专利摘要

本实用新型涉及一种利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统，其技术特点在于：包括氦氖激光器光源A、格兰泰勒棱镜B、聚焦物镜C、包层波导模式调制器D、成像物镜E、光束质量分析仪F和温控仪G；所述氦氖激光器光源与格兰泰勒棱镜相连接，该格兰泰勒棱镜的另一端通过聚焦物镜与包层波导模式调制器相连接，该包层波导模式调制器的另一端通过成像物镜与光束质量分析仪相连接。本实用新型实现了控制KTN包层波导输出端光场模式分布。

权利要求

1.一种利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统，其特征在于：包括氦氖激光器光源A、格兰泰勒棱镜B、聚焦物镜C、包层波导模式调制器D、成像物镜E、光束质量分析仪F和温控仪G；所述氦氖激光器光源与格兰泰勒棱镜相连接，用于将其产生的圆偏振光激光光束输出至格兰泰勒棱镜后转换为沿X轴偏振的TE模式的线偏振光；该格兰泰勒棱镜的另一端通过聚焦物镜与包层波导模式调制器相连接，用于将该沿X轴偏振的TE模式的线偏振光聚焦在该包层波导模式调制器的包层波导端面上，并经由该包层波导模式调制器对包层波导中可导通光进行传输和模式调制；该包层波导模式调制器的另一端通过成像物镜与光束质量分析仪相连接，用于将经由包层波导模式调制器调制的光成像在光束分析仪上并由该光束分析仪接收并记录出射光束的光场模式分布信息。

2.根据权利要求1所述的一种利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统，其特征在于：所述包层波导模式调制器包括KTN晶体和安置在其下方的制冷片；该KTN晶体中包括用于传输和调制沿X轴偏振的TE模式的线偏振光的KTN包层波导；该制冷片与钽铌酸钾晶体和温控仪相连接，用于改变钽铌酸钾晶体及其KTN包层波导的温度。

说明书

技术领域

本实用新型属于光学功能器件和系统技术领域，涉及用于实现KTN包层波导中传输光模式改变的系统，尤其是利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统。

背景技术

随着光通信，光信息处理和激光技术的发展，传统的光学系统由于体积大，信息处理速度慢，已不能适应光电子技术发展的需要。1969年，美国Bell实验室的米勒博士提出了“集成光学”的概念，用类似于半导体集成电路的方法，把各种光学元件集成在同一“芯片”上，实现光学信息处理系统的集成化，微型化和全光信号处理化。光波导是集成光路的基本组成元件，其质量的优劣直接影响整个集成光路的性能。因此，光波导技术的发展在集成光学的发展中有着举足轻重的地位。

在集成光子学中，利用超快激光脉冲的直接写入，可以在各种光学材料中产生光波导。例如铌酸锂、钇铝石榴石、钒酸盐类、蓝宝石晶体、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡等。根据激光参数的不同，形成的波导也会具有不同的结构：可以由飞秒激光直写的区域由折射率变化形成波导，也可由直写区域周围材料的应力变化形成波导。利用这种加工方式可制备电光调制器、频率转换器，产生波导激光等。

包层波导是用多条平行的刻蚀痕迹来围绕成一个任意形状柱型结构，如果刻蚀痕迹的间隔足够接近，大约3～4μm，便可形成低折射率光壁，光壁围绕的中间部分即可形成光波导。该种波导为桶状结构，端面形状、尺寸可任意设计，导光效果好，便于耦合，并且与光纤有很好的匹配性。常见的包层波导有圆形包层波导，正方形包层波导和六边形包层波导。

KTN晶体是一种优良的弛豫铁电材料，近年来，已被研究出许多潜在的应用，包括能制成高速偏转器，温度调制器，光折变光针，和能进行无尺度光学和无衍射光波传输。

KTN晶体在光学领域有巨大的潜在应用，但关于在KTN晶体中加工出包层波导的文献至今尚未见报导。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统，利用KTN晶体的温度变化，实现对晶体包层波导中光场的模式分布进行调控。

