利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器技术

一种利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器属于光电子通信和光信息处理领域。调制器的上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜依次镀在棱镜的下表面，上下金属膜和电光聚合物薄膜构成双面金属包覆波导结构，棱镜、上层金属膜和电光聚合物薄膜构成了衰减全反射结构，激发的导波就在电光聚合物薄膜中传播。方法如下：首先形成上述调制器，采用半导体激光作为激光光源，当激光入射角达到导波共振角时，产生导波共振模式，通过反射光强随激光入射角度变化的曲线，寻找对应的同步角，使其激光光源在棱镜底部的入射角与所选导波共振模式的同步角相同，采用探测器接收反射光束，实现对多路光的调制。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种同时调制多路光的方法及器件，特别是一种利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器，属于光电子通信和光信息处理领域。
技术介绍
近二十年来，随着有机电光材料的快速发展，有机电光调制器的研制取得了很大的进步。不仅如此，多通道的聚合物电光调制器也已有报道。目前有两种形态可实现多通道的聚合物电光调制波导传输型的Mach-Zender(M-Z)结构和衰减全反射器件结构。Mach-Zehnder干涉型或其改进型结构的电光调制器是当今世界上光调制器的主流，它的优点是调制带宽比较高，如美国Lawrence Livermore国家实验室已制成调制带宽为40GHz的铌酸锂调制器并已实用化。但这类波导结构的调制器普遍存在着插入损耗大，制作工艺复杂的缺点。其插入损耗一般在2 dB左右，这意味着调制过程中接近40％的输入能量损失掉了。同时其制作过程中广泛采用的微加工工艺增加了制作的困难度。如Mach-Zehnder干涉型调制器的制备过程包括电极设计、制版、掩模、光刻、刻蚀、剥离等一系列复杂精细的微加工工艺，且整个过程必须在超净除尘的净化室中进行。这就决定了用该方法制作的电光调制器价格昂贵的特点。经文献检索发现，Appl.Phys.Lett.62(24)，14，June，1993，Multilevel registered polymeric intensity modulator array(应用物理快报.62(24)，14，June，1993，多层集成的Mach-Zehnder强度调制器)，该文是首次提出集成两层导波聚合物电光Mach-Zehnder强度调制器，它是在同一芯片上垂直集成两个完全独立的Mach-Zehnder调制器的结构，这两个Mach-Zehnder调制器可以独立极化和操作。虽然这个双通道的Mach-Zehnder调制器可以使用，但它的集成存在着很大的困难。特别是在同一芯片上多路集成M-Z调制器更是困难，每个M-Z结构需要4-5层组合，垂直集成二个M-Z结构需要8-10层，因此在同一芯片上集成多个M-Z实际上是非常困难的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用导波共振模式同时调制多路光的方法及调制器，使其利用衰减全反射结构的调制器的导波共振模式实现多路光的同时调制，同时调制器具有工艺简单、价格低廉、小型化等特征。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术调制器由棱镜、上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜构成，上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜依次镀在棱镜的下表面，其中，上下金属膜和电光聚合物薄膜构成双面金属包覆波导结构，棱镜、上层金属膜和电光聚合物薄膜构成了衰减全反射结构，从激光器入射的激光束所激发的导波就在电光聚合物薄膜中传播。棱镜可以采用玻璃、晶体材料等高折射率材料制作，其折射率在工作波长下应在1.75-2.00之间，且对该波长的激光无吸收，棱镜的形状可根据实际需要选择，如等边、等腰、柱面、球面等其它常见或特殊形状。上层金属膜和下层金属膜一般可选用对工作波长吸收较小的金属。金属介电常数ε＝εr+εi与工作波长有关，金属种类可选择银、金等在光频范围内介电常数虚部较小的金属，其介电常数实部εr与虚部εi比例为|εr|/εi≥10。金属膜的厚度应严格控制使导波共振吸收最为强烈，使其调制深度较大。