（光学专业论文）mgolinbo3波导调制器的设计和研制.pdf

a b s t r a c t m g o ：l i n b 0 3 波导调制器的设计和研制 摘要 本课题研制的m g o ：l i n b o ，电光波导调制器，应用于激光惯性约束核聚 变( i c f ) 的驱动器的前端脉冲整形。在m g o ：l i n b o ，基底材料上，以苯甲酸 为质子源，由质子交换制备了平面波导样品，建立了质子交换的扩散方程；通 过一系列退火实验，掌握了质子交换波导的光学参数随退火的变化规律：结合 光波导传输理论和实验得到的扩散规律和退火规律，完成单模条波导的实验制 备，实验上观察了条波导的模场分布。系统论述了行波电极设计原理，完成了 满足高速带宽要求的行波电极的设计。 ， f 本文首先系统研究了质子交换波导的光学特性。以苯甲酸为质子源在y 切m g o ：l i n b o ，和z 切l i n b o ，两种晶体上制备了平面波导样品，选择2 0 0 0 c ， 2 2 0 0 c ，2 4 0 0 c 三个交换温度，在每一个交换温度下选择三个不同的交换时间 制备了质子交换平面波导。由棱镜耦合法测量所制备的平面波导的有效折射 率，利用逆w k b 法模拟其折射率分布，并得到平面波导的交换深度。 通过模拟质子交换波导的折射率分布，验证了y 切m g o ：l i n b o ，和z 切 l i n b o ，质子交换波导的折射率分布的线性阶跃性。将阶跃和线性阶跃模型的 理论有效折射率值和实验测得的有效折射率值分别进行了比较，发现线性阶跃 的模型更精确。同时比较y 切m g o ：l i n b o ，和z 切l i n b o ，两种平面波导样 品的折射率分布发现，y 切m g o ：l i n b o ，的折射率分布较平坦，用简单阶跃 模型来模拟折射率分布已能满足一般计算精度要求：而z 切l i n b o ，的折射率 分布线性阶跃性更为明显，必须用线性阶跃模型来模拟。 在一定交换温度下，交换深度和交换时间平方根存在着线性关系，从而 得到每个交换温度下的有效扩散系数，当前实验条件下的扩散常数和激活能， 由此掌握了质子交换的扩散方程。最后对y 切m g o ：l i n b o ，和z 切l i n b 0 3 a b s t r a c t 质子交换波导的扩散特性进行了分析比较。 实验选择三个退火温度3 0 0 0 6 ，3 5 0 0 c ，4 0 0 0 c 下对制备的m g o ：l i n b o ，质 子交换平面波导进行累积退火，每次退火后测量波导的有效折射率，并用逆 w k b 法模拟各个退火条件下质子交换平面波导的折射率分布。结果表明，退 火使波导有效折射率降低，同时波导层不断向衬底方向延伸，并伴随模式增加 现象：波导折射率分布经历了一系列的变化，渐变性越来越明显；退火温度是 决定退火后波导特性的关键：退火温度越高，有效折射率降低得越快，降低的 幅度也很大，而且表面折射率降低的大小幅度最终是由退火温度决定，而非退 火时间。 将质子交换实验中得到的扩散方程、退火规律和单模条波导的理论设计 相结合，并与实际实验环境磨合修正后，完成单模条波导的制作，观察了条波导的模 场分布。实验表明：在2 0 0 0 c 交换少于一小时，或在2 4 0 0 c 交换少于半小时所 得到的条波导( 宽度小于6 u m ) 是单模条波导。在4 0 0 0 c 退火时间小于半小时， 波导的模数一般保持不变，即退火前的单模质子交换波导仍保持单模。 根据行波电极设计原理，得到了行波电极的特征阻抗，微波有效折射率， 衰减系数，带宽及驱动电压与行波电极结构参数之间的关系。设计中综合考虑 了微波和光波的位相速度匹配，低半波电医和驱动源特征阻抗匹配，微波损耗 等因素相互之间的影响，进行多次优化设计，完成了带宽为5 6 g h z 的行波 电极的设计。卜，。一 关键字：光波导，质子交换，扩散特性，退火，行波电极 a b s t r a c t d e s i g na n dd e v e l o p m e n to f w a v e g u i d e m o d u l a t o ro n m g o ：l i n b 0 3 a b s t r a c t t h e o p t i c a lw a v e g u i d e m o d u l a t o ro nm g o ：l i n b 0 3i n p r e s e n tp r o j e c tw a s u s e d i ni c f ( i n e r t i a lc o n f i n e d f u s i o n ) s y s t e m p l a n a rw a v e g u i d e so nm g o ：l i n b 0 3c r y s t a l s w e r ef a b r i c a t e db yp r o t o ne x c h a n g ei nb e n z o i ca c i d ，a n dt h ed i f f u s i o ne q u a t i o nf o r t h ep r o t o ne x c h a n g ep r o c e