（光学专业论文）双面金属包覆聚合物波导电光调制的研究.pdf

i 双面金属包覆聚合物波导电光调制的研究 摘 要 在光电子领域，聚合物薄膜的线性电光效应一直是人们关注的 焦点，二次电光效应却没有得到足够的重视。聚合物二次电光系数 的测量，是制备聚合物二次电光效应器件的基础。聚合物二次电光 系数的测量方法主要有基于相位延迟的十字镜起偏器法和基于材料 吸收谱利用 kramers-kronig 关系计算材料二次电光系数的方法等。 但这些方法并不能获得二次电光系数张量的所有元素。本文提出了 一种基于衰减全反射 （atr） 技术测量聚合物材料二次电光系数的方 法。与其他方法相比，这种方法具有样品制备相对简单、可以测量 二次电光系数张量的所有元素以及很高的灵敏度等优点。 本文还给出了一种基于自由空间耦合技术的双面金属包覆聚合 物电光调制器。自由空间耦合方式，扩大了波导有效折射率的取值 范围，可以获得在较小入射角被激发的高阶导模。双面金属包覆波 导高阶导模对聚合物薄波导层的折射率变化比低阶导模更敏感。因 而，双面金属包覆聚合物电光调制器的工作电压较低、调制深度较 大。由于采用了自由空间耦合技术，与传统的棱镜耦合衰减全反射 型电光调制器相比，这种电光调制器具有灵敏度高、结构简单、体 积更小、集成性更强的特点。 关键词：双面金属包覆波导，聚合物，自由空间耦合技术，电光调 制，二次电光系数 ii investigation of electro-optic modulating based on symmetrical metal-cladding polymer waveguide abstract in the field of optoelectronics, the linear electro-optic effect of polymer is the focus of investigation. by comparison, the quadratic electro-optic effect (qeo) of polymer has not been given appropriate attention yet. the measurement of qeo coefficient in organic polymer is fundamental for the fabrication of qeo devices. traditional measurements such as cross-polarizer method based on the phase retardation and kramers-kronig calculation based on the sample absorbance spectrum can not give all the elements of qeo coefficient tensor. in this thesis, based on attenuated total reflection technique, not only the all the elements of the qeo coefficient tensor of the organic polymer but also the dc kerr coefficient was obtained by employing a simple sample, the fabrication of which is very easy. a double metal-cladding polymer electro-optic modulator based on free-space coupling technique is also given in this thesis. free-space coupling technique, which expands the range of effective refractive index, makes it possible to obtain the high order guided modes excited in small incident angles. high order