（光学工程专业论文）mz型聚合物电光调制器理论研究.pdf

，g3f - 1 a ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 赳缂珏， 日期：加年名月f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) e t 期：矽i 矿年z 月1e l ，气 j 摘要 摘要 m a c h z e h n d e r ( m z ) 型聚合物电光调制器具有无频率啁啾、半波电压小、速 率失配程度小、低驱动电压等特点，在高速光通信、高速电光开关阵列、相控阵 雷达系统以及微波光子系统等领域得到广泛的应用。微波光子系统中调制器完成 微波信号的光调制，由于微波信号比一般的电信号频段高，调制器需要具有调制 带宽大、低损耗的特性，聚合物电光材料因其具有低介电常数、大电光系数及低 损耗等优点，在制备高速率宽带宽调制器的应用中具有很大优势。 本文从聚合物的极化原理和材料特性出发，分析了极化聚合物的电光效应。 运用有效折射率法( e i m ) 设计了聚合物脊型波导。m z 型调制器的转换函数呈正 弦型，在无偏置时调制信号的动态范围较小，限制了其调制深度，通常需要在n 2 偏置相位附近建立工作点，其偏置方式主要有直流偏置和光学偏置两种。本文对 两种偏置方式的原理进行了介绍，详细分析了两种实现光学偏置的方法，即路径 非对称和折射率非对称。采用有限差分束传播法( f d b p m ) 对两种基于光学偏置 的m z 型电光调制器进行了模拟仿真研究，仿真结果显示两种光学偏置方法均实 现了在转换函数的线性区域建立工作点的目标，并且分别得到了2 6 d b 和2 3 d b 的 消光比输出。 电极系统的设计是电光调制器设计的另一重要内容，本文采用行波微带电极 结构，对m - z 型聚合物电光调制器进行单臂微带调制。施加在行波电极上的微波 信号和光波载波之间的速率差异与电极导体损耗共同决定着调制带宽，电极系统 的特征阻抗决定着微波信号功率的利用率，电极系统设计的理想目标是实现速率 和阻抗的同时匹配。本文采用准静态法对微带电极的特征参数进行仿真研究，分 析了微带电极结构参数对其特征阻抗和微波等效介电常数的影响。仿真结果显示， 在微带电极上添加一层介质作为补偿层，能有效的调整微波介电常数和特征阻抗， 并分析了补偿层材料介电常数与厚度对电极特征参数的影响，最终同时实现了速 率和阻抗匹配。 关键词：聚合物，光学偏置，w h e e l e r 变换，m a t h 。z e h n d e r 。 a b s t r a c t a b s t r a c t m a c h - z e h n d e r ( m z ) t y p ep o l y m e re l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r sh a v ea d v a n t a g e so f f r e q u e n c yd l i 印一f r e e ，l o wh a l f - w a v ev o l t a g e ，e a s yt oa c h i e v ev e l o c i t ym a t c h i n ga n dl o w d r i v i n gv o l t a g e i th a sa w i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s ，s u c ha sh i 曲一s p e e d o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，h i g l l 一s p e e do p t i c a ls w i t c ha r r a y , p h a s e da r r a yr a d a rs y s t e m s a n dm i c r o w a v ep h o t o n i c ss y s t e m i nm i c r o w a v ep h o t o n i cs y s t e m ，t h ee s s e n c eo fm i c r o - w a v eo p t i c a lm o d u l a t i o ni st h a tm i c r o w a v es i g n a lf i e l da p p l i e dm i c r o w a v es i g n a lo nt h e t r a v e l i n gw a v ee l e c t r o d el e a dt oc h a n g et h er e f r a c t i v ei n d e xo fe l e c t r o - o p t i cp o l y m e r m a t e r i a ld u et ot h el i n e a re l e c t r o - o p t i ce f f e c t t h ec h a n g ew i l lu l t i m a t e l yi n f l u e n c et h e p h a s eo ri n t e n s i t yo fl i g h t - w a v e a st h ef r e q u e n c yo fm i c r o w a v es i g n a li sh i g h e rt h a n e l e c t r i cs i g n a l ，t h eo p t i c a lm o d u l a t o rr e q u i r e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e rm o d u l a t i o n b a n d w i d t ha n dl o w e rl o s s p o l y m e re l e c t r o o p t i cm a t e r i a l sw i t ha d v a n t a g e so fl o w d i e l e c t r i cc o n s t a n t , l a r g ee l e c t r o - o p t i cc o e f f i c i e n ta n dl o wl o s s ，i sw i d e l yu s e di nt h e h i g h - s p e e db r o a db a n d w i d t hm o d u l m o r i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i ca n dp o l et h e o r yo fp o l y m e r , t h e e l e c t r o o p t i ce f f e c th a sb e e na n a l y z e d u s i n ge f f e c t i v ei n d e xm e t h o d ( e i m ) ，t h er i d g e p o l y m e rw a v e g u i d eh a sb e e nd e s i g n e d t h et r a n s f e rf u n c t i o no fm zm o d u l a t o ri s s i n u s o i d a l i nt h ea b s e n c eo fb i a s ，t h ed y n a m i cr a n g eo fm o d u l a t e ds i g n a li s s m a l l ， w h i c hl i m i t st h em o d u l a t i o nd e p t h g e n e r a l l y , m zm o d u l a t o r sa r er e q u i r e dt ob eb i a s e d a tq u a d r a t u r eo rh a l f - p o w e rp o i n ts oa st oo p e r a t ei nt h em o s tl i n e a rr e g i o n t h e r ea r e t w om a i nm e t h o d st oe s t a b l i s ht h eo p t i m a lb i a sp o i n t o n ei sd cb i a s ，t h eo t h e ri so p t i c a l b i a s t w om e t h o d so fo p t i c a lb i a sh a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，n l e ya r et h e a s y m m e t r i cp a t ha n dt h ea s y m m e t r i cr e f r a c t i v ei n d e xo ft h et w oa n n s c o m b i n e dw i t h e f f e c t i v ei n d e xm e t h o d ( e l m ) a n df i n i t ed i f f e r e n c eb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( f d b p m ) ，t h et