MachZehnder电光调制器的光学偏置研究_图文

1、电子科技大学硕士学位论文Mach-Zehnder电光调制器的光学偏置研究姓名：黄成功申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈福深20070401摘要摘要集成光学自问世以来一直是光电子学领域的十分活跃的前沿学科。以晶体材料为基底制作的各类导波光学器件在通信与光信息处理方面有着蓬勃的发展。根据光波导干涉结构设计的集成光波导电光调制器与电磁场传感器应运而生。在高速光纤通信系统中，集成光波导电光调制器作为一种信号源的外调制器，它可以获得很窄的调制信号谱宽，降低光纤色散的影响。此外，集成光波导电光调制器调制速率高，能很好的满足光纤通信系统向更高速率发展的要求。这些特点令它成为当前大容量光纤传输网络和

2、高速光电信息处理系统中的关键器件，并有着广阔的发展前景。与此同时，依据同样原理制作的电场传感器因其具有光路系统集成的新型光学传感器结构，使得它在检测领域的应用中具有其他结构传感器无法比拟的优点。此外，集成光波导电场传感器还具有稳定性好、精度高等优点。这令它在科研、生产、通信、航天等领域有着广阔的应用前景，并有着良好的社会效益和可观的经济效益。它是当前研究的热点之一在实际中，为使集成光波导电光调制器工作于线性区域，通常对其采用直流偏置法。然而直流电压的引入常会影响器件的工作特性。本文旨在研究集成光波导电光调制器的光学偏置法。并且分析此偏置法对集成光波导电光调制器及集成光波导电磁场传感器的影响。首

3、先，本文介绍了铌酸锂电光调制器与集成光波导传感器的工作原理。以此理论基础，对电光调制器的路径非对称结构光学偏置和折射率非对称结构光学偏黄分别进行研究。本文引入法对此两种非对称结构电光调制器进行模拟仿真。其结果分析表明，非对称结构电光调制器都具有较好的光学偏置特性。并且能很好的降低电光调制器的直流漂移现象。在该两种非对称结构电光调制器中，路径非对称结构的偏置效果明显好于折射率非对称结构。此外，该两种结构应用于集成光波导传感器中，都很好地提高了传感器的灵敏度。后者的灵敏误差、线性动态范围好于前者。摘要其次，本文研究了集成光波导电光调制器的应力光学偏置。本论文从晶体物理学和力学方面对晶体特性进行分析

4、。在外力作用下，波导长度与折射率发生变化产生相移。同时，电光调制器的弯曲损耗增加。由于外力作用致使器件电极与波导问作用发生改变，电光调制器的凋嗷也有所增加。最后，本文还设计了一套电光调制器应力光学偏詈实验系统。实验中分别对两种不同应力光学偏置进行测试。简支梁式应力光学偏置实现。相位偏置。实验结果基本符合理论分析。本文对以上三种电光调制器的光学偏置进行了大量的计算仿真、实验与分析。其研究结果具有着重要的理论与实际意义。关键词：集成光学，干涉仪，电光调制器，光学偏置，啪，曲，、，曲，¨，（，打：，图表目录图表目录图铌酸锂电光调制器图集成光波导传感器及其系统图示图沿轴的氧八面体空间立体分布

5、直观示意图图折射率球及相应于方向上的椭圆曲线。图电光调制嚣的基本结构图铌酸锂电光调制器图集成光波导电场传感器结构图结构强度调制器的直流特性图相位偏篁与光输出强度叫的关系图（）宜接转向墼对称分支波导（）弯曲型分支波导弦图平行波导臂长、闻距波导耦合情况图平行波导臂长、间距波导无耦含情况一图不同波导宽度与波导输出的关系图波导宽度为光场情况图（）未施加电压时光场分布图（”麓加半波电压时光场分布图直流电压调制下电光调制器光输出情况图路径非对称干涉结构图非对称电极结构。图对称电极结构图路径非对称乏结构光学偏置仿真图路径非对称结构光学偏置光场分布图平行波导中的光波传输情况图平行波导中的光强情况¨&