guided mode in double metal-cladding waveguide is more sensitive to the refractive index variation of the polymer guiding layer by comparing with low order guided mode. this character makes the demonstrated modulator possessing a low driving voltage in consistent with a high modulating depth. because of the employment of free-space coupling technique, this modulator has the merits of high sensitivity, simple structure, small volume and easy integration by comparing with modulators based on prism coupling. key words: double metal-cladding waveguide, polymer, free-space coupling technique, electro-optic modulating, quadratic electro-optic coefficient v 图片目录 图 1 dans 结构图.2 图 2 侧链型有机聚合物 dcv-mma 及其稳定性 .4 图 3 利用 dr13 合成的几种以 pmma 为链的侧链型聚合物.4 图 4 光调制器示意图.7 图 5 磁光调制器.8 图 6 声光调制器.8 图 7 集成了 ea 调制器的 dfb 激光器.9 图 8 体型电光调制器.10 图 9 波导传输型电光调制器.10 图 10 极化过程示意图 .18 图 11 接触式极化装置.19 图 12 电晕极化装置.19 图 13 介质平板波导结构.21 图 14 对称金属包覆波导.25 图 15 对称金属包覆波导的色散曲线.28 图 16 棱镜波导耦合系统.29 图 17 光波导的势阱模型.29 图 18 棱镜波导耦合系统与势阱模型.30 图 19 观察m线的实验装置 .30 图 20 五层薄膜结构.31 图 21 自由空间耦合技术示意图.32 图 22 自由空间耦合原理模型.33 图 23 十字镜起偏器法原理图.34 图 24 样品结构图.36 图 25 pi 聚合示意图.37 图 26 实验装置示意图.38 图 27 实验曲线（te1和 tm1）.38 图 28 调制电压(c1) 与反射光强(c3)波形图.39 图 29 调制器结构图.42 图 30 有机聚合物分子式和吸收谱.44 图 31 实验装置图.45 图 32 实验 atr 曲线.45 图 33 示波器显示的调制电压图(c3)和反射光强变化的波形图(c4).46 图 34 自由空间膜结构示意图.46 图 35 计算机模拟灵敏度图.47 图 36 最大带宽调制效果图.49 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：朱 琨 日期： 2007 年 1 月 12 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：朱 琨 指导教师签名：邓晓旭 日期： 2007 年 1 月 12 日 日期： 2007 年 1 月 12 日 1 第一章 绪论 1.1 引言 自从 franken 于 1961 年发现石英晶体非线性光学效应以来1，非线性光学取 得了极其迅速的发展。目前非线性光学已深入到激光技术的各个领域，并发展了激 光变频、调制、记忆、存储等技术，对当今各学科，特别是高技术领域产生了重要 而深远的影响2。 非线性光学效应的产生是电磁场和物质体系中带电粒子相互作用的结果。当光 在介质中传播时，介质中束缚较弱的价电子为强光电场所极化，其极化强度取决于 介质的分子极化率。对于普通光源，由于光的电场与原子内部电场相比要弱得多。 