w ok i n d so fm - zo p t i c a lm o d u l a t o rb a s e do no p t i c a lb i a sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti n i t i a lp h a s ed i f f e r e n c eo ft h et w oa r m sc a l la c h i e v e a r o u n dr d 2 ，a n dt h ee x t i n c t i o nr a t i o sa r e2 6 d ba n d2 3 d b r e s p e c t i v e l y t h ee l e c t r o d es y s t e mi sa n o t h e ri m p o r t a n tp a r tf o re l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o rd e s i g n a m i c r o s t r i pe l e c t r o d eh a sb e e np l a c e do no n ea r mo fm - zm o d u l a t o r t h em o d u l a t i o n i i a b s t r a ( 了r b a n d w i d t hh a sl a r g er e l a t i o n s h i pw i t hv e l o c i t yd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m t h ei d e a l s i t u a t i o ni st h a tt h et w ov e l o c i t i e sa r ee q u a l ，t h a ti sv e l o c i t ym a t c h i n g t h ee f f i c i e n c yo f m i c r o w a v es i g n a l p o w e ri sc h a r a c t e r i z e db yi m p e d a n c eo ft h ee l e c t r o d e w h e n a c h i e v i n gi m p e d a n c em a t c h i n g , m i c r o w a v es i g n a lp o w e rc a nc o m p l e t e l yg oi n t ot h e m o d u l a t o r , a n dt h ed r i v i n gp o w e rc a nb er e d u c e d i nt h i sp a p e r , q u a s i s t a t i cm e t h o dh a s b e e nu s e dt o i n v e s t i g a t et h em i c r o s t r i pe l e c t r o d e t h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ea n d m i c r o w a v ee f f e c t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta f f e c t e db ys t r u c t u r ep a r a m e t e r sh a v eb e e n s i m u l a t e d ac o m p e n s a t i o nl a y e rh a sb e e ni n t r o d u c e dt oa d j u s tt h em i c r o w a v ee f f e c t i v e d i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dc h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e t h ee l e c t r o d ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s a f f e c t e db yt h et h i c k n e s sa n dt h em a t e r i a ld i e l e c t r i co ft h el a y e rh a v eb e e ns t u d i e d f i n a l l y , t h ev e l o c i t ym a t c h i n ga n di m p e d a n c em a t c h i n gh a v eb e e na c h i e v e da tt h es a m e t i m e k e y w o r d s ：p o l y m e r , o p t i c a lb i a s ，w h e e l e rt r a n s f o r m a t i o n , m a c h - z e h n d e r i i i t 目录 目录 第一章绪论。