6、#168;图每折射率非对称结构图折射率非对称光学偏置仿真图折射率非对称电光调制器的光场分布鳘表目录图经不同折射率波导光场情况图经不同折射率光强情况图偏置相位与传感器可探测最小电压的关系图，悬臂粱式应力光学偏置示意瞄，图不同基底宽度相位偏置情况图长度改变引起相位妒，与折射率改变引起相位图所施外力与总偏置相位间关系图，简支梁式应力光学偏置示意图图不同基底宽度相位偏置情况图外力户与偏置相位关系图应力光学偏置实验测试图图实验系统实物装置图一图简支梁式应力光学偏置图旌力装置实物图图悬臂梁式应力偏管实验测试系统一图悬臂粱式光学偏置电光调制器受损图图简支梁虑力光学偏置结构示意图图筒支粱光学偏置施力装置图图简

7、支粱光学偏置实验系统图图电光调制器受损情况表，不同步进光输出情况“表，不同步迸的光输出与相位偏置情况一表不同输入光功率偏置电光调制器的光输出情况简缩字表简缩字表啪铌酸锂马赫一曾德尔电磁兼容性有限差分法光束传播法有限差分束传播法透明边界法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：趔日期：年月日关于论文使用授权的说明

8、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）签名：型导师签名：钟嬲醐砰掷第一章绪论第一章绪论集成光学简介自从年美国贝尔实验室首次提出“集成光学”这一概念以来，它将光纤和以平面介质光波导为基础的集成光路相结合，极大的促进了光通信的长足发展。集成光学系统一改传统的非集成光学离散光学元件系统体积大和重量大、稳定性性差和光束的调准困难的缺点实现

9、在光波导传播光波容易控制和保持能量，光功率密度高的优点，而且器件尺寸和相互作用长度得到缩短，相关的电子器件的工作电压也较低。集成光学器件一般都集成在厘米尺度的衬底上，其体积减小、重量减轻。器件的组装问题得到解决，对环境因素的适应也比较强。目前，在光通信、传感器及光信息处理方面，集成光学器件已显示出电子学无法比拟的优越性。作为一种信息的处理与传输系统，与微电子系统相比，集成光学系统也独具魅力【】。集成光路以光波作为信号载体，它的频率比电磁振荡高得多，因而其所加载的信号频带极宽；同时，集成光路还可以克服电路导线固有的电容和电感导致的频率限制效应。如此以来，集成光路传输的信号带宽及信号的传输信息量，

10、比以往电子电路系统的电信号传输带宽和信息量大很多。简而言之，用集成光路替代集成电路的优点包括带宽增加，波分复用，多路开关、耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成批制备经济性好，可靠性高等。由于光和物质的多种相互作用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、电光效应、声光效应等多种物理效应，实现新型器件的功能【。尽管现在集成光学器件的集成规模仍处于中小规模，按集成的元件数而言，由几个到几百个，还不能与微电子集成相比。但是也远非简单的光学器件集成，而是一个集成光学、激光、微电子学、光电子学、薄膜技术为一体的综合集成。对于光电子学，集成光学的功能集成方向是以光子集成（）、光电集成（）的方式，将不

11、同功能的元件集成在一起，制造出高功能、高性能的器件【。随着光通信、光传感器及光信息处理方面的发展，作为现代光电子学的一个电子科技大学硕士学位论文重要分支，集成光学将会得到更加飞速发展，各种新型集成光学器件将层出不穷，光学器件的集成工艺及功能也会更加完善。铌酸锂电光调制器集成光学从基础研究转向应用研究对于光通信与光信息处理的发展起着很大促进作用。其中集成光波导电光调制器是最为突出的例子。它已成为光通信与光信息处理的重要器件。特别随着近年来高速光纤传输系统的迅猛发展，以及人们对宽带需求的增加，迫切要求高速集成光波导电光调制器与之相适应【唧。光波调制就是将电信号加在激光载波上使之变成光信号的过程嗍【

12、“。按调制方式而言，光调制分为直接调制方式和外调制方式。直接调制方式是直接利用调制信号控制激光器的输出光特性。而外调制方式用调制信号作用于激光腔外的调制器，使通过调制器的激光束某一参量随信号而变。虽然直接调制器具有驱动功率小、与光纤耦合效率高等优点，但是与此同时，半导体激光器的直接调制也会引起啁啾现象。啁啾使激光器的谱线展宽，而光传输传输系统的色度色散与信号的谱宽成正比。啁瞅现象限制着系统的传输带宽和传输距离。外调制器具有高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象。且外调制器不需要高频响应的激光器，只要求有稳定的激光源，另外还适用于在多种波长下的固体和气体

