鈮酸鋰波導相位調制器應用研究

［呂宏偉 韋佳天 趙灝 楊小亮 許黨朋 田小程］

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鈮酸鋰波導相位調制器應用研究

［呂宏偉 韋佳天 趙灝 楊小亮 許黨朋 田小程］

摘要LiNbO3（鈮酸鋰）波導相位調制器，作為一種具有高響應速度、寬調制帶寬的電光調制器件，在高速光通信系統(tǒng)及高功率激光系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。文章介紹了LiNbO3波導相位調制器的波導結構、工作原理、電光響應等特性，總結了近年來其在高速光通信系統(tǒng)及高功率激光系統(tǒng)中的相關應用。

關鍵詞：鈮酸鋰相位調制器高速光通信高功率激光系統(tǒng)

呂宏偉

男，主要從事光電子技術研究。中國電子科技集團公司第三十四研究所。

韋佳天

中國電子科技集團公司第三十四研究所。

趙灝

中國電子科技集團公司第三十四研究所。

楊小亮

中國電子科技集團公司第三十四研究所。

許黨朋

中國工程物理研究院激光聚變中心。

田小程

中國工程物理研究院激光聚變中心。

引言

相位調制器是光學系統(tǒng)中的一類常用器件，由于其能對光波的相位特性進行調整，在光通信、高功率激光合成、激光雷達、精密測量、傳感等眾多領域有廣泛的應用。常見的相位調制器有液晶相位調制器、壓電陶瓷相位調制器、鈮酸鋰相位調制器，其中液晶相位調制器由于結構所限主要應用在空間光學中，壓電陶瓷相位調制器通過引起單根光纖變形來實現(xiàn)相位調制，反應遲緩，相位噪聲大，而鈮酸鋰相位調制器利用電光效應實現(xiàn)對光波的相位調制，具有響應速度快、調制帶寬大、易于集成等優(yōu)點，正在光纖系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。

1　鈮酸鋰波導相位調制器特性

1.1基本特性

鈮酸鋰晶體，也稱LN晶體，屬于三方晶系，有較大的熱電、壓電、電光常數，因此在聲光等領域都有廣泛的應用。塊狀鈮酸鋰晶體也可用于電光調制，但通常需要很高的調制電壓，為了降低調制電壓，基于鈮酸鋰晶體的電光器件一般采用波導結構。鈮酸鋰光波導常用的切割方式有X切Y傳和Z切Y傳（或X傳），圖1為Z切割鈮酸鋰波導相位調制器結構示意圖。為了利用鈮酸鋰晶體的最大電光系數，即γ33，要求電場方向沿Z軸（非常光軸）方向，因此針對X切割與Z切割方式的電光器件，其電極安放位置不一樣，X切割方式的電光器件，其電極居于光波導兩側，Z切割方式的電光器件，其電極位于光波導上方，且為了減少電極對傳輸光的吸收以及實現(xiàn)光波與微波的相位匹配，電極與光波導間沉積有一層半導體材料。電極結構有集總參數電極和行波電極兩種，兩者的饋電方式和終端負載不一樣，集總參數結構電極的帶寬不超過2 GHz，行波電極表現(xiàn)為傳輸線結構，一端接微波源，一端接匹配終端，通過優(yōu)化設計實現(xiàn)調制電場和光波場的相速匹配，從而實現(xiàn)高速寬帶工作，使用時要求終端負載和輸入信號源的阻抗與電極的特征阻抗相等。

圖1　Z切鈮酸鋰波導相位調制器

純鈮酸鋰晶體的損傷閾值較低，永久性損傷閾值約為105 W/cm2，不發(fā)生光折變效應的閾值約為20 W/cm2，而摻鎂的鈮酸鋰晶體則有很大的提高，輸入光強可以高達26 MW/cm2，因此制作鈮酸鋰波導相位調制器常采用摻鎂的鈮酸鋰晶體。國內使用純鈮酸鋰晶體制作的波導相位調制器在通光功率5 mW時即會受到損傷，而PHOTLINE公司制作的摻鎂高損傷閾值波導相位調制器可以承受100 mW的通光功率［1］，該公司應用于通信波段的MPZ-LN系列產品，帶寬高達32 GHz，但插入損耗僅有2.5dB。

