（光学专业论文）折叠式高频linbo3电光调制器设计与研究.pdf

摘要 本文以空问光通信系统中的关键部件之一折叠式高频电光调制器为主要 研究对象。在l i n b 0 3 横向电光调制理论基础上，以自由空间激光通信发射系统的 实际需求为问题的出发点，完成了折叠式高频l i n b 0 3 电光调制器的设计。对电光 晶体器件设计、静态工作点控制、光束整形系统等关键技术进行了深入的研究。 同时为满足空间光通信使用要求，完成了电光调制器机械结构的小型化设计。研 制出输出光功率1 5 0 m w 、调制速率1 2 0 m b p s 、误码率为1 旷的折叠式高频l i n b 0 3 电光调制器，具有连续长时间传输语音图象的能力。建立了折叠式高频l i n b o ， 电光调制器实验测试系统，对所设计的电光调制器进行了输出参数和信号传输能 力测试，并对测试结果进行了分析。 关键词：空间光通信折叠式电光调制器电光晶体 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eo b j e c to fr e s e a r c hi s f o l d i n gh i g hr a t ee l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r , w h i c h i st h eo n eo fk e yu n i t so fs p a c eo p t i c a lc o m m u m c a t i o n b a s e do nt h et h e o r yo ft r r n s v e l s e e l e c t r o o p t i ce f f e c to fl i n b 0 3 ，s t a r t i n gf r o mt h er e a l i s t i cr e q u i r e m e n to ft h et r a n s m i t t i n g s y s t e mo ff l e e - s p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o n w ep r o v i d e dt h eg e n e r a ld e s i g n a t i o no ff o l d i n g h i g hr a t el i n b 0 3e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r t h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c hc o n c l u d et h e d e s i g n a t i o no fe l e c t r o - o p t i cc r y s t a lc e l l ，c o n f i r m a t i o no fq u i e s c e n to p e r a t i o np o i ma n dt h e s y s t e mo fb e a ms h a p ei sd e e p l yr e s e a r c h e d t om e e t i n gt h ea p p l y i n gr e q u i r e m e n to fs p a c e o p t i c a lc o m m u d l c a t i o n , w ed e s i g n e da n dr e a i z e dt h em i n i a w a i z a t i o no f m e c h a n i c a ls t r u c t u r e f o re l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r a tl e n g t h ，w es u c c e s s f u l l yd e v i s e dt h ef o l d i n gh i g hr a t el i n b 0 3 e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r , w h i c ho u t p u tp o w e ri s1 5 0 m w , t h em o d u l a t er a t ei s1 2 0 m b p s ，t h e b i te l l o ri s1 0 。