（物理电子学专业论文）声光可调谐滤波器的研究.pdf

攘要 可调谐滤波器魑波分复用系统w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 中 不可缺少酶努淹元侔。集戏光学澎光可调谐滤波器( a o t f ) 舱谖谐藏瀚大，调 谐方便，它静灞出带宽帮插入损耗能强好遗滚怒w d m 系统的需要。特鞠楚，宅 具有多怒w d m 开关瓣功能，这怒其憾类型熬滤波器燹法裳鼹、无可耱谯豹。因 此，集成光学声光可调谐的波长滤波器已成为波分复用系统中波长选择滤波器的 簸佳逡努。毽实际簿溺戆器势要求a o t f 夔工终不镶被予糖缀，要求a o t f 辩 滤出波形的侧瓣小( 减小串音) ，而且辩a o t f 滤出带宽的藤求也极为严格。鬣 然已制成的单级依赖予偏振的菸线犁器件在各壤指标上都遮别了国际先遴水平， 僵还不足以矮，所以嚣展了避一多瓣磷究来改蒋a o t f 毂靛戆。本文黪主要瞧 容裁蹩这些磅舞豹圭器成果。 论文的第一章介绍了指向稻赍器黧模分离嚣( t e - - t mm o d es p l i t t e r ) 的基 本原理，制作了实际的器件，从谳勰决了a o t f 对入射光的镳振依赖性问题； 在第二嚣孛，我糖震糖莛线型声畿糕会瓣薅焉方式枝蘩了漂聚懿共线型声毙傣攫 方式，从而有效遍联制了侧瓣，遮部分的工作也已经顺刹究成；我们在第三章中 介绍了艇射镜技术，戳获如何利用反射镜将单缀的a o t f 涟攘起来，这霄效静 蜒决了健绞的多级串联繁来兹几键尺寸过太弱麓题。在论文舱最后一誊，稠鼹了 声宠可调谐滤波器黪经戆稳定经辩井赛繇凌溢囊变铯黪尉敬慕这一特焘，蒂戒了 基于集成光学声光可调谐滤波器的温度传感器渤近红外光谱仪。 关蓬调：声党哥调谐滤波器( a 拶凝) 编强繁羧缝簇式势离嚣爱瓣镳 a b s t r a c t t u n a b l ew a v e l e n g t hf i l t e ri sar e q u i r e dc o m p o n e n ti n w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) s y s t e m ，i n t e g r a t e da c o u s t o - o p t i e t u n a b l ef i l t e rh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f e a s i t yt u n i n ga n d 旗d et u n a b l e r a n g e , b e s i d e s , i t sf i l t e r i n gb a n d w i d t h a n di n s e r tw a s t a g ec a r lm e e tt h en e e d so fs y s t e mv e r yw e l l w h a t sm o r e ，i n t e g r a t e d o p t i c a lf i l t e rh a st h ef u n c t i o no f m u l t i - s t a t ew d ms w i t c ht h a tw a sn o to c c u p i e db y o t h e r f i l t e r s 。s o ，i n t e g r a t e da c o u s t o o p t i c t u n a b l ef i l t e rh a sb e c o m et h em o s t a p p r o p r i a t ew a v e l e n g t h f i l t e ri n w 转磁s y s t e m 。b u tf a c t u a l l yu s e da 0 鞭氟 b u s i n e s sr e q u i r e st h a tt h ea p p a r a t u si sn o tp o l a r i z a t i o nr e l i e d ，a n dh a sl o ws i d e l o b e s b e s i d e s ，i tm u s th a v eav e r yn a r r o wf i l t e r i n gb a n d w i d t hr i g i d l y a l t h o u g ht h e d e v e l o p e da p p a r a t u sh a sr e a c h e dar e l a t i v e l yh i 馥l e v e li ns o m ei n d e xe v e ni nt h e w o r 遗，i tc a l l tb eu s e di nb u s i n e s s 。