下降，形成表面等離子共振吸收(Surface Plasmons Resonance)，又稱為衰減全反射(Attenuated Total Reflection)。在整個(gè)角度范圍內(nèi)，存在若干特征角度，均能產(chǎn)生表面等離子共振吸收。每產(chǎn)生一次吸收，稱為一個(gè)模式，而與這些模式對(duì)應(yīng)的角度稱為同步角。整個(gè)角度范圍內(nèi)反射光強(qiáng)的變化曲線稱為衰減全反射(ATR)譜，ATR譜上與等離子共振吸收對(duì)應(yīng)的峰稱為ATR吸收峰(圖4、圖5中的B點(diǎn))。ATR譜既可通過實(shí)際測(cè)量也可通過理論計(jì)算來得到，實(shí)際測(cè)量到的ATR全譜如圖4所示，理論計(jì)算得到的部分譜如圖5所示。
ATR譜的特性之一是整個(gè)譜線的位置對(duì)于電光介質(zhì)13的折射率n3的變化很敏感，當(dāng)n3變化很小時(shí)，整個(gè)ATR譜的變化表現(xiàn)為沿坐標(biāo)橫軸方向發(fā)生一微小位移。在ATR譜上(圖5)，其全反射吸收峰的下降沿存在著一段線性區(qū)，在圖中用AB表示。該段區(qū)域的線性較好、斜率較大。這樣如果把工作點(diǎn)選擇在AB段的中點(diǎn)S處，即，保持光線入射角θ=θs，θs稱為電場(chǎng)敏感角。當(dāng)在電極上施加一個(gè)工作電壓之后，由于電光效應(yīng)會(huì)引起電光材料介電系數(shù)的微小變化，進(jìn)而引起整個(gè)ATR譜線的平移變化，這樣由于AB段的線性特性將使得θs處的反射光強(qiáng)隨工作電壓線性變化，依此，就可實(shí)現(xiàn)了一個(gè)衰減反射電光調(diào)制器的功能。
從理論分析也可支持本發(fā)明的觀點(diǎn)和目的的實(shí)現(xiàn)由于施加了電場(chǎng)E而引起的同步角的變化△θ為Δθ=dθdn3Δn3=dθdneffdneffdn3Δn3]]>其中neff模式的有效折射率。電場(chǎng)引起的工作物質(zhì)折射率變化為Δn3=-12n33γi3E]]>i=1或3分別對(duì)應(yīng)于TE和TM的偏振方向。根據(jù)金屬波導(dǎo)的特性可知dneffdn3=1]]>又由棱鏡耦合條件neff=n1sinθ，可得Δθ=-γi3n332n1cosθE]]>設(shè)ATR下降沿斜率為k，即△I=k△θ，則有ΔI=-kγi3n332n1cosθE]]>上式中得到了反射光強(qiáng)與所施加電場(chǎng)成正比的關(guān)系，這就是衰減全反射型光強(qiáng)調(diào)制器的工作理論基礎(chǔ)。
請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D4、圖5所示，基于上述原理，本發(fā)明的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法可以通過以下二種方式一種是利用衰減全反射譜線的下降沿AB段的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn)，再利用電場(chǎng)(調(diào)制信號(hào))改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制反射光強(qiáng)度。
所述的電光調(diào)制器的工作點(diǎn)選擇在衰減全反射譜線的下降沿AB段的線性區(qū)的中部的某一點(diǎn)處，此時(shí)，一但選定中部的某一點(diǎn)S處，則相對(duì)應(yīng)于S處，所述入射光的入射角為電場(chǎng)敏感角θs。
另一種是利用衰減全反射譜線的上升沿CD段的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn)。再利用電場(chǎng)(調(diào)制信號(hào))改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制反射光強(qiáng)度。
所述的電光調(diào)制器的工作點(diǎn)選擇在衰減全反射譜線的上升沿CD段的線性區(qū)的中部的某一點(diǎn)處，此時(shí)，一但選定中部的某一點(diǎn)S處，則相對(duì)應(yīng)于S處，所述入射光的入射角也為電場(chǎng)敏感角θs。
請(qǐng)繼續(xù)參閱圖6、圖7所示，該裝置包括光學(xué)棱鏡部11、基體部、電信號(hào)調(diào)制部VS，光學(xué)棱鏡部11置于基體部上，所述的基體部進(jìn)一步包括有上層金屬膜12、電光介質(zhì)13、隔離介質(zhì)14、下層金屬膜15，并依次相疊而設(shè)，電信號(hào)調(diào)制部VS的輸出接至基體部。
所述的光學(xué)棱鏡部11采用以棱鏡作為光密媒質(zhì)的能保證全反射現(xiàn)象發(fā)生的棱鏡，折射率n1在1.1-4.0之間的高折射率棱鏡。
所述的光學(xué)棱鏡部11可選擇等邊、等腰、柱面、球面或其它形狀的光學(xué)棱鏡。
所述的上層金屬膜12、下層金屬膜15為單層膜或多層膜。在制作上層金屬膜12時(shí)，把該層金屬膜鍍?cè)诶忡R11的下表面，其厚度須嚴(yán)格控制，因?yàn)樵搶咏饘倌さ暮穸戎苯佑绊懕砻娴入x子共振激發(fā)的效率，直接影響ATR吸收峰的深度，對(duì)調(diào)制深度參數(shù)起決定作用。在本發(fā)明中，上層金屬膜12的厚度在40nm-500nm之間，下層金屬膜15的厚度也可參照上層金屬膜12的厚度取值。
所述的金屬膜可選擇銀、金、鋁、鉑等在光頻范圍內(nèi)介電常數(shù)實(shí)部εγ≤-5，介電常數(shù)虛部εi≤2.0的金屬。