13、激光器。在大功率的光纤通信系统中（如光孤子通信），半导体激光器由于功率太小（一般在微瓦级）已经不能使用，这时外调制也就更能显示出它的重要性，并且由于调制单元于激光器在电磁场上的分离而使激光器可以稳定工作，也允许调制方案和结构更灵活多变来提高调制带宽和调制效率。理论上，用任何具有高速电光效应响应、能透过所使用激光的材料能制作高速电光调制器。然而适合用于光纤通信系统的调制器材料却主要是铌酸锂（）、砷化镓（）和聚合物等。目前，无论从整个光路的研制水平，或单个功能器件的研制和开发应用来看，仍需利用那些电光效应特别优异的介质材料，来研制电光调制器。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们与单模光纤

14、光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多。聚合物调制器的长期稳定性尚不理想。相比较下，铌酸锂调制器啁啾小，传输损耗小，同时可以实第一章绪论现宽带调制，最大的优势在于它的电光系数比较高。因此铌酸锂器件已经被广泛应用，并且还有很大的发展空间，对于这类应用，它是最有发展前途的介质材料，因此当前实用光纤通信系统中都选用铌酸锂电光调制器。宽带铌酸锂电光调制器是目前高速、长距离的光纤通信系统中不可或缺的关键组件。铌酸锂电光调制器的结构如图所示。图铌酸锂电光调制器集成光波导传感器高速电光调制器用途广泛。高速铌酸锂调制器除用于高速据率的光纤传输系统外，还可制备成集成光波导传感器测量微弱的微波电场。集成光波导

15、传感器及相应系统结构如图所示。集成光波导传感器的研究是集成光学技术的一个重要领域。它为光学传感器开辟了新的发展方向。它解决了传统传感器暴露出的体积大、稳定性差、光束的对准和准值困难等问题。器件中的介质光波导直接成为感应和传递信息的媒质。在被检测信号的调制下，使波导中的光强度或相位随着信号相应的变化。在众多传感器中，集成光波导传感器具有以下优点：（）与基于电信号探测的传感器相比，集成光波导传感器基于光信号探测，可以避免外界电磁场的干扰，有更好的稳定性和可靠性，有利于在恶劣环境下使用；（）通过灵活选择波导材料和优化设计结构以获得更高的灵敏度；（）通过单片集成，可实现多信道同时测量以及系统微型化和多

16、功能化，并降低功耗；（）通过与微机械、微电子技术相结合，可提供新的传感应用和集成潜力；（）通过集成工艺实现规模化生产，可降低成本【】 。集成光波导传感器有利于实现多功能集成、紧凑封装和批量生产，以电子科技人学硕士学位论文及拥有小型轻量、稳定可靠、低耗高效等其他结构传感器无法比拟的优势，是新代传感器系统的重要组成部分。图集成光波导传感器及其系统图示凭借集成光波导传感器的众多优势，其应用领域也会更加广泛。目前在精确检测甚高场和高压电场传输线以及快速感应高功率微波源系统中具有可喜的应用前景。目前，国际上众多国家正在对用于不同用途的集成光波导传感器进行研制，其中包括压力、电磁场、流量、加速度、角速度和

17、生物化学传感器等。我国的众多科研院校机构也开展了各种类型的集成光波导传感器的研究工作，并取得进展【】【】【。年中国科学院长春物理研究所研制出了种用于检铡汽车点火的啊扩散光波导电场传感器【】。在此基础上，中科院长春光机与物理所于年又研制出了高性能的集成光波导电场传感器。它的研制成功，可成为火箭发射系统、电力部门高压绝缘漏电、局部高压放电、空间电位分布、大气电磁场分布等方面的检测手段。在不久的将来，随着新原理、新材料和新工艺的进步，集成光波导传感器将会灵敏度更高、带宽更大而且同时还具有多功能、智能化、集成化特点，适应当 第一章绪论今多变的测试环境电光调制光学偏置研究国内外动态采用干涉仪式结构制备的

18、集成光波导传感器具有结构紧凑、大带宽、高灵敏度且不干扰被测电磁场的优点。因而在（电磁兼容性）测量方面具有很好的发展前景。为实现传感器线性调制及提高它的动态范围，一般要将对传感器实现初始光相位偏置。为实现电光调制器相位偏置，一般通过对调制器电极施加直流电压以实现偏置。然而在实际工作中，直流偏置会因工作温度、铌酸锂晶体材料的热释电引起表面电荷迁移以及存在缓冲层而发生直流漂移，偏置点在漂移进而还会影响频率啁啾【。此外，直流偏置电极的引入不但令器件结构复杂，而且增加了器件的长度，电极设计复杂化。对于集成光波导传感器而言，直流偏置还将会影响对教测电磁场的测量。集成光波导传感器的灵敏度以及调制范围等工作特

