铌酸锂波导相位调制器应用研究

［吕宏伟 韦佳天 赵灏 杨小亮 许党朋 田小程］



铌酸锂波导相位调制器应用研究

［吕宏伟 韦佳天 赵灏 杨小亮 许党朋 田小程］

摘要LiNbO3（铌酸锂）波导相位调制器，作为一种具有高响应速度、宽调制带宽的电光调制器件，在高速光通信系统及高功率激光系统中发挥着重要的作用。文章介绍了LiNbO3波导相位调制器的波导结构、工作原理、电光响应等特性，总结了近年来其在高速光通信系统及高功率激光系统中的相关应用。

关键词：铌酸锂相位调制器高速光通信高功率激光系统

吕宏伟

男，主要从事光电子技术研究。中国电子科技集团公司第三十四研究所。

韦佳天

中国电子科技集团公司第三十四研究所。

赵灏

中国电子科技集团公司第三十四研究所。

杨小亮

中国电子科技集团公司第三十四研究所。

许党朋

中国工程物理研究院激光聚变中心。

田小程

中国工程物理研究院激光聚变中心。

引言

相位调制器是光学系统中的一类常用器件，由于其能对光波的相位特性进行调整，在光通信、高功率激光合成、激光雷达、精密测量、传感等众多领域有广泛的应用。常见的相位调制器有液晶相位调制器、压电陶瓷相位调制器、铌酸锂相位调制器，其中液晶相位调制器由于结构所限主要应用在空间光学中，压电陶瓷相位调制器通过引起单根光纤变形来实现相位调制，反应迟缓，相位噪声大，而铌酸锂相位调制器利用电光效应实现对光波的相位调制，具有响应速度快、调制带宽大、易于集成等优点，正在光纤系统中得到越来越广泛的应用。

1　铌酸锂波导相位调制器特性

1.1基本特性

铌酸锂晶体，也称LN晶体，属于三方晶系，有较大的热电、压电、电光常数，因此在声光等领域都有广泛的应用。块状铌酸锂晶体也可用于电光调制，但通常需要很高的调制电压，为了降低调制电压，基于铌酸锂晶体的电光器件一般采用波导结构。铌酸锂光波导常用的切割方式有X切Y传和Z切Y传（或X传），图1为Z切割铌酸锂波导相位调制器结构示意图。为了利用铌酸锂晶体的最大电光系数，即γ33，要求电场方向沿Z轴（非常光轴）方向，因此针对X切割与Z切割方式的电光器件，其电极安放位置不一样，X切割方式的电光器件，其电极居于光波导两侧，Z切割方式的电光器件，其电极位于光波导上方，且为了减少电极对传输光的吸收以及实现光波与微波的相位匹配，电极与光波导间沉积有一层半导体材料。电极结构有集总参数电极和行波电极两种，两者的馈电方式和终端负载不一样，集总参数结构电极的带宽不超过2 GHz，行波电极表现为传输线结构，一端接微波源，一端接匹配终端，通过优化设计实现调制电场和光波场的相速匹配，从而实现高速宽带工作，使用时要求终端负载和输入信号源的阻抗与电极的特征阻抗相等。

图1　Z切铌酸锂波导相位调制器

纯铌酸锂晶体的损伤阈值较低，永久性损伤阈值约为105 W/cm2，不发生光折变效应的阈值约为20 W/cm2，而掺镁的铌酸锂晶体则有很大的提高，输入光强可以高达26 MW/cm2，因此制作铌酸锂波导相位调制器常采用掺镁的铌酸锂晶体。国内使用纯铌酸锂晶体制作的波导相位调制器在通光功率5 mW时即会受到损伤，而PHOTLINE公司制作的掺镁高损伤阈值波导相位调制器可以承受100 mW的通光功率［1］，该公司应用于通信波段的MPZ-LN系列产品，带宽高达32 GHz，但插入损耗仅有2.5dB。

1.2半波电压及高频特性

在电压作用下，铌酸锂晶体的折射率会发生变化。光波通过加载有电压的铌酸锂波导相位调制器，输出光波的相位将发生变化，变化量与加载的电压有关。沿Z轴方向施加稳定的外电场，幅度为V0，沿Z轴偏振的光波通过波导后，由电光效应引起的相位变化表述为：

式中，ne为非常光折射率； γ33为电光系数；Γ为重叠积分因子，表示光波场与外加电场相互作用强弱，数值介于0和1之间；L为电极长度；G为电极间隙宽度；λ为输入光的波长。于是，在低频情况下，铌酸锂波导相位调制器的半波电压表述为：