所述的電光介質(zhì)13的電光系數(shù)為γ＞3pm/V?？蛇x用具有電光系數(shù)較高的有機(jī)薄膜或無機(jī)晶體?？刹捎貌粚?dǎo)電的有機(jī)或無機(jī)材料。電光介質(zhì)13厚度的取值在1μm-5μm之間。
所述的隔離介質(zhì)14選用不導(dǎo)電的有機(jī)或無機(jī)材料，其厚度取值在1μm～5μm之間。
如，棱鏡部11選用高折射率等邊三角棱鏡(n=1.750)。上層金屬膜12采用銀(632.8nm波長(zhǎng)下ε=-18+i0.47)。電光介質(zhì)13采用DANS/MMA有機(jī)聚合物，γ=27.8pm/V，n4=1.680。隔離介質(zhì)14采用紫外固化劑，n3=1.574。下層金屬膜15也采用銀。
除了上述結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制裝置外，本發(fā)明還可以采用將上述裝置中的基體部的上層金屬膜改為上金屬電極，電光介質(zhì)和隔離介質(zhì)諸參數(shù)不變，而下層金屬膜改為下金屬電極，電光介質(zhì)和隔離介質(zhì)仍置于上下金屬電極之間，上下金屬電極可以采用不同的結(jié)構(gòu)，如平行板式。下金屬電極也可采用針型電極15(見圖8)。而電信號(hào)調(diào)制部的輸出接至上金屬電極和下金屬電極，依這樣的方案也能達(dá)所預(yù)期的效果。
本發(fā)明同現(xiàn)有的電光調(diào)制技術(shù)相比，具備以下優(yōu)點(diǎn)。
1．制備簡(jiǎn)單、成本低廉?？刹捎脴O化聚合物作為工作物質(zhì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是材料配置方便、成本很低。
2．調(diào)制損耗很低。與LiNbO3行波型調(diào)制器相比，本反射調(diào)制器插入損耗很小，同時(shí)不需要經(jīng)過傳輸。而且調(diào)制發(fā)生在全反射角之外，入射能量幾乎能全部被反射。相對(duì)于LiNbO3調(diào)制器幾個(gè)dB的調(diào)制損耗有了很大的改善。
3驅(qū)動(dòng)電壓很低。有兩種方法來降低驅(qū)動(dòng)電壓a．提高材料電光系數(shù)。這樣在較小的電場(chǎng)作用下ATR譜能發(fā)生較大的移動(dòng)，使得反射光強(qiáng)發(fā)生較大的變化。
b．增加ATR吸收峰下降沿的斜率。這又有數(shù)種方法。一是減小金屬膜的介電常數(shù)的虛部。因?yàn)槲辗宓膶挾戎饕山殡姵?shù)的虛部來決定。虛部越小，下降沿越陡。通常光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，介電常數(shù)的虛部越小。二是采用低階模進(jìn)行調(diào)制。由于本調(diào)制器構(gòu)成多模金屬包覆波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，低階模的吸收峰一般比高階模的吸收峰寬度窄。一般可用TM1模來調(diào)制。
4．消光比很高。由于光強(qiáng)最大值和最小值完全由吸收峰的深度來決定。所以可以通過控制銀膜厚度來使吸收峰最深，從而獲得極佳的消光比。
5．調(diào)制帶寬比較高。由于本調(diào)制器的上下兩電極構(gòu)成一對(duì)平行板電容器，所以不可能加上頻率很高的調(diào)制信號(hào)。此頻率取決于電路的RC常數(shù)。例如對(duì)于上下電極間距為8μm，電極最小面積為0.25cm2的結(jié)構(gòu)，帶寬約為2GHz。但可以通過減小電極面積的方法來提高調(diào)制帶寬。由于反射僅發(fā)生于一點(diǎn)，所以可以盡量減小入射光斑的面積，同時(shí)減小電極面積。
6．調(diào)制器可以以多種模式工作。通過選擇不同的工作點(diǎn)和工作電壓，可以使調(diào)制器在不同的模式下工作a．以θs為工作點(diǎn)，工作電壓可正可負(fù)，相當(dāng)于一個(gè)雙極型調(diào)制器；b．以θA或θB為工作點(diǎn)，工作電壓只能是正或負(fù)，相當(dāng)于一個(gè)單極型調(diào)制器；c．以θB為工作點(diǎn)，工作電壓為一正或負(fù)的確定量，調(diào)制器相當(dāng)于一個(gè)光開關(guān)。
a和b模式相當(dāng)于模擬電光調(diào)制器，c模式相當(dāng)于數(shù)字電光調(diào)制器。
本發(fā)明可應(yīng)用于光通訊、光信息處理等各種有光調(diào)制需要的場(chǎng)合。如直接光強(qiáng)調(diào)制激光器(Directly Modulated Lasers)，有線電視信號(hào)傳輸調(diào)制器(Modulatorfor CATV Transmitters)，以及CD-ROM讀寫頭光強(qiáng)調(diào)制器(Modulator for LaserBeams in CD-ROM)等。另外還可用于其它需要對(duì)激光或光束參數(shù)進(jìn)行控制的情況，如精密測(cè)量、測(cè)距、全息檢測(cè)、分析儀器等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法，其特征在于該電光調(diào)制方法是利用衰減全反射譜線的下降沿的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn)，再利用電場(chǎng)(調(diào)制信號(hào))改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制反射光強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制方法，其特征在于所述的電光調(diào)制器的工作點(diǎn)選擇在衰減全反射譜線的下降沿的線性區(qū)的中部的某一點(diǎn)處，所述入射光的入射角采用電場(chǎng)敏感角θs。
