（光学专业论文）无电极mz型干涉仪式linbo3集成光波导电场传感器.pdf

中文摘要 中文摘要 l 2 0 世纪以来，随着信息技术的高速发展，由于电载体的限制，现有的 信息容量和速度己远远不能满足要求。由于光的速度和频率的优势，为提 高信息的传输速度和载波密度，信息的载体由电到光是发展必然趋势。而 作为光通信技术迅速发展的产物，光波导传感器盥得到了迅速的发展，目 前已有成熟的器件在国际上得到广泛的应用。， 作为本课题，研究的是无电极m z 型干涉仪式集成光波导电场传感 器，有着与其它传感器不同的特点。它的研究任务，主要包括了基本理论 的研究，特别是线性电光效应引起的波导折射率变化的研究，传感器的设 计、制作和传感器的调试与测试三个部分。 基本理论的研究就是根据光波导基本理论( 主要包括麦克斯韦方程、 菲涅尔法线方程、椭球折射率方程等) ，对l i n b 0 3 晶体中正常型波导和反 转型波导的折射率和电光张量进行分析，然后当有外加电压时，所引起的 正常型波导和反转型波导折射率变化的不平衡性而产生的电光效应而进 行研究。 传感器的设计是以光波导基本理论为基础，设计了光波导的长度与宽 度，以及设计了钛扩散的宽度和扩散深度，并以此制作了掩膜板，然后在 制作中以集成光学器件的制作工艺为基础，制定了该传感器的制作工艺流 程，指出了工艺过程中的注意事项，尤其是在钛扩散和质子交换中的工艺 过程，并加以分析。 最后在传感器制作完成后，对器件的插入损耗和直流特性进行了测试 和分析，并讨论了器件的交流特性，从而验证了反转理论的正确性以及将 反转特性应用于传感器是可行的。 厂 f 全文对无电极m z 式干涉仪式集成光波导电场传感器进行了研究，不 仅对反转型波导折射率变化的研究具有重要意义，也为传感器的研究提出 了一个新的思路，同时为实现高频无线通信提供了可能性。y 关键词：电场传感，反转型，正常型，m z 干涉仪式 ， a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h e2 0 t h c e n t u r y ，a l r e a d yi n f o r m a t i o nc a p a c i t ya n dt r a n s m i s s i o n b i t r a t eh a v en o tc o n t e n t e d0 1 1 1 n e e db e c a u s ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i s d e v e l o p e d q u i c k l y f o r 曼型尘型哆t r a n s m i s s i o n b i t 。r a t ea n dc a r r i e rw a v e d e n s i t yi ni n f o r m a t i o n ，i n f o r m a t i o n a lc a r r i e rm u s td e v e l o pf r o me l e c t r i ct o l i g h t s oa sr ，e s y u l t ，o fp r o m p td e v e l o p m e n t i n o p t i c c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， o p t i cw a v 魄u i d e s e n s o ri sd e v e l o p e d p r o m p t l y n o w m a t u r ed e v i c eh a v eb e e n ”t y i d 1 i n t e r n a t i o n a l i a l r e a d y u s e dw i d e l yi nt h et v 1i o n at v ，一 i nt h i ss u b j e c t ，w em a k er e s e a r c ha b o u tm a e h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r w i t hn oe l e c t r o d e sf o rs e n s i n ge l e c t r i cf i e l d s t h eb a s i cc o n t e n ta b o u tt h i s s e n s o rr e s e a r c hi n c l u d em a i n l yt h ef u n d a m e n t a lt h e o r y ，a b o v da l lr e f r a c t i v e i n d e xc h a n g ep r o d u c e db yt h el i n e a r e l e c t r o - o p t i ce f f e c t ；s e n s o rd e s i g na n d s e n s o r sf a c t u r e ；t e s ta n dm o d u l a t i o na b o u tt h es e n s o r a c c o r d i n gt ot h eo p t i cw a v e 。