s sw a sr e d u c e d t h ee v o l u t i o no f o p t i c a lp a r a m e t e r sw i t h a n n e a l i n gt i m ew a sa c h i e v e da f t e rt h ep o s t a n n e a l i n gp r o c e s s s i n g l em o d es t r i p w a v e g u i d e sw e r ef a b r i c a t e d ，w h i c hb a s e do no p t i c a lt r a n s m i s s i o nt h e o r ya n dt h e e x p e r i m e n t a l1 a w m o d es t r u c t u r ep a r e r n so fs t r i pw a v e g u i d e sw e r eo b s e r v e du s i n g c c dm o n i t o r n l ed e s i g np r i n c i p l eo ft r a v e l i n gw a v ee l e c t r o d ew a sd i s c u s s e d s y s t e m a t i c a l l y , a n d t h ep a r a m e t e r so f d e s i g n e de l e c t r o d e sm e to u re x p e c t a t i o n p l a n a rw a v e g u i d e so nyc u tm g o ：l i n b o ，a n dzc u tl i n b 0 1w e r ef a b r i c a t e db y p r o t o ne x c h a n g ei nb e n z o i ca c i d t h ee x p e r i m e m sw e r ec o n d u c t e da tt h r e ed i f i e r e u t e x c h a n g et e m p e r a t u r e s t h ee f f e c t i v e i n d i c e so ft h ef a b r i c a t e dw a v e g u i d e sw e r e m e a s u r e db yp r i s mc o u p l i n gm e t h o d t h ei n d e xp r o f i l ea n dg u i d ed e p t hw e r et h e n c a l c u l a t e db yi n v e r s ew k bm e t h o d 1 1 1 ei n d e xp r o f i l e so ft h ep r o t o ne x c h a n g ew a v e g u i d e so nyc u tm g o ：l i n b 0 3 a n dzc u tl i n b 0 ，w e r es i m u l a t e da sl i n e a rs t e pm o d e l ，n o tt h es i m p l es t e pm o d e l t h em e a s u r e de f f e c t i v ei n d i c e sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t e de f f c c t i v ei n d i c e s o fl i n e a rs t e pm o d e la n ds t e pm o d e l r e s p e c t i v e l y , w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h el i n e a rs t e p m o d e lw a sm o r ea c c u r a t e t h es l o p ec o e m c i e n to fyc u tm g o ：l i n b o ，w a sm u c h s m a l l e rt h a nt h a to fzc u tl i n b 0 1o n e s t h ei n d e xp r o f i l eo fyc u tm g o ：l i n b o ，c a n b es i m u l a t e da se i t h e rs t e do rl i n e a rs t e pm o d e lg e n e r a l l y ，b u tt h a to fzc u tl i n b 0 3 o n l yc a n b es i m u l a t e da sl i n e a rs t e pm o d e l n l ee f f e c t i v ed i f l u s i o nt o