本实用新型解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统，包括氦氖激光器光源A、格兰泰勒棱镜B、聚焦物镜C、包层波导模式调制器D、成像物镜E、光束质量分析仪F和温控仪G；所述氦氖激光器光源与格兰泰勒棱镜相连接，用于将其产生的圆偏振光激光光束输出至格兰泰勒棱镜后转换为沿X轴偏振的TE模式的线偏振光；该格兰泰勒棱镜的另一端通过聚焦物镜与包层波导模式调制器相连接，用于将该沿X轴偏振的TE模式的线偏振光聚焦在该包层波导模式调制器的包层波导端面上，并经由该包层波导模式调制器对包层波导中可导通光进行传输和模式调制；该包层波导模式调制器的另一端通过成像物镜与光束质量分析仪相连接，用于将经由包层波导模式调制器调制的光成像在光束分析仪上并由该光束分析仪接收并记录出射光束的光场模式分布信息。

而且，所述包层波导模式调制器包括KTN晶体和安置在其下方的制冷片；该KTN晶体中包括用于传输和调制沿X轴偏振的TE模式的线偏振光的KTN包层波导；该制冷片与钽铌酸钾晶体和温控仪相连接，用于改变钽铌酸钾晶体及其KTN包层波导的温度。

本实用新型的优点和有益效果：

1、本实用新型首次提出KTN晶体中的包层波导结构并对其光学特性进行探究，在本实用新型中，通过简单地控制KTN晶体的温度，进而控制KTN晶体中极性微纳米区的大小和分布，从而对KTN包层波导中可导通光模式进行调制，实现了控制KTN包层波导输出端光场模式分布。

2、本实用新型能够在500-650nm波长附近，利用端面耦合技术，仅通过简单地控制晶体温度在20℃到50℃之间变化，就能够实现波导单模输出到多模输出的调制，当晶体温度在20～35℃时，波导输出端模式为TE基模；当晶体温度在40～50℃时，波导输出端模式为TEM11多模，且输出模式均比较稳定。

3、本实用新型能够实现稳定的单模和多模输出，波导耦合效果较好。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理图；

图2为本实用新型的包层波导端面结构图；

图3为本实用新型中光束质量分析仪探测到的20～35℃波导输出端光场模式分布图；

图4为本实用新型中光束质量分析仪探测到的40～50℃波导输出端光场模式分布图；

图5为本实用新型中波导输出模式改变的理论解释的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例作进一步详述：

一种利用温度控制KTN(钽铌酸钾)包层波导传输模式的系统，如图1所示，包括氦氖激光器光源A、格兰泰勒棱镜B、聚焦物镜C、包层波导模式调制器D、成像物镜E、光束质量分析仪F和温控仪G；所述氦氖激光器光源与格兰泰勒棱镜相连接，用于将其产生的圆偏振光激光光束输出至格兰泰勒棱镜后转换为沿X轴偏振的TE模式的线偏振光；该格兰泰勒棱镜的另一端通过聚焦物镜与包层波导模式调制器相连接，用于将该沿X轴偏振的TE模式的线偏振光聚焦在该包层波导模式调制器的包层波导端面上，并经由该包层波导模式调制器对包层波导中可导通光进行传输和模式调制；该包层波导模式调制器的另一端通过成像物镜与光束质量分析仪相连接，用于将经由包层波导模式调制器调制的光成像在光束分析仪上并由该光束分析仪接收并记录出射光束的光场模式分布信息。

在本实施例中，所述包层波导模式调制器包括KTN晶体和安置在其下方的制冷片；该KTN晶体中包括用于传输和调制沿X轴偏振的TE模式的线偏振光的KTN包层波导；该制冷片与钽铌酸钾晶体和温控仪相连接，用于改变钽铌酸钾晶体及其KTN包层波导的温度。

本实用新型的利用温度控制KTN(钽铌酸钾)包层波导传输模式的系统的工作流程如下：

首先，氦氖激光器产生632.8nm的激光光束(圆偏振光)，之后该光束进入格兰泰勒棱镜，成为沿X轴偏振的线偏振光，然后，由格兰泰勒棱镜传出的光束，经过聚焦物镜后，入射到包层波导模式调制器，从包层波导模式调制器出来后的光束再经过成像透镜，之后光束入射到光束质量分析仪，由光束质量分析仪记录出射光束的光场模式分布信息。