这时只考虑分子极化率的线性项就足以解释光的反射、折射、吸收和双折射等经典 光学现象，而非线性项可以被忽略。但在强激光的作用下，由于小范围内光的电场 强度极大，介质中的粒子电场分布将发生畸变，以致电偶极矩不仅与光波场的线性 项有关，而且还与光波场的二次或高次项有关，此时分子极化率的非线性项便不能 被忽略。在强激光的作用下，一些非线性现象如二次项作用产生的倍频光，三次项 作用下三倍频光等，都可实际观测。这些与强光有关的光学效应，称为非线性光学 效应3。 具有非线性光学效应的介质称为非线性光学材料。非线性光学材料与其他材料 不同，其非线性形态在光或其它能量穿越时会经历许多令人感兴趣的变化，这些变 化又会使度越光的状态发生改变。非线性光学材料中的电子和电荷或者特别容易被 极化，或者在能量行波的影响下容易被置换。这种行波可以是初始光束本身，也可 以是外加的电压。入射波的电场会引起材料中带负电荷的电子和带正电荷的离子发 生振动。如果这种振动足够强，它就会叠加到初始波动以上，并使初始波动得到增 强，从而可能影响初始入射波的频率。此导致的后果是，材料的折射率（光速）会 发生改变；材料的透明度发生改变或者输出光的频率发生改变。从本质上讲，基本 上所有的物质（气体、液体和固体）在强光照射下都有非线性光学响应。但是要观 察到它们的非线性光学效应，所要求的光场功率可相差几个量级，这是由组成物质 的原子和分子的电子结构、性质、动态行为以及物质的对称性及几何排列等因素决 定的。从器件应用来看，重要的非线性光学材料一般都是固体，它们对于环境及强 光十分稳定，具有良好的可加工性并能满足集成化使用的条件3。 非线性光学材料主要分为无机材料和有机聚合物材料两大类。大部分实用的无 机材料一直无机晶体为主，例如 kdp、ktp、以及铌酸盐晶体，但是它们的价格 比较昂贵，又很脆弱，而且难以与制造光纤和其它半导体器件的材料相结合。因 而，更多的研究人员一直在探索有机和聚合物材料中非线性光学效应。研究表明， 采用有机聚合物作为非线性光学材料具有以下明显优于无机晶体的特点：响应速 2 度快（亚皮秒甚至飞秒）、介电常数低、带宽大、损伤阈值高、非线性光学响应 大、价格低廉、容易合成和裁剪、与现有微电子平面工艺兼容、可以在各种衬底 上制备器件等。另外，用有机聚合物制作多层材料可以达到垂直集成，是现有铌 酸锂等无机材料所做不到的。这些优点使得用有机聚合物制备波导形式的电光调 制器和倍频器件成为现实可能的目标4-7。 1.2 非线性光学有机聚合物的研究概况 造成有机聚合物材料具有非线性光学特性的原因有许多，其中价带电子在外光 场作用下发生的电子云畸变是其主要的光学非线性机理6。含有离域电子的有机 材料具有大的二阶和三阶非线性极化率。 在这类材料中，离域电子属于分子中不 同原子共有，原子核对其作用较弱，可以在分子链上移动。在光场作用下，电子云 很容易在共轭链或共轭面上移动产生畸变，从而获得大的非线性光学响应。目前人 们研究得比较多的非线性光学有机聚合物材料主要有二阶有机聚合物材料和三阶 有机聚合物材料。 1.2.1 二阶聚合物材料研究概况 二阶有机聚合物体系研究的重点是线性电光系数的大小和在一定温度下和相 当长的时间范围内必须保持发色团偶极分子的非中心对称取向的稳定性。对聚合物 体系的研究涉及众多高分子种类。从结构特点来看（发色团分子在聚合物体系中的 存在方式） ，极化聚合物体系可分为两大类型：主客型和键合型。后者又可分为侧 链型、主链型、交联型。 主客型(guest-host)有机聚合物系统也叫掺杂型有机聚合物系统， 是人们最早研 究的极化有机聚合物系统。把有机非线性发色团作为客体掺到有机聚合物主体中形 成的系统就是主客聚合物系统。1982 年 merdith 等人8把 dans (如图 1)作为发色 团掺到向列型液晶晶体聚合物中，在波长为 1.06m处，电光系数大约为 1pm/v， 极化率很低，且发色团分子驰豫也很快。随后人们对多种发色团作分子进行了深入 系统的研究，其中研究最多的是偶氮类染料 dr13/pmma 系统。singer 等人9用 偶氮苯类材料作为客体掺到 pmma 中，发色团的浓度为 n=2.31020cm-3，电光系 数高达 74pm/v，但是遗憾的是，在室温下，几天之后电光系数减小到 19pm/v。由 于这种系统简单，容易建立简单的模型，因此也是理论和实验研究最多的系统。 