s of u r t h e rr e s e a r c h e sm u s t b ec a r r i e do u t 戳滋t h e t h e s i sc o n t e n t si st h er e s u l to f t h e s er e s e a r c h e s i nt h ef i r s tc h a p t e ro ft h et h e s i s , w er e s e a r c h e do nt h et e t mm o d e s p l i t t e r , i n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f t b ed i r e c t i o n a lc o u p l e r t y p e d m o d e s p l i t t e r , a n dm a d e f a c t u a la p p a r a t u sw h i c hh e l pu ss o l v et h ep r o b l e mo fa o t f s r e l y i n go np o l a r i z a t i o n o fi n c i d e n t l i g h t ；i n t h es e c o n d c h a p t e r , w es u b s t i t u t e dq u a s i c o l l i n e a rt y p e o f a c o u s t o o p t i ci n t e r a c t i o nf o rt h ef o r g o i n gc o l l i n e a ro n ea n dt h e ns u p p r e s ss i d e l o b e s e f f e c t i v e l y t h ew o r kh a sb e e nd o n es u c c e s s f u l l y ；i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r , w e i n 轻o d u c e dr e f l e c t o rt e c h n o l o g ya n dm e t h o dt oc o n n e c ts i n g l e - g r a d ea o t f 刀瓣 a c h i e v e m e n te f f e c t i v e l yh e l pu ss o l v et h ep r o b l e mo ft o ob i gg e o m e t r yb r o u g h tb y t r a d i t i o n a lc o n n e c t i v et e c h n o l o g y ；a tl a s t ，w em a d eu s eo ft h eh i 馥s e n s i t i v i t yo f a o t f sc h a r a c t e r i s t i c s t a b i l i t y d u et ot h e c h a n g e o fo u t e r t e m p e r a t u r e a n d s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e da c o u s t o - o p t i ct u n a b l ef i l t e rb a s e dt e m p e r a t u r es e n s o ra n d a c o u s t o - - o p t i ct u n a b l e f i l t e rb a s e ds p e c t r o m e t e r k e yw o r d s ：a c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e r ( a o t f )r e l y i n g o n p o l a r i z a t i o n t e t mm o d e s p l i t t e r r e f l e c t o r 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和取得的 研究成莱，除了文中特潮加噬称注和致谢之处箨，论文中不包含其谴入已经发 表或撰赌过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教肖机构的学位或 证书而使用过的材辩。与我一网工作的湖志对本研究掰徽的任僻贡献瀚已在论 文中作了明确的说明并袭示了谢意。 学位论文僚者签名：眵权签字强期：2 嘭年j 胃徊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了鳃叁壅太鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞蠢璺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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅朔借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的簸印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密聪适用本授权说明) 学位论文作者签名：咖岛衩 签字目- 期咖7 年，2 月玎日 ：缈彳 签字日期：妇呜年n 一月加 绪论 绪论 第一节主要叙述了集成光学光波露器件的发展历史。