g u i d et h e o r y ，t h eb a s i ct h e o r yr e s e a r c hi s a n a l y s i sa b o u tc h a n g eo fr e f r a c t i v ei n d e xa n de l e c t r o o p t i ct e n s o ri nn o r m a l l i n b 0 3a n dr e v e r s e p o l e dl i n b 0 3 w h i l et h ee l e c t r i cf i e l di sa d d e da r o u n d t h e s e n s o r ，r e f r a c t i v e i n d e x c h a n g e i m b a l a n c ei nn o r m a l l i n b 0 3 a n d r e v e r s e p o l e dl i n b 0 3r e s u l ti ne l e c t r o o p t i ce f f e c t o nt h eb a s i so ft h eo p t i cw a v e g u i d et h e o r y , w ed e s i g no p t i cw a v e - g u i d e l e n g t h a n d w i d t h ，a n d e v a l u a t e d e p t ha n d w i d t ho f t i t a n i u m ，d i f f u s e ”、 a c c o r d i n gt ot h e s ed a t a ，w em a k es e n s o r sl a y o u tp a t t e r n s u b s e q u e n t l yw e e n a c tt h em a k i n gp r o c e s s o ra b o u ts e n s o r ，a n da n a l y z et i t a n i u md i f f u s ea n d p r o t o n ，e x c h a n g e w e t e s td i s s i p a t i o na n dh a l fw a v ev o l t a g ea b o u ts e n s o r ， ： ， a n a l y z ed c a n da cc h a r a c t e ro f s e n s or t h er e s e a r c ho ft h es e n s o ri sn o to n l ys i g n i f i c a n tf o rr e f r a c t i v ei n d e xi n r e v e r s e dp o l e dw a v e g u i d e ，b u to f f e rp o s s i b i l i t yf o rr e a l i t yo f h i g h f r e q u e n c y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d ：s e n s i n ge l e c t r i cf i e l d s ，r e v e r s et y p e ，m - zi n t e r f e r o m e t e r i i 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： 盔：蠡 日期：卫。2 年3 月胛日 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秘后应遵守此规定) 签名导师签名 日期：细z 年乡月f 夕日 圭墨主茎茎堡曼翌墨墨一 主要中英文符号对照表 m z l i n b 0 3 t m t e 、l l cp c 口， k r h p 圹必。! 一 b p m h 2 0 2 t e mc e l l 马赫一成德尔 铌酸锂 横磁波 横电波 非寻常光折射 寻常光折射率 光束传播法 双氧水 横电磁波小室 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 2 0 世纪以来，随着信息技术的高速发展，现有的信息容量和速度已远 远不能满足要求。由于光的速度和频率的优势，为提高信息的传输速度和 载波密度，信息的载体由电到光是发展必然趋势，从而促进了光通信的飞 速发展。作为光通信的一部分，集成光学也有着集成电子学无可比拟的优 点，包括 光波具有比毫米波段微波频率高出1 0 4 1 0 5 倍的特高频率，理论上 带宽可达1 0 6 g h z ，传输信息容量比毫米波系统还要大一万倍，大 大提高了信息容量； 克服了电集成的量子力学限制，热不稳定的热力学限制，所需线路 阻抗的限制以及为了散热所需的最小元件间隔限制等： 不存在电子渡越时间； 具有较强的抗电磁干扰能力。 