，a n dh a st h ea b i l i t yo ft r a n s m i t t e ds p e e c ha n di m a g ei n f o r m a t i o nf o ral o n g t i m e a l s o , w eh a v eb u i l tt h ee x p e r i m e n ta n dt e s ts y s t e mo ff o l d i n gh i g hr a t el i n b 0 3 e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r t h eo u t p u tp o w e ra n ds i g n a lt r a n s m i t t e da b i l i t yo ff o l d i n gh i g hr a t e l i n b 0 3e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o rh a v e b e e nt e s t e d ，f i n a l l ya n a l y s i so ft h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：s p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf o l d i n ge l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r e l e c t r o - o p t i cc r y s t a l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，折叠式高频l i n b 0 3 电光调制器的 设计与研究是本人在指导教师的指导下，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己经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：玉! 兰担鲨! 年立月_ 兰捣 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编学位论文。 作者签名：垫：坐鲨星年三月生细 精导师躲塑型) 匆缬 1 1 引言 第一章绪论 光通信是指以光为载体，以自由空间为传播媒质的一种通信方式。光通信的概念自 上个世纪6 0 年代就已经提出，但碍于当时的技术条件，在以后的二十多年的时间没有 什么发展，直至8 0 年代各发达国家又将此通信方式重新提出，在光纤通信得到普遍使 用，相关激光器技术、光放大技术、光检测技术等得到发展的背景下，特别到9 0 年代， 在捕获跟踪瞄准技术、半导体激光技术、原子滤光技术等关键技术取得了突破，推动光 通信的发展时机已经成熟，光通信又成为下一代光通信的重要发展方向之一l l l 【引。 在卫星通信日益拥挤的今天，光波段通信有极大的潜力，是实现高速大容量通信的 最佳方案，甚至可以说是唯一的解决方案。这已经是通信领域许多专家的共识。 使用激光进行通信与使用微波进行通信相比，具有不少独特的优点： 1 、与微波相比，光波频率离3 5 个数量级，频率资源丰富得多，可以获得高得多 的数据传输速率，能满足大容量传输的要求，并为实现多任务提供了时间保障。 2 、激光波束比微波波束的发散角小3 5 个数量级，这将大大增加接收端的电磁波 能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。 在激光通信中，解决将信息加载于激光这个问题的过程称之为调制。以电光效应为 物理基础的调制称为电光调制，完成电光调制过程的装置就是电光调制器。为了有较高 的传输速率，就要提高电光调制器的调制速率，与此相应就要有高速率电光调制器。在 远距离光通信中，要求通信光源的输出功率比较高，与此相应就要有高功率电光调制器。 也就是说，要实现远距离光通信就必须有高功率高速率电光调制器。 1 2 高功率高速率电光调制器国内外发展现状 1 2 1 国外发展动态 国际上关于高速率电光调制器进行研究的报道有许多，用于光纤通信的低功率电光 调制技术已经很成熟，波导型电光其调制带宽高达1 1 0 g h z ，但输出光功率都很小，根 本无法满足远距离光通信对调制器功率的要求【5j 【”。从世界各国所做光通信实验可以估 计出各国高功率高速率电光调制器的实际发展水平。 