施加高频调制信号到铌酸锂波导相位调制器上，加载到波导上的高频电信号幅度会受到相位失配和微波损耗的影响，引进M（ω）描述与频率相关的信号幅值变化，定义为［2］：

沿Z轴方向施加正弦型电信号，幅度为V0，频率为ω，沿Z轴偏振的光波通过波导后，由电光效应引起的相位变化表述为：

基于式（4）可知，铌酸锂波导相位调制器的半波电压与调制电压的频率相关，表述为：

文献［3］给出了Covega公司10 GHz铌酸锂波导相位调制器半波电压随调制频率的变化，见图2。随着调制频率的增加，铌酸锂波导相位调制器的半波电压也随之增加。

2　铌酸锂波导相位调制器应用

2.1高速光通信领域应用情况

铌酸锂波导相位调制器具有电光系数大，半波电压小，响应速度快，易于集成，技术成熟等优点，在光通信中有广泛的应用，主要表现在超短脉冲光源、码型编制、光毫米波等方面。

图2　调制频率与半波电压

2.1.1超短脉冲光源

高重复频率的超短脉冲光的产生是高速光时分复用技术的一个关键点。通过使用铌酸锂相位调制器和铌酸锂强度调制器对连续光进行调制可以获得高重复频率的超短脉冲［4］。一种利用铌酸锂相位调制器和铌酸锂强度调制器实现的超短脉冲产生装置的原理图见图3。连续光依次通过铌酸锂相位调制器和铌酸锂强度调制器，受到相位-强度调制后输出的光波为正弦波，随后使用色散补偿光纤（DCF）和梳状色散光纤链（CDPF）对光脉冲分别进行啁啾补偿、非线性压缩，压缩后的光脉冲注入高非线性光纤（HNLF），通过自相位调制展宽脉冲光谱，之后使用窄带滤波器进行滤波，消除光脉冲的基座。基于该方法获得了近傅里叶变换极限的超短脉冲，脉冲宽度仅1.8ps。

图3　超短脉冲产生装置原理

2.1.2码型编制

在光通信中，相位调制器可以应用在发射机上，实现多种高级码型的编制，例如用来构成16-QAM数据调制通信系统［5］、差分移相键控（DPSK）数据调制的OCDMA系统［6］以及多副载波系统［7］。图4即是一种实现16-QAM数据格式调制的通信系统的原理图。

图4　16-QAM数据调制通信系统原理

2.1.3光毫米波

光纤无线电（ROF）同时具备无线通信的灵活性和光纤通信的宽带宽、低损耗等特性，在宽带无线通信中具有很大的发展潜力。其中一项关键技术即是光毫米波的产生，使用相位调制器可以产生光毫米波［8］。图5即是一种通过并联两个相位调制器产生六倍频光毫米波的方案原理图。该系统用相位差180o的10GHz正弦信号分别调制两个并行的相位调制器，通过控制调制深度，产生抑制一阶边带的信号，随后通过耦合相减后，中心和二阶边带抵消，仅保留两个三阶边带，而高阶边带则忽略不计。

图5　一种六倍频光毫米波产生方案原理

2.2高功率激光系统领域应用情况

高功率激光系统要求输出激光光束具有稳定平滑的时间和空间分布，并要求具有百分之百的单纵模几率以及TEM00模输出【9】-【11】，因此在高功率激光系统中，多采用单纵模光纤振荡器作为系统的“种子源”，但由于单纵模激光器的窄线宽特性，在激光能量放大过程中，容易产生非线性效应，最主要的就是受激布里渊散射（SBS）的产生，而对于单模光纤放大传输产生SBS的情况国内外已经进行了很多的理论研究以及试验。文献［10］报道：脉冲信号中心波长为1053.0nm，脉冲宽度为10ns，重复频率为1Hz，在纤芯直径为15μm 的光纤放大试验中，当脉冲峰值功率达到375W时，出现了较强的SBS效应；文献［11］报道：在光纤放大试验中，输入脉冲信号中心波长为1053.0nm，峰值功率为2W左右，当信号脉冲宽度为3ns时，峰值功率放大到633W时，出现SBS效应，当信号脉冲宽度为5ns时，峰值功率放大到380W时，出现SBS效应。上述两篇报道在出现SBS效应后，处理手段均是通过相位调制器将激光带宽适当展宽后，减小受激布里渊散射的增益系数。

波导相位调制器除了在频域上将光谱展宽，将高能量激光分散到更宽的带宽上之外，光谱色散匀滑技术（SSD）同样需要相位调制，使得光束在焦斑面形成动态干涉图案，利用时间平均效应，使焦面的光强得到了匀滑，利用该原理，文献［12］通过试验分析结果表明：通过改善光谱形状可以提高匀滑效率，优化光谱相对主流的正弦调频光谱对匀滑效果的均方根值可提高43.7%；文献［13］在对光谱色散匀滑技术理论分析基础之上，通过实验表明：利用光谱色散匀滑技术中的正弦相位调制对光谱展宽并色散后，在色散方向上的焦斑均匀性有明显改善，焦斑的不均匀性从40%降低至12.5%。

中国的SG-Ⅲ主机装置前端系统采用两级波导相位调制器实现装置总体SBS抑制及SSD需求，光路配置如图6，通过对两级波导相位调制器加载不同频率的调制信号，对单纵模激光进行调制展宽，得到的激光光谱形状如图7。

图6　光纤前端系统光路配置简

图7　波导相位调制器展宽后光谱形状

此外，国外的多个大型高功率激光装置，如美国国家点火装置（NIF）、法国兆焦耳装置（LMJ）等均采用波导相位调制技术实现SBS抑制以及SSD需求。

3　结束语

本文介绍了铌酸锂波导相位调制器的工作原理及工作特性，总结了铌酸锂波导相位调制器在高速光通信系统以及高功率光纤激光系统中的应用情况。基于电光效应的铌酸锂波导相位调制器具有响应速度快、调制带宽大、易于集成到光纤系统等优点；不但可以单独使用，也可以通过延展结构或者与其他器件相结合形成新的器件，从而具备更强大的功能和广泛的应用，在光纤系统中的具有广阔的应用前景。

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12李平，马驰等.时域与空域结合实现光束匀滑的光谱优化分析［J］.中国激光，2008，35（4）: 534-538

13周申蕾，朱俭等.光谱色散平滑的实验研究［J］.中国激光，2006，3（3）: 321-324

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.019

收稿日期：（2016-05-05）