專利名稱：基于三階電光材料對(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)明涉及一種基于三階電光材料對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法和裝置，采用衰減全反射原理，利用出射光強(qiáng)度在衰減全反射譜的上沿或下降沿比較敏感的性質(zhì)，對(duì)傳輸光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，屬于光電子通信和光信息處理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在光電通信傳輸和光信息處理領(lǐng)域中，需要把外界電信號(hào)加載到傳輸載體——光波上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光傳輸，其中實(shí)現(xiàn)信號(hào)加載功能的器件就是調(diào)制器。根據(jù)調(diào)制原理的不同，有電光調(diào)制，聲光調(diào)制，磁光調(diào)制等。其中由于電光調(diào)制具有速度快，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，受到極大的重視和廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制可按照利用材料的不同特性分為線性電光調(diào)制和二次電光調(diào)制。
電光調(diào)制原理是利用電光效應(yīng)。在外電場的作用下，材料的折射率會(huì)改變，從而引起傳輸光狀態(tài)的改變，這就是電光效應(yīng)。當(dāng)折射率的改變與外電場強(qiáng)度是線性關(guān)系時(shí)，稱線性電光效應(yīng)，又叫Pockels效應(yīng)。而線性電光效應(yīng)只能存在于非中心對(duì)稱的材料中。當(dāng)折射率的改變與電場是平方關(guān)系時(shí)，稱二次電光效應(yīng)，又叫Kerr效應(yīng)，它不僅存在于非中心對(duì)稱的材料中，也存在于中心對(duì)稱的材料中。目前市場上的調(diào)制器大多是利用線性電光特性制造的，而對(duì)于有機(jī)聚合物來說，要破壞中心對(duì)稱性，聚合物需要經(jīng)歷極化過程，使有機(jī)聚合物中的發(fā)色團(tuán)分子取向，重新排列。C.B.Rider等人在《Applied Physics Letters》1991，70(1)29-31中利用有機(jī)聚合物作電光材料演示了反射型電光調(diào)制，其原理是利用極化有機(jī)聚合物的線性電光效應(yīng)改變衰減全反射的反射光的強(qiáng)度。然而利用線性電光效應(yīng)主要存在著一些問題①極化后的電光有機(jī)聚合物不穩(wěn)定，發(fā)色團(tuán)的馳豫是避免不了的，電光系數(shù)會(huì)減小，從而影響調(diào)制效果；②由于材料的線性電光系數(shù)是材料本身的特性，要提高電光系數(shù)，只能通過尋求大的電光系數(shù)材料一種途徑。③當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，如過熱等，會(huì)加劇發(fā)色團(tuán)的馳豫，破壞非中心對(duì)稱，減小電光系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于三階電光材料對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法和裝置，利用二次電光效應(yīng)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，克服由于極化引起非中心對(duì)稱的馳豫問題，并且在不提高輸入信號(hào)功率的條件下提高調(diào)制效率，裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低廉。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明采用衰減全反射原理，利用出射光強(qiáng)度在衰減全反射譜的上升沿或下降沿比較敏感的性質(zhì)，對(duì)傳輸光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，設(shè)計(jì)的電光調(diào)制裝置中采用了三階電光特性和反射型衰減全反射結(jié)構(gòu)。一般來講，在三階電光材料上只施加一個(gè)傳輸信號(hào)，得到的是諧頻信號(hào)。然而，在傳輸信號(hào)上合并一個(gè)大的直流偏壓，理論和實(shí)驗(yàn)均表明，仍然可以得到調(diào)制的原來信號(hào)，而且可以對(duì)被調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大，而二次諧頻由于幅度非常小，可以忽略，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸光信號(hào)的電光調(diào)制。
本發(fā)明裝置包括調(diào)制器和輸入匹配電路，調(diào)制器的組成包括五個(gè)層次，由上而下依次為耦合棱鏡、金屬上電極、三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層、隔離層和金屬下電極。輸入匹配電路的直流偏壓端經(jīng)保護(hù)電阻連接到金屬上電極，調(diào)制信號(hào)輸入端經(jīng)耦合電容連接到上電極，輸入匹配電路的接地線連接調(diào)制器的下電極。
設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)調(diào)制器各薄膜層的厚度，使調(diào)制器的衰減全反射譜寬度盡量窄，而且深度盡量深。各層的厚度取值范圍分別為金屬上電極為20至500nm，導(dǎo)波層為1.0至50.0μm，隔離層為1至5μm，金屬下電極為50至500nm。