1.2半波電壓及高頻特性

在電壓作用下，鈮酸鋰晶體的折射率會發(fā)生變化。光波通過加載有電壓的鈮酸鋰波導相位調制器，輸出光波的相位將發(fā)生變化，變化量與加載的電壓有關。沿Z軸方向施加穩(wěn)定的外電場，幅度為V0，沿Z軸偏振的光波通過波導后，由電光效應引起的相位變化表述為：

式中，ne為非常光折射率； γ33為電光系數；Γ為重疊積分因子，表示光波場與外加電場相互作用強弱，數值介于0和1之間；L為電極長度；G為電極間隙寬度；λ為輸入光的波長。于是，在低頻情況下，鈮酸鋰波導相位調制器的半波電壓表述為：

施加高頻調制信號到鈮酸鋰波導相位調制器上，加載到波導上的高頻電信號幅度會受到相位失配和微波損耗的影響，引進M（ω）描述與頻率相關的信號幅值變化，定義為［2］：

沿Z軸方向施加正弦型電信號，幅度為V0，頻率為ω，沿Z軸偏振的光波通過波導后，由電光效應引起的相位變化表述為：

基于式（4）可知，鈮酸鋰波導相位調制器的半波電壓與調制電壓的頻率相關，表述為：

文獻［3］給出了Covega公司10 GHz鈮酸鋰波導相位調制器半波電壓隨調制頻率的變化，見圖2。隨著調制頻率的增加，鈮酸鋰波導相位調制器的半波電壓也隨之增加。

2　鈮酸鋰波導相位調制器應用

2.1高速光通信領域應用情況

鈮酸鋰波導相位調制器具有電光系數大，半波電壓小，響應速度快，易于集成，技術成熟等優(yōu)點，在光通信中有廣泛的應用，主要表現(xiàn)在超短脈沖光源、碼型編制、光毫米波等方面。

圖2　調制頻率與半波電壓

2.1.1超短脈沖光源

高重復頻率的超短脈沖光的產生是高速光時分復用技術的一個關鍵點。通過使用鈮酸鋰相位調制器和鈮酸鋰強度調制器對連續(xù)光進行調制可以獲得高重復頻率的超短脈沖［4］。一種利用鈮酸鋰相位調制器和鈮酸鋰強度調制器實現(xiàn)的超短脈沖產生裝置的原理圖見圖3。連續(xù)光依次通過鈮酸鋰相位調制器和鈮酸鋰強度調制器，受到相位-強度調制后輸出的光波為正弦波，隨后使用色散補償光纖（DCF）和梳狀色散光纖鏈（CDPF）對光脈沖分別進行啁啾補償、非線性壓縮，壓縮后的光脈沖注入高非線性光纖（HNLF），通過自相位調制展寬脈沖光譜，之后使用窄帶濾波器進行濾波，消除光脈沖的基座?；谠摲椒ǐ@得了近傅里葉變換極限的超短脈沖，脈沖寬度僅1.8ps。

圖3　超短脈沖產生裝置原理

2.1.2碼型編制

在光通信中，相位調制器可以應用在發(fā)射機上，實現(xiàn)多種高級碼型的編制，例如用來構成16-QAM數據調制通信系統(tǒng)［5］、差分移相鍵控（DPSK）數據調制的OCDMA系統(tǒng)［6］以及多副載波系統(tǒng)［7］。圖4即是一種實現(xiàn)16-QAM數據格式調制的通信系統(tǒng)的原理圖。