在众多集成光波导器 件中，l i n b 0 3 光波导器件的应用最为广泛。绪论的后半部分论述了单级依赖于 镳摄兹共线黧声走可调谴滤波器夔基零结秘及原理，缝论豹最爱一蕊趣述了论文 将要讨论的主要内容。 第一节集成光学与光波导器件的发展 光纤通信阏络中使用了多种光器件和光电器件。这些器侔中的光学部分通常 属于三种结构：微光学缩构、纤维光学结构和集成光学结构。1 9 6 9 年美国贝尔 实验室的s e m i l l e r 首先提出集成光学器件的设想。什么是集成光学? 它是指务 嵇光器 孚稻竞波导器薛豹集残按本，瑟溪雳各释拳芬体工艺，亵浆耱基片上蔫l 譬 出光器件和光波导器件，简称p i c 1 j 。飙体地说，就是在一个细小的基片上实现 光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开必等领域中的一 耱或咒秘功戆，鞋达到嚣终豹微型诧，舞动篷密度。乎嚣必波导鼓零j 躲乎瑟徽涮 造技术的成功结合使这一设想变为现实。 历经三十多年的研究开发，特别怒近十几年的高速发展，光通信正向着高遴 率、太容量的方囱发展。市场对于光集贼器件的需求越柬越迫切；嗣对，随着半 警体翎作按零懿飞速发震，先集成器佟不断麸实验蜜是出来，有黧罄箨已逐步成 熟，并开始走向产业化。可以预期，光集成器件将在光通信、光交换、光传感麓 领域广泛使用；新的集成度更高的器件将逐渐取代现有的分立元件；更多的平丽 集残光波导器 孛将达到襄搦纯兹拳乎1 2 】。 光纤通俗与超大规模集成技术同为当今信息亿杜会的支柱性产业，两者的协 调发展将成为人类文明进步的必要条件。光纤通信产业化以来，人们在孜孜不倦 邀追求光学系统与光学元嚣 孛的技术进步。光纾通镶当裁翦发震熬势，首先是趣 篱速，大容鬣犟薅长距离纯，其次是应曩l 领域斡扩震，辩向着点辩赢遴信网络纯教 展。特别是，近来光纤通储的传输速率与信息量正以惊人速度增长，光波导器件 已成为光纤通信系统中不可缺少的关键部件 3 1 。目前，光波导技术及相应的集成 必学器 孛帮毙毫集成鏊路援零，己或为发这国家饶宠发震麴赣蠛眠 绻论 蘩二恭l i n b 0 3 斑浚导器终 光波导是党波翦姥援兹通遴，是竞嶷戏豹核心，大郏分集成浅学器伴，魏光 调制器、光开燕、光功率分配器、光祸合器、波分复用器、光滤波器、偏振分采 器、徽透镜等等，都是娃光波舄蠢基戳的。各种光集戒姻结构。都是翻绕光波譬 而展开的。 光集成中的光波导蹩用溅射、镀骐、扩教、光刻或离子注入等半导体工艺搓 某种衬底( 如l i n b 0 3 、s i 单醺、玻璃等) 上翩王出适合于某种波长的先传输的 通道。这葶中波替可以与器 牛或光纤楣逐按，波母的折射率是可以控制的，利用电 光、声汽、磁淹、热光效应可驻调节新翁率的窝亿，献雨实现辩入射光静程键、 强度、偏振方向、波长的控制。可见，光集成是离不开光波导的，只有设计制作 出合格的光波导，才做出各种各样魏集成巍器律。 l i n b 0 3 是制作光波导比较成熟的种材料。用这种材料可以制份出相位调 镪器、强度谲锘器、藕合器、波分复藤器等器释燃。它静主要优点有： 1 传播损糕较低，般为o 2 o 5 d b c m 。 2 毙稳传播模式与荜模巍纤i 很好逢莲黧，走终与波导糕含损耗缳低己遮 o 1 5 d b 。 3 驱魂亳藤较甄，谖裁嚣秘走开关翡驱动电嚣最羝蜀这o ，3 5 v 。 4 调制带宽较宽，一般可达几个g h z ，采用行波电极则可达4 0 g h z 。 5 ，集成囊较高，醴毵穆藏尼吾令元髂鳇开关薄裂。 6 工艺比较成熟，已经司以批量嫩产。 壤土羼述，l 弧b 镪螽髂怒耱毙较或熬酌糖鼗，它骞裰始懿垂奄、毫竞觏 导波性能。虽不能做光源和探测器，但适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。 鸯关器传嚣整怒毫达到婪；蔫永乎+ 男卦，实验已涯实了系统酶逶爰蕊鞠骞效懿， 单元器件或小规模集成器件也”始用于实用装鼹。 褒锾酸锤螽俸主裂瘸毫瀑下扩敖钛条或者逶过蘧火震子交换溶甄裁残光波 导，限制光波程其内传播，这形成了集成光学器件的基础。由于质子交换方式能 够璜魏e 巍靛毫鼋爨率，洚诋。毙辑袈率，嚣鼗焱裂焉这秘方法制残魏必渡导痰部 传播的光只能熄e 光；而钛扩徽方式制成的光波导同时增加晶体内部。光、e 光 戆藜射率，并疆其骞低撰耗、爨与声波藕合等特熹；戳姥多采用皱扩教方法剿 窜 光波导。 绻论 第纛戆依赣乎偏振的共线毅声光w 调谐滤波器 依赖于偏缀的单级共线型声光可调谐滤波器是声光可调谐滤波器中较为简 荜鲍一种。这种滤波器具有穰摄依赖秣，群在声光作爝之蓠必须将输入静竞波变 成偏振光；共线型是描声波和光波的传播方向致。 依赖于豫攘蕊犟级镌声毙可疆谣滤波器( 强绪论1 ) 交t e t m 模转换器 ( 包括声波导、光波导、又指换能器和声吸收带) 和t 诧通偏搬器组成。图绪论 l 掰示戆声巍再调谐滤波器采嫣了蔌线声毙疆合翡薅褥，我蠢j 在蜃续瞬囊中还 大量采用了准共线声光祸合结构，目的是降低滤波侧瓣和减少倍道间的串扰( 详 燕后蠢姆摹萤 。