l 1 1 引言1 1 2 光调制概述2 1 2 1 光调制的基本概念2 1 2 2 光调制器的分类3 1 3 电光调制器概述5 1 3 1 电光材料的种类5 1 3 2 聚合物电光材料的优势。5 1 - 3 3 聚合物电光调制器的发展6 1 4 本论文的主要研究内容7 第二章聚合物电光调制基础。9 2 1 聚合物的极化原理9 2 2 聚合物的电光效应10 2 3m z 型电光调制器1 1 2 4 本章小结1 3 第三章m z 型聚合物电光调制器波导设计1 4 3 1 聚合物材料的选择1 4 3 1 1 聚合物电光材料1 4 3 1 2 包层材料1 6 3 2 脊型波导设计1 7 3 2 1 有限差分束传输法( f d b p m ) 1 7 3 2 2 有效折射率法l9 3 2 3 结构参数2 2 3 3m z 调制器的偏置设计2 4 3 3 1 基本原理2 4 3 3 2 直流偏置2 5 目录 3 3 3 光学偏置2 6 3 4 非对称m z 结构的模拟2 6 3 4 1 路径非对称2 6 3 4 2 折射率非对称2 9 3 4 3 非对称m z 设计性能3 2 3 5 本章小结3 3 第四章聚合物电光调制器的速率和阻抗匹配研究3 4 4 1 电光调制器的行波电极3 4 4 1 1 基本结构。3 4 4 1 2 微带电极的特征参数3 6 4 2 准静态法3 7 4 2 1 施瓦兹变换3 7 4 2 2w h e e l e r 变换一3 9 4 3 微带电极特性分析4 2 4 3 1 多层介质的微波等效介电常数4 2 4 3 2 微带电极特征参数分析4 4 4 3 3 补偿层微带电极模型特征参数分析4 7 4 3 4 速率和阻抗匹配时的频响特性5 0 4 4 本章小结5 1 第五章总结5 2 5 1 工作总结5 2 5 2 今后工作展望5 3 致谢。5 4 参考文献5 5 附录6 0 攻读硕士期间论文发表6 3 v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着通信行业的发展和对高信息容量技术需求的增加，逐渐形成了一门光学 与微波学交叉的学科兹波光子学，它集中了微波通信和光通信的优点，实现 微波和光波之间的转换。微波通信提供低成本可移动无线连接方式，以大气为传 输媒质，成本低。而光纤提供宽带连接，不受电的影响，抗电磁干扰，具有无辐 射、低损耗、体积小等优点。利用光纤传输媒质，实现微波的宽带传输，无衰减、 无信道串扰。微波光子学作为一个新兴领域，对它的研究包含两个方面的含义： 第一，在微波频段研究光电器件和系统进行信号处理；第二，在微波系统中运用 光电器件和系统进行信号处型。微波波段主要包括厘米波和毫米波，频率范围在。 3 g h z 一3 0 0 g h z ，采用电处理的方式存在电子瓶颈，最高频率只能达到几个g h z ， 限制了通信带宽。微波光子器件以光子取代电子，以较高的速率处理信号，打破 了电子瓶颈的限制，提高处理信息的速率和带宽。微波光子学可应用1 2 j 在光馈信号 天线和蜂窝式无线系统与网络构架、副载波复用和c a t v 系统、基于不同调制格式 的光纤通信系统、光控相控阵天线系统、卫星光通信系统、太赫兹波系统等领域。 微波光子学的器件和子系统类的研究方向包括：高速宽带光子器件、光致电信号 合成和控制、模拟和数字光纤链路、超快速光探测和测量、光频计量和控制及光 子器件与电路的芯片集成等。 作为微波光子系统的关键部件，光调制器需要能处理微波频段的信号，对线 性度、调制频率、效率及损耗等方面都有很高的要求。调制频率决定了所能处理、 传输和控制的微波信号的载频，光调制的线性度直接关系到模拟光纤链路的动态 范围。调制效率是指调制器的电光转换效率，由调制曲线线性部分的斜率决定， 正斜率越大，电光转换效率越大，调制效率越高。图1 1 为应用于微波光子系统中 的调制部件，采用m a c h z e h n d e r ( m z ) 干涉型外调制技术【3 】。m z 干涉型调制器 结构具有无频率啁啾、调制带宽大、调制方式灵活等特性，能够较好地控制调制 性能以及调制光强度和相位，可以实现高速率调制，常被用于数字通信系统和模拟 通信系统中【 】。 