上层金属膜的厚度在20nm～60nm之间，对不同的聚合物采用不同的厚度，下层金属膜的厚度大于100nm。调制器的工作波长在可见和近红外光频范围内选择。电光聚合物薄膜可选用具有电光效应的有机薄膜，该有机薄膜必须具有较高的电光系数，电光聚合物薄膜的厚度必须能承载多个导波共振模式，通常电光聚合物薄膜的电光系数γ33＞10pm/V，厚度在2μm～4μm之间。为了减小光斑的面积，提高调制度，电光聚合物薄膜的折射率须小于棱镜的折射率，电光聚合物的折射率在1.50～1.70之间。隔离层可采用各种不导电的有机材料，厚度以保护高电场作用下的电光聚合物不被破坏为宜，折射率须小于极化聚合物的折射率，通常隔离层的厚度在2μm～3μm之间，隔离层的折射率在1.4～1.5之间。在上述衰减全反射电光调制器的基础上，本专利技术提出利用不同波长和不同导波共振模式同时实现多路光的调制方法，首先形成由高折射率的棱镜、上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜组成的衰减全反射电光调制器，采用半导体激光作为激光光源，当激光入射角超过棱镜与电光聚合物薄膜的全反射角并达到某一特定角度(导波共振角)时，将在电光聚合物薄膜层内激发导波，形成导波共振，在整个角度范围内，存在若干导波共振角，均能产生导波共振吸收，每产生一次吸收，称为一个模式，而与这些模式对应的角度称为同步角，整个角度范围内反射光强的变化曲线称为ATR谱，ATR谱上与导波共振吸收对应的峰称为ATR吸收峰，由于棱镜—双面金属波导的ATR谱的导模吸收峰对于波导介质的折射率极为敏感，利用反射光强随激光入射角度变化的曲线，寻找各种波长下所对应的不同的导波共振模式所对应的同步角，使其每一个激光光源在棱镜底部的入射角与所选导波共振模式的同步角相同，然后在棱镜的另一侧同时采用和激光器相同个数的探测器接收反射的光束，就可以实现对多路光的调制。ATR谱的特性之一是整个谱线的共振角位置对于电光聚合物薄膜的折射率n3的变化很敏感，当n3变化很小时，整个ATR谱的变化表现为沿坐标横轴方向发生一微小位移。在ATR谱上，其全反射吸收峰的下降沿存在着一段线性区。该段区域的线性较好、斜率较大。这样如果把工作点选择在线性段的中点处。而当在电极上施加一个工作电压之后，由于电光效应会引起电光材料介电系数的微小变化，进而引起整个ATR谱线的平移变化，引起反射光强随工作电压线性变化，从而实现了一个反射光强调制器的功能。以下对本专利技术方法作进一步的说明，具体步骤如下第一步选择合适的材料和参数形成由高折射率的棱镜、上层金属膜、电光聚合物薄膜、隔离层和下层金属膜组成的衰减全反射电光调制器；采用甩胶法将电光聚合物制作在上层金属膜之上，可通过调节甩胶机转速来控制膜厚，使波导能承载多个共振模式，调制器工作时可选择其中一个模式或多个模式同时进行调制。采用电晕极化方法，将聚合物材料加热至该材料的玻璃化转变温度附近，这时聚合物内部的极性分子处于可自由转动的状态，在垂直于聚合物表面的方向施加极高的电场，则聚合物内部的极性分子在电场作用之下会整齐的排列起来，再保持电场作用，缓慢降至室温，这时极性分子便被牢牢地冻结，这时再撤掉电场，聚合物材料便对外呈现一定的光学各向异性，即具有了电光特性。采用甩胶法将隔离层制作在电光聚合物薄膜之上。采用溅射方法在隔离层下方制作下层金属膜，作为调制器的下电极。第二步选用半导体激光作为光源，从激光器入射，工作波长在可见到近红外光频范围内选择。将偏振片调到所需要的工作状态S偏振或P偏振，放在激光器的后面，使激光束垂直的经过偏振片，保持不改变光路。选取某些特定的入射角(导波共振角)，使S偏振波或P偏振波的衰减达到最大。同时，使导波共振角等于或接近高折射率棱镜的底角，以使激光光束能够垂直于入射和出射面，而降低插入损耗。另外，较小的角度入射可减小光斑面积，从而减小电极面积，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用导波共振模式同时调制多路光的调制器，包括：棱镜（１）、隔离层（４），其特征在于还包括：上层金属膜（２）、电光聚合物薄膜（３）和下层金属膜（５），上层金属膜（２）、电光聚合物薄膜（３）、隔离层（４）和下层金属膜（５）依次镀在棱镜（１）的下表面，其中，上下金属膜（２）、（５）和电光聚合物薄膜（３）构成双面金属包覆波导结构，棱镜（１）、上层金属膜（２）和电光聚合物薄膜（３）构成了衰减全反射结构，从激光器（６）和（７）入射的两束激光束所激发的导波就在电光聚合物薄膜（３）中传播。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨艳芳，曹庄琪，张水英，沈启舜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]