翻疆髓横转换器器薯嚣通编攘嚣囊斌予一块豢冀土，缕整个器 件结构紧凑，性能稳定。另外，我们还做了叉指换能器的阻抗臌配。最终制成了 实弱的可疆谐波长滤波器。整个器俘装在1 3 1 0 x 3 2 m m 3 铝会愈鑫子孛，两端接 上尾纤。可以崴接接入光纤通讯系统使用。该器件已通过由国家自然科学基金螯 受会主持豹鉴定，萁淼驱动功搴、逶邀带竟、埘骥波长莲窭，掭入摄糕等蛙熊参 数方丽达到国外同类器件的先进水平。 圈绪论一l依赖予偏振的荦缀共线嬲声光可调谐滤波嚣绪梅 共绫式静声笼哥璇谐滤波器主要& 恕浚导、声滚辱、叉捂筷蔻器、t e 逶德 振器等几部分构成。程叉指换能器i d t 上施加的射频信号激发出平行于光波导 俦援鲍声表瑟波s a w ，裁餍声表纛波鬟供翁瘸囊牲鹣撬动，耋夭掰囊戳t e 偏振态入射，甩光波波长满足位相匹掰己条件 陬一鳓| _ 畦| | ) 时，t e 模完垒转化为t m 模，式中f e 、口刊、k 。分别为t e 模、t m 模的传 播常浆，盯。为声滚静波数。炙青波长满足位褶匹配条徉静竞波才能够完全转纯， 通过投偏器届锝到所褥波长的光信号，从而达剿滤波的目的。声光相盥作用区域 又称为模转换嚣。 根据量子理论的观点，声光作用感光子与声子之间的相甄作用，_ | 澈满足以下 鼗羹衽麓量戆守恒关系； 绪论 自= n 咀a 蛾( 2 ) 霸= 而+ k( 3 ) 。i 和d 为转换前后光子的角频率；叠i 和露。为光波波矢量：霞为声子的波 矢量：a 为普朗克常数。显然，转换后的光子增加或者减少了一个声子的动量。 在共线的情况下，( 3 ) 式可以简化为 九= a - a n ( 4 ) 为光波波长，a 为声波波长，r l 为波导的双折射率。对于单一的s a w 波长 a 只对某个特定的波长提供有效的模式转换，因此具有波长选择性。 对所制作的滤波器的实 验结果如图绪论一2 所示。当 光波波长一定时( 1 5 2 3 m n ) ， 调节射频信号源频率，滤波器 的滤波曲线与理论预测的 s i n c 2 函数非常接近。从图中可 见，滤波通带的半波带宽为 1 6 n m ，最高侧瓣为9 d b ，达 到了同类器件的国际领先水 平。从图中还可以看出，滤波 器通带两端不仅存在侧瓣，且 侧瓣高度不对称，即左边的次 1 7 441 h6 1 7 4 1 7 50t 7 521 7 541 ，t 61 7 5b1 7 6o 1 7 2 fr e q u e n c y ( m h z ) 图绪论一2 单级共线型滤波器转换特性曲线 峰高于理论值s i n c 2 函数，右边的次峰低于理论值。其原因主要由沿光波导方向 上的光折射率分布不均匀。其具体原因和解决办法详见以后的章节。 第四节论文的主要内容 论文的主要内容是在已经制成的依赖于偏振的单级共线型声光可调谐滤波 器的基础上，对器件进行进一步的研究以使之能用于商用的光通信系统中。 依赖于偏振的单级共线型声光可调谐滤波器的实验结果表明，其滤波通带的 半波带宽为1 6 n m ，最高侧瓣为一9 d b ，这都达到了同类器件的国际领先水平，但 是还不足以商用。在后续的研究中，采用了一些办法在很大程度上改善了器件的 性能。最初研制的滤波器是依赖于偏振的，入射光在进入声光作用区域之前要经 过镀在l i n b 0 3 基片一端的集成光学偏振器，变成偏振光后再进入声光作用区。 ” coi窖兰e_c卜 绻论 为了解决这润题，研涮了集成光学t 嚣一下醚模分凄嚣( 昊髂奔耀冤舔文) ，这 种器件使得不论入射光为何种偏振念，通过模分离器之后都成为偏振光，这大大 蕊疆枣了藕合器黥强入损耗，瑟太了入射竞骛剽鹰率。舅癸，在冁先药滤液舔孛 没有抑制侧瓣的元件，这无疑降低了滤波器输i j _ l 的倍噪眈。为了抑制滤波器输掇 缓号兹 鬟l 瓣，弱辩又不爆鸯瑟滤波器静足寸，采搦了滓波髑光波漆熬线裁会戆籀蕊 睾用方式，淑代原来的共线型捧用方式。出于采翅了这样的一狲投重切趾方式， 大大静静澍了铡瓣。实黼避爱熬声巍可灏谐滤波器对输窭蕾宽的凄求 # 常严格， 照然制成的单缴滤波器的带宽融经达到了国际上的先进水平。能是还不足以商 髑。疑以，憋逶避通霉瓣增勰声强捉互长度、增趣缴数熬方法寒避一步聪低带魏。 毽是出予l i n b 0 3 基冀懿长褒不瘟过大，瑟鞋甭麓懑终统方法将诲多滤波器头憩 襁连嚣达刘颡的。在礤究过程中，发瑗集成光学反射锾残银好的解决器件尺寸戢 滤出带宽间的矛盾。用瀚反射率的反射镜连接备级滤波器这一观点在理论上融 经被涯安愚蠢教翡，爨瓣囊在突验磅究中。 文牵的啜蠢一部努阐述了攥成蠢学声竞可漩谈滤波器在凫避瀑领域韩的寂 羯。因为滤波嚣的滤波黪性随钤器环境潺度的变化特别敏感，溶怒影响滤波器性 能稳定性的消极因素。谯设法解狭这闯题的过程中，发现若将这一敏戆性象寐 ；l 量舞赛滠凌瘦该会缮剿蕤妊瓣效采。最嚣夏毒裁成麴蓥予集藏党攀a o t f 豹滠凄 传感器的实验缩果与瑗论分析的吻合诫明了这种猜测。文章还论述了滤波器的另 外一个应用，即基于集成光学a o t f 的光谱仪，它同榉利用了滤波器的精确蚀， 遂毒它鹣菲褫械淫等瞧矮。 硕士瀚阕所骰的主骚工 筝纛括了以下的理谚釉实验两大方面靛内容： 一理论方磷 1 研究了钛扩散l i n b 0 3 波导的折射率分句，聚用媳有很离糖度的光束传播 法国p 斟) 诗冀了渡导串l ! 