专利名称：大功率电光调制器的制作方法
技术领域：
本发明属于空间激光通信技术领域，涉及到一种电光调制器。
技术背景在空间激光通信系统中，需要对通信激光进行调制，大功率电光调制器 就是利用电光调制晶体的电光效应实现对激光进行调制的一种装置。《光电子'激光》刊物2001年11期"40GHz铌酸锂电光调制器"文献中介绍了-"种40GHz 复合电极型高速电光调制器。《光子学报》刊物2002年31巻0Z2期"100GHz 复合型行波电极铌酸锂电光调制器"文献中介绍了一种100GHz高速波导型电 光调制器。《激光与红外》刊物第33巻第1期"高速聚合物电光调制器的进 展"文献中介绍了高速率电光调制器的研究方法和发展趋势。CN1299472号专 利介绍了应用于光纤激光通信的高速电光调制器，CN2566298号专利介绍了电 极结构高速铌酸锂电光调制器。由于激光在大气传输中的衰减特性，激光波 长优选810nm，而且大功率电光调制器的功率和带宽相互制约，上述文献中介 绍的电光调制器虽然带宽很高，但是输出激光功率小于10mW，调制激光波长 不是针对810nm系列，不适合远距离自由空间、临近空间激光通信对激光波 长和功率的需要。发明内容本发明提供的是大功率电光调制器，该大功率电光调制器是针对810mn 系列波长的激光进行调制，在满足空间激光通信对带宽要求的前提下，提高 输出激光功率，大功率电光调制器输出激光功率100mW-500mW，调制带宽 0. 5GHz-5. OGHz。本发明的大功率电光调制器结构见图1，该大功率电光调制器由半导体激 光器l、光纤2、准直器3、起偏器4、电光调制晶体单元5、检偏器6、激光 器电源9、供电电源IO，还有光接收器7、光接收器8、驱动器ll、编码信号 源12构成；大功率电光调制器各部分采用光纤和光电耦合，构成一个闭环反 馈控制系统；准直器3采用自聚焦透镜；电光调制晶体单元5采用N个电光 调制晶体的"组合调制"方式，并且采用宽带行波电极，N二2m,m为自然数；半导体激光器1通过光纤2和准直器3相连接，半导体激光器1发射的 激光通过准直器3后整型，光纤2使半导体激光器1和准直器3实现了光纤 耦合，提高了激光的传输效率，准直器3采用自聚焦透镜；起偏器4和电光调制晶体单元5相连接，电光调制晶体单元5和检偏器6 相连接，电光调制晶体单元5采用"组合调制"方式，电光调制晶体单元5 内含有上述的N个电光调制晶体，N个电光调制晶体尺寸完全相同，形状都为 长方体，将N个电光调制晶体的光轴垂直放置，这样放置电光调制晶体减少 了由于自然双折射引起的相位延迟和温度引起的漂移，由准直器3发射的激 光经过起偏器4后成为偏振光，偏振光通过电光调制晶体单元5后得到调制， 调制后的偏振光经过检偏器6后送至下级的使用单元；从电光调制晶体单元5的出射端面满孔径出射的光束的光路如图2所示，起偏器4和起偏器6的折射率为"，起偏器4和起偏器6的等效光程厶为 8/"，电光调制晶体折射率为A,，其等效光程厶为40/w ，从准直器3的端 面到电光调制晶体单元5入射面的等效光程Z'为￡,+￡2+(30-8-2V^)，从 准直器3端面到电光调制晶体单元5出射面的等效光程Z +丄2 ;起偏器4和光接收器7光电耦合连接，电光调制晶体单元5和驱动器11 用高频同轴电缆连接，检偏器6和光接收器7光电耦合连接，光接收器7和 光接收器8分别与驱动器11用高频同轴电缆相连接；激光器电源9和半导体激光器1用高频同轴电缆相连接，激光器电源9 为半导体激光器l提供电源；编码信号源12和驱动器11用高频同轴电缆相连接，编码信号源12为驱 