19、性将受到限制。为此，集成光波导电磁场传感器只能采用无电方式偏置。为能进步发挥集成光波导传感器的优越特性，不少国内外专家学者都在开展对电光调制器的相位偏置研究。在国外，华盛顿海军研究实验室，等学者【于年发表论文提出通过设计干涉臂不等长以产生相位差达到相位偏置的方法。年美国学者、和以此非对称铌酸锂，结构制作的集成光波导传感器在到问可以获得至测量范围。日本学者和等人于年采用施加外力的方法实现对电光调制器的相位偏置，集成光波导传感器的灵敏度也提高了。在国内，电子科技大学光电学院于年曾报道了自行研制的一支曩扩散结构集成光波导传感器。该传感器通过不等臂长实现偏雹，可用来测量低频毫伏级电场。以其同样原理，年

20、清华大学曾嵘，陈未远等研制出一支集成光波导电磁场传感器用于测试高压电场，可适用于强电场测量。随着集成光学工艺的不断进步，对于集成光波导电场传感器的研究还将在器件的结构方面深入开展。偏置技术的发展必将带动集残光波导电传感器商灵敏度、大带宽的优点充分体现出来。电子科技大学硕士学位论文本论文的主要工作及结构安排本论文根据电光调制器的基本原理，以计算机仿真和具体试验相结合，对电光调制器的光学偏置进行研究，并对其相关特性进行了详细的分析。其研究的主要内容如下：（）首先从理论上阐述铌酸锂晶体的基本晶体结构及其特性；在此基础上探讨了对铌酸锂晶体的电光效应的基本原理，阐明了铌酸锂电光晶体的调制方式，分析了铌酸

21、锂电光调制器及集成光波导传感器的基本原理、调制器的直流偏置原理以及光学偏置原理。（）对非对称结构光学偏置进行研究分析。非对称结构光学偏置包括路径非对称、折射率非对称两种形式本论文采用束传播法（）对两种形式的电光调制器进行计算仿真。首先优化设计对称结构的光波导电光调制器，并以此基础设计两种不同形式的光学偏置。对实现光偏置电光调制进行特性分析。（）对应力光学偏胃进行研究分析。首先从晶体物理学和力学上阐述铌酸锂晶体在外力作用下的结构改变。进而以之分析在外力作用下，铌酸锂电光调制器折射率以及波导臂长度的改变。由于折射率与波导臂长改变，导致光波在波导中传播相位发生变化。在实现光学偏置同时，器件的性能也受

22、影响。调制器的啁啾参数作为衡量调制器性能的重要参数之一（）对两种应力光学偏置方式进行理论分析计算，并且开展相应实验。从实验中，本论文进一步分析应力光学偏置。本论文的结构安排如下：第一章主要介绍集成光学的概念、特点和发展，描述了铌酸锂电光调制器与集成光波导传感器应用现状和研究现状，并且介绍了电光调制器的偏置研究动态。最后阐明了本文的主要工作即各章节安排。第二章阐述铌酸锂晶体的基本结构及性质，着重分析了铌酸锂晶体的电光效应，在此基础上导出了铌酸锂电光调制器的原理以及集成光波导电场传感器原理。对电光调制器的直流偏置原理和光学偏置原理进行分析介绍。第三章介绍了本文所用的光波导模拟仿真和优化设计算法一差

23、分束传播法第一章绪论（）。以此来优化设计对称光波导结构，根据该波导优化结构为基础对非对称结构光学偏置进行仿真计算。并分析非对称相位偏置器件性能。第四章从晶体物理学理论上阐述晶体受外力作用下的应力与形变，以及之间关系。在此基础上研究外力作用下器件的光传输路径与折射率变化，如何实现器件的光学偏置。对电光调制器采用两种不同施力。实现偏置并对其加以研究分析。第五章详细介绍了实验研究的内容并对实验结果进行了分析和讨论。结合试验室的现有条件对该方案进行了一系列的实验研究。详细描述了各实验的全过程，对实验结果进行了详细的讨论与分析。第五章全文的工作总结，指出下一步开展的工作。电子科技大学硕士学位论文第二章铌