圖4　16-QAM數據調制通信系統(tǒng)原理

2.1.3光毫米波

光纖無線電（ROF）同時具備無線通信的靈活性和光纖通信的寬帶寬、低損耗等特性，在寬帶無線通信中具有很大的發(fā)展?jié)摿?。其中一項關鍵技術即是光毫米波的產生，使用相位調制器可以產生光毫米波［8］。圖5即是一種通過并聯(lián)兩個相位調制器產生六倍頻光毫米波的方案原理圖。該系統(tǒng)用相位差180o的10GHz正弦信號分別調制兩個并行的相位調制器，通過控制調制深度，產生抑制一階邊帶的信號，隨后通過耦合相減后，中心和二階邊帶抵消，僅保留兩個三階邊帶，而高階邊帶則忽略不計。

圖5　一種六倍頻光毫米波產生方案原理

2.2高功率激光系統(tǒng)領域應用情況

高功率激光系統(tǒng)要求輸出激光光束具有穩(wěn)定平滑的時間和空間分布，并要求具有百分之百的單縱模幾率以及TEM00模輸出【9】-【11】，因此在高功率激光系統(tǒng)中，多采用單縱模光纖振蕩器作為系統(tǒng)的“種子源”，但由于單縱模激光器的窄線寬特性，在激光能量放大過程中，容易產生非線性效應，最主要的就是受激布里淵散射（SBS）的產生，而對于單模光纖放大傳輸產生SBS的情況國內外已經進行了很多的理論研究以及試驗。文獻［10］報道：脈沖信號中心波長為1053.0nm，脈沖寬度為10ns，重復頻率為1Hz，在纖芯直徑為15μm 的光纖放大試驗中，當脈沖峰值功率達到375W時，出現(xiàn)了較強的SBS效應；文獻［11］報道：在光纖放大試驗中，輸入脈沖信號中心波長為1053.0nm，峰值功率為2W左右，當信號脈沖寬度為3ns時，峰值功率放大到633W時，出現(xiàn)SBS效應，當信號脈沖寬度為5ns時，峰值功率放大到380W時，出現(xiàn)SBS效應。上述兩篇報道在出現(xiàn)SBS效應后，處理手段均是通過相位調制器將激光帶寬適當展寬后，減小受激布里淵散射的增益系數。

波導相位調制器除了在頻域上將光譜展寬，將高能量激光分散到更寬的帶寬上之外，光譜色散勻滑技術（SSD）同樣需要相位調制，使得光束在焦斑面形成動態(tài)干涉圖案，利用時間平均效應，使焦面的光強得到了勻滑，利用該原理，文獻［12］通過試驗分析結果表明：通過改善光譜形狀可以提高勻滑效率，優(yōu)化光譜相對主流的正弦調頻光譜對勻滑效果的均方根值可提高43.7%；文獻［13］在對光譜色散勻滑技術理論分析基礎之上，通過實驗表明：利用光譜色散勻滑技術中的正弦相位調制對光譜展寬并色散后，在色散方向上的焦斑均勻性有明顯改善，焦斑的不均勻性從40%降低至12.5%。

中國的SG-Ⅲ主機裝置前端系統(tǒng)采用兩級波導相位調制器實現(xiàn)裝置總體SBS抑制及SSD需求，光路配置如圖6，通過對兩級波導相位調制器加載不同頻率的調制信號，對單縱模激光進行調制展寬，得到的激光光譜形狀如圖7。

圖6　光纖前端系統(tǒng)光路配置簡

圖7　波導相位調制器展寬后光譜形狀

此外，國外的多個大型高功率激光裝置，如美國國家點火裝置（NIF）、法國兆焦耳裝置（LMJ）等均采用波導相位調制技術實現(xiàn)SBS抑制以及SSD需求。

3　結束語

本文介紹了鈮酸鋰波導相位調制器的工作原理及工作特性，總結了鈮酸鋰波導相位調制器在高速光通信系統(tǒng)以及高功率光纖激光系統(tǒng)中的應用情況?；陔姽庑拟壦徜嚥▽辔徽{制器具有響應速度快、調制帶寬大、易于集成到光纖系統(tǒng)等優(yōu)點；不但可以單獨使用，也可以通過延展結構或者與其他器件相結合形成新的器件，從而具備更強大的功能和廣泛的應用，在光纖系統(tǒng)中的具有廣闊的應用前景。

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.019

收稿日期：（2016-05-05）