国际上产品化了的高功率高速率电光调制器目前以美国q u a 闭i m t e c h n o l o g y 玳c 公司的发展水平为代表。国际上其它产品化了电光调制器的调制速 率虽然最高的可以达到1 0 0 g b p s ，但输出功率都很小，根本满足不了高功率激光通信和其 它方面的高功率应用。而该公司生产的t w a m f f w a p l 0 和t w a m t w a p1 1 型电光调制 器，其调制速率分别为5 0 0 m h z 和1 g h z ，最大承受激光功率为l w ，基本可以满足中短 距离激光通信。这个调制器可以在较小的光功率和短波段使用。这个调制器集经济、低 驱动功率、处理大量信息密度能力等许多特点于一身1 1 0 l f 1 6 1 。 美国q u a n t u mt e c h n o l o g yi n c 公司能够设计出有独特特点的高功率高速率 电光调制器。q t i 可以设计和生产有从d c 到1 0 m h z ，2 5 m h z ，5 0 m h z ，1 0 0 m h z 的电 光系统。而t w a m t w a p l 0 和t w a m t w a p l l 型电光调制器填补了大于1 0 0 m h z 至 1 0 0 0 m h z 的空白1 1 6 1 - 1 9 1 。 以上详细介绍的两种调制器能代表世界水平的高功率高速率电光调制器。以上两种 调制器在综合参数方面已经走在了世界的前列。 1 2 2 国内发展动态 应该说在高功率高速率电光调制里这一领域里，我国与世界水平还有一定的差距。 1 9 9 4 2 0 0 5 年度的国内各大期刊，关于高速率电光调制器的文章很多，但这些文章谈到 的电光调制器多是用于光纤通信的，还有一部分是用教学的，输出功率都很低。上海光 机所曾经成功的研制了一台通光孔径为2 r a m 的i j t a 0 3 射频电光调制器，这台电光调制 器可能是我国功率最高的一台高速率电光调制器，其调制频率为9 5 m i - i z 。这台调制器可 以获得十个边频分量，工作谱宽为4 5 0 n m 4 5 0 0 n m ，晶体长度为- i = 4 c m ，调制带宽 3 2 0 m h z l 2 0 l 。 综上所述，我国的高功率高速率电光调制技术还没有达到应用于光通信的水平，还 有许多的工作需要做。 1 3 本论文主要研究内容和目的 1 3 1 论文研究的主要内容 本文以折叠式高频l i n b 0 3 电光调制器为研究对象，主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) l i n b 0 3 电光调制器的理论研究； ( 2 ) 折叠式高频l i n b 0 3 电光调制器总体设计； ( 3 ) 对静态工作点进行实时控制的研究； ( 4 ) 电光晶体的最优化设计： ( 5 ) 激光光束整形技术研究： ( 6 ) 折叠式高频电光调制器结构设计； ( 7 ) 折叠式高频l i n b 0 3 电光调制器的实验测试。 2 1 3 2 研究目的及意义 本论文是以晶体的电光效应为物理基础，研制输出光功率高、调制速率快i 的电光 调制器，合理装配调制驱动器和光学系统，使整个电光调制系统性能达到最佳，满足自由光通 信对调制技术的需求。目前国内还没有研制出高功率高速率电光调制器，更谈不上产品生产。 这使我国光通信技术应用发展受至阻碍。国外的产品不仅进口困难，而且价格昂贵。为了独立 发展我国光通信的应用技术，研制高功率高速率电光调制器是非常必要的。 3 第二章l i n b 0 3 电光调制器的理论研究 2 1l i n b 0 3 电光调制器的物理基础 电光调制技术是利用某些晶体材料在外加电场的作用下所产生的电光效应对激光 参数进行调制的技术，电光调制器是以电光晶体的电光效应为物理基础的。所谓的电光 效应是指电光晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波经过此介质时， 其传输特性就会受到影响而改变，这种现象就叫做电光效应。 主要有两种方式；一种是加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称纵向电光效应； 另一种是通光方向与所加电场方向相垂直，称横向电光效应。 纵向电光调制器的半波电压典型值将达到几千伏甚至上万伏，横向电光调制器的半 波电压在几百伏左右。由于横向调制器的半波电压明显低于纵向调制器的半波电压，所 以课题拟设计横向电光调制器。 