一种钽铌酸钾晶体及应用其的低电压电光位相调制器

技术领域

本发明属于体型电光调制器件领域，尤其涉及一种钽铌酸钾晶体及应用其的低电压电光位相调制器。

背景技术

电光调制器是利用晶体的电光效应调控光的位相、振幅和偏振态的器件，根据电光调制器件结构的不同，可以分为波导传输型电光调制器(集成光学调制器)和体型电光调制器，其中由于波导传输型电光调制器只对极小的区域施加电场，其驱动电压通常比体型调制器要小一到两个数量级，特别适用于制作低功耗、紧凑型器件，在光纤通信领域已获得广泛应用。比如铌酸锂晶体具有飞秒量级响应速度的线性电光效应、宽的透明窗口等物理特性，是目前最受欢迎的电光调制材料之一，基于铌酸锂晶体的波导型调制器在三十年前已实现商用化，表现出优良的性能。

但在自由空间光通讯领域，体调制器是不可或缺的部件，由于现有的电光晶体材料的电光系数都比较小，必须施加很强的外电场才能改变整个晶体的光学特性，从而达到调制晶体中光波的目的。体型电光调制器的缺点是调制电压比较高，通常需要几百伏甚至上千伏，因此，寻找具有更大电光系数的材料并设计开发具有更低调制电压的电光调制器件是目前体型电光调制领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提出一种电光系数高的钽铌酸钾晶体、以及应用钽铌酸钾晶体的低电压电光位相调制元件，该低电压电光位相调制元件为体调制器，应用于自由空间光通讯领域。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钽铌酸钾晶体，其特征在于，其化学式为KTa

应用上述钽铌酸钾晶体的一种低电压电光位相调制器，所述的钽铌酸钾晶体位于中间，还包括位于所述钽铌酸钾晶体上表面的第一电极、以及位于下表面的第二电极，所述上表面还设置有入射孔，所述下表面设置有出射孔；

光束从所述上表面的入射孔入射，经多次反射后，从所述下表面的出射孔射出，光束在所述钽铌酸钾晶体内部传输过程中，在外加电压作用下，利用所述钽铌酸钾晶体的二次电光效应改变晶体的折射率，实现对光束位相的调制。

作为优选，所述第一电极、所述第二电极为金属膜Al、Ag、Au中的一种，金属膜既作为反射膜，又作为电极。

作为优选，所述钽铌酸钾晶体镀电极前需进行光学级抛光，所述上表面、所述下表面的粗糙度均≤0.5nm，以保证后续镀膜的反射率。

作为优选，所述入射孔、所述出射孔上均镀有透明ITO电极；由于第一电极、第二电极都是金属电极，入射孔和出射孔的位置为了保证通光设置透明ITO电极，保证光束在整个晶体中传播始终处于一个均匀的电场中。

作为优选，为减小钽铌酸钾晶体内部固有的组分条纹引起的光束畸变，所述第一电极、所述第二电极所在平面的法线方向与所述钽铌酸钾晶体的生长方向一致。

作为优选，所述低电压电光位相调制器的入射光为线偏振光，且偏振方向平行于所述第一电极所在的平面，入射角的范围为15°～45°。

作为优选，所述低电压电光位相调制器工作时，所述钽铌酸钾晶体的温度控制在居里温度以上5～10℃，并保持温度恒定，控温精度±0.1℃。

作为优选，所述低电压电光位相调制器由电光效应产生的位相差ΔΦ可表示为：

其中，λ为入射光波长；n

作为优选，所述低电压电光位相调制器的半波电压表示为：

其中，λ为入射光波长；n

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明采用Li

钽铌酸钾晶体的电光系数较目前广泛商用的铌酸锂晶体提高了1～2个数量级，本发明采用Cu

由于电光调制器件的半波电压与电场方向上的晶片厚度成正比，与通光长度成反比，本发明在减小晶片厚度的同时，通过多次反射的方法增大了通光长度，进一步降低了半波电压；

立方相钽铌酸钾晶体作为各向同性的二次电光晶体材料，与线性电光晶体相比，拥有更大的入射角容忍度，更能满足自由空间光通讯应用的需求。

附图说明

图1为本发明实施例制备的基于立方相钽铌酸钾晶体的电光位相调制器；

图2为本发明对比例1Li

图3为本发明实施例1制备的钽铌酸钾晶体在Cu

图4是本发明实施例1制备的电光位相调制器在不同波长激光入射时的半波电压；

图5是本发明实施例2制备的电光位相调制器在不同波长激光入射时的半波电压；

图6是本发明实施例3制备的的电光位相调制器在不同波长激光入射时的半波电压；

图7为对比例2制备的钽铌酸钾晶体的电光位相调制器；

图8为对比例2制备的钽铌酸钾晶体的电光位相调制器在不同波长激光入射时的半波电压；

其中，10、钽铌酸钾晶体；11、上表面；111、第一电极；112、入射孔；12、下表面；121、第二电极；122、出射孔。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种钽铌酸钾晶体，采用Cu

