專利名稱：一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光通信應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器。
背景技術(shù)：
光調(diào)制器是高速、長距離光通信的關(guān)鍵器件，也是最重要的集成光學(xué)器件之一，它是通過電壓或電場的變化調(diào)控輸出光的振幅或相位的器件。光調(diào)制器的常用調(diào)制方法有機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制等。機(jī)械調(diào)制需要使用高速馬達(dá)，在腔外用高速旋轉(zhuǎn)的開縫轉(zhuǎn)盤很容易制成光斬波器，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的低頻調(diào)制；電光調(diào)制利用某些晶體、液體或氣體在外加電場作用下折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)制，LiTa03電光效應(yīng)調(diào)制器是利用晶體的電光效應(yīng)調(diào)制光的振幅或相位，其調(diào)制速度快，III / V族化合物光調(diào)制器利用Frang-Keldgsh效應(yīng),通過電壓改變材料的光吸收特性進(jìn)而改變光強(qiáng)，目前化合物光調(diào)制器能實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制；聲光調(diào)制利用光在聲場中的衍射現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)制，具有驅(qū)動功率低、光損耗小、消光比高等優(yōu)點(diǎn)；磁光調(diào)制利用法拉第效應(yīng)旋光效應(yīng)進(jìn)行光調(diào)制，由于材料透明波段的限制，磁光調(diào)制主要用于紅外波段。此外，還可以利用電場、磁場或溫度等參數(shù)的改變實(shí)現(xiàn)光波的頻率調(diào)制。由于工藝水平的不斷提高，雖然上述調(diào)制器件的尺寸能做得比較小，但它們?nèi)圆荒軡M足光通訊向硅集成化微小化的發(fā)展要求。另外，大部分光調(diào)制器還有以下問題:所需電壓太高、電流太大、磁場太強(qiáng)或體積太大等，它們在集成光學(xué)中表現(xiàn)得尤其明顯。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決目前微小硅集成光學(xué)模塊中的光強(qiáng)調(diào)制問題，提供了一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子 晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:所述光強(qiáng)調(diào)制器包括孔型硅基光子晶體、5CB液晶、透明導(dǎo)電膜層、外接電壓接線點(diǎn)和包層玻璃，其中，所述孔型硅基光子晶體由分束結(jié)構(gòu)、反射結(jié)構(gòu)和位于二者之間的自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)構(gòu)成，自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)包括三個(gè)自準(zhǔn)直區(qū)域(9、10、11)。另外，如果設(shè)晶格周期為a，則所述分束結(jié)構(gòu)的空氣孔孔徑為1.46a^l.48a，反射結(jié)構(gòu)的空氣孔孔徑為1.70a^l.80a，自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)的空氣孔孔徑為0.33a^0.34a，孔型硅基光子晶體的工作波長為5.69a 5.7a。所述自準(zhǔn)直區(qū)域的空氣孔內(nèi)填充有5CB液晶。所述包層玻璃有兩個(gè)，分別位于孔型硅基光子晶體垂直空氣孔的兩側(cè)。所述透明導(dǎo)電膜層直接鍍附在包層玻璃靠近孔型硅基光子晶體的一側(cè)，同孔型硅基光子晶體相接觸。所述外接電壓接線點(diǎn)(4)位于包層玻璃(5)的內(nèi)側(cè)面，同透明導(dǎo)電膜層(3)相連接。所述5CB液晶的折射率隨著外加電壓的變化而變化，兩束光干涉后出射。本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型一種基于自準(zhǔn)直的M-Z干涉結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)調(diào)制器，通過電壓調(diào)節(jié)5CB液晶的折射率，達(dá)到改變兩干涉臂光程差的目的，且不影響光的自準(zhǔn)直傳播，易于與調(diào)制后的光束無衍射損耗地傳輸至下一光學(xué)器件，因此本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、電壓低、調(diào)制度深、損耗小、結(jié)構(gòu)微小，便于集成，可廣泛應(yīng)用于集成光學(xué)領(lǐng)域。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器作進(jìn)一步說明


圖1為實(shí)施方式的光強(qiáng)調(diào)制器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施方式的二維孔型光子晶體結(jié)構(gòu)圖。圖3為實(shí)施方式的兩個(gè)出射端口的光強(qiáng)隨液晶折射率的變化圖。