图 1 dans 结构图 figure 1 structure of dans 3 主客型有机聚合物系统几乎适用于一切有机非线性分子， 容易合成， 成本低廉， 成膜性能好，容易形成光学薄膜波导，且容易同其他器件集成。然而，由于发色团 客体是以自由分子的形式掺到主体有机聚合物中的，不可避免会出现许多不利的问 题，如以自由分子形式存在的发色团的驰豫，掺杂浓度低，发色团凝聚（结晶）和 相位分离引起的光学损耗增加，系统的玻璃化转变温度降低，极化过程中发色团分 子的升华等等。正是由于这些问题限制了主客型聚合物系统的实际应用。 现在对主客型有机聚合物的研究集中在提高极化率 和改善热稳定性上。为了 提高极化率和改善热稳定性，人们合成了不同尺度的发色团，并且研究了他们在不 同的主体聚合物中的性质。boyd 等人10合成了 4 种不同尺度的客体发色团，以 pmma 和聚碳酸脂为主体，研究表明，小的发色团分子具有更高的转动活性，这同 理论预言的相一致。发色团 dr1 在聚碳酸脂主体中的转动特性受到一定的限制， boyd 等人认为这主要是由于 dr1 的羟基和聚碳酸脂主骨架之间形成了氢键，从而 使得 dr1 的转动活性方面受到限制。研究表明，对于比较大的发色团而言，对驰 豫影响起决定性的还是掺杂系统的玻璃化转变温度。为了研究驰豫率同玻璃化转变 温度之间的关系，许多研究者利用玻璃化转变温度高（tg200 oc）的热塑性聚酰 亚胺类聚合物作为主体，对掺杂型聚合物的热稳定性方面有明显的提高。例如 11 的 dr1/lq2200 薄膜在 190oc 下进行极化，在 830nm波长下的电光系数为 1.5pm/v，从室温开始每分钟上升 3oc 一直到 150oc，电光系数基本上没有变化11。 侧链型(side-chain)有机聚合物电光系统是把发色团挂接到有机聚合物的主骨 架上而形成的聚合物体系。相对于主客型有机聚合物系统，这种有机聚合物系统有 很多优点：由于发色团被挂接到主链上，发色团浓度可以非常高，不会出现结晶、 相分离和浓度梯度； 极化后发色团的转动活性受到主链的牵制， 驰豫速度将慢得多； 大多数情况下侧链系统的玻璃化转变温度将比主客型有机聚合物系统高。最早研究 的侧链型有机聚合物系统是 dcv-mma (如图 2 (a)所示)经过电晕极化12，在 1580nm处，d3350pm/v，有理由相信，提高发色团的挂接率，这个数字可以进一 步提高。同样浓度的发色团，主客型有机聚合物经极化后电光系数可能比侧链型有 机聚合物大，但是，在室温下，侧链型的热稳定性有了显著的提高。从图 2 (b)可以 看出侧链型有机聚合物比主客型要稳定。 人 们 合 成 并 研 究 了 共 聚 物 (dr1 3-substitued methacrylate with methyl methacrylate) (如图 3 所示)的特性13。 利用电晕极化方法， 对于 p2a， 在波长 1064nm 处， d33=43pm/v； 利用接触极化方法， 在 633nm处， r33=18pm/v。 偶氮类聚合 dr1， 以共价键接到 pmma 上形成了 p2b，电晕极化后在 1064nm处 d33=69pm/v；接触 式极化，在 633nm处，r33=27pm/v。对于共聚物 p2c，n=41020cm-3，在 1700nm处， d33=150pm/v，这个值是同样浓度 p2a 的 9 倍，这主要是由于发色团的比较大。 p2c 的受主比 p2a 更容易接受电子。p2c 的两个甲基阻止了发色团的聚集，提高了 4 极化效率。在 80oc 时，驰豫主要在前 30 天，经过 150 天， )2( 333 的驰豫不到 30%。 图 2 侧链型有机聚合物 dcv-mma 及其稳定性 (a) 结构式 (b)侧链型 dcv-mma 与掺杂型 dcv/pmma 稳定性比较 figure 2 side-chain polymer dcv-mma and its stability (a) structure of dcv-mma (b) the stability of dcv-mma compared with dcv/pmma 图 3 利用 dr13 合成的几种以 pmma 为链的侧链型聚合物 figure 3 side-chain pmma-based polymer made using analogs of dr13 主链型(main-chain)有机聚合物系统是指用化学的方法把发色团插入或部分地 插入到聚合物的主链中，成为聚合物主链的一部分。