e f f i c i e n t s d i f i l l s i o nc o n s t a n ta n da c t i v a t i o ne n e r g yf o r t h ep r o t o ne x c h a n g ep r o c e s sw e r ea c h i e v e d n l e nt h ed i f f u s i o ne q u a t i o nw a s o b t a i n e d t h ed i f f i l s i o nc h a r a c t e r i z a t i o n so fp r o t o ne x c h a n g ep r o c e s s e so nyc u t m g o ：l i n b o ，a n d zc u tl i n b o ，w e r e c o m p a r e df i n a l l y t h ea n n e a l i n ge x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ta t3 0 0 0 c 3 5 0 0 ca n d4 0 c 嘶t 1 1 a n n e a l i n gd u r a t i o na c c u m u l a t e d t h ee f f e c t i v ei n d i c e sw e r em e a s u r e da n dt h ei n d e x p r o f i l ew a ss i m u l a t e da f t e re v e r ya n n e a l i n gp r o c e s s t h ee f f e c t i v e i n d i c e sw e r e g e n e r a l l y d e c r e a s e d a n dt h e g u i d ed e p t hb e c a m ed e e p e n e d 、v i mi n c r e a s i n g i n g u i d e d m o d e n u m b e r t h ei n d e x p r o f i l e t e n d e dt os h o w g r a d e d i n d e x c h a r a c t e r i z a t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h e a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e w a st h e k e y t o a b s t r a c t d e t e r m i n et h eo p t i c a lc h a r a c t e r i z a t i o no f w a v e g u i d e sa f t e ra n n e a l i n g s i n g l e m o d es t r i p w a v e g u i d e s w e r e f a b r i c a t e d ，w h i c hb a s e do n o p t i c a l t r a n s m i s s i o nt h e o r ya n dt h e e x p e r i m e n t a ll a w m o d es 仃u a u r ep a t t e r n so fs t r i p w a v e g u i d e sw e r eo b s e r v e du s i n gc c d m o n i t o r i ts h o w e dt h es t r i pw a v e g n i d e st h a t e x c h a n g e dl e s st h a na nh o u r a t2 0 0 ”co rl e s st h a nh a l fa l lh o u ra t2 4 0 0 cw e r e s i n g l e m o d e ，w h i c hw i d t hw a sl e s st h a n6 u m t h eg u i d e m o d en u m b e rk e p tac o n s t a n ta f t e r a n n e a l i n gp r o c e s sa t4 0 0 ”c w h i c ha n n e a l i n gt i m ew a sl e s st h a nh a l fa nh o u r s ot h e s i n g l em o d ew a v e g u i d e s t i l lk e p t s i n g l em o d e t h ed e s i g np r i n c i p l eo f t r a v e l i n gw a v ee l e c t r o d ew a sd i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y t h ei m p e d a n c e 。