2 1 1i j n b 0 3 电光效应【2 1 】 l i n b 0 3 晶体在外加电场作用下的折射率可用施加电场e 的幂级数表示。即： n _ n o + r e + q e 2 + ( 2 1 ) 式( 2 ，1 ) 中r，7 为常量，为未加的电场时的折射率。y e 为线性电光效应或泡 克耳斯效应；二次项幅2 为二次电光效应或克尔效应。当通光方向与加压方向相互垂直 时所发生的电光效应叫做横向电光效应。本论文要设计的l i n b 0 3 电光调制器是以 l i n b 0 3 横向电光效应为理论基础而制成的。 在这里考虑到本论文的实际需要，只讨论l i n t ) 0 3 晶体在x 轴方向加电场、z 轴为通 光方向时的横向线性电光效应。 铌酸锂晶体属于三角晶系，3 m 晶类，主轴z 方向有一个三次旋转轴，光轴与 z 轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为： 22 半+ 妥1( 2 2 ) 盯；n ； 式中和n 。分别为晶体的寻常光和非常光的折射率a 加上电场后折射率椭球发生变形，新的折射率椭球方程如式 畴嘞e y ，e 灯( 专：e y 捌y 2 + 噎e z ) z 2 + 2 7 4 2 郅z + 2 7 4 2 酗- - 2 7 2 2 e 刀乱 ( 2 3 ) 所示。 ( 2 3 ) x 轴方向加电场，光沿z 轴方向传播时，l i n b 0 3 晶体由单轴晶体变为双轴晶 4 体，e 。巨。0 ，垂直于光轴z 轴方向的折射翠椭球截面由圆变为椭圆， 圆方程如式( 2 4 ) 所示： 畴一y 以讧2 + ( 寿+ y 凼) y 2 _ 2 7 以叫1 1 其中的y 。称为电光系数。式( 2 4 ) 进行主轴变换后可得到： 畴嘞e 旷+ ( 去+ r 旌) y “以 考虑到, 2 r ，e ， c 1 ，经简化得到： 玎r 墨，l 。+ 三玎；y 笠。 甩y = 以。一1 2 n 。3 y 2 2 e t r 。h f 那么此椭 ( 2 4 ) 在晶体的出射平面上分别沿，y 方向振动的两个线偏振光之间的位相差为： 1 却。等以：，。皿a 等 2 2 e l - 等r 。詈工- 等r ( 2 7 ) d 7o 上式中 为被调制光的波长，d 为加电方向上的晶体尺寸，晶体的长度，v 为加在晶 体上的电压。 2 1 2 横向电光调制的半波电压 使却一石时，所加的电压称为为半波电压匕，根据( 2 7 ) ，即有： 屹。去号 ( 2 8 ) 由式( 2 8 ) 可知，在横向电光调制中，半波电压与电光晶体d l 的成正比，可以利 用这一点，通过减j 、d l 来降低半波电压，只有把半波电压降低才有可能实现对激光高 效率的高频调制。而降低d l ，可以增大，减小d ，在实际中晶体不可能太长，这就 要求减j d ，而减小d ，就意味着减小通光孔径，减小通光孔径直接会影响到调制器的 输出功率。 综上所述，可以知道在横向电光调制中，输出光功率和调制速率是相互矛盾的，这 一矛盾也正是高功率高速率电光调制器的技术关键。这就涉及到一个电光匹配的问题， 即在设计电光调制晶体的时候必须尽量找到半波电压和电光调制器输出光功率最佳结 合点。 5 2 2电光调制器的工作原理 横向电光调制的基本光路图如图2 1 所示： l ：二：二： 划 = ； 激光器起偏器电光调制晶体检偏器 图2 1 横向电光调制基本光路图 由图2 1 可知，横向电光调制的基本光路由激光器、起偏器、电光调制晶体、检偏 器等组成。电光晶体的通光方向是晶体的光轴( z 轴) 方向，起偏器的偏振方向平行于 电光晶体x 轴，检偏器的偏振方向平行于y 轴。因此入射光经起偏器后偏振方向变为振 动方向平行于y 轴的线偏振光，它在晶体的感应轴x w , y 轴上的投影和位相都相等，设分 别为： 气一4 c o s l x t 勺。4 c o s 6 o t 如果用复振幅的表示方法，则位于晶体表面( z = o ) 的光波可以表示为： e ( 0 ) 一a e ( 0 ) i a 所以入射光的强度是： “雷豆一眩( o ) 1 2 + b ( 0 ) 1 2 一纠2 当光通过长为l 的电光晶体后，一和) 两分量之间就产生位相差即有： t ，( o ) - a e v ，( o ) = a e “4 通过检偏器出射的光，是该两分量在y 轴上的投影之和。 6 ( 2 9 ) 佗1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 例萨击+ 1 ) 其对应的输出光强k 可写为： * h 。晦) o 】。等眙m + 1 x e s + 1 ) 】：捌确号 由( 2 1 3 ) 、( 2 1 7 ) 式，光强透过率t 为： r 。