与侧链型聚合物系统比较，主 链型聚合物体统在极化或驰豫过程中，就需要带动很长的一段主链，相对而言，对 这个系统中的发色团极化要困难些，在低于玻璃化转变温度时，序列化的官能团驰 豫也困难的多。主链型聚合物在延展性和机械强度方面比侧链型聚合物系统有所提 高。 最早研究的主链型聚合物系统是把发色团（功能团）头尾相连接形成主链，这 样就形成了一维的分子偶极矩：n total =，n为发色团的单元数，为每个单元 的偶极矩，超极化率为n total =，那么极化系数为： 5 )( 2 )2( nv n (1.1) v(n)为含有发色团的聚合物的体积。而相互独立的发色团聚合物的极化系数为 )(/ 2)2( nvn ，因而这个系统具有更大的极化系数，此增大效应已有实验观 察到14。当然，这只是理论的模型，对于实际的情况，有两个因数要考虑：第一 是附加到主链上的发色团的偶极矩不一定都是严格的线性关系，第二是在外电场的 极化下，是不是都达到了偏转平衡位置，尤其是后者的影响更大。对于比较长的主 链，由于链与链之间的缠绕，要达到预定的平衡位置很困难。 随着对聚合物非线性器件高温下的取向稳定性要求的日益明确，交联型 （cross-linked）体系已逐渐成为当今极化聚合物研究中的热点之一。为了提高取向 稳定性，可以通过热交联或光交联来增强聚合物链的相互作用，提高聚合物非线性 光学(nlo)响应的长期稳定性。预聚物骨架在交联前一般都比较柔顺，溶解性比较 好，容易制备相应的聚合物薄膜。体系所使用的预聚物的 tg一般不高，故电场极 化可以在较低的温度下进行，以避免高温对发色团的不利影响。在极化过程中或极 化后来完成交联反应，形成三维聚合物网络，聚合物的局部链段不可移动或很难移 动，从而锁住已经取向的发色团分子。因此，交联型聚合物的取向稳定性较好。常 用的交联方法有热交联和光交联两种。 环氧树脂最早得到研究， 也是研究最广泛的热固性材料。 1988 年， marks 等15 报道了交联型主客体环氧树脂非线性材料，1990 年，他们又将非线性发色团接到聚 合物链上。eich 等16合成了一种含氨基的非线性发色团，它可以使环氧树脂发生 开环反应而达到交联的目的。 以可交联的聚亚胺酯、聚酰胺和聚酰亚胺为聚合物骨架的交联型体系的报道日 益增多17-18。交联聚氨酯是另一类得到广泛研究的交联型聚合物，将双羟基发色 团分子和双异氰酸酯基单体(如甲苯-2,4-二异氰酸酯， tdi)通过预聚得到小分子预聚 物，再加入适当的交联剂（如三乙醇胺，tea）进行预交联，然后旋涂成膜，在极 化的同时发生完全交联从而产生三维网络交联结构。这种制备交联型聚氨酯三维网 络的方法或体系被人们习惯上称为 tdi/tea 方法或体系。dalton 等人19是最早对 该交联体系进行研究并取得突破性进展。将 nlo 分子通过预聚得到小分子聚合物 前驱体，再加入适当的交联剂产生三维网络交联结构，他们先后将一系列 nlo 发 色团分子交联到聚氨酯体系中，得到了非线性响应和取向稳定性都较理想的聚合物 非线性光学材料。 如果 nlo 发色团分子中含有光反应官能团，就可以在室温下或略高于室温的 温度下进行静电极化并实现光化学交联。大多数光化学反应不会破坏 nlo 发色团 分子，从而保证了聚合物较大的非线性光学系数。光交联型聚合物体系最大的优点 是可以有选择的在聚合物局部区域实现极化与交联，可根据需要直接在聚合物中制 6 备光波导，简化波导制备工艺。 1.2.2 三阶有机聚合物研究概况 三阶非线性光学材料主要用于全光信息处理、高速光开关、光学限幅等方面。 要求材料不仅有大的三阶非线性光学系数，而且还应具有极高的响应速度。具有共 轭链的聚合物一直受到人们的广泛关注20，实验表明，它有大的非共振三阶非线 性极化率和超快的非线性光学响应时间。这些特性可以随着其主链和侧链的变化而 改变。一维聚合物中最典型的是聚乙炔、聚二炔等等21；二芳基茂铁、酞菁和卟 啉等金属有机化合物是二维电子共轭体系。一般认为，这类化合物的光学非线性 来源于共轭非局域电子。