电子科技人学硕士学位论文 微波信号 光波 乙 工0光纤i - - i ，r ，l 1 2 光调制概述 m z 调制器 图1 1 基于m - z 调制技术的微波光子系统 1 2 1 光调制的基本概念 光通信中以光波作为载波，信号加载到光波上使光波的相位、频率、振幅、 偏振态中的一个量或多个量发生变化，这就是光调制，调制方式分为内调制和外 调制。内调制是指在激光光源内部调制信号直接控制激光器的振荡参数，使激光 器输出光得到调制。这种调制方式常见于半导体激光二极管中，其输出光的强度 和频率都随调制电流的变化而变化，即在幅度调制的同时还受频率调制，高频时 会发生“啁啾”现象。外调制是在激光器的外部设置调制元件，调制信号施加在调制 元件上使调制器件内部产生物理效应( 如电光、热光效应等) ，使调制元件输出的 激光光束的某一参量随调制信号变化【8 】。采用外调制的最主要优势在于系统可以用 高功率连续激光器作为光源，相对强度噪声( r i n ) 低【l 】，而且调制速率高、带宽 大，无频率啁啾，在现今的光通信系统中得到广泛运用。 光调制的研究主要有四个重要方面【9 j ：调制参数、调制机制、调制器结构和材 料。调制参数是被调制光波的光学参数，包含光波的强度、相位、频率和传输方 向。按光波的调制参数的不同，可分为振幅调制、相位调制、频率调制和偏振调 制。在光纤通信系统的探测端，光探测器的输出信号与入射光波的强度有关，因 此，强度调制的已调信号可以直接恢复出来。而其他几种调制方式下，只能采用 外差接收才能恢复出光波承载的信号，解调过程相对更复杂。调制机制是指用于 调制光波参数的光学效应，光波的相位、频率和传播方向通过改变传输介质的折 射率受到外加信号的调制，改变折射率的机制有：外加电场( 电光效应) 、环境温 度( 热光效应) 、引入应变力( 弹光效应) 。半导体调制器可利用更多调制机制来 2 第一章绪论 改变介质的折射率，如等离子效应、量子限制s t a r k 效应( q c s e ) 、带隙平移效应 等，例如利用q c s e 和f k ( f r a r t z k e l d y s h ) 效应改变介质的吸收系数可进行光波的 强度调制，制作吸收型电光调制器。调制结构主要有块状结构、波导结构、光栅 结构和微腔结构等几种。调制材料是指具有相应光学效应的光传输介质，主要包 括无机晶体材料( 如铌酸锂l i n b 0 3 ) 、半导体材料、聚合物材料等。结合光调制器 的这四个方面进行研究，可制作各式各样的光调制器应用于某些特定的领域。 若调制信号为模拟信号，直接作用于光载波，得到一个连续的已调波，这就 是模拟调制，其抗干扰能力较差。在大容量的光纤通信系统中常采用另一种调制 方式，即数字调制。连续的调制信号经过取样、量化、编码变成一组数字信号， 用这组数字信号调制光波，已调波为一串脉冲，也称为脉冲编码调制。脉冲编码 和解码是通过计算机来实现的，数字信号1 和0 用电平的高低来区分，并且允许 其有一定范围的变化，能够有效的减小外界环境变化对信号的影响，因此在现今 的光纤通信中采用数字调制。 1 2 2 光调制器的分类 光调制器根据其四个研究方面，可有很多种分类方法。运用于光调制的调制机 制主要有电光效应、热光效应、弹光效应和磁光效应等，相应的光调制器按调制 机制分可以分为电光调制器、声光调制器、磁光调制器、电致吸收调制器。如表 1 1 所示。 1 电光调制器 电光调制器是利用介质的线性电光效应，即p o c k l e s 效应。在外加调制信号时， 介质的折射率在信号电场的作用下由于电光效应而产生变化，当光载波进入调制 器后这种变化最终将引起光载波的相位、振幅或频率上的变化。电光调制器具有 响应速度快、调制速率高、带宽大、便于集成、无频率啁啾等优点。 2 声光调制器 顾名思义，声光调制器的调制机制是声光效应。声波通过介质时会造成介质 的局部压缩和伸长而产生弹性应变，该应变随时间和空间作周期性变化，使介质 出现疏密相间的现象，如同一个相位光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质 时就会发生衍射现象，这种现象称之为声光效应。声光调制器利用声光效应引起 的布拉格衍射和拉曼奈斯衍射。布拉格衍射是光波通过相位光栅时反射光形成的 衍射，而拉曼奈斯衍射是透射光形成的衍射。两种衍射现象的衍射条纹( 反映衍 3 电子科技大学硕士学位论文 射光的光强分布) 随调制信号的变化而变化，实现光波的强度调制。 3 磁光调制器 磁光调制器的调制机制是法拉第磁致旋光效应，线偏振光通过外加磁场的旋 光晶体时偏振面发生旋转的现象称为法拉第磁致旋光效应。偏振面转过的角度与 外加磁场方向和强度有关，出射光经检偏器后强度随外加磁场强度变化，实现强 度调制。 4 电致吸收型调制器 电致吸收型调制器是利用半导体材料的量子限制s t a r k 效应( q c s e ) ，此种调 制机制主要用于半导体调制器中。