动器11提供高频、高功率方波交流信号，驱动器11输出信号通过高频同轴 电缆和特殊电极加到电光调制晶体单元5上，可以根据编码信号源12，改变 电光调制晶体单元5的电光特性，从而调制起偏器4发送至电光调制晶体单 元5的偏振光；供电电源10分别与激光器电源9、编码信号源12和驱动器11用导线相 连接，供电电源10为激光器电源9、编码信号源12和驱动器11提供电源；电光调制晶体单元5的宽带行波电极设计及制作方法，电极的设计综合 考虑调制电压和调制带宽，并且考虑电极与负载的阻抗匹配、电极损耗对带 宽及半波电压的影响；电光调制晶体单元5的光反馈信号实现对静态工作点的实时控制，由于 自动偏差控制性，调制器的静态工作点将会自动保持，但由于周围温度的变 化会产生反向漂流，或由于高频连续波信号而出现晶体的电介质加热现象，静态工作点会变得不稳定，为了维持期望的静态工作点，把进入电光调制晶体单元5的光抽样信号和离开调制器的光抽样信号用光接收器7和光接收器8接收，转化成电信号，形成一个闭环光电反馈控制系统；驱动器11和编码信号源12配套，为电光调制晶体提供方波交流信号； 大功率电光调制器的机械结构如图3所示，由光轴调整架15、格兰棱镜盒16、 45度反射镜17、电光调制晶体盒18、格兰棱镜盒19、 45度反射镜20 构成，整个大功率电光调制器的机械结构外形为长方体，电光调制晶体盒18 放置在V型槽上，电光调制晶体盒18用锁紧螺钉和外壳连在一起，电光调制 晶体单元5和盒体绝缘，采用螺钉固定在电光调制晶体盒18上，格兰棱镜盒 16、 45度反射镜17、格兰棱镜盒19、 45度反射镜20为长方体，精密调整后 和大功率电光调制器盒体用锁紧螺钉连接，考虑到整个镜架结构的稳定性， 在装配调试完成后，螺纹联接处点胶固定。 有益效果本发明提供的大功率电光调制器可以实现输出激光功率lOOmW-500mW、调 制带宽0. 5GHz-5. OGHz的810nm系列波长激光调制，解决了大功率电光调制 器功率和带宽互相制约的难点，在适当降低带宽的条件下，提高了大功率电 光调制器的输出激光功率，满足于自由空间、临近空间激光通信需要。
图1是大功率电光调制器结构示意图。 图2是电光调制晶体单元光路图。 图3是大功率电光调制器装配图。
具体实施方式
实施例1半导体激光器l选用810nm系列半导体激光器，激光功率0.8W，激光器 电源9和半导体激光器1用高频同轴电缆相连接，激光器电源9和半导体激 光器1配套，激光器电源9为半导体激光器1提供电源，光纤选用100nm直 径，准直器3采用自聚焦透镜，半导体激光器1通过光纤2和准直器3相连 接，半导体激光器1发射的激光通过准直器3后整型，光纤2使半导体激光 器1和准直器3实现了光纤耦合，提高了激光的传输效率，准直器3采用自 聚焦透镜，起偏器4和电光调制晶体单元5相连接，电光调制晶体单元5和 检偏器6相连接，电光调制晶体单元5采用"组合调制"方式，电光调制晶 体单元5的材料选用LiNbO:,,电光调制晶体单元5由2个长方体电光调制晶 体构成，电光调制晶体长和高都为10mm，宽20腿，将光轴垂直放置。这样放 置电光调制晶体减少了由于自然双折射引起的相位延迟和温度引起的漂移。从电光调制晶体单元5的出射端面满孔径出射的光束的光路如图2所示。 起偏器4和起偏器6的材料为方解石，其在波长O. 81 u m处的折射率^约1. 65， 起偏器4和起偏器6的等效光程厶为丄,=8/" = 8/1.65 = 4.95(mm) 。 LiNbO:,晶 体在0. 81 U m处的/ 。=2. 186，其等效光程厶为:丄3 =40/" =40/2.186"8.25(附附)。 