e f f e c t i v em i c r o w a v ei n d e x m i c r o w a v ea t t e n u a t i o np a r a m e t e r , b a n d w i d t h a n dd r i v ev o l t a g ew e r ep r e s e n t e da saf u n c t i o no ft l l ee l e c t r o d e p a r a m e t e r s t h ep a r a m e t e r so f d e s i g n e d e l e c t r o d e sm e to u r e x p e c t a t i o n k e y w o e d s ：o p t i c a lw a v e g u i d e ，p r o t o ne x c h a n g e ，t h e d i f f u s i o nc h a r a c t e r i z a t i o n s ， a n n e a l i n gp r o c e s s ，t r a v e l i n gw a v e e l e c t r o d e 第一章引言 第一章引言 自从集成光学问世以来，一直得到飞速的发展。集成光学以激光作为信 息的载体，将激光光束的发生、耦合、传输、开关、调制、探测等一系列的功 能集于一体，是新一代的光学系统。集成光学的基础是导波光学，集成光路是 将多个导波光学器件集成在同一芯片上，具有重量轻、体积小、耐震动、抗电 磁干扰、损耗低等诸多优点，目前在实用中与电相结合，形成光电子技术。集 成光电子回路具有优越的宽带宽、超高速性能，在光通信、信息处理、光纤传 感、光计算等领域有着越来越广泛的应用 1 】。 利用长脉冲的超强激光器对惯性约束核聚变进行实验研究，是相当活跃 的一个研究领域【2 。它是将一束超强激光脉冲分成强度相等的几束，均匀照 射氘氚靶丸，由于瞬间的加热，在靶丸表面物质蒸发的同时产生反冲效应，引 起内爆压缩使靶丸的内部产生高温高压，导致核聚变的发生。由于靶丸的内部 在整个聚变的过程中一直受到靶丸表面蒸发的惯性反冲力的约束，所以又称为 惯性约束核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e df u s i o n ) ，即简称i c f 。在大型高功率激光 系统中，对激光振荡源输出的激光脉冲进行整形是必不可少的，对i c f 系统 更是如此【3 】。新一代的i c f 对输入到靶面的激光脉冲不仅要求它具有辐照的 均匀性，而且要求其在时域上必须具有一定的形状( 使i c f 能够最大限度地利 用激光脉冲的输出能量) ，在频域内必须进行一定量的展宽( 克服高功率激光装 置中受激布里渊散射光对器件的损伤及对脉冲形状的影响) 。 利用集成光学方法进行激光脉冲整形是脉冲整形系统的一个重大发展。 其中集成电光波导调制器在脉冲整形系统中充分体现了集成光学的特点：重量 轻、稳定性好、不受电磁干扰等；作为调制器本身，又具有频带宽、驱动功率 低、易于与其他波导器件相匹配的显著优点。 本课题研制的电光波导调整器正是应用于i c f 的驱动器的前端脉冲整形。 它处于振荡器和放大器之间，将输入的高斯或准高斯激光脉冲整形为任意形状 脉冲，同时能控制脉宽的变化，以满足系统的要求。该器件将相位调制器和强 度调制器相串联，通过外加信号对激光脉冲整形。 第一章引言 1 材料的特点 目前集成光学导波器件所基于的材料主要是无机晶体，如l i n b o ，、l i t a o ， 等。其中l i n b o ，晶体具有大的电光、声光及非线性光学系数，材料的化学性 能稳定，晶体生长成本低且易生长出大尺寸的单晶等优点【4 。它是目前集成 光学最常用的无机介电晶体材料，在单模光纤通信系统、信号处理、传感器以 及光纤陀螺等领域有重要的应用，基于l i n b o ，材料的光波导器件目前已处于 较为成熟的阶段。但瑚妯0 3 材料的缺点是在可见光区域容易发生光折变效应【5 】，低 的光损伤闽值限制了其波导器件在高光功率密度场合时的应用，如波导调制器、波导 倍频器等。 实验发现，在l i n b o 。晶体生长时掺入一定摩尔比的m g o ，形成m g o ：l i n b o ， 晶体，提高了抗光损阈值，其抗光损能力比l i n b o ；增强了约1 0 0 倍，能适应 波导器件高功率密度承受能力的要求【6 。 2 波导制备工艺的特点 在i j n b o ，光波导的制作方法中，金属砸扩散法和质子交换法是l i n b 0 3 最常用的 两种光波导制作方法。1 9 7 4 年，r v s e h m i d t 首次通过m 扩散法制作了啪；光波导 刀。r n 扩散方法制作的波导可以同时承载t e 和t m 模，但是噩扩散引起的折射率的 改变是很小的，如z 切面l i n b 0 3 时，得到的异常光和寻常光的折射率增量分别为 n ；- o 0 3 及n f 旬0 1 5 ，因此波导对光的限制较弱，不适于弯曲波导的制作，而且其抗 光损伤能力弱，严重限制了i 皿q b q 波导在可见光领域的应用。 