下面对本实用新型的利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统的各个组件的功能作进一步说明：

A、氦氖激光器(HNR-IHT-2.0-P，632.8nm，≥2mW),用于产生实验中所需要的激光；

B、格兰泰勒棱镜(大恒,GCL-070213)，用于将氦氖激光器产生的圆偏振光转换为TE模式的线偏振光；

C、聚焦物镜，用于将光束聚焦在包层波导的端面；

D、安置在制冷片上的基于钽铌酸钾晶体的包层波导模式调制器，钽铌酸钾晶体中有飞秒激光写制的实验所需的包层波导，在晶体温度发生改变的情况下，波导导通的光束模式也会发生变化；制冷片与温控仪相连接，用于控制钽铌酸钾晶体及其包层波导的温度；

E、成像物镜，用于将由波导导出的光成像在光束分析仪上；

F、光束质量分析仪(WinCamDTM Series)，用于分析包层波导中可导通的光场模式；

G、温控仪(Arroyo Instruments，5305，5A/12V),用于改变KTN晶体的温度；

本实用新型的KTN包层波导中传输光模式调制的运作过程为：

首先，打开温控仪G，将温控仪所连接的基于钽铌酸钾晶体的包层波导模式调制器温度设置为20℃，待温度趋于稳定后(温度波动范围在0.03℃以内)，打开氦氖激光器A，由氦氖激光器A产生632.8nm的激光光束(圆偏振光)，该光束进入格兰泰勒棱镜B，由B将圆偏振光转换为偏振方向为X轴方向的线偏振光，其次，由格兰泰勒棱镜B出射的线偏振光激光光束经聚焦物镜C后，入射到基于钽铌酸钾晶体的包层波导模式调制器D；

其次，从D出来后的光束经过成像物镜C，之后光束入射到连接PC端的光束质量分析仪F，由光束质量分析仪F接收通过包层波导模式调制器D的光场模式信息；

其次，包层波导模式调制器D中的钽铌酸钾晶体是一种弛豫铁电材料，当晶体的温度发生变化时，晶体内部极性微纳米区域的大小和分布也会发生变化，影响钽铌酸钾晶体的折射率分布，从而包层波导内部的折射率分布发生相应改变，同时，波导导通的光场模式也发生变化。

最后，当通过温控仪G控制加在包层波导模式调制器D上的温度变化时，由光束质量分析仪F检测并记录包层波导模式调制器D中包层波导导通的电场模式的变化。

一种利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统的调制方法，包括以下步骤：

步骤1、打开温控仪，设置钽铌酸钾晶体温度为20℃，待温控仪显示温度趋于稳定，即温度波动范围不超过0.03℃后，进行以下步骤；

步骤2、调节基于钽铌酸钾晶体的包层波导模式调制器，利用光束质量分析仪的探测，使得波导输出端模式为稳定的基模；

步骤3、增加加在基于钽铌酸钾晶体的包层波导模式调制器的温度T，温度步长为5℃，调节包层波导模式调制器直至光束质量分析仪能够探测到稳定的基模模式，记录相应温度和光场模式信息；

步骤4、继续增高温度，直至光束质量分析仪能够探测到稳定的TEM11二阶光场模式，记录温度值和光场模式信息，当温度值增加至50℃时，一次完整的调制过程结束；

步骤5、多次重复步骤2至步骤4，若能得到相同的结果，则将记录的温度值和光场模式分布进行整理、对应，当温度处于20～35℃时，波导输出端光场模式为TE基模，当温度处于40～50℃时，波导输出端光场模式为TEM11模式。

