一種光學相位調制器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種基于光柵的相位調制器。該器件屬于光學工程領域，主要應用于 光通信、光信號處理、光傳感、W及光器件集成等領域。
【背景技術】
[0002] 光學相位調制器是使光波的相位按一定規律變化，實現光調制的裝置。因此，光學 相位調制器在光通信、光信號處理W及光器件集成等領域具有非常廣泛的應用。隨著模式 禪合等光學理論的進一步完善，W及光學平面波導技術的不斷進步，人們已經能夠實現高 速的光學相位控制。
[0003] 目前，光學相位調制器主要有基于波導電光調制的相位調制器和基于機械調制的 相位調制器。基于波導電光調制的相位調制器利用介質的電光效應，改變波導中的模式，從 而使輸出光的相位發生變化，達到相位調制的目的。（C. K. tang et. al .，ELECTRONICS LETTERS, 1995, Vol. 31 ,No. 6，pp451-452)是一種典型的基于波導電光調制的相位調制器， 其結構如圖1所示。
[0004] 運是一個中間滲雜垂直于紙面的脊型波導，滲雜的目的是利用電光效應改變娃的 折射率。因為娃沒有泡克爾斯效應，克爾效應也很微弱，所W需要利用增加載流子濃度的方 法來改變折射率，有：
[0005] An = -8.8Xl〇-22 ANe-8.5Xl〇-"( ANh)〇's
[0006] A 曰=8.5 X 10-18 A Ne+8.5 X 10-18 A Nh〇's
[0007] 式中An, Aa，A Ne, A化分別代表折射率，吸收系數，電子濃度和空穴濃度的改變 量。從上式可W看出，隨著折射率的改變相應的吸收系數也會增加。同時，在改變折射率的 時候也會有電流通過。因此，基于波導電光調制的相位調制器會有比較大的功耗。而基于機 械調制的相位調制器利用機械調制方法改變光程，達到相位調制的目的。運種基于機械調 制的相位調制器一般分為兩種:一種是壓電陶瓷(PZT)相位調制器，此相位調制器的特點是 損耗小，但是存在體積大、穩定性差的缺點；另一種是微機電系統(MEMS)相位調制器，（1111-Chern Chiou et.al.,IE趾 JOURNAL OF QUANTUM ELECTR0NICS，2010，Vol.46,No.9， PP1301-1308)是一種典型的基于機械調制的相位調制器。當運個微機電系統相位調制器充 電后，上面的反射鏡會產生位移變化，進而對于反射光產生光程上的改變，達到相位調制的 目的。此調制器的特點是體積小。但是，基于機械調制的相位調制器主要問題是采用機械調 審IJ，由于慣性等問題，相比于電光調制速度要慢很多，不適用于高速調制系統。

【發明內容】

[0008] 針對現有光學相位調制器存在的問題，本發明提出一種基于光柵的光學相位調制 器。
[0009] 本發明的技術方案為：
[0010] -種光學相位調制器，其特征在于，包括一亞波長光柵;該亞波長光柵與一調節所 述條狀介質的折射率的折射率調節裝置連接。
[0011] 進一步的，所述折射率調節裝置為一種通過電光調制所述條狀介質的折射率的折 射率調節裝置。
[0012] 進一步的，所述條狀介質兩端設有P級和N級；其中，所述條狀介質垂直于P級和N 級，且與P極、N極形成p-i-n二極管結構。
[0013] 進一步的，所述條狀介質兩側設有P級和N級；其中，所述條狀介質平行于P級和N 級，且與P極、N極形成p-i-n二極管結構。
[0014] 進一步的，所述折射率調節裝置為一種通過熱光調節所述條狀介質的折射率的折 射率調節裝置。
[0015] 進一步的，所述折射率調節裝置為一種通過聲光調節所述條狀介質的折射率的折 射率調節裝置。