具體實(shí)施方式
下面通過附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的說明光子晶體是一類介電常數(shù)周期性分布的微尺寸人工結(jié)構(gòu)材料。當(dāng)電磁波在其中傳播時(shí)，受到多重散射，散射波之間的干涉作用使光子晶體具有類似于固體晶體的能帶結(jié)構(gòu)，在帶與帶之間存在光子帶隙。光在光子晶體中傳播，其傳播特性由能帶結(jié)構(gòu)決定。光子晶體自準(zhǔn)直效應(yīng)，是指在光子晶體中光束可以在不引入傳統(tǒng)光子晶體波導(dǎo)的情況下，克服光束的衍射發(fā)散效應(yīng)而顯示出幾乎完全準(zhǔn)直的傳播特性。它源于光子晶體的獨(dú)特的色散性質(zhì)，即等頻圖上在特定的頻率區(qū)間和很大張角范圍內(nèi)存在非常平坦的等頻率面，光波能量的傳播總是垂直于等頻面。光子晶體的自準(zhǔn)直效應(yīng)不要求引入缺陷，其制造比引入缺陷的光子晶體更容易實(shí)現(xiàn)，且能更好地將光能無損耗耦合入下一光學(xué)器件中?；诠庾泳w特殊的色散性質(zhì)和禁帶特性，研究人員開發(fā)了大量用于光通訊的器件，如光子晶體激光器、光子晶體濾波器、光子晶體分光器、光子晶體波分復(fù)用器件等等。但這些器件中，很多都是利用缺陷波導(dǎo)傳輸光的，基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的空氣孔型硅基二維光子晶體器件較少；而且，目前研究的光子晶體器件中，幾乎沒有基于液晶調(diào)制的光強(qiáng)調(diào)制器。因此，在光通信向著微小化、集成化發(fā)展的大趨勢下，基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器件能夠很好地滿足集成光學(xué)中的低頻光強(qiáng)調(diào)制的要求。本實(shí)用新型就是基于以上構(gòu)思而提出的。本實(shí)用新型的工作原理如下所述外加電壓能使液晶分子的指向矢發(fā)生改變，5CB液晶的正常折射率11。=1. 522，反常折射率ne=l. 706。隨外加電壓由OV到5V不同，5CB液晶的折射率在Iitl到間遞增變化。當(dāng)填充于某一干涉臂上的液晶折射率發(fā)生變化時(shí)，兩條光路上的光由于干涉而出現(xiàn)光強(qiáng)的變化。實(shí)施方式如
圖1和圖2, —種光強(qiáng)調(diào)制器,包括孔型娃基光子晶體1、5CB液晶2、兩個(gè)透明導(dǎo)電膜層3、兩個(gè)外接電壓接線點(diǎn)4和兩個(gè)包層玻璃5。所述孔型硅基光子晶體I上分布著方形周期性排列的空氣孔，這些空氣孔直徑不同，分別用作分束結(jié)構(gòu)6、反射結(jié)構(gòu)7和自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)8。所述5CB液晶2填充于圖中所示的一支干涉臂上的自準(zhǔn)直區(qū)域9、10、11中的空氣孔內(nèi)；所述兩個(gè)包層玻璃5分別處于垂直空氣孔的兩側(cè)；所述兩個(gè)透明導(dǎo)電膜層3直接鍍附在兩個(gè)包層玻璃內(nèi)側(cè)；所述兩個(gè)外接電壓接線點(diǎn)4分別與兩個(gè)導(dǎo)電膜層3連接。外部所加電壓通過接線點(diǎn)施加在兩個(gè)透明導(dǎo)電膜層3上。[0020]本實(shí)施例中二維光子晶體為空氣孔型硅基光子晶體，空氣孔按照方形晶格排列，晶格周期為0.272 μ m。所述分束結(jié)構(gòu)6由一排23個(gè)半徑0.133 μ m的空氣孔構(gòu)成；所述反射結(jié)構(gòu)7由三排半徑0.16μπι的空氣孔構(gòu)成，每排分別為23個(gè)、21個(gè)、19個(gè)空氣孔；其余的空氣孔半徑為0.09 μ m,即所述的自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)8。兩干涉臂的長度U、L2分別為L^Ln+Ln+LoK^.e^ + 7.89λ/2 +13.6>/2 )^,L2=7.89V2 μιη。本光強(qiáng)調(diào)制器的工作波長為光通信所用波長，λ =1.55 μ m。本實(shí)用新型的操作步驟1、對應(yīng)輸入激光波長本實(shí)施例所對應(yīng)的激光波長為常用通信用波長1.55 μ m,從而能與現(xiàn)有成熟的光通信技術(shù)兼容，快速投入到光通信中。2、操作過程本實(shí)用新型操作簡單。激光從左端箭頭所示處入射到分束結(jié)構(gòu)6，經(jīng)分束結(jié)構(gòu)6后分為兩束相干光。其中一束光經(jīng)由空氣孔光子晶體自準(zhǔn)直傳播到另一端的分束結(jié)構(gòu)；另一束光被分束結(jié)構(gòu)反射后，經(jīng)過填充有液晶的孔型光子晶體，并經(jīng)過反射結(jié)構(gòu)7反射兩次后，與前一束光在另一端的分束結(jié)構(gòu)6上干涉后沿OUTl端或者0UT2端繼續(xù)無衍射自準(zhǔn)直傳播。外部電壓信號通過電壓接線點(diǎn)4接入，作用在透明導(dǎo)電膜層3 (ΙΤ0層)上，外部電壓通過透明導(dǎo)電膜層(ΙΤ0層)施加到填充于空氣孔中的液晶上。當(dāng)外加電壓為零時(shí)，液晶呈現(xiàn)出正常折射率，光束在OUTl端有最強(qiáng)的輸出，0UT2端有最弱的輸出；當(dāng)外加電壓逐時(shí)增大時(shí)液晶折射率也會變大，導(dǎo)致兩光束相位差變化，從而引起0UT1、0UT2端出射光光強(qiáng)的變化。