隔離層的作用是防止在濺射金屬下電極時(shí)可能擊穿導(dǎo)波層而使上下電極導(dǎo)通，當(dāng)導(dǎo)波層的厚度大于2μm時(shí)，減小濺射的功率，同樣也可以不擊穿導(dǎo)波層，調(diào)制器可以不用設(shè)隔離層。
基于上述裝置，可以利用出射光強(qiáng)度在衰減全反射譜的上升沿或下降沿處，對(duì)由于二次電光效應(yīng)引起的三階聚合物折射率變化比較敏感的性質(zhì)，對(duì)傳輸光強(qiáng)度進(jìn)行電光調(diào)制。具體方法為在輸入匹配電路的直流偏壓端上施加一個(gè)較大的直流偏壓，在調(diào)制信號(hào)輸入端上施加一個(gè)相對(duì)較小的調(diào)制輸入信號(hào)，調(diào)制器的工作角選在衰減全反射譜的上升沿或下降沿中間，直流偏壓與調(diào)制輸入信號(hào)同時(shí)施加在三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層上，利用直流偏壓和調(diào)制輸入信號(hào)提供的電場改變?nèi)A有機(jī)聚合物導(dǎo)波層的折射率來改變工作角處的反射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光強(qiáng)度的調(diào)制。
本發(fā)明利用二次電光原理，使用一個(gè)小的調(diào)制信號(hào)通過匹配電路疊加到一個(gè)大的直流偏壓上以改變二次電光介質(zhì)的折射率實(shí)行對(duì)傳輸光的光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制，利用該裝置的衰減全反射譜線的上升或下降沿的線性區(qū)域作為工作角，通過提高直流偏壓電壓可以提高輸出信號(hào)的幅度，從而可以減小輸入信號(hào)的功率。本發(fā)明裝置具有調(diào)制帶寬高、傳輸損耗和插入損耗小、驅(qū)動(dòng)功率小、制作工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了線性有機(jī)聚合物電光器件的熱穩(wěn)定性和馳豫的問題，可用于光電通信和光信息處理領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1為耦合棱鏡，2為金屬上電極，3為三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層，4為隔離層，5為金屬下電極，6為輸入匹配電路，R為保護(hù)電阻，C為耦合電容，α為工作角。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中裝置工作角選取情況下的衰減全反射曲線。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的電光調(diào)制效果圖。
圖4為本發(fā)明裝置不采用隔離層的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括調(diào)制器和輸入匹配電路6，調(diào)制器的組成包括五個(gè)層次，由上而下依次為耦合棱鏡1，金屬上電極2，三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層3，隔離層4和金屬下電極5。匹配電路由保護(hù)電阻R、耦合電容C構(gòu)成，輸入匹配電路6的直流偏壓端A經(jīng)保護(hù)電阻R連接到金屬上電極2，調(diào)制信號(hào)輸入端B經(jīng)耦合電容C連接到上電極2，輸入匹配電路的接地線連接調(diào)制器的下電極5。
調(diào)制器的制備過程依次為在耦合棱鏡1上利用濺射法鍍金屬耦合層作為金屬上電極2，利用旋膠法在金屬上電極2上涂上三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層3，再利用旋膠法在導(dǎo)波層上涂上隔離層4，最后在隔離層4上用濺射法鍍金屬薄膜作為金屬下電極5。設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)調(diào)制器各薄膜層的厚度，使調(diào)制器的衰減全反射譜寬度盡量窄，而且深度盡量深。各層的厚度取值范圍分別為金屬上電極2為20至500nm，導(dǎo)波層3為1.0至50.0μm，隔離層4為1至5μm，金屬下電極5為50至500nm。
線性偏振光——載波光，不帶任何信息——由耦合棱鏡1的側(cè)面入射到金屬上電極2上，再經(jīng)由金屬上電極2反射到耦合棱鏡1的另一個(gè)側(cè)面，在輸入匹配電路的直流偏壓端A施加一個(gè)大的直流偏壓，在調(diào)制信號(hào)輸入端B上施加一個(gè)相對(duì)較小的輸入信號(hào)，直流偏壓與輸入信號(hào)同時(shí)施加在導(dǎo)波層上來改變?nèi)A有機(jī)聚合物導(dǎo)波層的折射率，進(jìn)而調(diào)節(jié)反射光的輸出強(qiáng)度。其中保護(hù)電阻R起到保護(hù)作用，耦合電容C起隔離直流的作用。
通過m-線測量的方法，確定該電光調(diào)制裝置的衰減全反射譜，可得到一系列的衰減全反射吸收峰以及對(duì)應(yīng)的角度，從譜中選取一個(gè)狹窄的吸收峰，再選取該吸收峰上升(或下降)沿對(duì)應(yīng)的角度作為該調(diào)制裝置的工作角，在該調(diào)制裝置上施加直流偏壓和調(diào)制電信號(hào)后，觀察輸出光的調(diào)制幅度，微調(diào)入射角，使輸出的光信號(hào)調(diào)制幅值最大。提高直流偏壓的電壓，可以增加輸出信號(hào)的調(diào)制幅度，從而可以減小輸入信號(hào)的功率。
所述金屬上電極2可以選用金、銀、鋁、鉑等金屬，要求在載波光所在的波長范圍內(nèi)介電常數(shù)實(shí)部小于0；介電常數(shù)的虛部盡量小，一般小于20。