图2为实验中实际加工KTN包层波导的端面图。如图2所示，本实验的包层波导类型为六边形包层波导。

图3为本实用新型中光束质量分析仪探测到的20～35℃波导输出端光场模式分布图，在此温度范围内，光场模式为TE基模。

图4为本实用新型中光束质量分析仪探测到的40～50℃波导输出端光场模式分布图，在此温度范围内，光场模式为TEM11模式。

图5为本实用新型中波导输出模式改变的理论解释的原理图。

本实用新型的工作原理为:

利用温度调控实现KTN包层波导中传输光模式改变的系统是基于KTN晶体中极性微纳米区随温度变化的特点而设计的。极性微纳米区出现在居里温度TC附近，本实验所用的KTN晶体TC为15℃。可以说，KTN晶体的一切优良特性都离不开极性微纳米区的存在。KTN晶体是一种典型的弛豫铁电材料，在TC以下时，晶体处于铁电相；在TC以上时，晶体则处于顺电相。在实验的温度范围内，晶体始终处于顺电相。

用飞秒激光在钽铌酸钾晶体中加工包层波导，激光烧蚀区域折射率变小，导致其附近区域晶格膨胀，折射率相应变大，因此，加工的多条线围绕的中间波导区域折射率变大，能够很好地把光限制在该区域，实现光的信息传递。当KTN温度较低时(20～35℃)，可将其看做具有保偏功能的光纤系统，TE偏振的入射光在通过波导后，其偏振方向能够很好的保持。当晶体温度较高时(40～50℃)，波导失去保偏功能，TE偏振的入射光通过波导后，其偏振状态发生变化。

本实用新型中涉及的温度改变出射光场模式的效应是由晶体中极性微纳米区随温度变化所引起的。温度越高，极性微纳米区的尺寸就越小，极性微纳米区的尺寸与晶体的温度呈现出如下关系：

其中，L是晶体中极性微纳米区尺寸，C是居里韦斯常数，T0是居里韦斯温度，κ是常数，T是晶体温度。由此可见，晶体的温度越高，极性微纳米区的尺寸就越小。

如图5所示，当KTN晶体温度在20～35℃时，根据等式(1)，此时由于温度较低，极性微纳米区尺寸较大，且相邻极性微纳米区之间的间隙很小。受周围激光烧蚀区的长形光斑影响，波导导波区中的极性微纳米区朝向大部分与长形光斑一致，沿y方向，只有少量沿x方向，这时光在波导中传播时主要受极性微纳米区的限制，极性微纳米区的作用类似于偏振片，当入射光为TE偏振光时，出射光仍为TE偏振的基模。

当晶体温度在40～50℃时，极性微纳米区的尺寸减小，相邻的极性微纳米区间的间隙增大，此时，间隙的导光作用不再可以忽略。当TE偏振光入射时，一部分经过x方向的极性微纳米区透射，另一部分受极性微纳米区的散射通过间隙传导，散射光的偏振方向也发生了一定的改变。因此，此时在出射端出现了TEM11模式，实现了由温度对光场模式的调控。

本实用新型能够在632.8nm波长附近，通过温度调控，将包层波导传输模式由TE基模，变化为稳定的TEM11二阶模，实现包层波导中的光场模式调控。我们采用纯的钽铌酸钾晶体(该晶体与半导体制冷片相连，内部有飞秒激光加工的包层波导)作为包层波导模式调制器的核心材料。通过改变包层波导模式调制器的温度，进而改变波导内部极化微纳米区的尺寸和极化微纳米区的间隙。当极化微纳米区域尺寸较大而其间隙较小时，波导类似于偏振片，具有保偏效果；当极化微纳米区域尺寸较小而其间隙较大时，波导不再具备保偏作用。因此，当晶体温度增加时，波导内部导光的模式会由TE基模向一TEM11二阶模转变，实现了温度对光场模式的调控。

本实用新型能够实现包层波导不同模式之间的转换和稳定传输。当晶体温度为20～35℃，包层波导传输光模式为TE模式的基模，升高温度至40～50℃，输出端模式中出现了稳定的TEM11二阶模式，从而实现了温度对KTN晶体包层波导中导光的模式调制。

需要强调的是，本实用新型所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

利用温度控制KTN包层波导传输模式的系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。