在外加电场作用下，激子吸收峰将会移动，并 且吸收系数也会发生变化，工作波长接近吸收峰时调制器件上的调制电场将产生 明显的吸收调制。它具有体积小、调制电压低、易于集成等特点，其缺点在于存 在频率啁啾。 表1 - 1 光调制器的调制机制和介质材料一览裂1 o 】 调制机制光调制原理主要材料 l i n b 0 3 ，k d p ， 电光效应p o c k l e s 效应介质折射率与电场成正比 d r l p m m a 布拉格衍射 光波通过声波形成相位光p b m 0 0 4 ，t c 0 2 ，熔融 声光效应 栅时反射光产生衍射 石英 光波通过声波形成相位光p b m 0 0 4 ，t e 0 2 ，熔融 拉曼奈斯衍射 栅时透射光产生衍射石英 偏振面旋转角度与磁场强 磁光效应磁致旋光效应y i g 度成正比 块状半导体的吸收峰随外 电场吸收 f k 效应加电场移动并使吸收系数 改变 效应 量子阱内的激子吸收随外i n g a a s i n a l a s 多量子 q c s e 加电场变化阱 4 第章绪论 1 3 电光调制器概述 1 3 1 电光材料的种类 电光效应是光调制运用最多的物理效应，常见的几种电光材料有：i i i v 族化 合物半导体材料( 如g a a s g a a i a s ) 、铁电氧化物( 如铌酸锂l i n b 0 3 ) 及极化聚合 物( 如d r l p m m a 、c l d 1 a p c 等) 。 1 i i i v 族化合物半导体材料 i i i v 族化合物半导体材料一般都是直接带隙材料，并且具有二次电光效应， 因此，此类电光材料不仅能在激光光源、光放大器等有源器件方面得到广泛应用， 而且利用其二次电光效应，在高速调制器【1 1 也】、光开关等方面也有广泛应用。i i i v 族化合物半导体材料制作的器件具有体积小、速度快等优点，其最大的缺点是价 格较高。 2 l i n b 0 3 l i n b 0 3 是研究最多的电光材料，其具有较强的电光效应，多应用于干涉型、 相位调制型光子器件中1 3 】。l i n b 0 3 材料具有成本低，工艺相对简单等优点，响 应速度一般达到纳米量级，但是体积比较大，对其集成度具有一定的限制，另外 l i n b 0 3 制作工艺与半导体工艺的兼容性以及其与半导体光子器件的可集成性方面 也较差，在半导体光子器件占优势的今天，这无疑是个较大的缺点。 3 极化聚合物 近年来，极化聚合物非线性光学研究得到飞速发展，极化聚合物通常具有高 的非光学活性、大的激光损伤阈值、超快响应时间、分子结构的可裁剪性等优点， 极化聚合物材料能够同时和光纤、玻璃的折射率达到匹配。极化聚合物材料主要 应用于两大方面：一是光子器件领域【1 5 1 6 1 ，极化聚合物具有热光系数和大的电光 系数，决定了其在全光调制【1 7 】中得到广泛应用；二是光学封装( o p t i c a lp a c k a g i n g ) 以及内部连接( i n t e r c o n n e c t s ) 领域。 1 3 2 聚合物电光材料的优势 聚合物电光材料广泛用于高速调制领域，主要是由于其具有很多l i n b 0 3 无法比 拟的优点。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 材料微波介电常数低 在高速调制中，调制带宽很大程度上由微波和光波等效折射率差决定，极化 聚合物材料具有较低的微波介电常数，聚合物波导的光波有效折射率通常在1 5 至 1 8 之间，微波等效折射率大约在1 8 至2 0 之间，两者比较接近，不用设计复杂的电 极结构就能使两者达到匹配，容易实现超宽带调制。而l i n b 0 3 晶体相对微波介电 常数高达3 4 7 ，l i n b 0 3 波导的微波等效折射率比光波有效折射率大很多，难以达到 速率匹配，限制了调制带宽。 2 电光系数较高 材料电光系数丫3 3 是m z 干涉型强度调制器的重要材料参数，其半波电压与材 料的电光系数成反比。极化聚合物材料的电光系数比传统的l i n b 0 3 材料大得多， 可以有效的降低半波电压【l 引。 3 低色散 聚合物电光材料从红外波段到毫米波波段具有低色散特性1 9 2 0 1 。 另外聚合物波导的制备工艺通常包含光刻、刻蚀、蒸发和溅射等过程，与现 有的半导体制作工艺兼容，而且聚合物材料成本低廉，与各种常见的衬底材料兼 容，有利于器件的集成。但聚合物电光材料在热稳定性和可靠性方面的性能较差， 暂时限制了其市场应用。 1 3 3 聚合物电光调制器的发展 自1 9 8 6 年，人们就开始了对聚合物电光调制器的研究，在9 0 年代初开始， 成为一大研究热点，直至9 0 年代中期聚合物器件理论研究和制作工艺得到了飞速 发展，聚合物电光材料的性能和聚合物电光调制器的实用性都得到了很大的提高。 