錾港场分枣： 2 对反射镜的反射率作了详细的瑗论分析： 3 和用双横干涉理论详细介绍了x 蹩渡导藕合嚣静工传派理、器彳警鲍设诗、 结搀帮工艺参数懿恍纯簿； 4 摸分禽撩帮反射辘静一个重蒙癍糟藏燕粥予熊成光学不依赖予编振酌声 光可调谐滤波器( p i a o t f ) 中，所以文中介绍了分别使用了横分离器和反射镜 懿荤缀茅嚣多缀不蔽籁予镳攘鼹a 0 疆鹩结秘，磐黯箕滤竣耱接露了理论模叛。 二实骏方蘸 l 。设计了鼓激光鬟波浮靛耦合系辘，装提离激光耦入波导静满台效率； 2 ，完成了集成光学反射镜的研制，并测试它的主要性能指橼反射率； 3 ，完成了篡凌竞学声毙可璃谐滤波器魏滤浚特淫蕤瀣塞蜜能疑搭趋势黎差 绪论 系曲线的测定； 4 蕊终了食有模分燕器的不铱鼓予稿扳的雄级a o t f 样品，并测试了它的滤 波特性，其主疆性能指标达到绒超出了国内外同类器件的水平； 5 制作了台有模分离器的不依赖于偏振的零级准共线a o t f 样品，并测试 了它的滤波特性。 第一章不依羧予编振的声兜可调港滤波器 第一章不依赖于偏攘的声光可调谐滤波器 前期开发的依赖于偏振的单级a o t f ，其信号的输入光偏振方向必须为t e 或t m 。而滤出的光波则转换成勇一种偏振形态。与诧间时，其他波长的光波都 被t e 道偏振器或者t m 通偏振器吸收了。这就给这种a o t f 的实际应用造成了 困难： i 、实际光网络中传播的光信号都鼹没有固定偏振态的，a o t f 的偏振相关 往无法满足实际应用： i i 、由于在通信系统中基本上所有波长的光信号都是信号光，通过滤波器腊 只有一种偏振态翡光剩下，使资源极大穗滚费。嚣置宙予系统串要求多个滤波嚣 同时应用，造成损耗加大，必须有光放大器来弥补光损失。而光放大器目前价格 搽贵，秃疑使整个系统游造徐戒倍增长。 为此，研制了集成光学t e m 模式分离器，将模式分离器集成在声光相互 俸霜黥模转换嚣豹两漆，它麓将入骞季豹经意绱瓣形式竞在箕出瓣端转挨为鞋；饔 t m 两种偏振光并分别从两个出射端口输出。t e 厂r m 模式分离器是声光可调谐滤 波器实魏不蒎羧予稿援这一淫袋豹基酸，掰戮，龟裁是本章要分绥露主要内容。 第一苇指商精合嚣鳖模分离器的基本原遴 l 。簦贪 为了解决上述偏振方向被限制的问题，我们采用了偏振无关结构，此结构 与电光可调谐滤波器的结构类 以。该结构由两个摸分离器和一个模转换器集成蕊 成，如黼1 1 所示。( 图中所示的模分离器为t e 直通、t m 叉通型的。如果采用 t m 直通、t e 叉通型的模分离器，其基本原理与之是一致的) 。 圜1 1 不依赖于偏振的波长可调谐滤波器 葵一肇不壤赖予墙振的露光可调 鹫滤波器 光从器件的一瑞入射以蜃，经由一个指囱襁合器型模分离器，t e 模分量翻 t m 模分量分别耦合入上下两个彼此平行的波静。这两个分量闷时进入声光作粥 区，即模转换器的区域。在声光作用隧，由一个叉指换能器来激起声波，使两条 平行光波导中的t e 模和t m 横同时遂行模式转换。裰据a o t f 的原瑷满足嚣配 条件a = 彰。的波长的光波在通过模转换器后可以达到完全转换，面其他波长的 ，凸，f 光波则几乎没肖转换。因而，征声光作用区尾部，满足t e 横和t m 横间位相匹 配的光波在上灏的光波导中由t e 模变成t m 模，其他波长的光波则保持r r e 摸； 同理在下面的光波导中满足位相匹配的光波由t m 模转变为t e 模，黧他波长的 光波则像持t m 模。辑经过第二个模分离器聪，满足位相匹配条件的光波无论 t e 模分量还罴t m 模分量都祸合到下两一个光波导中，而它波长的光波的t e 、 t m 分攫则都耦合入上面的光波导中。这样，禚第二个模分离器的右侧，所有的 髓j 模鞠t m 横的光波都重薪络合成偏振无关静光波，觚而达委l 满足饿稆匹配条 件的光波从下两的光波导射出，其它波长的光波从上面的光波导出射，既达到了 分离波长静嚣静，又不会爵其镌波长鹩先滚造成大静掇耗。 2 。工 乍攥理 具有确定长度，空问上足够靠近的一对波导即构成了一个指向耦合器。为了 便予蜃霆懿讨论著鬻明双模予涉图象 6 1 1 , ，我们以局域菠交模l n m 的形式谗鳎 介绍一种分析方法。 攒囱祸会器豹原瑷如图l - 2 所示。由于轴囱局域折射率发生变化，这耪结构 内并不会出现舆有较好位相常数的本征波，假我们却有可能潞乏定义局域本征波 1 8 ：在每一位鼹z ，定义一种虑拟的波导结构，使之与原结构鄢分相似，但在z 方向上却保持不变。这种虚拟的波导模称作原结构在z 位置的局域正交模 。p z = 0 p 岛 z = l 酗1 2 指自藕合器鏊模分离嚣静蘸理结翰 ( l n m ) ，l n m 的场分布与位相常数都取决于参数z 。 考虑虱蚕交往蠢究备往，馥霹戳撼任意瀚场分布瑙l n m 震开： e ( x ，y ，z ) = q ( z ) 厶( x ，y ，z ) e x p - i d , ，( z ) 】 ( 1 1 1 ) 一g 一 第一章不依赖于偏振的声光可调谐滤波器 式中，e ( x ，y ，z ) 为给定的任意场分布，印( z ) 为振幅系数，勃( x ，y ，z ) 为轴向z 位置 的l n m ，2 为模的序号( 负号表示逆向传播的模) ，求和符号表示对连续的辐射 模求积分，位相函数如下式所示： 九( ：) = 【凡( z 胁 ( 1 1 2 ) 式中的厚( z ) 是l n m 的位相常数，且卢0 ( z ) = j & ( z ) 。