从自聚焦透镜的端面到LiNbO:,电光调制晶体单元5入射面的等效光程Z'为 丄'=^ +丄2 + (30 -8 -2V^) = 26.01(m附)。从准直器3端面到电光调制晶体单元出射 面的等效光程丄'+丄2 =26.01 +18.25 = 44.26(mm)。电光调制晶体单元5的宽带行波电极设计及制作方法，电极的设计综合 考虑调制电压和调制带宽，并且考虑电极与负载的阻抗匹配、电极损耗对带宽及半波电压的影响。起偏器4和光接收器7光电耦合连接，电光调制晶体单元5和驱动器11 用高频同轴电缆连接，检偏器6和光接收器7光电耦合连接，光接收器7和 光接收器8分别与驱动器11用高频同轴电缆相连接。编码信号源12和驱动 器ll用高频同轴电缆相连接。驱动器11和编码信号源12配套，为电光调制 晶体提供峰-峰电压200V、频率500M的交流方波信号。电光调制晶体单元5 的光反馈信号实现对静态工作点的实时控制。由于自动偏差控制性，调制器 的静态工作点将会自动保持。但由于周围温度的变化会产生反向漂流，或由 于高频连续波信号而出现晶体的电介质加热现象，静态工作点会变得不稳定。 为了维持期望的静态工作点，我们把进入电光调制晶体单元5的光抽样信号 和离开调制器的光抽样信号用光接收器7和光接收器8接收，转化成电信号， 形成一个光电闭环反馈控制系统。大功率电光调制器的机械结构如图3所示，由光轴调整架15、格兰棱镜 盒16、 45度反射镜17、电光调制晶体盒18、格兰棱镜盒19、 45度反射镜20 六部分构成。整个大功率电光调制器的机械结构外形尺寸为40X60X 150皿。 电光调制晶体盒18放置在V型槽上，电光调制晶体盒18用锁紧螺钉和外壳 连在一起，电光调制晶体单元5和盒体绝缘，采用螺钉固定在电光调制晶体 盒18上。格兰棱镜盒16、 45度反射镜17、格兰棱镜盒19、 45度反射镜20 径为10mm，精密调整后和大功率电光调制器盒体用锁紧螺钉连接。考虑到整 个镜架结构的稳定性，在装配调试完成后，螺纹联接处点胶固定。本发明实施例是以LiNbO:,晶体的电光效应为基础，采用"组合调制"方 法、闭环反馈控制技术、电光调制晶体参数优化设计和宽带行波电极设计技术、高效耦合技术，实现了激光波长810nm、输出激光功率150mW、调制带宽 l.OGHz的大功率电光调制器。
权利要求
1、大功率电光调制器，由半导体激光器(1)、光纤(2)、准直器(3)、起偏器(4)、电光调制晶体单元(5)、检偏器(6)、激光器电源(9)、供电电源(10)构成，其特征在于还有光接收器(7)、光接收器(8)、驱动器(11)、编码信号源(12)构成；大功率电光调制器各部分采用光纤和光电耦合，构成一个闭环反馈控制系统；准直器(3)采用自聚焦透镜；电光调制晶体单元(5)采用N个电光调制晶体的“组合调制”方式，并且采用宽带行波电极，所述的N＝2m，m为自然数；半导体激光器(1)通过光纤(2)和准直器(3)相连接，半导体激光器(1)发射的激光通过准直器(3)后整型，光纤(2)使半导体激光器(1)和准直器(3)实现了光纤耦合，准直器(3)采用自聚焦透镜；起偏器(4)和电光调制晶体单元(5)相连接，电光调制晶体单元(5)和检偏器(6)相连接，电光调制晶体单元(5)采用“组合调制”方式，电光调制晶体单元(5)内含有上述的N个电光调制晶体，N个电光调制晶体尺寸完全相同，形状都为长方体，将N个电光调制晶体的光轴垂直放置，由准直器(3)发射的激光经过起偏器(4)后成为偏振光，偏振光通过电光调制晶体单元(5)后得到调制，调制后的偏振光