偏振无关电光强度调制器

摘要

一种偏振无关电光强度调制器，其构成包括光束分束器、第二半波片、第一全反射镜、上下面镀金极的双折射电光陶瓷、第二全反射镜、第三半波片、第三全反射镜和可调高压源，所述的光束分束器为1：1分束器。本发明具有偏振无关、稳定性强和调制范围广的特点，可应用于高功率系统的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件，特别是一种偏振无关的电光强度调制器。 

背景技术

电光调制器是运用非线性电光材料的电光效应对光束的振幅、相位、频率和偏振方向等的器件。近年来铌酸锂光波导电光调制器在光纤通信领域得到了重要和广泛应用。与直接调制半导体激光器不同，铌酸锂以其零啁啾或负啁啾调制，可最大限度地减少光纤通信中的色散影响，因而与光纤兼容性好，可应用于高速光通信。但铌酸锂的电光系数小，激光损伤阈值低等缺点，无法满足高功率激光系统中的要求。而且光纤通光孔径小，难以满足大口径高功率电光器件的需求。 

光学陶瓷是透明电光陶瓷材料中的一种，它的晶体结构与钙钛矿相同，已广泛应用于生产设备、医疗、军事、激光以及电子行业的新型无机材料，它们是很好的压电换能材料、铁电材料、电光材料、非线性光学材料及表面波基质材料等，还可以在光通信中起到光调制作用。光学陶瓷种类较多，如铌镁酸铅-钛酸铅(以下简称为PMNT)透明陶瓷具有特有性质，近几年，PMNT电光性能的优势逐渐研究出来，具有电光系数高（在室温下约为铌酸锂晶体的100倍）、光学带宽大、低损耗、低电滞回线特性和快的相应速度、可大尺寸生长和激光损伤阈值高（>GW/cm²）等优点，在高功率光电子器件如激光雷达、激光武器等方面具有很大的潜力。高功率激光系统的前端预放系统中所用的偏振控制器是手动偏振控制器，不能实时的调整偏振态的改变，而一 般的振幅调制器中包含有起偏元件，偏振态的变化必然会引起输出脉冲幅度的变化，影响系统输出能量的稳定性。因此空间结构的偏振无关电光调制器的研究具有重要意义。 

发明内容

本发明为了解决高功率电光器件振幅调制中的偏振相关的问题，提供一种偏振无关电光调制器，该电光调制器具有偏振无关、稳定性强和调制范围广的特点，可应用于高功率系统的特点。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种偏振无关电光强度调制器，特点在于其构成包括光束分束器、第二半波片、第一全反射镜、上下面镀金极的双折射电光陶瓷、第二全反射镜、第三半波片、第三全反射镜和可调高压源，上述元部件的位置关系如下： 

依次的光束分束器、第二半波片、第一全反射镜、镀金极的双折射电光陶瓷、第二全反射镜、第三半波片、第三全反射镜和光束分束器构成sagnac环；光路中的反射角和入射角均为45°，所述的可调高压源与所述的双折射电光陶瓷的上下两面的金极相连接。 

所述的双折射电光陶瓷由立方晶系结构的铌镁酸铅-钛酸铅、掺镧锆钛酸铅或掺镧铌镁酸铅-钛酸铅制成。 

本发明的基本原理如下： 

设入射光的电场矢量p在x-y平面内，光束传播方向为z轴。用琼斯矩阵来描述光束传播过程。设入射偏振态为完全线偏振光，琼斯矩阵写为 $J_P=\left(\begin{array}{c}\cos \theta \\ \sin \theta \end{array}\right),$其中θ是偏振方向和x轴方向夹角。第二半波片和第三半波片的矩阵可写为$J_{\mathrm{HWP}2}=j\left(\begin{array}{cc}\cos 2\theta & \sin 2\theta \\ \sin 2\theta & -\cos 2\theta \end{array}\right){|}_{\theta =0}$和$J_{\mathrm{HWP}3}=j\left(\begin{array}{cc}\cos 2\theta & \sin 2\theta \\ \sin 2\theta & -\cos 2\theta \end{array}\right){|}_{\theta =\pi /4},$光束分束器和反射镜对光反射时会产生π的相位突变，即反射矩阵为 $J_{\mathrm{BS},M}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& \exp \left(\mathrm{j\pi }\right)\end{array}\right){|}_{\theta =\pi /4},$光束分束器的透射为单位矩阵。电光双折射透明陶 瓷看做双折射相位延迟器，电场方向为x轴向，则其琼斯矩阵写为： 