c60等足球烯及其衍生物是典型的三维电子共轭体系， 它也具有较大和较快的非线性光学响应。另一类具有光致顺反异构特性的有机高分 子和液晶分子在光存储领域引起人们极大的重视；偶氮苯是这种材料的典型例子。 对于固体物质的直流克尔效应发现和研究比较晚22，再加上固体直流克尔效 应比较小，人们对它潜在应用认识不够，所以系统的研究也比较少。目前对直流克 尔效应的研究多局限于液晶23、溶液24或高于玻璃化转变温度的有机聚合物 25，而对于常温下固态有机聚合物系统的研究更少。 最早观察到固态有机聚合物直流克尔效应的是 pursy22， 他报道的有机聚合物 是聚甲基丙烯酸甲酯（polymthylmethcarylate，简称 pmma） ，但是在数据解释方面 有些失误。 之后人们对pmma和其他的一些物质做了进一步的研究和报道。 k.s.kim 等人26对 pmma 和聚乙烯(polyethylene,简称 pe)的克尔效应重新做了研究，在室 温下，pmma 的克尔系数达到210-15m/v2；在 110oc 下，非交联低密度下 pe 的克 尔系数也达到110-15m/v2。 rohl 等人27在提出三阶极化率测量方法的文章中报道 了一种掺杂有机聚合物系统，其三阶极化率可以达到910-19(m/v)2，但是它是在玻 璃化转变温度以上的玻璃体下测量的，在文献作者并没有具体指出他们使用的是什 么聚合物。ridgway 等人25在利用三阶聚合物包覆制作调制器，他们使用的材料 的克尔系数可达1.0410-12m/v2, 但是遗憾的是，他们的测量值也是高于玻璃化转 变温度的玻璃体时的值。据我们所知道的，目前有机聚合物的直流克尔系数没有液 晶的大，液晶的直流克尔系数可达3.7410-10m/v2，但是液晶的反应速度很慢，不 适合制作快速反应的光电子器件28。 1.3 光调制器研究概况 在光通信和光学信息处理领域中29-34，经常需要根据外界信号来对传输光进 行控制，实现这一功能的器件称为光调制器。调制器的工作示意图如图 4 所示。器 件工作时，由外界输入电、声、磁等信号，利用机械、声光、磁光或电光效应等。 对光进行位相、频率、强度的调制，或者偏振面旋转、传播方向偏折等参数的控制， 使输出光携带上所需信息。 7 按照光调制的工作方式来划分，可以把光调制分为内调制和外调制式35；按 工作原理来划分可分为磁光式、声光式、电吸收式和电光式等；按封装接口形式可 分为光纤接口式和自由空间式。 所谓内调制是指通过激光器的工作电流来直接调制激光光强的方式。内调制的 原理非常简单，相当于周期性的打开关闭激光器。但增益介质高能级亚稳态的能级 寿命将决定对激光器进行内调制的极限带宽。对于依靠泵浦光工作的各种气体或固 体激光器而言，这一极限带宽一般在几千几兆赫兹左右。对半导体激光器而言， 由于受到器件内部电容效应和载流子复合速度的影响，极限带宽也只能达到数吉赫 兹的范围。内调制的另一个缺点是会引起激光器的啁啾效应，即激射波长随时间会 发生漂移36。这在对波长敏感的密集波分复用系统中是不能接受的。 图 4 光调制器示意图 figure 4 schematic diagram of optical modulator 正是由于激光器内调制方式的上述诸多不利，才使得外调制逐渐受人青睐。外 调制是指调制器独立工作，与光源互不干扰的调制方式。在外调制方式中，调制带 宽、 调制深度、 插入损耗等参数都由调制器本身来决定， 同时由于对光源影响较小， 频率啁啾现象也大大减小。 利用法拉第效应可以制成磁光调制器37-38，其结构如图 5 所示。将磁光介质 （铁钇石榴石 或三溴化铬 ）置于激磁线圈中。在它的左右两边各加一个偏振片， 并使它们的光轴彼此垂直。没有磁场时，入射光通过起偏器成为线偏振光通过磁光 介质。达到检偏振片时振动面未发生旋转，光因偏振方向与检偏器的光轴垂直而被 阻挡，此时无光输出。施加磁场后，线偏振光穿过磁光介质时由于法拉第效应而使 振动面发生旋转，此时有光输出。光输出的强弱与磁致旋转角有关，通过对磁场强 度的控制即可调制输出光的强度。由于磁光效应的响应速度慢，同时材料价格也较 高，因而实用调制器产品较少，目前磁光器件一般用在光隔离器中。 