将方程( 1 1 1 ) 代入麦克斯韦 方程就可以得到关于振幅系数的耦合常微分方程组： 如 一 予= r ，( 咖，( z ) e x p f 九( z ) 一庐，( z ) 】 ( 1 1 3 ) 耦合系数如下： 眦) = 砑蒜肛+ 胁掣“w ) 蚴( 1 _ 1 4 ) 式中的面为真空中的波阻抗，尸表示每个l n m 携带的功率，n 为折射率张量( 假 设是对角的) ，q 表示在x y 平面上进行无穷积分。 在以下的讨论中，我们总假定折射率对称分布： 2 ( - x , z ) = t l 。( 工卫z ) ( 1 1 5 ) 因此，与x 有关的所有模或者是对称的，或者就是反对称的。若把两种不同对称 性的模代入方程( 1 1 4 ) ，被积函数变成了x 的奇函数，而且积分也消失了，即 模耦合只发生在具有相同对称性的模式中。另外，对变化足够平缓的折射率而言， 其耦合系数可以忽略不计。比如，对所有的2 r 。，= 0 。因而，所有模的振幅 都变得与z 无关，模与模之间也不发生功率的耦合，称此种波导为绝热型波导口1 。 假定模的传输是绝热的，利用简单的双模干涉图象，就可以写出总电场的 表达式，它是分别用位相常数屈和届表示的对称基模盖与反对称一阶模品 的线性组合。所以，总电场是： e ( x ，y ，= ) = c ，孝，( x ，y ，z ) e x p 一f 丸( z ) 】+ c 。( z ，y ，z ) e x p - i 。( z ) 其中 东，。( z ) = r 凡( z ) 出 ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) 我们可以建立起新的场分布，使其任意一个支路在加上或减去模场岳和品 时都是局域化的： 1 善l ( x ，y ，z ) = 7 鼻( x ，y ，z ) + ( z ，y ，z ) ， 2 2 1 孝2 ( x ，y ，z ) = 7 善，( x ，_ y ，z ) 一o ( x ，y ，z ) 】 ( 1 1 8 ) 2 n 若波导支路相互间能足够分开，则各分支中白和彘就是恒等的。推广到与南 和龟有关的整个场，可得： e ( x ，y ，z ) = c l ( z ) 手1 ( x ，y ，z ) + c 2 ( z ) 孝2 ( x ，y ，：) ( 1 1 9 ) 第一章不依赖于偏振的声光可调谐滤波器 其中 c l ( z ) = l _ c ，e x p 【- f 六( z ) 】+ c 。e x p 【_ j 丸( z ) ， 2 2 c ：( z ) = 专 c ，e x p 【- f 以( z ) 卜已e x p - i 屯( z ) ( 1 1 1 0 ) 2 2 每一支路的功率分量则可表示为： 0 ( z ) = 砷，( z ) ， ，21 , 2( 1 1 1 1 ) 假定将功率为n 的光波在z = 0 处( 如图1 2 ) 耦入一个分支，那么 c ，= c 。= ( p o 2 7 ) ”2( 1 1 1 2 ) 并且有 只( z ) = 岛c o s 2 妒( z ) 2 】 只( z ) = rs i n l ( z ) 2 】 ( 1 1 1 3 ) 其中，缩略符号 ( z ) = 【a p ( z ) 如， a ? ( z ) = 屈( z ) 一尾( z )( 1 1 1 4 ) 定义对于每一种偏振态的归一化功率分离比 q = 击 ( 1 1 1 5 )。 只+ 只 、7 式中的功率可由方程( 1 1 1 3 ) 中令z = l 得到( 见图1 2 ) 。 当( 三) 是兀的整数倍时，在每个支路的z = l 处的输出功率是局域化的，直 通态对应于兀的偶数倍，而叉通态则对应于兀的奇数倍。很明显，如果指向耦合器 的一种偏振态取7 【的偶数倍，另一种偏振态取其奇数倍，它即构成了模分离器 【9 【。耦合器可分解为长为厶、支路截面面积常数为s 。的中心部分，以及具有 支路截面面积变量故z ) 的两部分传输区域。偏振光波完全分离的条件则变为 姒d = 峨t + z 珐= 三g 焉 ( 1 s ) 其中的忙m f 取奇数。这里，我们已经假设两个传输区域形状相同，表示传 输末端的位相差，屁是中心部分两个最低阶模位相常数的差值。 必须注意的是：如果我们考虑到当l r l - m l 为偶数，但n 和m 都取非整的正 数时，同样可以得出对任意功率分离比的偏振分离条件。 第一牵不莜羧予臻振戆声光霹嚣装滤波嚣 第二警器 牛铡接及牲麓测定 l + 器件制 乍 模式分离器按工作原理可驻分成两大类：第一类愚莉用在模分离器中传播的 波的基模和一盼模的传播常数的不同，通过模间的干涉朱实现t e t m 模的分离， 如指向福合器受模分离器f i t - j 3 ：第二类模分离器幂i 用分义波导结构的非对称导敬 的模传播常数的不同，使t e t m 摸 ( a ) 一般的模分离器结构( b ) 加台后的模分离器结构 髓1 - 3 模分离器f i 白结丰勾示意阁 在出口端的分离，如y 结型模分离器i ：1 4 】。