24、酸锂电光调制器的基本原理及偏置由于本文所讨论的调制器采用的是铌酸锂晶体材料。因此有必要首先对铌酸锂材料的组成、结构和特性有所介绍，然后对电光调制器和集成光波导传感器的基本原理及偏置进行分析讨论。铌酸锂晶体特性概述自年首次发现铌酸锂晶体具有铁电性，年用拉提法成功地生长出大单晶【以来，人们对铌酸锂晶体材料的研究与应用发展迅速。目前在集成和导波光学中，它是一种很重要的晶体材料。铌酸锂晶体材料属于三角晶体结构材料，具有大的热电、压电和弹光系数等特性。它的居里点高、声光效应和体光伏效应强。因此，它被广泛的应用来制作器件，如微声器件，高频高温换能器、红外探测器、激光调制器、激光倍频器、光参量振荡器、无线电

25、高频宽带通滤波器、延迟线、光波导等等。晶体结构铌酸锂是无色或略带淡黄绿色的透明晶体，熔点为士，密度为，莫氏硬度为。铌酸锂晶体铁电相结构属于，顺电相结构属点群。铌酸锂晶体在低于居罩温度（）时呈现铁电性，当温度超过居里温度时呈现顺电性，电光效应消失闭，因此本文仅讨论铌酸锂晶体的铁电结构。铌酸锂晶体是由氧八面体组成的。其中氧八面体以共面的形式叠置起来形成堆垛，公共面与氧八面体三重轴，办即与极轴垂直，许多堆垛再以八面体共棱的形式连接起来形成晶体。和“分别填塞在氧八面体中，和“是相间隔填塞得。包围的三个氧八面体和包围的三个氧八面体又分别形成三角形的位置。在这个八面体空隙结构中，是锂原子占据，为铌，余下，

26、是空穴；在方向，、空穴、呈周期性空间排列。当温度高于居里温度时铌酸锂晶体处于顺电相位，每个垛中氧八面体按下述顺序交管出现：一个中心有的氧八面体，两个在其公共面上有“的氧八面体。在顺电相，“和分别位于氧平面和氧八面体中心，无自发极化当温度处于居里温度之下时，铌酸锂晶体处于铁电第一二章铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置相。晶体中“和都发生了沿轴的位移，前者离开了氧八面体的公共面，后者离开了氧八面体的中心。由于和的移动，造成了沿轴的电偶极矩，即出现了自发极化。硝¨意囝图沿轴的氧八面体空间立体分布直观示意图（相互平行的公共氧平面（三角形）层中大球为褐色球为小罴球为）折射率球折射率椭球是描述晶体

27、中的光学性质最常用的光学示性曲面，它是为了表示给定波法线方向的两个折射率和栉一以及电位移矢量的两个偏振杏。和，而提出的一个单层空间曲面。借助于这些曲面可以用直观的几何方法说明光波在晶体中的传播规律，包括光的传播方向、各矢量之同的关系及光波的偏振态嘲。它是以主折射率、啦为半主轴的椭球。在主轴坐标系统下，根据能量关系式玑二西可得：言专每，（）该式（）是标准的椭球方程表示一个椭球面，通常称为折射率椭球面。他的主轴长度分别为惭、啦、，其主轴方向与晶体光轴方向一致。若坐标系统方向电子科技大学硕士学位论文与晶体光轴不一致，则曲面方程可写成为：（专】。（专）托歹（吉，（÷）矽（嘉），膨（÷

28、;），弦（，仍然是一个椭球面。根据折射率椭球，可求出晶体中任意传播方向上两个独立的平面波的两种折射率及相应的两个的方向。为此，作通过原点与传播方向垂直的平面，找出此平面与折射率椭球相交的椭圆曲线，此相交椭圆的两轴在长度上等子和疗”，其中肛和押”就是所求的两种折射率，两个轴的方向就是所求的两个偏振和的方向。矛（萝吣（）图折射率球及相应于方向上的椭圆曲线铌酸锂电光调制器的基本原理电光调制器的线性电光效应电光调制器的电光效应，可以概括定义为当电场施加在光正在传输的介质时，引起的折射率变化、吸收率（电吸收）变化和散射变化“。理论与实验分析均证明【，】：当晶体上施加电场之后，将引起束缚电荷的重新分配，导