其中，是顺时针和逆时针光由PMNT陶瓷二次电光双折射效应引起的相位差。设分束器对各偏振状态下的入射光均有1:1的分束比，分别计算顺时针和逆时针的传播矩阵，可得到其输出光场振幅为： 

则在光束分束器处相干输出光强为： 

可见，sagnac环输出光强仅与相位差相关，其中L是电光陶瓷厚度，E为电光陶瓷的外加电压。本调制器的输出光强与入射光偏振方向角度θ无关,这是这种结构的独特之处。 

考虑一般椭圆偏振光对调制器的影响。 

椭圆偏振光的琼斯矩阵为用此式代替公式(2)和(3)中J_P,计算出调制器的输出结果仍为： 

因此无论是线偏光还是椭圆偏振光，对调制器均无影响，真正稳定地达到了偏振无光的空间调制器的特性。 

本发明的特点和优点是： 

(1)本发明采用sagnac环结构，外界环境对顺时针光场和逆时针光场的作用相同，因此输出性能稳定。 

(2)本发明可以用于高功率器件之中。双折射电光陶瓷选择有立方晶系结构的材料如PMNT、PLZT、PLMNT等。 

(3)本发明调制器与入射光束偏振无关。 

(4)调制范围广，目前通用的LiNbO₃调制器强度调制范围约为0dB-20dB，本发明的光强度调制范围为0dB～23dB。 

附图说明

图1是本发明偏振无关光电调制器的结构示意图 

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

请参阅图1，图1是本发明偏振无关光电调制器的结构示意图，由图可见，本发明偏振无关电光调制器，包括光束分束器1、第一半波片2、第一全反射镜3、镀金极的电光陶瓷双折射材料4、第二全反射镜5、第二半波片6、第三全反射镜7和可调高压源8，上述元部件的位置关系如下： 

所述的光束分束器1、第二半波片2、第一全反射镜3、镀金极的电光陶瓷双折射材料4、第二全反射镜5、第三半波片6、第三全反射镜7构成sagnac环； 

激光器发出的线偏振光的偏振方向经过进入sagnac环的光束分束器1，经过所述的光束分束器1的分束透射光束和反射光束，所述的透射光束经第三 全反射镜7、第二半波片6、第二全反射镜5、双折射电光陶瓷4、第一全反射镜3、第一半波片2和光束分束器1透射，此为逆时针光路； 

经过所述的光束分束器1的反射光束依次经所述的第一半波片2、第一全反射镜3、双折射电光陶瓷4、第二全反射镜5、第二半波片6、第三全反射镜7和光束分束器1反射，此为顺时针光路； 

所述的光路中的反射角和入射角均为45°，所述的可调高压源8与所述的双折射电光陶瓷4的上下两面的金极相连接。通过调节可调高压源8来改变双折射电光陶瓷4的外加电压。 

本发明整个框架由光束分束器，全反射镜，半波片，双折射电光陶瓷，对应所需可调高压电源组成。材料要求上下两端镀电极，两个对立侧端面抛光，根据材料特性可镀膜。搭建光路时，先保持入射光的偏振方向与x轴一致，调节第一半波片2使得顺时针入射到双折射样品时的偏振光方向与x轴一致。调节第二半波片6，使得逆时针入射到双折射样品时的偏振光方向与z轴一致。即第一半波片2和第二半波片6的主轴方向相差45°。保持顺时针和逆时针通过PMNT双折射材料的光束的偏振方向互相垂直。 

光路搭建好以后，改变入射光的偏振方向分别为与x轴呈不同角度。调节镀金极双折射电光陶瓷4上可调高压源的电压，可测得输出光强随外加电压变化，调制范围为23dB左右。