在整個(gè)變化過程中，OUTl端和0UT2端的出射光光強(qiáng)是互補(bǔ)的，可以根據(jù)實(shí)際需要選用端口。綜上所述，本實(shí)用新型提出的基于自準(zhǔn)直的光強(qiáng)調(diào)制器，通過將調(diào)制電壓加在液晶兩側(cè)起到改變液晶折射率的作用，進(jìn)而影響干涉光路的相位差，從而引起出射光光強(qiáng)隨調(diào)制電壓信號的變化。由于液晶指向矢轉(zhuǎn)向的響應(yīng)時(shí)間在微秒級，所以要求電壓信號的變化時(shí)間滿足液晶的響應(yīng)時(shí)間。調(diào)整信號電壓在(T5V間變化便可以獲得調(diào)制的光信號輸出。本實(shí)用新型可廣泛的應(yīng)用于光通信和集成光學(xué)領(lǐng)域。這里本實(shí)用新型的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本實(shí)用新型的范圍限制在實(shí)施例中。實(shí)施例中的變形和改變是可能的，對那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本實(shí)用新型的精神或本質(zhì)特征的情況下，本實(shí) 用新型可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本實(shí)用新型范圍和精神的情況下，可以對上述實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。
權(quán)利要求1.一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:所述光強(qiáng)調(diào)制器包括孔型硅基光子晶體(1)、5CB液晶(2)、透明導(dǎo)電膜層(3)、外接電壓接線點(diǎn)(4)和包層玻璃(5)，其中，所述孔型硅基光子晶體(1)由分束結(jié)構(gòu)(6)、反射結(jié)構(gòu)(7)和位于二者之間的自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)(8 )構(gòu)成，自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)(8 )包括三個(gè)自準(zhǔn)直區(qū)域(9、10、11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基 于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:設(shè)晶格周期為a，則分束結(jié)構(gòu)(6)的空氣孔孔徑為1.46a^l.48a，反射結(jié)構(gòu)(7)的空氣孔孔徑為1.70a 1.80a,自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)(8)的空氣孔孔徑為0.33a 0.34a。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:設(shè)晶格周期為a，則所述孔型硅基光子晶體(I)的工作波長為5.69a^5.7a。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:所述自準(zhǔn)直區(qū)域(9、10、11)的空氣孔內(nèi)填充有5CB液晶(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:所述包層玻璃(5)有兩個(gè)，分別位于孔型硅基光子晶體(I)垂直空氣孔的兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:所述透明導(dǎo)電膜層(3)直接鍍附在包層玻璃(5)靠近孔型硅基光子晶體(I)的一側(cè)，同孔型娃基光子晶體(I)相接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:所述外接電壓接線點(diǎn)(4)位于包層玻璃(5)的內(nèi)側(cè)面，同透明導(dǎo)電膜層(3)相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，其特征在于:所述5CB液晶(2)的折射率隨著外加電壓的變化而變化，兩束光干涉后出射。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維光子晶體光強(qiáng)調(diào)制器，屬于光通信應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其適用于光通信中的集成光學(xué)領(lǐng)域。所述光強(qiáng)調(diào)制器包括孔型硅基光子晶體、5CB液晶、透明導(dǎo)電膜層、外接電壓接線點(diǎn)和兩個(gè)包層玻璃。其中，孔型硅基光子晶體的部分孔中填充5CB液晶，包層玻璃覆蓋于光子晶體中垂直于空氣孔的兩側(cè)，透明導(dǎo)電膜層直接鍍附在包層玻璃內(nèi)側(cè)，外接電壓接線點(diǎn)與透明導(dǎo)電膜層連接，外加電壓通過接線點(diǎn)施加在透明電極上。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，光在其中自準(zhǔn)直傳播使調(diào)制后的光束易于無衍射損耗地傳輸至下一光學(xué)器件，插入損耗很小。
文檔編號G02F1/13GK202916550SQ201220653770
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者蔣強(qiáng), 梁斌明, 胡艾青, 胡水蘭, 張磊, 湛勝高, 朱幸福 申請人:上海理工大學(xué)