29、致离子晶格发生微小形变。其结果引起介电常量的变化，最终导致晶体折射率的变化。在外加电场作用下，晶体折射率变化可以表示为：第二章铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置九一一（）式中为未加电场时的折射率：扎为常量。归是折射率变化的一次项，该项代表的折射率变化称为线性电光效应或泡克耳斯（）效应；二次项，代表的折射率变化称为二次电光效应或克尔（）效应。铌酸锂电光晶体的一次电光效应比二次电光效应显著得多电光调制器技术主要应用线性电光效应。当无外加电场时，各向异性晶体的标准折射率椭球方程表示为：矿磁力：晖式中、母、吃分别是椭球的主轴折射率。对于晶体，扩，旷协，磁，是寻常光折射率，是非寻常光折射率，折射率椭球方程

30、写成：善专若的外加电场。（）式还可用矩阵形式（）式表示。，由于线性电光效应，外加电场引起折射率的线性变化如（秭式所示。其中蜥为线性电光张量各分量，为外加电场，、分别代表电场沿主轴工，、方向（崭塞埔，”，蚓弘”儿以以托肠勉扎，弋弋弋弋弋电子科技大学硕士学位论文（了）皓（）（茅）根据张量对称性，一万圪，玉儿，五，毓以，缸弓疋如一矿，一矿一矿一矿一矿弋弋一矿一矿锯啦啦卜卜巍赳赳文一矿厂九厶厶弋弋一矿（专）。（孝）。：（嘉）。晶体的电光张量代入式（），折射率变化矩阵可表示为：第二章铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置（爿（巍一乃（吉托（吉）托托乃（赳（乳当晶体施加电场后，其折射率椭球发生变形，椭球方程变为

31、：（去）。（嘉）：（÷，（吉。弦（砉），：（吉）。，如果外加电场平行于光轴，即邑神，晟，则折射率球方程（）变为：吾专善以，丘。丘，即有（砉）（嘉）：，疋（耕啦（嘉。（专），（专）。由于乃，很小，置，矛，可利用微分关系：一咖一矿爿廿（伫一，（）屯子科技人学硕士学位论文凼此砌一扣（专）则可得到：一妻司，：一委由此，折射率椭球方程可以近似写成：丽丽“）（怫）射率变化量为，与外加电场最成线性关系。口筇在铌酸锂晶体的方向上加电场，折射率椭球没旋转，晶体主轴方向不变，仍为单轴晶体，但其折射率发生了变化。工、，方肉的折射率变化量为，方向折电光调制器的晶体切向选取波导电报匕竺兰凸第二章铌酸锂电光调制

32、器的基本原理及偏置由于铌酸锂晶体轴方向的电光系数力是的电光张量矩阵中取值最大的元素（×）。当外加电场为方向时，在轴方向的折射率变化最大】。这对于提高相位变化即调制深度十分有益要获得最大的折射率变化，在正确选择调制器的波导和电极结构的同时，还要正确选择晶体基片的取向，常用某方向的“切”表示【阳。如切，则表示晶体的轴垂直于晶体的光滑表面即能形成波导和覆盖电极的那一面，其余切和切可类推。在铌酸锂电光调制器的设计中，我们必须正确选择合适的晶体取向以获得最大的电光系数物。通常晶体的取向采用切、切结构，如图所示。图为典型的光波导相位调制。图（），选择的是切方向传播的基片，电极位于光波导两侧，水平

33、方向电场对波导产生调制作用，光波导传播模是模。图（协中，选择切基片，光传输模是模，电极直接覆盖在波导上面，电场的垂直分量对波导产生调制作用。由于波导上金属电极会带来波导中的光波损耗。因此，在电极与波导之间必须使用隔离层。切基片中由于波导位于两电极之间，可以不需要缓冲层，但为了实现宽带调制，石切调制器一般都会加缓冲层来满足微波信号和光波信号的速度匹配，以实现宽带调制。电光调制器的基本原理圈铌酸锂电光调制器铌酸锂电光调制器的基本结构如图所示。从图中可看出， 电子科技大学硕士学位论文输入光波经过一段路程后在一个分支处，被分成相等的两部分，每部分分别通过光波导的两个支路，然后在第二个分支会合形成一个光