[0016] 進一步的，所述折射率調節裝置為一種通過應力調節所述條狀介質的折射率的折 射率調節裝置。
[0017] 本發明中的光柵是一種新型的亞波長光柵，其對于平面波電磁場之間的相互作用 具有強烈的限制。根據導模諧振效應，使光柵具有高品質因數諧振特性，其反射譜或透射譜 會產生尖銳的諧振峰。當光柵產生高品質因數諧振時，光譜帶寬最窄，相位曲線的斜率最 大，相位變化最劇烈。所W，為了得到高靈敏度和高速的相位調制器，利用光柵的高品質因 數諧振特性進行相位調制。通過設計并優化光柵周期和光柵占空比等參數可W得到較為滿 意高品質因數諧振的中屯、波長和帶寬。同時，由于光譜諧振峰的中屯、波長主要取決于介質 的折射率，而光譜諧振峰中屯、波長的改變會導致諧振峰光譜的相移。因此，采用載流子注入 等電光調制，熱光調制W及聲光調制等方式改變介質的折射率，從而達到相位調制的目的。
[0018] 圖2為光柵相位調制示例圖，光譜的帶寬為4.4pm。當介質的折射率只增加1.0 X 1〇-5時，中屯、波長大約移動3.8pm，相位移動大約1.2531。
[0019] 與現有的技術方案相比，本發明的積極效果為：
[0020] 本發明是基于光柵高品質因數諧振特性的相位調制器，首先，尺寸非常緊湊，便于 光器件集成;其次，具有高靈敏度和高速度特點，利于光通信領域;并且，相位移動范圍大； 而且，插入損耗小;最后，由于光柵具有很好的制作容忍度，光學相位調制器制作相對簡單。
【附圖說明】
[0021] 圖1為典型的基于波導電光調制的相位調制器；
[0022] 圖2為光柵相位調制示例圖（DC = 0.329，tg = 0.22祉m，A = 0.9祉m，目=0.1°);
[0023] (a)代表不同柵瓣折射率下的光柵透射譜，（b)代表對應光柵透射譜的相位特性；
[0024] 圖3為光柵結構圖；
[002引圖4為光柵典型光譜圖（11 = 0.45心=0.22皿，11<1 = 3.48，八=1皿，目=2°);
[0026] 圖5為光柵的相位特性；
[0027] (a)代表帶寬較寬的光柵反射譜，（b)代表帶寬較寬光柵反射譜的相位特性，
[0028] (C)代表帶寬較窄的光柵反射譜，（d)代表帶寬較窄的光柵反射譜的相位特性；
[0029] 圖6為電光光柵相位調制器；
[0030] (a)圖P極和咐及垂直于柵瓣，（b)圖P極和咐及平行于柵瓣；
[0031] 圖7為利用反射光的光學相位調制器；
[0032] (a)代表不同高折射率介質的折射率下的光柵反射譜，（b)代表其對應的相位特 性；
[0033] 圖8為利用透射光的光學相位調制器；
[0034] (a)代表不同高折射率介質折射率下的光柵透射譜，（b)代表其相對應的相位變 化。
【具體實施方式】
[0035] 此光柵是一種新型的光學結構器件，其結構如圖3所示。影響光柵的五個重要參數 是光柵周期（A )、光柵厚度(tg)、占空比(n)、柵瓣折射率(nd) W及空氣層折射率(no)。同時， 光柵結構簡單，對制作的誤差容忍度很大。因此，光柵的制作工藝簡單，不易損壞。
[0036] 此光柵對于平面波電磁場之間的相互作用具有強烈的限制。因此，將光柵看成一 個諧振器，即每一個高折射率介質和空氣之間都可W看做一個小的諧振腔，會產生高品質 因數(Q)諧振，其反射譜或透射譜會產生尖銳的諧振峰。我們利用導模諧振效應對其進行分 析。導模諧振效應指的是外部傳播的衍射場和波導中的模式之間的相互禪合。將介質光柵 看作折射率經過調制的薄膜波導，運樣光柵中就存在導模。根據衍射條件，電磁波的傳播常 數為：
[0037] 0i = kosin 目巧 in/八
[0038] 其中i是任意整數。如果運些傳播常數有的和導模的傳播常數相同，則入射光會被 禪合進波導的導模中。運樣，光柵中會存在兩個波數相同、傳播方向相反的導模。由于光柵 是一種亞波長光柵，其光柵周期遠小于入射