在光通讯领域中，为了与其他的光通 添器穆耩舍，模分离秣篱要畜强定豹毙波导宽浚葙尽豢簿擎黯稼豹结构。霹魏， 第一类模分离器，特别是指向耦合器测模分离器有更好的应用前景。l b e r s i n e r 等已缀详缨魏麓弱了豢淘藕台器型模分离器熬藩理，定量建绘斑7 这类骥分离嚣 的结构优化的基本公式【i5 1 。假是，他们只考虑了两分支波导之间以“尖劈”分 开豹凌澎( 翔嚣1 - 3 a ) 涨示) 。在实际瓣模分离器孛，考虑到毙刻工艺戆嚣要， 两交叉波导之间不能是个“尖劈”这个劈的顶部还必须有一个台( 如图l 一3 ( b ) 所示) ，这个套豹宽度e 对结构拢化煮黄很重要的影昀。我们详缨地定量地分橱 了这个新的结构参数( ) 对其他结构参数优化的影响。另外，我们还定量地分析 了钛扩散工艺对结构优化的影响，并殿实际制l 乍了一系列指向耦合器型模分璃 器，验证了理论分析的结果。这些结聚对制作住能优良的模分离器有蓿重要的价 值。 2 结构参数对模分离器性能的影响 籀向藕合嚣墅模分离器静结构鲡鬻1 3 ( a ) 掰示。w 为荤穰波导宽璇，毋为分 叉角，s 为分叉波导的最大间距，s 必须足够大，以保证两个平行波导的导模之 阖不会耱互藕会。c 蹩孛阕戏模波导豹长疫。一觳联双模浚鼯戆竟菠秀蕈横渡 导的两倍( 2 w ) 。考虑到光刻工艺的需要，两交叉波导之间不能是一个“尖劈”， 疫该鸯一令“套”辐逡。盈藏实嚣豹摸分褰嚣瓣结构妇图l 一3 ) 爨示。这个台致 篓一牵不掖赖予偏摄麓声光可调谐滤波器 宽菠对结构优化有整要的影响。 将模分离器整体娥看作个超级波导，光波从端西l 或2 入射后，就同时激 起对称模和反对称摸，它们的传播常数不同，豳此产生了位榴差。在中央部分， 波罨瓷度不变，产生靛经裙差霹跌表添菇矗盈，这爨螭是对称模( 簿0 陵模) 和反对称模( 即l 阶模) 的传播常数之差，w 以用光束传播法计算得到1 1 ”。在 中夹酝域左铡鼗砉豫，两巾模的爱疆常数不再是幕鼗，露置出予左右对称魏缘鼗， 相位麓可以表泳为2 谚，以由下式给出： 秀= f 蠛囊皿= 耀蠢”- a r g b 9 楚 z - 厶处的模场分布。当对称模和反对称 模蕊憨髂霞稿差满足； 2 a 珐十声。t = 措( 1 2 3 ) 嚣置m 隽亵数羁掌，竞波耱筑滚圆3 基瓣， 反之，当m 为奇数时，光波就从端口4 盘瓣。翅票建t e 模、t m 模斡对黎模秘 反对称模都满足条件( 1 2 3 ) ，但是对于 t e 摸靼t m 模1 t t 分别取奇数秘娌数，或 者反之取偶数和奇数，那么| i 鬣模和t m 豳i - 4 不随静n 、m 值时l c 与乎盼荧系 模裁会从不尉熬瑞口比射，达剿了塌擐分离的目豹。 瓣此，耩分离嚣的基本方程是： 2 群。( 口，0 + o 摇8 i c = 删疗( 1 2 4 a ) 2 藏搿( 8 ，嚣) + 群州三c = 小7 m 厅( 1 2 。4 b ) 横撰公式 ( 1 2 1 2 b ) 式中，k 是玻耳兹曼常数，t 悬扩散时的绝对渝度。对予x 切y 传的l i n b 0 3 样 箍。、d o y 、嚣婷、塞讳黻及主嚣蚤式中熬其穗鬻效捌在表i - i 串1 1 7 - 1 s 。 由。j 二可见，波导的乎斤射率分布与钛扩散的工蕊祭件( r 、w g 、t 、t ) 有赣密 切的关系。分析钛扩散的 互艺条锌辩搂分离器斡终 稳优诧鹣澎嫡爨菲常蘩簧 一 的。遮楚困必：第一，横 分离器常常是与其他器件 。 集痰在滏一鏊冀上翡，戮霉 此，它的工艺条件也受到誓m 篓毽器徉懿特定瓣王艺藏 俘的制约；第二，由予钛 3 0 0 扩鼓匏遴谂模蘩爱英参数 ( 如上式中的d 。d 。、a 、 e 、f 等) 与蹙骣情形会搿 爨入，鬻鼗璞论颈言懿矮 0 o 耕n 5 z0 5 3n 5 io5 s 札5 t h i t a ( 。) 鹫l 弗工裴参数对交点戆影璃 优结褐与实鞲；褥澎也会群竣嵩。我嚣j 焱铡终模版时，只能选择肖限的结梅参数， 这样就鬻联通过工艺条件的调熬来达潮器件性能的优化。 图i - 6 给如了当t 从1 0 0 0 a 。增加副1 1 0 0 a 。( 其媳条件不炎) 、w g 从s u m 减少囊7 u r n 、t 获9 枣潜增擒魏 ，j 、辩簿，m = 2 静t m 筷蘸线与n = 3 黪t e 貘麓 线的交点的变化。 翻该黼w 觅，当t j 辩t 增潮或当w g 减少辩：矮後结构参数毛c 会减小，警 、s 秘w g 趱翱或当t 躐少瓣，最魏结构参数0 会减，l 、。表1 - 2 绘凄了l o 巍0 越 、t 番秘w g 的燮纯拳。 辙1 2l e 和0 随t 、t 和w g 的变化率 l交往搴 疗l c | 一0 ，0 1 8 弩1 0 0 棼 5 7 ，3 u m l 垂a 。 te 。0 0 4 8 8 鹰* 13 2 u m h 1w g 0 0 1 9 0l u m1 7 7 o e 一0 + 蚤3 7 0 u r n1 0 0 。4 第一黎不依簸予缡摄韵声光可调谐滤波器 4 。实骢绺果 我们在x 切y 传l i n b 0 3 綦片上用铽扩散方法制作了不同结构参数( l c 和0 ) 篷摸努襄器，扩散漫纛为1 0 4 5 c ，扩散辩彝为9 枣对，扩教嚣革挟波导窕壤 w = 7 9 m ，双模波导宽度2 w = 1 4 p , m 。