34、波。由于两个分支必然存在差别，所以两个支路中的光波间出现相位差是必然的【。在第一个分支点处，假定光波的表达式为：；）（）（）进入两个支路后，表示为：（，）（，）浩（风）经过第二个分支点后。光波可表示为：）（）了疆既【，（）】（钆）（）（，丝笋，丝产乃纯和分别是口支路和支路引起的相移，在（一）式中，我们忽略了两个支路中的光损耗，也就是说假定衰减为零。相移仍和讫部分地由电光效应产生或修正，使之同时发生相位和强度调制。如果通过外加电压的作用，使得一个支路的相移恰好与另一个支路的相移等值异号，即纯一，那么（）式便变成：（）（，）竽）式中伊。一纺。我们称为铭一编的结构为推挽分支光波导结构。（）式两端平方

35、后可得输出的光强度为：，（等）式中。是输出光强度的幅度值，上式仅表示剐剐通过第二分支点后的情形，实际上通过一段路径到达真萨的输出端，由于损耗，其值应小于上式的，值。第二章铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置集成光波导电场传感器的基本原理集成光波导电场传感器也是依据电光调制原理制备而来，其结构如图所示。其与电光调制器的区别在于电极结构。在空间电场极化作用下，分段电极之间将会形成电压。光波导在电极电压作用下，发生电光效应，形成电光调制。由于电极是对称结构，因此在电光调制器两臂引起的电压是大小相等方向相反，从而引起两个支路的相移是等值异号，构成推挽式结构。集成光波导电场传感器输出的光强度如（）式。宝孟图

36、集成光波导电场传感器结构铌酸锂电光调制器的偏置电光调制器的偏置原理图结构强度调制器的直流特性电子科技大学硕士学位论文结构电光调制器的相对输出光强度为（），且正。可看成常量。根据相对输出光强度此。与调制器相位妒的关系如图所示。由图中曲线可知，当的变化范围选择在附近，肌赢的变化趋于线性状态。强度调制可以认为是线性的。在电光调制器存在固有初始相位的情况下，相对光强度与相位关系表达式还可表示为：。，（）式中仍为电光调制器的总相位差，仍伊。蜘为固有初始相位。妒为电光作用所产生相位差，它与调制器电极电压矿关系如下：厶由（式中为常数。由以上关系，（）式可表示为：（矿）当叫，电光调制器电极电压矿很小时，（）式

37、可为：。此时，电光调制器的相对输出光强度与电极电压成线形关系。（）蛆儒棚位僖啊位稿妻，厂、八支。彳一；）输入铸号交咆饭蝼图相位偏置与光输出强度。的关系第二章铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置图显示的是电光调制器的光输出强度与相位偏置的关系。横坐标是加在电极上的电压纵坐标是光输出强度厶。虚线表示无相位偏置的情况，输出信号的波形与输入信号不同，而且转换效率和信号强度都很差。实线表示相位偏置为兀，时情况，此时输出信号的动态范围和转换效率都是最大值。电光调制器的直流偏置如果在电极电压中加入适当的直流成分，以保证建立适当的工作点，即此直流成分造成矿咒，那么线性调制就能实现。这就是电光调制器通常所采用的直流

38、偏置。在器件结构内，无论是外加电场或光波的电场都不是均匀的，利用公式】，最计算折射率变化必然面临怎样处理最非均匀的问题。为做到等效性，将引入一个重积分参量，这样有效的电光感生的折射率变化量，在一个导光模的横切面范围内可以写成：翻（）吕表示如下：（）式中是电极间隙宽度；是引入的重叠积分参量。一般称为场一模重叠因子，旦肛阿枷式中是归一化的光波电场分布函数；是外加电场分布函数，积分限于电光作用区域。当电光作用长度时，总的相移是：卸筇嘲矿鲁直流偏置引起相位厶萨死垃，因此直流俯置电压为：订瑚：黑（）电光调制器的光学偏置在电光调制器的直流偏置中，直流偏置会产生偏置点漂移现象【。此外，直流偏置电极的引入不但令器件结构复杂，而且增加了器件的长度，电极设计复杂化。同时，与电光调制器工作原理相同的集成光波导电场传感器如果施加直流偏电子科技大学硕士学位论文置还将会影响器件对被测电磁场的测量。因此其不能通过电极加载直流电压形成相位偏置。只有使用光学偏置的方法，以达到电场传感器相位偏置。光学偏置取决于两波导臂之间的差别，可以