所述三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層3可以是各向同性或各向異性，采用材料的二次電光系數(shù)大于10-19(m/V)2，也可選用二次電光系數(shù)大的無機(jī)晶體薄膜。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，采用圖1所示結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制裝置。裝置中設(shè)備參數(shù)為耦合棱鏡1的折射率為1.78，金屬上電極2為金膜，厚度為39納米，介電常數(shù)為ε＝-20+1.5i，有機(jī)聚合物導(dǎo)波層3采用聚酰亞胺，厚度為6.5微米，折射率為1.616，隔離層4為聚甲基丙烯酸甲酯，厚度為2微米，折射率為1.48，襯底層5為金膜，厚度為100納米。電阻R為2000000Ω，電容C為100μF，在直流偏壓端施加的電壓為1000V。
由圖2中，表明選擇的工作角的位置。工作角選在衰減全反射譜的下降沿的中間位置處，此處曲線線性度較好，而且斜率的絕對(duì)值大，有利于調(diào)制。
由圖3中，上面的曲線為施加在調(diào)制信號(hào)輸入端B上的電信號(hào)，下面曲線為調(diào)制后反射光的光強(qiáng)變化。從圖上我們可以看出，反射光的光強(qiáng)變化同調(diào)制信號(hào)輸入端B輸入的調(diào)制信號(hào)保持一致，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制，可以滿足通信方面對(duì)調(diào)制器的要求。
本發(fā)明裝置中的調(diào)制器也可以不采用隔離層，如圖4所示，調(diào)制器的組成由上而下依次為耦合棱鏡1，金屬上電極2，三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層3和金屬下電極5。工作原理同有隔離層一樣，唯一的區(qū)別是，沒有了隔離層的分壓作用，所有的電壓都施加在導(dǎo)波層上，更能提高調(diào)制信號(hào)輸入端B的電信號(hào)使用效率。
權(quán)利要求
1.一種基于三階電光材料對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于包括調(diào)制器和輸入匹配電路，調(diào)制器的組成由上而下依次為耦合棱鏡(1)、金屬上電極(2)、三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層(3)、隔離層(4)和金屬下電極(5)，輸入匹配電路的直流偏壓端(A)經(jīng)保護(hù)電阻(R)連接到金屬上電極(2)，調(diào)制信號(hào)輸入端(B)經(jīng)耦合電容(C)連接到上電極(2)，輸入匹配電路的接地線連接調(diào)制器的下電極(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的基于三階電光材料對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述調(diào)制器各層的厚度取值范圍分別為金屬上電極(2)為20至500nm，三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層(3)為1.0至50.0μm，隔離層(4)為1至5μm，金屬下電極(5)為50至500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的基于三階電光材料對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的裝置，其特征在于所述調(diào)制器不設(shè)隔離層(4)。
4.一種利用權(quán)利要求1的裝置進(jìn)行電光調(diào)制的方法，其特征在于在輸入匹配電路的直流偏壓端(A)上施加直流偏壓，在調(diào)制信號(hào)輸入端(B)上施加一個(gè)相對(duì)直流偏壓較小的調(diào)制輸入信號(hào)，調(diào)制器的工作角選在衰減全反射譜的上升沿或下降沿中間，直流偏壓與調(diào)制輸入信號(hào)同時(shí)施加在三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層(3)上，利用直流偏壓和調(diào)制輸入信號(hào)提供的電場改變?nèi)A有機(jī)聚合物導(dǎo)波層的折射率來改變工作角處的反射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光強(qiáng)度的調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于三階電光材料對(duì)傳輸光進(jìn)行電光調(diào)制的方法和裝置，裝置包括由耦合棱鏡、金屬上電極、三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層、隔離層和金屬下電極構(gòu)成的調(diào)制器及輸入匹配電路。通過輸入匹配電路，將一個(gè)較大的直流偏壓和一個(gè)相對(duì)較小的調(diào)制輸入信號(hào)同時(shí)施加在三階有機(jī)聚合物導(dǎo)波層上，以改變?nèi)A有機(jī)聚合物導(dǎo)波層的折射率來改變工作角處的反射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)反射光強(qiáng)度的調(diào)制。調(diào)制器的工作角選在衰減全反射譜的上升沿或下降沿中間。本發(fā)明通過提高直流偏壓電壓可以提高輸出信號(hào)的幅度，從而可以減小輸入信號(hào)的功率，而且調(diào)制帶寬高，傳輸損耗和插入損耗小，且制作工藝簡單，成本低廉，同時(shí)避免了線性有機(jī)聚合物電光器件的熱穩(wěn)定性和馳豫的問題。
文檔編號(hào)G09G3/00GK1818742SQ200610024
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者周見紅, 曹莊琪, 鄧曉旭, 鄭湘, 沈啟舜 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)