1 9 8 2 年，j a e k e l 等发现利用l i n b 0 3 与苯甲酸进行质子交换的方法可以制作高折射 率增量的l n 岣光波导，且只有：异常岁彬谢率的增加，折射副兽量可达i f o 1 2 【8 】f 9 】。 质子交换就是指将l i n b 0 3 晶片置入熔融的酸熔液中，酸中的 r 与l i n b o ，中的i j + 交 换，在衄妯q 表面形成厚度约微米量级的h 王j 。j q b o ，h l u ，。n b 0 3 的折射率大于衬底 材料l i n b 0 3 的折射率，在一定的交换温度和交换时间条件下，就可以形成光波导。与 n 扩散法相比，质子交换瑚帅，光波导具有以下门价优点： 1 1 波导制作所需的温度低，形成波导的速度快，错岍功糕简单； 2 ) 表面折射率增量大( 如质子源为苯甲酸时得到的巩为o 1 2 ) ； 2 第一章引言 3 ) 4 1 1 ) 3 ) 只有异常光折射率巩增加，n o 略微降低，单偏振特性显著： 抗光损伤能力大大增强。 同时，质子交换l i n b 0 3 光、波导也存在着以下几个缺点： 电光系数及非线形系数有显著下降； 有较大的散射损耗和插入损耗； 波导折射率不稳定，随放置时间而变化，引起器件眭能指标漂移。 这些问题通出i 恿过质子交拶垢的退火工艺来改善其光等嘴牲【1 0 。 质子交换制作m 4 0 ：l i n b 0 3 光波导的方法与l i n b 0 3 基本相同，但在m g o ：l l l l q b 0 3 中的质子交换的扩散速率比在纯l i n b 0 3 中的慢，且y 切m 培) o ：l u n i k ) 3 免除了y 切 l i n b o ，在大部分酸中存在的表面损伤现象。 3 本论文的主要内容及结构安排 第一章引言。概述了本课题的来源一i c f 的驱动器的前端脉冲整形的要 求：阐明了i 淌q 和m g o ：l i n b 0 3 材料的特点和器件应用上独特的优势；最后详尽 地介绍了质子交换这制备光波导的工艺和它的优缺点。 第二章m g o ：l i n b 0 3 单模波导的设计。简单介绍了阶跃型和渐变型折射率分布平 面波导及各自的求解方法；对本论文中应用的理论分析方法：w k b 方法、逆w k b 方 法、求解波动方程方法和有效折射率法进行了阐述；论述了m g o ：瑚帅；单模波导的 设计思路：最后给出了单模波导制备的流程图。 第三章m g o ：l i n b 0 3 平面波导的特l 生研究。这章是单模波导制备的基础，也是 关键。利用y 切m g o ：l i n b 0 3 晶体，以苯甲酸为质子源，制作了平面光波导；用棱镜 耦合法测得有效折射率，用逆w k b 法拟合其折射率分布，并得至吻躔 深度；得到有 效扩散常数，扩散系数和激活能等参数，由此建立了质子交换扩散方程。同时我们也 制作了z 切l i n b 0 3 晶体的平面波导，与y 切m g o ：l i n b 0 3 波导进行比较；最后在不 同温度下对y 切m g o ：l i n b 0 3 波导样品进行累积退火，研究它的退火特性。 第四章m g o ：l i n l k ) 3 单模波导的制作和测试。根据光波导基本理论得到 m g o ：l i n b o ，条波导的单模条件，并结合质子交换光波导扩散规律和退火规律，得到单 模波导实验制备条件，完成单模条波导的制作。最后介绍了波导通光检测的装置，观 察了制备的光波导的模场分布。 第五章m g o ：l i n b o ，波导调制器行波电极的设计。选用了行波电极结构，并详细 第一章引言 介绍了行波电极设计原理，给出了行波电极的特征阻抗，微波有效折射率，衰减系数， 带宽及驱动电压与行波电极结构参数之间的关系。设计中综合考虑了微波和光波的位 相速度匹配，低半波电压和驱动源特征阻抗匹配，微波损耗等因素相互之间的影响， 进行了多次优化设计。最后对电极制作工艺进行了介绍，并讨论了制作过程中i 邑到的 一些问题。 第六章总结。对本论文的研究工作进行总结。 4 第二章m g o ：l i n b 0 3 单模波导的设计 第二章m g o ：l i n b o ，单模波导的设计 2 1 单模波导设计理论基础 1 光波导基础理论 光波导是光波导器件中用于限制和传导光波的基本结构。理论上只要波导 区介质的折射率比波导区外的大，这类介质光波导就能引导光波，使光束的功 率在横向受约束形成光波导。按波导对光的限制维数可分为平面波导和条波 导。本课题中采用的是镶入式条波导结构。但不管什么结构的波导都是以平面 波导理论为基础的。 按波导对沿深度方向的折射率分布特征，平面波导又可分为阶跃型平面波 导和渐变型平面波导，现做简单介绍。 1 ) 阶跃型平面波导 x o - d l i n 。 m n c l _ _ _ 一 n ( x ) f i g 2 1 ：t h e i n d e x p r o f i l e o f s t e p i n d e xp l a n e r w a v e g u i d e 图2 1 ：阶跃型平面光波导的折射率分布 图2 1 为阶跃型平面波导沿深度方向( x 轴) 的折射率分布，运用电磁理 论列出波导方程： p 甲= 8 2 甲 对于t e 模( 甲可为e 或日，) ： ( 2 1 ) p 甲：尝+ n 2 k 2 - f ( 2 _ 2 ) 苏2 可解得阶跃型平面波导的色散方程( 也叫模式本征方程) ： 第二章m g o ：l i n b o ，单模波导的设计 k i n d - m r c + 锄。