集成光学也称集成光路，它由激光器、调制器、光开关、控制器等集 成在一起所形成的有一定功能的回路，按衬底材料可分为，l i n b 0 3 集成光 学器件、合成材料光波导器件、s i 基集成光学器件，g a a s g a a l a s 集成光 学器件以及i n p g a a i a s 集成光学器件等。 无电极m z 型干涉仪式波导电场传感器，作为集成光学的应用之一，于1 9 9 3 年，由美国科学家s r i r a ms 等人，研制出了第一个实验品。而我国在这方面研 究还是一片空白，所以研究无电极m z 型干涉仪式波导电场传感器，为传感器 的深入研究，提出了一种新的思路。 1 2 课题的总体设计概述 本课题为国家自然科学基金“新型超宽带集成光波导无线接收器”。 第一章引言 其研究重点在于光波先经过极高频率的载频调制，然后再经过光传感器 、一 后，得到一个完整的超宽带载频调制信号，使超宽带的无线接收( 0 5 g f t z ) 、。 一 成为现实。其核心部分就在于光传感器的研究。 本课题中，光探测采用的是新型的无电极反转型马赫陈德尔 ( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪式光波导电感应器f 1 1 。 1 2 1 集成光学调制器 调制器在集成光学应用研究中最为突出，主要分为波导电光调制器、 声光调制器和磁光调制器，它们分别由电场、声场和磁场来改变波导介质 的介电张量，从而改变波导的振幅、相位或频率实现调制。 常用电光调制器主要为“n b 0 3 波导相位调制器和强度调制器。相位 调制器，即通过外加电场的线性电光效应引起光波导介质的折射率变化， 进而引起导波光传播的相位变化，是电光调制器中最简单的器件。其典型 的器件构成图如图1 所示。 c a ) ( 6 ) 图1 - 1调制器的基本结构 图1 1 中，( a ) 中电极位于两侧，水平方向电场对调制产生作用；( b ) 中 电极的一片直接盖在波导上面，因而电场的垂直分量对调制产生作用。 强度调制器，是通过外加电极电压的变化来调制光强度，它可分马赫 第一章引言 玲涨 、刃；篇篇猃 蒸添交x 信道扩餍漪孽。交x 信遴 ( b ) 模式干涉一模式转换 多模爱x 信道 ( c ) 模式转换 2 蟊2 勿 一置翟茏墨琵r 一 撼止或吸收 图1 - 2 普通的调制器构行 在图1 2 中，( a 1 ) 图的马赫陈德尔( m a c h z e h n d e r ) 干涉仪式波导 电光调制器，它是采用两个平行偏振的调相波合成而实现强度调制功能 的，( a 一2 ) 中的定向耦合器和两模式x 信道调制器又可以看成是反对称和 对称模式的干涉仪型调制器；( b ) 中为模式转换和模式干涉型调制器，主 要有多模x 信道调制器，其强度电压特性受输入激励条件影响大，以及 基于全模式转换的截至调制器，通过导模耦合成衬底模式实现调制，强度 电压特性取决于波导和电极参数；( c ) 中是电吸收调制器，它是将带隙下 波长的光引导入单信道p n 结，通过将反向偏压加在跨接p n 结上来调制 光，从而使带缘向较低能级移动，当带缘与光波长重叠时，光被吸收，导 致幅度调制，其调制特性受波导、电极尺寸和材料组分影响。 4 第一章引言 根据系统对调制器的要求，主要对器件的带宽、调制速率、调制电压、 消光比、插入损耗以及线性的电压- 强度曲线等参数进行讨论。 1 2 2 带电极的m z 干涉仪式波导调制器 自从1 9 6 9 年美国贝尔实验室s e m i l l e r 首次提出“集成光学”这术 语以来，经过3 0 多年的发展，集成光学器件已经进入实用阶段，尤其是 以l i n b 0 3 光波导为基础的电光器件上。而m - z 干涉仪式波导调制器是现 在常采用的器件类型，被广泛地使用在很多方面，例如调制器、光开关、 电磁传感器等。在本课题中采用的就是无电极反转型m z 干涉仪式光波导 电感应器。 传统的m z 干涉仪式波导调制器如图1 3 所示： 图1 3m a c h - z e h n d e r 干涉仪式强度调制器 从图中可看出，输入光波经过一段路程后在一个y 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y 分支会 合形成一个光波。光波经过两个分支光波导的相位调制，最后在输出端引 起光强度的变化，如果在输入端输入光波y ( f ) 【1 1 d s l 1 9 1 ，则有 | i f ，( f ) = y oe x p ( j t o o f ) ( 1 - 1 ) 进入两个支路后，可表示为： 矿。( ，) = 矿6 ( f ) ； f r oe x p ( c o o t ) i ( i - 2 ) 经过第二个y 分支点后，光波为： 第一章引言 y ( r ) = 等等 e x p j ( c o o t + ) + e x p j ( o j o t + ) 】) ：x p l ，( f + 冀粤) 】c o s 譬导 ( 1 3 ) 二二 在这里，和纯分别是a 支路和b 支路引起的相移。假定衰减为零，通过 外加电压作用，使得a 支路的相移恰好与b 支路的相移等值异号，即 = 一吼，那么( 1 3 ) 式变成 帅) 嘲e x p ( j w ) c o s 等 ( 1 - 4 ) 式中，妒= 优一纯，从( i - 4 ) 式中可以得到输出的光强度为 川一0 s 2 ( 争 ( 1 - 5 ) 其中，。