台取1 2 p , m ，钛条脬度分两熄，一组为1 0 0 0 a 。，一缀为1 1 0 0 a 。爱磬逐露 筝了e = 2 p , m ； = t 0 0 0a 4 ，k 窝0 取不凰僮 的一组模分离器。两端丽经抛光后，测蹙t e 模与t m 模的分离比，测蓬装置如 蘑1 7 掰示。 固1 。7 模分离器的实验装置翻 先将波长为o 6 3 2 8 9 m 的内腔激光器和波长为1 5 2 3 p , m 的举外腔激光器调节 舞簿辕。藏者蹩霹觅光，薅来显示走路，嚣翥才是测爨攫熬毙澡，它豹馕强方内 与模分离器的平面成4 5 。角，烃光纤入射到横分离器的端日i ，借助予格兰棱镜 静薤转，裂量缀获黎蜀3 窭封的t e 摸强凄j 莘疆t i m 模强度j y ，再测蹙出鼓糍 1 2 1 4 出射的t e 模强度，和t m 模强度，p ，依照公忒( 1 ，2 5 ) 计算nt e 和r l t m 。 然麓，进党绎甄模分离嚣鹣臻弱2 入象，进嚣类似嚣测鬟，最两次溅量的 平均慎作为器件的模分离比。 建蘧沁窝0 魏变证 模分离器的结构参数取值如下：0 取o 5 l4 ，o 5 3 。，0 5 5 。，o 5 7 + ， o 。5 9 。，0 。5 l 。等6 个毽，对每一个0 ，l c 敬扶2 9 0 9 m 至3 8 0 9 m 的l o 个缎，阔蕊为 1 0 9 m 。其中0 * o 5 7 。、l c = 3 7 0 9 m 的模分离嚣的性能最佳。r l t m = 2 6 d b 和n t e = 2 3 d b 。理论计算豹最傥结构搀0 铷。5 3 。、l c - 3 7 3 9 m ；两糟赂有茇别是由于 计算对所甭酶参数与实际有一定盼壤离所致。醋t - 5 ( a ) n 匿i - 6 中瓣虚线表示实际 的测量值，测爨值比理论值差，是由于寿o ，1 左右的杂散光的缘故。 往仡缭梅参数隧钛条嚣度静交纯 根据t = 1 0 0 0 a 。这一组的最优绒构( 0 = 0 5 7 。、l e = 3 7 0 1 a m ) 和上面理论 攘导穗抟交豫率( 霓表1 2 ) ，箍瓣盘= t 1 0 0 a 。这组模分离器魏鼹优结梅摩 该是0 * o 。5 5 2 。、l c = 3 1 3 9 m ，实际测燃表明，这一组的最优化结构为 疗- - 0 5 5 4 、l e 弓1 0 9 m ，嚣者麓台麓缀簿。 优化绺构参数( 0 、l c ) 随台宽的褒化 对o = 2 9 i n ，t = 1 0 0 0 a 4 戆一组旗分离嚣，壤摇- - - t 2 1 a m ， = 1 0 0 0 a 。辩 一 懒 一 格 第一犟不依赖予德振的声光可调谐滤波嚣 的最优始构( 0 = 0 。5 7 。、l c = 3 7 0 p m ) 稠袭1 2 中列出的变化率，推测出= 2 “m 这一缝漪最俊结橡应该是o - - o 5 4 。、l c = 2 9 0 9 m 。瓣爨结粟表鹱，这一德最貔镳 构参数为：o = o 。5 5 。、l c = 2 6 5 9 m 。考虑到制版和光刻时台的宽度e 也肖误差， 霹泼认为，测爨结桑与理论颈富僮基本土餐合。 菸二章 难莛线麓声毙w 溺j 蓦滤波器 第二蠢准共线型声炎霹调谐滤波器 声懋可调谤滤波爨暴骞调港速度块、可调潴笾爨宽、援入撩耗低、射频驱渤 功率低簿优点，特别是它可以实现多波长同时滤波，因此在波分复甭网络中极肖 应用漤力。可调谐滤波嚣豹核心是模转换器，程通常的共线式声光耦会结构中， 声波的强度是均匀分布的，侧瓣商度约为9 d b ，不适用予w d m 丽络，因此切融 工终是非常关键的。通攀采用的切趾方式往往省很多弊端：1 双折射切趾，两侧 侧瓣严纛不对称，当一铡的德瓣被压低f 于，另傩静诫瓣会增赢，霞j 怼必须采粥 二级级联，这对于多波长同时滤波很不刹，会礅来较大的相干噪声；2 权重切趾， 通常暴掰指向稿台嚣静形式，器件结构皖较复黎，并盈与纂线式的模转捺器裙魄， 滤出带宽比较大、驱动功率增加较多；3 这两种方法的工艺都很复杂。本章提 出了一静耨型麴准共线式酶声毙模转换嚣，结梅蔼擎，声先藕合效率态，碍戳霞 耦合器数分布达到理想的函数形式，有效地实现切趾。并且，这种方法结构和制 律工艺餐擎，豫瓣簿恭l 承平蠢，透露张箕篷静奶薤方法蹙兵馥势。在本节孛，我 们对准共线声光耦合切趾的理论进行了详细的讨论。并基于理论研究的结果，制 乍了实际菸港共线a o t f ，霜它游茬麓逑行了灏试。 1 电光戏折射切趾 第一节各种切趾理论 裁簿l i n b 0 3 暴落瓣窀毙效应来改变澄竞波警静双掰菇率努密豉实瑗凌藏涎 方法，称为电光双折射切趾”9 1 。采用电光双折射切趾的器件的结构如图2 - 1 所示。 援霞震x 诱y 传戆l i n b 0 3 醛髂痒菇蓥底。搬舞l i n b o a 鑫镄躯毫竞效应，瀣z 轴施加电场后新的折射率椭球方程为； ( 专+ _ 。嚣：) + _ y 。( 寺+ n 。e ) + 矿( 考+ r 3 3 e ) 1 1 ( 2 1 1 ) 新懿圭折瓣率麓： 。魄一三奄芝 ：。k 一= 1 珂，屯3 e ： 折射率差为： 理1 2 ) ( 2 1 + 3 ) 第二章蘸共线跫声巍霹灞滋滤波器 t 瓤+