( 等) + t a n 1 ( 薏) 其中i b _ 为模阶数，其它参数如下： k 。= ( k 0 2 n ，2 一以2 ) “2 p m = ( 成2 一k 0 2 珂。2 ) q 。= ( i l 2 一k 0 2 疗c 2 ) m = 0 ，1 ，2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 成= k o n rs i n o m ( 2 7 ) k = 2 1 r 丑( 2 8 ) t m 模式同样可得到相应的色散方程。通过求解色散方程可得到传输常数。 2 ) 渐变型平面波导 x o i l n 。 m n o f 。 f i g 2 2 ：t h ei n d e xp r o f i l eo fg r a d e d - i n d e xp l a n a rw a v e g u i d e 图2 2 ：渐变型平面波导的折射率分布 图2 2 为渐变型平面波导沿深度方向( x 轴) 的折射率分布： n ( x ) = ，+ a n f ( x d ) ( 2 9 ) 其中： 折射率分布函数f ( x d ) 沿波导深度方向递减，介于1 和0 之间，在波导表 面x = 0 处，f ( o ) = 1 ；折射率在波导表面达到最大，表面折射率为 n ，= n ：+ a n 。扩散波导的扩散深度定义为表面折射率增量的1 e 时的深度， 即有f ( 1 ) = 1 e 。 计算渐变型平面波导导模传输常数的最常用方法是w k b 近似方法。 6 第二章m g o ：l i n b 0 3 单模波导的设计 2 理论分析方法简介 1 ) w k b 法和逆w k b 法 w k b 近似法也称为相位积分法，它是在量子力学中建立起来的近似方法， 仅适用于介电常数缓慢变化的场合。现仅给出基于渐变平面波导的色散方程， 而不再进行详细的推导： i t c 蛐= m r + 三+ 耐c 卵斧 删，z ， 通过上式的求解可得到各导模的有效折射率和截止条件。 逆w k b 法则是根据实验测得的导模有效折射率模拟波导折射率形状的一 种方法【1 1 】。它同样基于渐变波导的色散方程( 2 1 0 ) ，求解思想是：将积分曲 线近似作为若干极短的直线段的连线( 即折线) ，求出每个模有效折射率n 。所 对应的转折点x 。当n 。值数目无限大时，由各( n 。，) 0 ) 连接所得的折线就与 实际分布曲线相吻合。 将式( 2 1 0 ) 的积分改为m 段积分： 其中 孰【n 2 n ( x ) - n m n + _ n + t a n _ 1 ( r l p o ) m n ( x ) ：n 。+ ( ! i ：1 坐) ( x 。一x )x j 一。x x j ( 2 1 2 ) x i x i l 在上述范围内n ( x ) + n 。可用中值点之值( n i 1 + n 。) 2 + n 。取代，则( 2 1 1 ) 式中 的积分项可解析积出，得到 x 。= x 一，+ 【三( 半) 一l ，2 ( n 一。一n 。) 一l 2 】 。；(i+ll)tr+一tan-(rl,p-&。) 一詈蓦( 半删气器) 【( n i _ i - n m ) 3 f 2 一( n i - n m 尸2 】) m = l ，2 ，3 m ( 2 1 3 ) 第二章m g o ：l i n b 0 3 单模波导的设计 当m = 0 时 矿；华- ip 0 。半广气虬w 。 以次类推，依次将测得的n 。值代入，求出各x 。之值。当波导中的模阶 数足够大时，所得的曲线就是可认为是实际的折射率分布曲线。( 2 1 4 ) 式中n ， 为波导表面折射率，是一未知数。在离子交换中，n 为离子完全交换时的折 射率n 。在计算过程中调整n 。的值，使所得的曲线尽量平滑，便可得波导表 面折射率值n 。在本论文中，曲线尽量平滑的标志是使曲线中所有相邻三点 构成三角形的面积之和尽量小。 逆w k b 法对所分析的波导要求满足多模条件。模数越多，近似程度越精 确，通常模数m 不小于6 。 2 ) 求解波动方程法 不管是阶跃型平面波导还是渐变型平面波导，它们都满足相同的波导方程： 对t e 模( q 可为e 或日。) ： 对t m 模： p 甲：鸳+ n 2 七2 甲( 2 1 5 ) o x 2 p e ，：拿【丢掣型】+ n 2 ：e ( 2 1 6 ) u x 以0 x 朋，崭昙c 砉+ n 2 k 2 h ， 眩 因此，t e 或t m 模均可对其相应的波动方程进行求解，同时求得本征值 和本征向量。这种方法可对任意折射率分布的平面波导求解，精度较高，且能 计算出所有导模的有效折射率和电磁场的分布情况：但往往计算复杂，计算时 能否选用正确的算法是求解的关键。本课题的有关平面波导的计算均采用这种 方法。