m o h l m a n 等人于1 9 9 0 年报道了集总电极结构的聚合物开关和调制器【2 0 1 ，1 9 9 1 年， d gg i r t o n 等人发表论文称利用含有a n s 发色团的侧链型聚合物制备出2 0 g h z 的m z 型行波调制器【2 l 】，紧接着的1 9 9 2 年，c c t e n g 等人又制备出3 d b 带宽 达4 0 g h z 的行波电极聚合物调制器 2 2 1 。t a t u m o l i l l o 等人又于1 9 9 3 年解决了 聚合物电光调制器的垂直集成问题，同年s m i t h 等人【2 3 】制备出一个聚合物电光调 制器，并成功地用于传送六个无线电频率的电视信号，电视图像的颜色和声音逼 真。1 9 9 4 年，w a n gw e n s h e n g 等人与d a l t o n 共同制备出调制频率为1 8 g h z 的聚合 物直波导相位调制器，接着在1 9 9 5 年，他们对该器件进行了改进，分别利用w i l t r o n v 接头和光外差方法使器件的调制频率提高到了4 0 g h z 和6 0 g h z 2 4 - - 2 5 1 。 6 第一章绪论 由于9 0 年代初期的聚合物电光调制器的调制频率有了很大的提高，其性能比 同期商用的其他类型的调制器要高很多，不少研究机构认为聚合物电光调制器将 很快取代其他类型的调制器，走向成熟化、产品化。然而经过对聚合物电光调制 器的深入研究，聚合物材料的热稳定性和损耗等问题逐渐凸显，因此，其实用化 过程不想人们预测的那样迅速。经过一段时间的高热发展后，对聚合物电光调制 器的研究转向寻求更稳定的聚合物电光材料，研究机构逐渐在减少，其原因可能 是一些结构合成的电光聚合物材料很多，但最终只有少部分新型电光材料适合制 作光电器件。研究聚合电光材料的主要研究机构几乎仅有南加州大学化学系l r d a l t o n 小组，其他机构多数是利用该团队研制的材料制备器件。 经过d a l t o n 小组、加州大学洛杉矶分校电子工程系的h r f e t t e r m a n 小组和 t a c a n 公司的yo s h i 小组的不懈努力，在非线性聚合物电光材料的研究和器件 的制备方面取得了重大的进步，于1 9 9 7 年合作研制出调制频率高达1 1 0 g h z 的电 光调制器【2 6 1 。同年，t a n c a n 公司的w a n g 等人将自己研制的聚合物电光调制器 运用在商用的c a t v 外调制系统中取得了与l i n b 0 3 调制相当的效果【2 。7 1 。2 0 0 0 年， yq s h i 等人在s c i e n c e 上发表文章，称制备出半波电压为0 8 v 的聚合物电光调 制器【2 引，所用的电光聚合物材料的电光系数) ，3 3 高达6 5 p m v 。2 0 0 2 年，b e l l 实验 室的m l e e 等人又在s c i e n c e 上撰文报道调制带宽在1 5 0 g h z 以上的聚合物电光调 制器【2 9 1 ，并称在1 6 t h z 的调制频率时也观测到了调制信号。 在聚合物电光调制的商用方面，美国的p w c ( p a c i f i cw a v ec o m m u n i c a t i o n s ) 公司于2 0 0 1 在o f c 展会上展出了4 0 g b p s 的宽带聚合物电光调制器。接着l u m e r a 公司于2 0 0 7 年推出了调制频率为1 0 0 g h z 的聚合物电光调制器，该公司与华盛顿 大学合作采用纳米工艺，提高聚合物电光材料的电光系数，在工作波长为1 5 5 9 m 时达1 6 0 p m v t 3 0 l 。 经过十几年的发展，聚合物电光调制器的调制频率、带宽和半波电压等方面都 取得了很大的进步，器件的集成从平面集成 3 l 】到垂直集成【3 2 】再到与超大规模集成 电路的集成【33 。，聚合物电光调制器的波导和电极结构逐渐趋于实用化。 1 4 本论文的主要研究内容 本文主要针对基于光学偏置的m z 型聚合物电光调制器开展理论仿真研究。 微波光调制的实质是微波信号电场引起光波导介质的折射率变化，导致光波的相 位变化，最终在m z 调制器的输出端干涉反映为光强的变化。微波与光波相互作 7 电子科技大学硕士学位论文 用的理想条件是光波导介质对微波和光波呈现相当的有效折射率，达到微波和光 波的传输速率匹配，它与光波导的结构和电极结构有关。另外，阻抗匹配也是设 计电光调制器的一个重要方面，它与电极结构密切相关。本论文的主要内容和章 节安排如下： 第一章概述微波光子学的基本概念和应用，介绍光调制的基本概念和光调制 器的分类，对电光调制器的介质材料作介绍，结合聚合物电光材料的优点，分析 聚合物电光调制器的发展状况。 