是输出光强度的幅度值，从上式可见，m z 型调制器是用光波通 过两干涉臂时产生的相位差来进行相位调制，然后在输出端反映为电极电 压的变化导致光强度的变化，即强度调制。因为由( 1 5 ) 式可知 s i 。= c o s 2 ( 妒2 )( 1 6 ) 由此，可绘制出如图1 - 4 所示的直流特性曲线。 j 言 来0 音 彝 复 幂 a p i 越l 图】- 4 强度调制器的直流特性 它反映了如果妒的变化范围在o 5 石附近时，l 。成线性状态，如果在 电极上加入适当的直流电压，使妒= o 5 万，就可以实现m z 调制器的线 性调制，因为有 第一章引言 螂：c 争：生产：半1 + s i n ( 2 - a p ) ， 如果伊一詈，那么就有s i n ( 鲁一妒) z 吾一妒，代入( 卜5 ) 式得 ，= 每e 1 + ( 要一妒) 】 ( 1 _ 8 ) 即m z 调制器的调制线性公式。 从上面可以看出，传统的m z 干涉仪式波导调制器的调制特性受电极 上外加直流电压的影响较大，所以当用作传感器时，这种调制器会遇到以 下几个问题： 首先是金属电极会干扰被测电场，以及由于极间电容降低带宽，从 而导致测量的不准确性： 并且由于电极间隔太小，可能会造成附加和后续连接装置的损坏和 不变： 而且如果需要附属电装置的连接使得器件工作在线性区，有可能对 集成器件中其余部分造成影响。 而采用新型的m z 干涉仪型调制器( 即无电极的m z 干涉仪式波导调制 器) 作为电场传感器就会解决了上面的问题。 1 2 3 无电极的m z 干涉仪式波导电光传感器f 2 0 】 光波导传感器是二十世纪七十年代中期发展起来的一种新型传感器。 它是光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器相比有本质的 区别。光波导传感器用光而不用电作为敏感信息的载体：用波导而不用导 线作为传递敏感信息的媒质，因此，它具有光学测量的一些极其宝贵的特 点： 1 电绝缘。一般光波导传感器都具有很好的电绝缘性，特别适用于高 电压系统及大容量电机的测试。 2 抗电磁干扰。由于光波导传感器的及其独特的性能特征，特别适用 7 第一章引言 于高电压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环境中，可以解决许 多传感器无法解决的问题。 3 非侵入性。对被测场不产生干扰或干扰很小。 4 高灵敏度，利用光作为信息载体的光波导传感器的灵敏度很高。 5 容易实现对被测信号的远距离监控。 在本课题中，采用的是无电极的m z 干涉仪式波导电光传感器，也 就是去掉了电极的m z 干涉仪式波导调制器，从外型上看两者很相似，但 是从结构上看，两者却有很大不同。无电极的m z 干涉仪型光波导电场传 感器的结构示意图如图1 5 所示 图l - 5 无电极干涉仪式光波导电场传感器示意图 从图中可以看出，阴影部分表示为钛层，且去掉了金属电极。 采用了这种结构的传感器可以避免金属电极的干扰，降低了工艺难 度，而且提高测量的准确性。 1 3 论文的基本结构及主要内容 本论文的第一章引言介绍了集成光学的背景、发展状况和目前的应用 ，并简单介百了集成光学调制器结构、类型和调制机理，通过本课题， 说明了采用无电极m z 型干涉仪式光波导调制器作为传感器的优点 构；第二章是本论文的核心，主要是介绍了本课题所涉及的基本理论 ，以及在外加电场作用下，由正常型波导和反转型波导的折射率变化而 了晶体的电光效应，并进行了仿真；第三章论述了无电极的m z 型干 第一章引言 涉仪式集成光波导电场传感器设计和制作工艺过程，其中对形成反转极的 钛扩散和形成光波导的质子交换做了详细的说明；第四章记录了器件的性 能测试数据，并对它进行分析，指出了不足，提出了改进的意见：第五章 主要是对前面所作的工作进行总结。 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 2 1 电光调制原理 本章主要深入讨论了电光调制的原理，以及正常型波导和反转型波导 的电光效应。在麦克斯韦定理、菲涅尔法线方程以及折射率椭球等理论的 基础上，分析了平面波在晶体中传输的基本原理，以及集成光学器件的晶 体材料的选取，晶轴的选取。并以无电极m z 型干涉仪式波导电场传感器 为例，详细讨论和分析了以l i n b 0 。晶体作为材料的正常型波导和反转型波 导的折射率变化，推导出在理想状态下两种波导折射率变化的公式，并用 计算机编写程序，进行了仿真。 2 1 1 折射率椭球 折射率椭球是描述晶体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s 方向的两个折射事毋”以及电位移矢量d 的两个 偏振态d 和d ”，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，包括光波的传播方向、各矢 量之间的关系及光波的偏振态f 2 1 。 它是以主折射率吃、n ，、 ：为半主轴的椭球。在主轴坐标系统下， 根据能量关系式u 。= 去e d 可推得 z 言+ 鲁+ 妄= ，d 也象 c z 它通常称为标准折射率椭球。该椭球表示了晶体的折射率在晶体空间各d 矢量方向上的全部取值分布，如图2 - 1 所示，其中主轴的长度分别为2 ，z ，、 2 厅。