聚合物电光调制器原理及应用

1、多包层聚合物长周期光纤光栅电光调制器研究报告人报告人 QJL电光调制器研究背景及意义通讯流量日益增长，人们对带宽的要求越来越高。通讯流量日益增长，人们对带宽的要求越来越高。传统的传统的波分复用技术波分复用技术（WDM）无法从根本上解决网络节点的电子速率瓶颈。）无法从根本上解决网络节点的电子速率瓶颈。解决办法解决办法是是直接对光信号进行处理直接对光信号进行处理，即建设全光通信，即建设全光通信网。网。 光电子器件光电子器件 电光有机电光有机聚合物材料聚合物材料 电光电光调制器调制器有机聚合物电光调制器研究进展19911997200420082012“DANS”发发色团色团的侧的侧链型链型聚合物研制

2、马曾调制器聚合物研制马曾调制器高性能高性能非线性非线性电光电光材料，材料，调制频率调制频率100GHz新型材料新型材料聚碳酸酯聚碳酸酯研制出研制出半波电压为半波电压为 8.4V 的电光的电光调制器调制器聚合物电光调制器逐聚合物电光调制器逐步进入步进入商业化时代商业化时代双层石墨烯双层石墨烯电光调制器的带宽电光调制器的带宽在理论上已经可达到在理论上已经可达到120GHz内调制外调制有机聚合物材料特性器件半波电压低、电光响应速度快、良好的分子塑型聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸环氧甲酯共聚物n=1.483 ( =1.55 m )PMMA-GMA电光调制器简介电光调制器电光调制器主要是将电信号加载到光载

3、波上，使主要是将电信号加载到光载波上，使光参量随着电参量的改变而改变光参量随着电参量的改变而改变，光参量包括了，光参量包括了光场的光场的幅度、相位、频率幅度、相位、频率等，将光波作为信息的载波等，将光波作为信息的载波。重要指标重要指标半波电压半波电压调制调制深度深度插入损耗插入损耗光波在晶体中传播时，当光波的两个垂直分量的光程差等于半个波长值时所需要的外加偏置电压值。电光调制器输出端输出光功率的波形中相邻的波峰值与波谷值之比。电光调制器导致的光传输链路系统的附加损耗，光纤、电极、耦合和传播损耗。几种常见电光调制器马赫曾德马赫曾德尔铌酸锂电光调制器尔铌酸锂电光调制器微环微环形电光调制器形电光调制

4、器 微环结构中的电光材料的电光效应，使得微环波导的折射率与外加电压值有关，从而导致微环的谐振波长得改变，从而实现电光调制。 变化电极偏置电压大小影响其输出的光强度大小，实现光的强度调制。输入光信号波长与微环谐振波长相等电光调制器相关理论分析电光材料是聚合物电光调制器的重要电光材料是聚合物电光调制器的重要组成部分，组成部分，制备电光材料制备电光材料首先需要首先需要对聚合物对聚合物进行进行极化极化。感应极化感应极化电负性相反的原子出现位移，分子带上偶极矩偶极极化偶极极化分子发生原子和电子极化，偶极矩沿电场方向转动、排序，产生分子取向，宏观偶极矩不为零界面极化界面极化介质界面两边的成分具有不同极性或

5、者电导率时，通过电场的作用，电荷在介质界面处汇集外外加加电电场场极化聚合物材料极化聚合物材料电光效应电光效应电光调制器相关理论分析1、在电光材料薄膜上外加偏置电场后，电光材料折射率、在电光材料薄膜上外加偏置电场后，电光材料折射率 n 与与 E0 的关系的关系一次电光效应一次电光效应二二次电光效应次电光效应和跟场强方向及导光方向有关电极加载偏置电压后2、折射率椭球方程、折射率椭球方程电光系数张量的分量Pockels 效应Kerr 效应极化聚合物中电光调制器相关理论分析纵向电光效应纵向电光效应时极化聚合物材料的电致折射率变化值时极化聚合物材料的电致折射率变化值纤芯模包层纤芯模包层模耦合常数模耦合常

6、数个数大约为170个 对于一阶低次包层模，主要运用一阶低次模的模式耦合 一阶七次耦合模空心圆：包层 HE 模星号：包层 EH 模偏振敏感性聚合物电光调制器结构分析D型多包层聚合物光波导的截面图多包层聚合物长周期光纤光栅电光调制器结构 ITO下电极的电势低于Au上电极的电势，接上外电源后形成偏置电压，通过极化聚合物材料的电光效应，调节上下电极的偏置电压实现极化聚合物材料折射率的改变。多包层光波导仿真分析各层厚度及分析各层厚度及折射率对传输常数的影响，给折射率对传输常数的影响，给出每出每层合适的结构参数层合适的结构参数范围。范围。12半径半径(m)折射率折射率纤芯：纤芯：3.92 R1 3.95

7、包层包层：5 R2 13.6ITO电极电极：7.375 R3 7.395聚合物薄膜：聚合物薄膜：8.595 R4 8.695 纤芯：纤芯：1.475 N1 1.490包层：包层：1.4701 N2 1.4790聚合物薄膜：聚合物薄膜：1.6089 N4 1.6133工作原理聚合物薄膜聚合物薄膜电光效应电光效应折射率改变折射率改变LPG损耗峰中损耗峰中心波长改变心波长改变输出光强度不输出光强度不同同调制调制实现实现极化V传播常数变化电光调制器的调制过程聚合物折射率聚合物折射率与与LPG传输传输谱谐振谱谐振中中心心波长、峰值关系波长、峰值关系 控制调制器的外界电压，使聚合物折射率非常接近外包层折射

8、率，此时中心波长偏移量最大。 纤芯模与一阶七次包层模的耦合深度在逐渐增大，越来越多的纤芯模能量耦合进包层模，调制效率也在増加。仿真仿真计算调制电压的大小与电光调制器传输谱各个参数的关系计算调制电压的大小与电光调制器传输谱各个参数的关系电光调制器的调制过程中心波长透射率零点带宽逐渐减小该调制器可以利用3V调制电压实现波长在1498.1-1498.8nm 间的可控调制耦合透射谱耦合透射谱电光调制器的多波长调制一三五七九 随着波长增大，相邻谐振峰波长之间的间隔不断增大 谐振峰的峰值出现先减小后增大的趋向 随着阶次的变大，同样的调制电压下，损耗峰中心波长的偏移值明显增大。 一次、三次、五次损耗峰的峰值变大，而七次、九次损耗峰的峰值减小。总结结合结合极化聚合物的电光效应极化聚合物的电光效应及其折射率及其折射率改变对长周期光纤光栅传输谱的影响，改变对长周期光纤光栅传输谱的影响，分析了不同调制电压下，电光调制器的输出损耗峰的分析了不同调制电压下，电光调制器的输出损耗峰的变化。变化。AB单波长调制多波长调制 当驱动电压小于 3V 即可实现：输出损耗峰中心波长在1407.0nm-1498.8nm范围内移动，输出功率变化值为19dB。 调制电压在 0-10V 时，损耗峰中也波长变化量在 0.4-9.4nm 范围改变，输出功率变化值分别为 11dB(七次），45dB（九