第二章分析有机聚合物的极化原理及极化聚合物的电光效应，介绍m z 型聚 合物电光调制器的基本原理和其性能指标，为下文的理论研究奠定物理基础。 第三章结合e l m 法和f d b p m 法，设计基于光学偏置的m - z 型聚合物电光调 制器。首先利用e i m 法分析脊型波导结构参数对光波有效折射率和基模场分布的 影响。然后介绍m z 型电光调制器的偏置原理，提出两种实现m z 型电光调制器 光学偏置的方法：路径非对称和折射率非对称，并用f d b p m 法分别对其进行仿 真。 第四章针对聚合物电光调制器的速率和阻抗匹配问题进行研究，旨在提高调 制带宽和降低驱动功率。首先介绍电极的基本结构和性能指标，利用准静态法分 析单臂微带电极，采用w h e e l e r 变换对多层介质的特征阻抗和微波等效介电常数进 行分析，通过添加补偿层的办法调整微带电极微波等效介电常数和特征阻抗，使 速率和阻抗同时匹配。 第五章总结全文，展望今后的研究工作。 8 第二章聚合物电光调制基础 第二章聚合物电光调制基础 2 1 聚合物的极化原理 聚合物的非线性光学效应是由聚合物中的非定域的兀共轭电子体系引起的， 而二阶非线性光学效应仅存在于具有非对称中心的材料中。通常引入n l o 发色团 到聚合物薄膜材料中，由于其呈任意的分布排列，整个聚合物薄膜具有中心对称， 而不会产生二阶非线性光学效应。薄膜材料在进行极化处理后，扰乱其中心对称 分布，实现宏观取向，才能产生二阶非线性光学效应。 聚合物材料的介电常数和自由空间的介电常数之间的主要区别在于聚合物材 料内部电荷的运动受到限制。在外加电场的作用下，正电荷随着电场方向运动， 而与之电量相反数量相等的负电荷则逆着电场方向运动，导致在聚合物内任何区 域都没有净电荷。但在电场输出方向的材料表面上存在净正电荷，而在电场输入 方向的材料表面上存在净负电荷，这个过程称之为极化。这些电荷被束缚在电介 质中，不能从材料表面逸出，一旦逸出将产生电导，而不是极化。 电介质的极化方式一般包括位移极化和取向极化两种。位移极化是无极分子 正负电荷中心在外加电场作用下产生偏离，形成感应电偶极矩的极化方式，极化 方向沿外电场方向；而取向极化是有极分子在外加电场的作用下，分子的固有电 偶极矩沿着外电场取向的极化方式，外加电场场强越强，有极分子的电偶极矩沿 电场的取向程度越高。位移极化效应存在于任何电介质中，而取向极化只存在于 有极分子结构的电介质中。对于有极分子结构的电介质，取向极化比位移极化作 用强得多，因而聚合物材料内部取向极化占主导作用。对于非线性光学聚合物体 系，非线性发色团由给电子基团( d ) 、受电子基团( a ) 及靠电子构成，通常结构为 “a 呵d ”，是典型的有极分子结构，因此非线性光学聚合物的极化方式主要为取向 极化。 聚合物的极化技术大致分为接触极化( 包括水平电场极化、平板电场极化、脉 冲电场极化、周期极化或选择极化技术【3 5 】等) 、电晕极化【3 6 1 ( 包括平面电晕极化 和有掩膜的电晕极化) 和电子束极化等，以及近年来针对无定型聚合物的全光极化 【3 7 1 、非对称电荷注入极化等【3 8 3 9 。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 聚合物的电光效应 电光效应是电光调制器的物理基础，经过极化技术处理后，聚合物宏观上杂 乱无序的非线性发色团将按夕1 - ；0 n 电场方向取向排列【删，微观分子的非线性特性表 现为宏观聚合物材料的光学非线性特性，使聚合物具有电光特性。在极化后的聚 合物波导上施加电场，可使各向异性的有机聚合物折射率发生变化，这便是极化 聚合物的电光效应。研究电光效应主要有两种方法，一种是电磁理论方法，一种 是折射率椭球方法。 电光效应是一个非线性过程，施加在电极上的电场导致的折射率变化可以视 为对外电场e = 0 时的折射率的扰动。因此，施加电压后波导的折射率疗可在e = 0 处作泰勒级数展开： 玎( d - - - - h ( e - o ) + 砉l e f f i 0 e + 圭窘i 脚e 2 + ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 等号右边第二项表明外电场导致的折射率变化与外电场大小e 成正比， 称其为线性电光效应，最初由p o c k e l s 于1 8 9 3 年发现，故又称为p o c k e l s 效应。右 边第三项折射率的变化与酽成正比，称为非线性电光效应，由k e r r 于1 8 7 5 年在 光学各向同性介质的研究中首次发现，因此也称为k e r r 效应。 电光聚合物在经过极化过程后，从各向同性介质变成了各向异性介质。极化 前，根据晶体物理可知，在晶体主轴坐标系x y z 中，标准折射率椭球方程为【4 1 】： 了x 2 + 罢+ 冬：1 ( 2 - 2 ) _ ：