由于程序相对来讲比较复杂，有关程序m 1 w ( m o d ef o r1 dw a v e g u i d e ) 设计思路可见附录部分 1 2 】。 8 3 ) 有效折射率法 前面所涉及的方法都是求解平面波导的，但器件所使用的一般都是条波 导。通常，条波导可利用有效折射率法来求解。有效折射率法是一种近似方法， 它有两个适用条件： a ) 导模处于远离截止模式 b ) 弱导条件 有效折射率法近似的实质是将矩形介质波导看作两个平面介质波导，而且 这两个平面波导相互之间并不是完全独立的。以本课题使用的镶入式条波导为 例，简单介绍有效折射率法。 l n o ” n s x l t i c r r l ( x ) n s x n 二 r 1 1 s c r o s s s e c t i o no f s t r i p ( b ) x - d i r e c t i o np l a n a r ( c ) y - d i r e c t i o ne q u i v a l e n t p l a n a r w a v e g u i d ew a v e g u i d e 1 w a v e g u i d e i i ( ) 条波导横截面( b ) x 方向平面波导i( c ) y 方向等效平面波导i i f i g 2 3 ：s c h e m a t i cd i a g r a mo f s t r i pw a v e g u i d e 图2 3 ：镶入式条波导示意图 如图所示，镶入式条波导通过有效折射率法分解为两个平面波导：x 方向 渐变折射率平面波导i 和y 方向阶跃型对称平面波导。先求解波导i ，得到 有效折射率n 。，再求解波导i i ，得到条波导的有效折射率和模式截止条件。 2 2m g o ：l i n b 0 3 单模波导的设计 1 材料晶向切面选择与传播方向的确定 根据波导电光调制原理，电光效应可表示为： ( 峨：一要壹y ( 2 1 8 ) 厶i = 1 为了得到较好的调制效果，希望电光效应明显，所以在基片材料选择时选 ，引 第二章m g o ：l i n b o ，单模波导的设计 用电光系数大的晶体。为了得到最大的电光效应，需要合理运用晶体的切面方 向，外加电场方向和入射光的偏振方向，以期利用电光张量中的最大分量。 l i n b o ，具有3 m 的对称性，属于三角晶系，是单轴晶体。它的电光系数张 量为； y 1 3 y 1 3 y3 3 0 0 0 当波长是o 6 3 2 8 u m 时，l i n b o ，晶体的各电光系数为： y 2 2 = 6 ( p r o v ) ，y 1 3 = l o ( p m v ) ，”= 3 0 ( p r o v ) ，托2 = 6 ( p m v ) 且玎。= 2 2 9 5 ， 。= 2 2 0 3 ( 单轴晶体有”，= 。= ”。， ：= 珂。) 可见y 。最大，所以我们采用y 切面，外加电场方向和入射偏振方向都平 行于z 方向，光在x 方向传播，这时电光效应可写为： a n 。= 一等y3 3e z ( 2 1 9 ) 。 l i n b o ，波导调制器主要限制是它的光损伤阈值低，大大限制了调制器的 性能指标。所以在器件中选用m g o ：l i n b 0 3 ，它的抗光损能力约是l i n b o ，的 1 0 0 倍，其他性能同上纯l i n b o ，的讨论。 2 单模波导的设计 由前面分析可知本课题采用y 切匠的m g o ：l i n b o ，晶体，光线沿x 方向 传输，传输模式为睇基模( e ：，h 、，) 。 通过有效折射率法将镶入式条波导分解为y 方向受约束的渐变型平面波 导i 和z 方向受约束的阶跃型平面波导i i 。传输模式对于波导i 相当于t e 模， 而对于波导i i 是t m 模。 采用上述思路，再将m g o ：l i n b 0 3 晶体的典型折射率值代入，用m 1 w 程 序求解各平面波导，可得到单模的截止条件，完成单模波导的设计。 1 0 2 2 5 y y o y o 0 _ 22轧y o o o o y 第二章m g o ：l i n b 0 3 单模波导的设计 但在实际的设计过程中，还需考虑到具体晶体折射率之间的细微差别，光 刻工艺的限制，实验结论的误差等。所以理论设计必须不断根据实验具体情况 进行修正。现在只是简要提下单模波导设计的过程，本课题制备单模条件的 具体实验参数在第四章给出。 2 3 m g o ：l i n b 0 3 单模波导的制备过程 1 单模波导的制备过程 理论设计单模波导d 单 i 平面多模波导的制备 1 1 1 线法测定多模波导的有效折射率 j 得到扩散系数 i ii w k b 法拟合折射率分布，得到波导的扩散深度计算公式 求得单模条件 0 单模波导的制备 f i g 2 4 ：f l o wc h a r to f t h e f a b r i c a t i o no f s i n g l e - m o d e w a v e g u i d e 图2 4 ：单模波导的制备过程 第二章m g o ：l i n b 0 3 单模波导的设计 2 波导制备的工艺过程 晶体基片磨抛 l 在一定实验条件下质予交换 j 退火 v i 端面抛光1 0 i 通光测量l f i g 2 5 ：f l o w c h a r to f t h ef a b r i c a t i n g p r o c e s s 图2 5 ：波导制备的工艺过程 第三章m g o ：l i n b o ，平面波导的特性研究 第三章m g o ：l i n b 0 3 平面波导的特性研究 由图2 4 单模波导的制备过程中可看出，得出单模条件的关键是对于质子 交换平面多模波导的研究，得到平面波导的折射率分布和正确的扩散方程，从 而建立质子交换波导深度与交换温度，交换时间之间的关系。