声光调制器39-41 的工作原理是当高频声波在晶体中传播时，引起晶体内部 modulator input light output light signal carrier (without signal) carrier ( with signal) mechanical acoustooptic magnetooptic electrooptic 8 的机械应变，并引起折射率的周期性变化，相当于一个由声波控制的光栅，通过控 制声波的频率和功率来实现对光栅常数的控制，进而对衍射效率和衍射光功率的控 制。 图 5 磁光调制器 figure 5 magneto-optic modulator 声光调制器39-41 的工作原理是当高频声波在晶体中传播时，引起晶体内部 的机械应变，并引起折射率的周期性变化，相当于一个由声波控制的光栅，通过控 制声波的频率和功率来实现对光栅常数的控制，进而对衍射效率和衍射光功率的控 制。 现有的实用性声光调制器均采用布拉格型衍射结构，该结构如图 6 所示。电信 号作用在压电陶瓷上，在声光介质内部产生超声波。由于光弹性效应而在声光介质 内部形成周期性光栅。光栅的空间周期由超声波在晶体内部的波长决定，光栅对某 一级衍射光的衍射效率由超声波的功率决定，这样就可以实现对衍射光强度的调 制。 图 6 声光调制器 figure 6 acousto-optic modulator 在现有的商品化的布拉格光栅式声光调制器中，一般对一级衍射光的强度进行 调制。声光调制器的缺点是调制带宽比较小。目前最高调制带宽的声光调制器调制 带宽为 200mhz，相比电光调制器几十甚至上百ghz的调制带宽要小得多。另外现 有的声光调制器都采用结晶工艺制造，制造加工非常复杂，成本较高。 polarizing filter (vertical) polarizing filter (rotating 90oo ) light faraday rotator electromagnet control 9 电吸收型光强调制器基于量子束缚斯塔克效应（quantum-confined stark effect, qcse）工作42。在半导体量子阱结构中，只有能量大于禁带宽度的光子才能把电 子从价带激发到导带形成电子-空穴对。 即存在一截止波长， 调制器只吸收波长小于 截止波长的光。但施加了电场以后，引起量子阱结构的势函数的改变，禁带宽度受 到外加电场的影响，使得截止波长能够被外加电场所控制。通过对构成 mqw 结构 材料的设计，使其截止波长位于调制器工作波长附近。则加上电场以后，便能控制 器件对被调制波长的吸收与否，并实现对输出光强的调制。 电吸收型调制器的最大优势在于它与半导体激光器易集成特性43-44，因为二 者从制备工艺的角度而言是完全相容的；而且驱动电压低，功耗小，频率啁啾也较 小；同时电吸收调制器的调制带宽也较大45，因此，电吸收型调制器是目前公认 较有前途的一类调制器。基于电吸收调制器-分布反馈激光器结构的 10g 光发射机 现在已经商品化面世。最近 cyoptics（www.cyo）成功利用 inp 技术制作 出具有 40g 调制带宽的电吸收调制器产品。 但是电吸收型调制器也有其不足，首先是调制器的波长依赖性较强，器件的工 作波长范围比较小，一般在十几个 nm 左右。同时器件的插入损耗也较大，即使处 于完全无吸收状态也有 912db 的损耗。因而这种调制器一般不做成独立器件，而 仅用在和激光光源集成的场合。 图 7 为 dfb 激光器集成在一起的 ea 调制器的示意 图。 图 7 集成了 ea 调制器的 dfb 激光器 figure 7 dfb laser with ea integrated modulator 电光调制器是人们研究得最多的一类光调制器。它是利用电光材料折射率受电 场影响的特性来实现对传输光束调制的一类器件，根据器件结构的不同，可以分成 体型电光调制器46和波导传输型电光调制器47两种： 体型电光调制器的结构如图 8 所示，将电光晶体置于起偏器和检偏器之间，起 偏器和检偏器的偏振方向互相垂直。电光晶体经过特殊切割并在其上下两面制作一 对电极。当不施加电场时，入射线偏振光通过晶体偏振方向不发生改变，这时输出 光强是零。当施加电场以后，由于电场作用，晶体的折射率椭球发生改变，入射线 偏振光经过晶体后偏振方向发生旋转，输出光强不为零。