2 1 , ，其主轴方向与晶轴方向一致。若坐标系统方向与晶轴光轴不一 致，则其表示性曲面方程又可写成 辛妒+ 去旷+ 告妒也嘻盼z 告胁z 去肛疗l l”2 2胛3 3疗1 2胛1 3甩2 3 l o 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 zjl n 2 厂 ，一 l x 。 ( a ) y “jl 莽 萝 r y 图2 - t 折射率椭球 ( b ) 从上式可以看出，它仍然是个椭球面，根据此折射率椭球，可以求出晶体 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d 的方向。 为此，做通过原点与传播方啦直的平面，找出此平面与折射率椭球相书i 垂豫： 交的椭圆曲线，此相交椭圆的两个轴在长度上等于2 和2 ”，其中和” 就是所求的折射率，两个轴的方向就是所求的两个偏振d 和d ”的方向， 如图2 1 ( b ) 所示。 2 1 2 电光效应 当晶体的折射率光吸收和光散射特性在外加电场下发生变化时，产生 的光学效应称为电光效应。因为某些光学介质的电光效应，当其受到外电 场作用时，它的介电系数和折射率所发生的变化不仅与电场的强弱方向有 关，而且与电场的方向有关，因此这种变化常用张量描述，在光学性质上 变为各向异性；而不受外电场作用时，介电系数和折射率都是标量，与方 向无关，在光学性质上是各向同性的【2 】。 i 电光效应有两种：一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比 例，称为泡克耳斯( p o c k e l s ) 效应；另一种是折射率的变化量与外电场强 度的二次方成比例，称为克尔( k e r r ) 效应。利用克尔效应制成的调制器， 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡 克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对 称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，如图2 - 2 所示： 图2 - 2 a ) 克尔盒b ) 纵调的泡克耳斯盒c ) 横调的泡克耳斯盒 p 、a 分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。当不 给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过p 后 变为振动方向平行p 光轴的平面偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。 到达a 时，因光的振动方向垂直于a 光轴而被阻挡，所以a 没有光输出； 给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的 光学性质，光轴的方向平行于电场。这时，通过它的平面偏振光则改变其 振动方向。所以，经过起偏器p 产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动 方向就不再与a 光轴垂直，而是在a 光轴方向上有光振动的分量，所以， 此时a 就有光输出了。a 的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、 外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压 是周期性变化的，则a 的光输出必然也是周期性变化的，由此实现了对光 的调制。 箜三兰垡丝皇堂墼查! ! 望塑鎏量堑塾奎銮垡坌堑 电光效应是由于外加电场使电荷重新分布引起的，而且取决于外加电 场与束缚带电粒子( 如电子和离子) 的原子电场之比。在电光效应的多数 实际应用中，由于外加电场与原子内场( 一般为1 0 8 v c m ) 之比是很小的， 因此与线性效应相比，二次效应也很弱，所以常忽略二次效应。对于线性 电光效应，外加电场引起折射率的线性变化，通常用( ) 表示，当外加 电场e 时，可得d s p 6 ( 去) ：杰孙e k 玎i 女= l ( 2 3 ) 其中，孙为电光张量的各分量，显然b 肚j 矩阵是一个三阶张量矩阵。由于 介电张量矩阵是对称的，因而有肝。= ”，或y 扯= y 肚 ( 2 - 4 ) 于是可将张量p 时】的前两个小标用一个下标表示，记为 i j = 1 1 ，2 2 ，3 3 ，2 3 ( 3 2 ) ，1 3 ( 3 1 ) ，1 2 ( 2 1 ) ，= 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 13 于是( 2 - 3 ) 可变为( 击) = y 。e 。 ( 2 5 ) n i k - 1 其中1 = x ，2 = y ，3 = z ，上式也可由矩阵表示为【1 7 】 ( 占) n 1 ( 上) 珂一 ( 去) ( 上) 甩4 ( 去) 。 ( 占) 代 y l3 ，2 3 y 3 3 ，4 3 ，蚰 ，6 3 表2 一l 列出了常见晶体材料的电光张量矩阵。 ( 2 6 ) 幢 n 弛 鸵 。： 醯 ，厂y y y y l 2 3 4 5 6 ，y y y y ， 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 表2 1电光张量矩阵 【，i n b 0 1 ，l i t a 0 3 l 1 0 3 0 一屹2 3 00 1 3 0 r 2 23 00 ，1 3 00 r 3 3 00 r 3 3 0 r 4 2 0 1r 5 l 0 ，4 2 00 ，5 l r 4 1 0 一一r 2 2 0 0 000 _ b a t i 0 3 k 11 2 p 0 4 ( k d p) 00 1 3 乒 一 0o0 0 0 3 0oo 00 r 3 3 o00 0 2 0 r 4 1 00 r 4 2 000 r 4 l 0 000 0 0 r 6 3 一 ga a s ，c d t c c d s 0oo 0 0 3 0oo00 r 2 3 00o 00 r 3 3 r 4 1 0 0 0 r 4 2 0 0 r 4 1 0 r 4 2 00 0 0 r 4 1 000 _-_ 在外加电场时，由于折射率的变化，原来标准形式的折射率椭球必然 会在形状大小和方位上发生变化，由于坐标原点保持不变，所以该椭球无 平移，只是发生坐标旋转的位置变化，此时折射率椭球方程( 2 - 1 ) 就会 变为 ) z z + ( 去) y ：+ ) 9 2 + 2 ) 弦+ 2 ( 士) 船+ 2 ( 去) x y = 1 ( 2 7 ) ln 2 2 3 32 2 3 1 3n 1 2 利用电光张量矩阵，反映出在外加电场下折射率椭球的普遍表达式又可表 示为 1 4 茎三童垡丝皇堂整窒! ! 塑塑婆量塑塾垩銮些坌塑 【( ) + y ，。e ，+ y ，：e ，+ y 。3 e ：】x ：十【( ) + y 2 ，e ，+ y 2 2 ，+ y 2 3 e ：】_ y 2 + n ， n 2 ( 去) + e ，+ e y + 强e ：】z 2 + 2 i t 4 l e ：+ y 4 2 e y + y 4 3 e ：l y z + ( 2 - 8 ) 心 2 r 5 l e ，+ y 5 2 e ，+ ，5 3 e ： x z + 2 【，6 l e ，+ ，6 2 e ，+ y 6 3 e ： x y = 1 光 ( b ) 光轴 图2 - 3 波矢在x - z 平面的截面 r 们夏历 而不同类型的晶体，n 也是不同的，当、n ：和玛各不相同时，晶体 有两条光轴，称为双轴晶体，如图2 3 ( a ) 所示。当i = 1 1 2 时，晶体只有 一条光轴，称为单轴晶体，如图2 - 3 ( b ) 和( c ) 所示，此时，令肝，= ”：= 盯。 即塑曼盏型纽碰匝骜墨扩，生口塑! ! 量堂垄堑塾垩。当 时晶体为正号饬、 轴晶体，当n 。 甩。时晶体为负单轴晶体，分别如图( b ) 和( c ) 所示。所 用的l i n b 0 3 晶体是负单轴晶体。其电光张量矩阵为式( 2 - 1 ) 当沿着z 方 向外加电场时，即当e = e ，e 。= e 。= 0 折射率椭球公式变为 去+ ，”e 虹2 + 嘻1 + r j ，e 沙2 + 专+ e 净2 = 1 ( 2 - 9 ) 将上式与标准形式( 2 - 1 ) 相比较，经简单运算容易求得 所以 ：一昙阼；，e 甩，= n 。一去”k e ： n z ：他一三疗；，3 3 e ( 2 1 0 ) 警 耆 ，a飞 。姣 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 显然，外加电场后n ，= 珂，仍为单轴晶体，保持各向异性。 2 1 3 晶材的选取 集成光学器件的不同功能，确定了它使用材料的特性。在集成光路中， 一些器件并不要求器件本身具有发光( 或本征吸收功能等) ，这样的器件 称为无源器件，如薄膜棱镜、透镜、介质波导等，而制作这些器件的材料 就叫无源材料；相反，另有些器件则称为有源器件，如激光器、探测器等， 相应的材料就为有原材料。任何一个集成光学器件必须有衬底层、波导层 和覆盖层，他们分别由不同的材料构成。显然，在晶体材料的选取上要考 虑器件的要求、加工方法以及应用等，一般来说，晶材的选取的基本要求 有以下几条“j ： 1 易于形成质量良好的光波导。这里包含两层含义，首先是材料的工 艺性能好，可以容易实现，在相应的衬底及覆盖层间形成折射率较 高的波导层；其次，要求形成的波导层能满足器件功能的要求，传 输率要小，在工作波长范围内，材料的“透明度”要高。 2 集成度要高，能在同一衬底上制备出尽量多的不同功能元件。 3 经济性，包括材料本身的经济性以及加工的经济性。 从上面考虑，再结合本课题的要求，鉴于l i n b 0 3 良好的工艺性能选 择了l i n b 0 3 晶体作为器件的材料，l i n b 0 3 晶体为3 m 点群的负单轴晶体， 其折射率椭球方程为 言+ 豸+ 言“( 2 - 1 1 ) 式中，x ，y ，z 为主轴坐标，z 为光轴。折射率椭球的半长轴长度为晶体 对寻常光的折射率为月。，短轴半长度为晶体对非寻常光的折射率 。从可 见：耀幺i p b ( 0 4 - t m - 5 ) 范围内，光在晶体中的透过率高琵碱。