只有这样，理论 设计才能与实验条件相挂钩。所以本章是整个单模波导制备的基础，占着举足 轻重的地位。 3 1m g o ：l i n b 0 3 质子交换平面波导特性 1 质子交换过程 将清洗干净的m g o ：l i n b o ，晶片置入一个具有特制形状的玻璃管中，放 到保温性能好的交换炉里，加热升温到指定的温度，经过一定的恒温时间让晶 片充分预热后开始交换。采用的质子源为苯甲酸，具有化合物性能稳定、酸度 合适，毒性小等优点，其熔点和沸点分别为1 2 1 0 c 和2 5 0 0 c ，是l i n b o ，质子 交换通常采用的质子源。但它有一定的挥发性及刺激性气味，必须封住管口以 抑制质子源的挥发，同时也利于实验的重复性。 达到预定交换时间后，通过一定的转动装置转动玻璃管，使晶片从质子 源中脱离出来，关闭电源使炉温降低，以减小晶片表面残余苯甲酸的继续交换 对扩散规律的影响。降到接近室温时，将晶片取出，用无水乙醇或丙酮去除表 面的残余苯甲酸。 2 棱镜耦合法观测波导模的有效折射率 平面波导制作之后，首先要知道波导所能承载的导波模数及各个模式的有 效折射率，在此基础上进一步计算波导深度、表面折射率增量及模拟波导的折 射率分布等，从而对波导特性及其制作规律进行全面研究。因此，波导模式的 观测及其有效折射率的测量是基础，也是关键。导波模有效折射率的测量要求 观测精度高和可靠性强。 第三章m g o ：l i n b 0 3 平面波导的特性研究 测量波导有效折射率通常采取常规的棱镜耦合技术m 1 i n e 法【1 3 】，我们实 验中采用金红石棱镜进行质子交换波导模的观测。实验设置如图3 1 所示： f i g 3 1 ： t h ee x p e r i m e n t a ls e t - u pf o rm o d e s e f f e c t i v ei n d i c e sm e a s u r e m e m 图3 1 ：测量波导模有效折射率的实验设置 利用h e - n e 激光器，在o 6 3 2 8um 波长处进行导波光的耦合，测量了波导 样品各导模( 有效折射率为n 。) 耦合进波导时的同步角o 。，根据公式： 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 。= s i n t h n ：一s i n 2 巳+ c o s as i n 吼 ( 3 1 ) 即可求出相应导模的有效折射率n 。 式中a 为金红石棱镜底角的实测角度，测1 0 次求平均得到a = 5 9 。7 3 6 ”= 1 0 3 1 9 5 6 9 3 0 7 3 1 a r c 。n 为金红石晶体在o 6 3 2 8um 波长处，寻常光或异常光 折射率，这与波导中传输的是t m 模或是t e 模有关。l i n b o ，晶体为z 切面， 波导传输t m 模，用到金红石的e 光折射率i l 。= 2 5 8 ，m g o ：l i n b 0 3 晶体为y 切面，波导传输t e 模，用到的是金红石的o 光折射率n o = 2 8 7 2 。 3 m g o ：l i n b o s 质子交换平面光波导特性 1 ) 波导的折射率分布 测量波导的有效折射率后，由逆w k b 方法模拟得到不同实验条件下制备 的m g o ：l i n b o ，质子交换波导的折射率分布如图3 2 所示 1 4 第三章m g o ：l i n b 0 3 平面波导的特性研究 23 3 2 3 1 22 9 殳2 2 7 c2 2 5 22 3 22 1 2 1 9 024 x ( u m ) r1。一 【_ a _ b p c 1。一_j ( a ) t 。= 2 0 0 0 c ，t e = 1 7 h r s ；( b ) t , = 2 2 0 0 c ，t e = 1 1 5 b r s ；( c ) t 。= 2 4 0 0 c ，t 。= s h r s f i g 3 2 ：t h ei n d e xp r o f i l e so f p r o t o n - e x c h a n g e dw a v e g u i d e so ny - c u tm g o ：l i n b 0 3 图3 2 ：y 切m g o ：l i n b 0 3 质子交换波导的折射率分布 可见折射率分布不是一个简单的阶跃函数，而是用一个线性阶跃函数来模 拟，方程如下： n ( x ) = ：+ ”1 - 妇7 4 。：；： ( 3 2 ) 其中n ，是衬底的折射率( = 2 1 9 6 0 ，当波长是0 6 3 2 8 u m