这样实现了输出光强的电 光调制。体型电光调制器的不足是要求的调制电压比较高（几百伏甚至上千伏） ， 因为目前电光晶体的电光系数都比较小， 因而要在传播方向上实现偏振面 90的旋 10 转需要施加很高的电压。 图 8 体型电光调制器 figure 8 bulk type eo modulator 波导传输型电光光强调制器有很多种结构， mach-zehnder 干涉仪型是其典型代 表，其结构如图 9 所示。输入光在器件的第一个 y 分支（3db 耦合器）被入端分成 能量近似相等两束，经过两臂传输后在第二个 y 分支（输出端）合并。对其中一臂 或两臂施加不同的电场作用，由于电光效应将改变材料的折射率，进而改变导波的 传输相位，影响两支光合并处的干涉情况。出射光强也就随之发生改变。这样，输 出光波就加载了调制电场的信息。 图 9 波导传输型电光调制器 figure 9 waveguide type eo modulator 波导传输型电光调制器的优点在于调制带宽很大。通过采用行波型电极设计 48-49，理论带宽可达 100ghz以上50，目前已有 40gbit/s 的铌酸锂电光调制器 面世，可用于超高速电光调制。但缺点是制备工艺复杂，成本较高。另外体积较大， 难与 ld 集成且插入衰减较大（一般在 5db 左右） ，目前多用于长途海缆光通信系 统。 1.4 本文的研究内容 本文给出了一种基于衰减全反射技术的测量有机聚合物二次电光系数的方法， polarizing filter (vertical) electrical contact electrooptic material (cross-cut linbo3 crystal) polarizing filter (horizontal) light electrical contacts metal strips electrical contacts input light output light slab waveguide linbo3 11 研究了一种基于有机聚合物的线性电光效应的光电子器件基于自由空间耦合 技术的有机聚合物衰减全反射电光调制器。 本文主要研究内容有： 1. 研究了三阶有机聚合物的电光特性， 提出了一种基于衰减全反射技术测量三阶有 机聚合物的二次电光系数的方法。在加外电场作用下，聚合物导波层的折射率在二 次电光效应作用下发生变化，改变了衰减全反射的共振条件，使样品反射率的变化 与外加电场的二次方成正比。利用这种方法来测量有机聚合物的二次电光系数相对 于其他的测量方法有如下优点：1）结构简单；2）灵敏度高，便于观察，不需要使 用锁相放大器，简化了测试过程； 2. 研究了基于自由空间耦合技术双面金属包覆有机聚合物波导电光调制器的工作 原理。这种调制器的优点：1）与棱镜耦合衰减全反射型电光调制器相比，由于采 用了自由空间耦合方式，使得电光调制器的体积大大减小，集成性得到了很大的改 善；2）调制器制备简单。利用溅射的方法和旋转成膜法制备双面金属包覆有机聚 合物波导。3）双面金属包覆波导高阶导模对聚合物薄波导层的折射率变化比低阶 导模更敏感，是器件具有较低的工作电压、较大调制深度。 12 第二章 有机聚合物的电光效应 2.1 引言 非线性光学效应的产生是电磁场和物质体系中带电粒子相互作用的结果。当光 在介质中传播时，介质中束缚较弱的价电子为强光电场所极化，其极化强度取决于 介质的分子极化率。对于普通光源，由于光的电场强度与原子内部电场相比要弱得 多，只用分子极化率的线性项就足以解释光的反射、折射、吸收和双折射等经典光 学现象，非线性项可以被忽略。而在强激光的作用下，由于小范围内光的电场强度 极大，介质中的粒子电场分布将发生畸变，以致电偶极矩不仅与光波场的线性项有 关，而且还与光波场的二次或高次项有关，此时分子极化率的非线性项便不能被忽 略。在强激光的作用下，一些非线性现象如二次项作用产生的倍频光，三次项作用 下三倍频光等，都可实际观测。 有机材料是近二十年被广泛研究的一类非线性光学材料。其中，最早得到研究 的是有机晶体。1964 年，rentzepis 和 pao 用红宝石激光器在苯并芘晶体中观察到 了高的二次谐波信号。1970 年，当 davydov 和他的合作者报道了含有推拉电子基团 的苯环分子晶体具有非常大的二阶