3.一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法，其特征在于該電光調(diào)制方法是利用衰減全反射譜線的上升沿的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn)。再利用電場(chǎng)(調(diào)制信號(hào))改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制反射光強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求3所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制方法，其特征在于所述的電光調(diào)制器的工作點(diǎn)選擇在衰減全反射譜線的上升沿的線性區(qū)的中部的某一點(diǎn)處，所述入射光的入射角采用電場(chǎng)敏感角θs。
5.一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于該裝置包括光學(xué)棱鏡部、基體部、電信號(hào)調(diào)制部，光學(xué)棱鏡部置于基體部上，所述的基體部包括有上層金屬膜、電光介質(zhì)、隔離介質(zhì)、下層金屬膜，并依次相疊而設(shè)，電信號(hào)調(diào)制部的輸出接至基體部。
6.如權(quán)利要求5所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的光學(xué)棱鏡部采用以棱鏡作為光密媒質(zhì)的能保證全反射現(xiàn)象發(fā)生的棱鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的光學(xué)棱鏡部可選擇等邊、等腰、柱面、球面或其它形狀的光學(xué)棱鏡。
8.如權(quán)利要求5所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的上層金屬膜、下層金屬膜為單層膜或多層膜。
9.如權(quán)利要求8所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的金屬膜可選擇銀、金、鋁、鉑等在光頻范圍內(nèi)介電常數(shù)實(shí)部εγ≤-5，介電常數(shù)虛部εi≤2.0的金屬。
10.如權(quán)利要求8或9所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的上層金屬膜、下層金屬膜的厚度在40nm-500nm之間。
11.如權(quán)利要求5所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的電光介質(zhì)的電光系數(shù)γ＞3pm/V。
12.如權(quán)利要求5所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的電光介質(zhì)可選用具有電光系數(shù)較高的有機(jī)薄膜或無機(jī)晶體。
13.如權(quán)利要求5或11或12所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的電光介質(zhì)厚度的取值在1μm-5μm之間。
14.如權(quán)利要求5所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的隔離介質(zhì)可采用不導(dǎo)電的有機(jī)或無機(jī)材料。
15.如權(quán)利要求5或14所述的對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述的隔離介質(zhì)的厚度取值在1μm～5μm之間。
16.一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于該裝置包括光學(xué)棱鏡部、基體部、電信號(hào)調(diào)制部，光學(xué)棱鏡部置于基體部上，所述的基體部包括有上金屬電極、電光介質(zhì)、隔離介質(zhì)、下金屬電極，電光介質(zhì)和隔離介質(zhì)置于上下金屬電極之間，電信號(hào)調(diào)制部的輸出接至上金屬電極和下金屬電極。
全文摘要
一種對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法和裝置,該方法利用衰減全反射譜線的下降沿或上升沿的線性區(qū)范圍內(nèi)選擇電光調(diào)制器的工作點(diǎn),再利用電場(chǎng)改變電光調(diào)制器的電光介質(zhì)折射率來控制入射光的衰減全反射角度;電光調(diào)制裝置包括光學(xué)棱鏡部、基體部、電信號(hào)調(diào)制部,光學(xué)棱鏡部置于基體部上,電信號(hào)調(diào)制部的輸出接至基體部。利用該方法制取的裝置具有較高的調(diào)制帶寬、較小的調(diào)制損耗、較小驅(qū)動(dòng)功率,同時(shí)保證具有工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、小型化等高技術(shù)性能。
文檔編號(hào)G02F2/00GK1285527SQ99113999
公開日2001年2月28日 申請(qǐng)日期1999年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月19日
發(fā)明者蔣毅, 曹莊琪, 單吉祥, 沈啟舜, 竇曉鳴 申請(qǐng)人:上海春曉光電科技有限公司