同 时l i n b o ，晶体有极高的光电系数，因而被选择作为传感器的衬底材料。 2 1 4 晶轴的选取 1 6 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 电光效应是集成电光波导调制器的工作基础，当电极上施加调制f g i 玉, 时，波导折射率因电光效应发生改变，因而导波通过电极区后其相位随调 制电压而变化。为了最有效的利用介质的电光效应，以获得最大的折射率 变化，必须合理的选择晶轴的取向1 2 1 u 7 1 。 _ 卜 图2 4 ( a ) x 切c p w 电极( b ) z 切c p w 电极 以共面波导电极( c p w ) 为例，在图2 4 ( a ) 中，电极置于光波导的 两侧，水平方向的电场对调制器起作用：要获得最大的电光系数扎，应选 择x 切y 传的l i n b 0 3 基片，同时光波导传输模为t e 模，其导光电场偏振 方向与电极电场方向一致。选择y 切x 方向，光波仍为t e 模。图2 - 4 ( b ) 中，电极的一片直接盖在波导的上面，因而电场的垂直分量对调制产生作 用。这种情况下，必须使用s i 0 2 作为隔离层置于电极与波导之间，以减少 光波损耗，并且选择z 切l i n b 0 3 基片和t m 偏振状态的光传输模。 虽然从电光系数上看，x 切的晶体和z 切的l i n b 0 3 晶体都可以获得 最大的电光系数y 。但是由于z 切的l i n b 0 3 晶体的耐热性能特别差，在 加工处理过程中，如清洗中冷热水的温差，扩散等热处理时与器件和器皿 的接触等，极易造成衬底炸裂，而且在扩散过程中，加热z 切衬底时，在 衬底上、下面间将产生一定的电位差，在合适的条件下，将产生局部放电。 这种放电往往会击断衬底表面的金属钛条，使波导断裂，所以从上面可以 看出，在本器件制作中选择l i n b 0 3 晶体的晶轴方向作x 切的更为合适。 2 2 正常型和反转型波导电光效应的分析 在本课题中，是用m z 结构的干涉仪型波导调制器来作为电场传感 器，为了避免传统的m z 调制器上的金属电极的干扰，采用了新型的结构， 即无电极的m z 干涉仪型波导光电场传感器。 对这种新型结构，已在引言中详细讨论过，在本章中将深入对其反转 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 机理原理进行研究。 知道波导调制器是通过外加电场使晶体的折射率发生变化，从而产生 电光效应，而在无电极的m z 干涉仪型集成光电场传感器中，是由正常的 l i n b 0 3 波导支路和反转的l i n b 0 3 波导支路的折射率变化引起电光效应 的。这里所说的反转是相对于正常来说的，也就是说反转型中的晶轴方向 ( x ，y 和z 方向) 与正常型的晶轴方向完全相反，从而产生了正常型波导 与反转型波导电光特性的不同。在下面利用近似微扰法，对z 切和x 切的 l i n b 0 3 晶体为材料的波导传感器从理论和数值计算两方面作了分析及讨 论。 2 2 1 l i n b o ，晶体折射率变化的分析 该电场传感器采用m z 干涉仪型光波导，其中信道波导是由基于+ x 切的l i n b 0 3 基片上的质子交换实现的。在这种波导中，只能够传输t e 模，而且选择合适的波导厚度，使波导只传输t e 基模。传感器干涉臂与 晶轴y 平行，且传播方向相反，其结构图如图2 - 5 t 4 】【2 3 1 。 光出 ：r a j n e x t e r n a lf i e l d ： o “e n 协鼢西囡p r o f o ne x c h a 咽ew a 嘲u m r e g i o n _ r w e 倦婚p o 删r e g 啪 l b i 图2 - 5无电极m z 干涉仪式传感器的结构图 图( a ) 是显示了波导通过反转极区域的透视图，图( b ) 是干涉臂的横截 面图，显示了电场方向和相对应的晶轴方向。当传感器处于外加电场中时， 电光效应引起t e 模折射率变化，因为正常l i n b 0 3 和反转极l i n b 0 3 的电 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 光特性是不同的，所以在两个干涉臂上的折射率改变也是不同的，这种不 同改变了传感器的传输率【2 5 1 【”1 。 如果外加不电场沿着晶轴z 轴方向，则折射率的变化可由式2 5 得到 ( h ) ，= 一冬e ， ( 2 1 2 ) 代入l i n b 0 3 的电光张量矩阵后，上式变成 3i 一7 2 2 e y + y 1 3 e ： 一y 2 2 e jy 5 l e jl ，= i 一肠e如b + t e y ( 213an2 - 1 ) ，= i 一，2 2 e，2 2 b + t ，5 1i ( 。f扎l ey 5 l ，”ef n 值是寻堂堂堕妒射墨兰罗非寻常光的折射苎只n 由上式可以得到分别沿 晶体主轴x ，y 和z 方向上的折射率变化，其中x 方向上的电光效应感生 的折射率变化 峨，= 二善抽e ( 2 1 4 ) 由于k 是l i n b 0 3 晶体的电光张量矩阵中取值最大的元素，所以当电场加 在z 方向上时，可以获得最大的折射率变化。 