将实施例1制备的钽铌酸钾晶体10用于自由空间的低电压电光位相调制元件，将其加工成3mm×6mm×5mm的长方体，并对3mm×6mm的上表面11、下表面12进行光学级抛光，粗糙度为0.5nm，上表面11、下表面12的法线方向均为晶体生长方向。上表面11、下表面12抛光面分别保留入射孔112和出射孔122，其他区域采用磁控溅射的方法镀Al膜作为第一电极111、第二电极121，然后对入射孔112和出射孔122区域镀ITO透明电极；由于第一电极111、第二电极121都是金属电极，入射孔112和出射孔122的位置为了保证通光设置透明ITO电极，保证光束在整个晶体中传播始终处于一个均匀的电场中。

测量钽铌酸钾晶体10的介电温谱得到其居里点为20.4℃，控制钽铌酸钾晶体10的温度保持25.4℃不变，控温精度±0.1℃，该温度下的二次电光系数s

以铌酸锂为代表的商用电光调制器件都是利用了晶体的线性电光效应，产生这种效应的晶体通常是不具有对称中心的各向异性晶体，相对应的电光器件通常要求光束垂直入射，而立方相钽铌酸钾晶体作为各向同性的二次电光晶体材料，与线性电光晶体相比，拥有更大的入射角容忍度，更能满足自由空间光通讯应用的需求。用偏振方向平行于钽铌酸钾晶体10表面的线偏振光由入射孔以15°入射角射入晶体，在晶体内部经过四次反射后由出射孔射出。

光束在晶体内部传输过程中，对钽铌酸钾晶体10加电压，利用晶体的二次电光效应即可实现对光束位相的调制，调制规律遵循公式

不同波长的入射光对应的半波电压可由公式

计算得到，规律如图4所示，从图4中可以看出在常用的波段范围内，其半波电压控制在41～81V左右，与市场上现有的通常是几百伏甚至上千伏的体型电光调制器件相比，半波电压得到大幅的降低。

图3为实施例1的钽铌酸钾晶体在Cu

实施例2

一种钽铌酸钾晶体采用Cu

将实施例2制备的钽铌酸钾晶体10用于自由空间的低电压电光位相调制元件，将其加工成2mm×5mm×3mm的长方体，并对2mm×5mm的上表面11、下表面12进行光学级抛光，粗糙度为0.4nm，上表面11、下表面12的法线方向为晶体生长方向。上表面11、下表面12抛光面分别保留入射孔112和出射孔122，其他区域采用磁控溅射的方法镀Au膜作为第一电极111、第二电极121，然后对入射孔112和出射孔122区域镀ITO透明电极。

测量钽铌酸钾晶体10的介电温谱得到其居里点为23.2℃，控制钽铌酸钾晶体10的温度保持30.4℃不变，控温精度±0.1℃，该温度下的二次电光系数s

光束在晶体内部传输过程中，对钽铌酸钾晶体10加电压，利用晶体的二次电光效应即可实现对光束位相的调制，调制规律遵循公式

不同波长的入射光对应的半波电压可由公式

计算得到，规律如图5所示，从图5中可以看出中在常用的波段范围内，其半波电压控制在29～57V左右，与市场上现有的通常是几百伏甚至上千伏的体型电光调制器件相比，半波电压得到大幅的降低。

实施例3

一种钽铌酸钾晶体采用Cu

将实施例3制备的钽铌酸钾晶体10用于自由空间的低电压电光位相调制元件，将其加工成2.5mm×3mm×2mm的长方体，并对2.5mm×3mm的上表面11、下表面12进行光学级抛光，粗糙度为0.4nm，上表面11、下表面12的法线方向为晶体生长方向。上表面11、下表面12分别保留入射孔112和出射孔122，其他区域采用磁控溅射的方法镀Ag膜作为第一电极111、第二电极121，然后对入射孔112和出射孔122区域镀ITO透明电极。

测量钽铌酸钾晶体10的介电温谱得到其居里点为18.5℃，控制钽铌酸钾晶体10的温度保持28.5℃不变，控温精度±0.1℃，该温度下的二次电光系数s

光束在晶体内部传输过程中，对钽铌酸钾晶体10加电压，利用晶体的二次电光效应即可实现对光束位相的调制，调制规律遵循公式

不同波长的入射光对应的半波电压可由公式

计算得到，规律如图6所示，从图6中可以看出在常用的波段范围内，其半波电压控制在27～53V左右，与市场上现有的通常是几百伏甚至上千伏的体型电光调制器件相比，半波电压得到大幅的降低。

由于最终元件的半波电压与电场方向上的晶片厚度成正比，与通光长度成反比，本发明在减小晶片厚度的同时，通过多次反射的方法增大了通光长度，进一步降低了半波电压。

对比例1

由于钽铌酸钾晶体生长的难度会随Nb组分的提高而增大，本发明实施例1-3采用Li

为了证明Li

对比例2

实施例1～3均采用了Cu

测量KTa

用偏振方向平行于KTa

给两电极面加电压，利用晶体的二次电光效应即可实现对光束位相的调制，规律遵循公式

不同波长的入射光对应的半波电压可由公式:

计算得到，规律如图8所示。

将附图4所示的实施例1的半波电压与对比例图8相比，采用Cu