经过检偏器(6)后送至下级的使用单元；从电光调制晶体单元(5)的出射端面满孔径出射的光束从准直器(3)发射、顺次经过起偏器(4)和电光调制晶体单元(5)到检偏器(6)，起偏器(4)和起偏器(6)的折射率为n，起偏器(4)和起偏器(6)的等效光程L1为8/n，电光调制晶体折射率为no，其等效光程L2为40/no，从准直器(3)的端面到电光调制晶体单元(5)入射面的等效光程L′为L1+L2+(30-8-2)，从准直器(3)端面到电光调制晶体单元(5)出射面的等效光程L′+L2；起偏器(4)和光接收器(7)光电耦合连接，电光调制晶体单元(5)和驱动器(11)用高频同轴电缆连接，检偏器(6)和光接收器(7)光电耦合连接，光接收器(7)和光接收器(8)分别与驱动器(11)用高频同轴电缆相连接；激光器电源(9)和半导体激光器(1)用高频同轴电缆相连接，激光器电源(9)为半导体激光器(1)提供电源；编码信号源(12)和驱动器(11)用高频同轴电缆相连接，编码信号源(12)为驱动器(11)提供高频、高功率方波交流信号，驱动器(11)输出信号通过高频同轴电缆和特殊电极加到电光调制晶体单元(5)上，可以根据编码信号源(12)，改变电光调制晶体单元(5)的电光特性，从而调制起偏器(4)发送至电光调制晶体单元(5)的偏振光；供电电源(10)分别与激光器电源(9)、编码信号源(12)和驱动器(11)用导线相连接，供电电源(10)为激光器电源(9)、编码信号源(12)和驱动器(11)提供电源；电光调制晶体单元(5)的光抽样信号和离开调制器的光抽样信号用光接收器(7)和光接收器(8)接收，转化成电信号，形成一个闭环光电反馈控制系统，实现对静态工作点的实时控制；驱动器(11)和编码信号源(12)配套，为电光调制晶体提供方波交流信号；大功率电光调制器的机械结构由光轴调整架(15)、格兰棱镜盒(16)、45度反射镜(17)、电光调制晶体盒(18)、格兰棱镜盒(19)、45度反射镜(20)构成，整个大功率电光调制器的机械结构外形为长方体，电光调制晶体盒(18)放置在V型槽上，电光调制晶体盒(18)用锁紧螺钉和外壳连在一起，电光调制晶体单元(5)和电光调制晶体盒(18)盒体绝缘，采用螺钉固定在电光调制晶体盒(18)上，格兰棱镜盒(16)、45度反射镜(17)、格兰棱镜盒(19)、45度反射镜(20)为长方体，精密调整后和大功率电光调制器盒体用锁紧螺钉连接固定。
全文摘要
本发明提供的大功率电光调制器由半导体激光器(1)、光纤(2)、准直器(3)、起偏器(4)、电光调制晶体单元(5)、检偏器(6)、激光器电源(9)、供电电源(10)，还有光接收器(7)、光接收器(8)、驱动器(11)、编码信号源(12)构成；大功率电光调制器各部分采用光纤和光电耦合；准直器(3)采用自聚焦透镜；电光调制晶体单元(5)采用“组合调制”方式，并且采用宽带行波电极。该大功率电光调制器可以实现输出激光功率100mW-500mW、调制带宽0.5GHz-5.0GHz的810nm系列波长激光调制，解决了大功率电光调制器功率和带宽互相制约的难点，在适当降低带宽的条件下，提高了大功率电光调制器的输出激光功率，满足空间激光通信需要。
文档编号G02F1/03GK101226283SQ20081005028
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月22日 优先权日2008年1月22日
发明者刘国军, 唐颜峰, 张剑家, 锐 李, 李洪祚, 柱 梁, 詹伟达, 郑建平, 金光勇 申请人:长春理工大学