l i n b 0 3 是单轴晶体，当电压加在单轴介质晶体上时，介电隔离张量 1 1 n ；+ 叩l7 7 6叩5l 野= l玎6l ，门；+ 叩2玑l ( 2 - 15 ) 7 7 5a r l 4l n ；+ a t 3l 3 这里 乳= y d e k( 口= l 2 6 ) ；e t 为钋加电场的x 、y 和z 向 分量( k = l ，2 ，3 ) ；一屯为6 x 3 阶线性电光张量矩阵；1 1 - 值是寻常光的折射 率岛和非寻常光的折射率九。外加电场后，折射率椭球的三主轴方向x 、y 和z 相应的变为x 、y 和z 。为计算方便，在新主轴z 、y 和z 中对玎进 行主对角化，可得 率射折质l介 主 o o 似轴 n ， 新 o 砌0 为另 l 0 n 。 分 h o o 噬 = ，广 矿 胛 ，k 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 令y 为单位矢量r 的一个本征值，它可由下式求得 矿= 矿 ( 2 - 1 7 ) 而p 是y 相对应的本征矢量。因为玎是一个3 x 3 的实对称矩阵，所以y 有3 个实本征值，以及相对应的互相正交的本征矢量是b 、b 和只，所以上式又 。= 名0 曼0r ：, j ，尸= k b b ，p 7 = f 主p d l p 7 艘= o ( 2 18 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) r ；= 玎。 ( 2 - 2 1 r = 囊 = i 三：u ：l y ：i i c z z s ， 假定单位矢量玎是新主轴的基本矢量，即 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 r = r r r 7 = p 7 矿= d( 2 - 2 5 ) s = “，s 2 ，s ，) = ( o ，1 ，0 )( 2 - 2 6 ) 季= 萎 = 嚣= 圣；：h t j y 圣；冀 c ：， 在新主轴x 、y 和z 下，波面法线蜃的方向是由# 和。两个角度决定 z l 一 5 7 弋 f 夕平d ( a ) 0 的定义 ( b ) 以的定义 图2 6蜃 在新主轴坐标系中的方向 # ( - 9 0 。9 0 。) 是蜃与x y 平面的夹角，九( 1 8 0 。1 8 0 。) 是蜃在x ，y ，平 面的投影与z 轴的夹角，且f 为 善= a r c s l r l s ； ( 2 2 8 ) 假如5 i 和s ：是0 ，九也就为0 ，否则九可由下式得到 c 。s 以= j ：( j i 2 + j ? ) 一， s i n 纯；。：( s 1 2 + s ? ) 咣( 2 2 9 ) 2 ， 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 且 。= a r c s i n s i n 疵， a r c c o s c o s 丸， 一a r c c o s c o s 。， 1 8 0 0 a r c s i n s i n 妒, ， 一1 8 0 0 a r c s i n s i n 庐, ， c o s 声, 1 2 ， i c o s t s i 拇2 ， i c o s s l 1 2 ， c o s s 一1 2 ， c o s s 一l 2 ， s i n 九 s i n 霞 s i n 识 s i l l 妒； 托。) ，施加电场后保持单轴，妒值比较大，导致栉，远大于疗：， 非常接近n 。；并且l n ：一心i 非常接近在+ x 方向加相同电场时的折射率变化 值，由图4 ( b ) 得到，i n ：一k i 与e ：成正比，不存在e 。项。 ( 4 ) 沿x z 和y z 平面的4 5 。角方向加电场，由图4 ( a ) 和( b ) 可 知，陋：一月。f 和陋- - n 。f 与e 仍成线性关系，因此不存在e e 和e ，e 项，由 于比+ z 方向多一个因子s i n 4 5 。，其值略小于+ z 方向的值；同时，在 x y 平面的4 5 。角方向加电场，与十x 方向相比，在( a ) 图中，e ，e ，与e ： 项相比，对i h ：一n 。1 的影响很小，可以忽略；而在( b ) 图中，可以看到， 由于在+ x 、+ y 和4 5 。角x y 平面的方向施加电场与l n ：一n 。i 的关系图一致， 而限一心f 与霹、占；项成正比，因此不会存在e 占，项。 由上面的分析，最后得到k 一i 和院一刀。i 与e 的函数关系如下： 第二章线性电光效应引起的波导折射率变化分析 m 2 一r l 。t - a e z 一6 e ( 2 4 0 ) 其中正负号对应的分别是反转型和正常型， a = 16 4 6x 1 0 m ，v ，b = 3 7 0 9 5 x 1 0 1 9 ( m v ) 2 i l z - - 1 l 。千a e ：- b e ：一c e ：( 2 - 4 1 ) 同样正负号对应的分别是反转型和正常型 口= 1 6 4 6 1 0 “m v ，b 7 = 3 7 0 9 5 x 1 0 1 9 ( m v ) 2 ，c = 3 7 1 l x l 0 1 9 ( m v ) 2 。 其中e ，和e ，是e 在z 和x 方向上的分量，且a 前面的负号表示正常型的l i n b 0 3 晶体波导