生s i n 2 鱼 j 2 我们利用半波电压以调制电压k 下所产生的相位差则有： ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 扣乏屹 ( 2 1 9 ) 于是就有： t s i n 2 砉y s i n 2 告以+ 圪s i n , a t )( 2 2 0 ) 二rz_ 其中是直流偏压，即是静态工作点，圪s i l l 埘是交流调制信号，是振幅，c o 是 调制频率。由式( 2 2 0 ) 可以看出电光晶体的透射率随交流调制信号的变化而变化，也就是 说可以通过电压来控制晶体的输出光功率，于是就可以用被电信号调制的光来传递信 息。这就是电光调制器原理的本质。从式( 2 ，2 0 ) 还可以看出，改变v o ，调制器的输出特 性也将发生变化。也就是说，调制器要获得一个好的工作状态就必须选取一个合适的 ( 即静态工作点) 在下一节中将对的选取进行详细的讨论。 2 3电光调制器静态工作点的控制 2 3 1 静态工作点对调制器输出特性的影响i 捌 某一确定的电光晶体，对于单色光而言，其横向电光调制的半波电压只与晶体的尺 寸有关。因而t 将仅随晶体上的电压屹所变化，如图2 2 所示，t 与屹的关系是非线性 的。若工作点选择不合适，会使输出信号发生畸变。下面讨论一下不同静态工作点下的 调制器的输出特性的变化。 7 相对 图2 2t 与v 的关系曲线 ( 1 ) 当一告，t c 屹时，将工作点选定在线性工作区中心，此时，可获得较高效 率的线性调制，把一等带入( 2 1 9 ) 式，得： 虹2 t 三+ 爱s 洫删一争酬三+ 警幽删 2 批姒警s h 训 当 t 圪时， n1 1 + 警咖耐1 但2 1 ) 即t * s i n a r ，这时，调制器输出的波形和调制信号的波形的频率相同，即线性调制。 ( 2 ) 当一o 或匕，圪 r 。，就可使调制电压大部分加到晶体上。但是，这种方法虽然 能提高调制效率，可是谐振回路的带宽是有限的。它的阻抗只在频率间隔a o j 1 r t c 。的 范围内才比较高。因此，欲使调制波不发生畸变，其最大可容许调制带宽( 即调制信号占 据的频带宽度1 必须小于： 馘_ l 生。_ l 。l j l ( 4 8 ) 纸。瓦2 z r t c o 面而 湛 图4 4 电光调制器的等效电路图4 5 调制器的并联谐振回路 考虑到与驱动器相匹配性，取rt5 0 f l ，d = 2 m m 。因此调制带宽蛾与c 0 成反比， 即与电光晶体的面积s 成反比。 a f 一瓦1 南 一j 丝坚一! ( 4 9 ) 2 3 1 4 5 0 5 0 8 8 5 1 0 “2s 11 。丽丽i 其关系如图4 6 ： s ( m 3 3 2 舯 2 2 0 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 o 2 0 6 0 1 0 01 4 0i 舯2 2 02 6 0 3 0 0 f o ( 啪z ) 图4 6 调制带宽峨与s 关系图 论文采用s 一8 l 一8 x 3 0 r a m 的电极，则将( 4 7 ) 代入式( 4 9 ) 可以得到电光调制的 调制带宽： 蛾一 2 积c o 2 x 3 1 4 x 5 0 x 5 3 1 x 1 0 1 2- 6 0 m h z ( 4 1 0 ) 折叠式调制器正在研制的初级阶段，调制带宽6 0 m h z 能满足实验的需要，如果想 提高调制带宽可采用减小电极的办法。 4 3 3 渡越时间的限制 渡越时i 司的限制是两频电光调制中需要考虑的一个重要问题。所谓的渡越时间就是 激光通过晶体所用的时间i 则有： f 一 ( 4 1 1 ) 式中，f 为渡越时间，n 为晶体的折射率，c 为光速。当渡越时间与调制电场的最小周 期l 相比拟时，则光波相位将不再实时地按照感生折射率变化。要实现无衰减的调制， 必须使渡越时间小于调制器工作时的最小的调制周期。最小的调制周期l 为： 乙一 ( 4 1 2 ) 我们所设计的l i n b 0 3 电光晶体= 9 0 6 r a m ，折射率n - 2 1 8 6 ，其渡越时间f 为： f；”，百2186x906x10-3。6610“o)(417)l 3 x 1 0 5 、7 我们所设计的l i n b 0 3 电光调制器的最小调制周期乙为： l - 压一意而。1 6 6 7 x 1 0 8 ( 4 1 8 ) 设计的l i n b 0 3 电光调制器的渡越时间比最小调制周期小两个数量级，可以说渡越 时间对调制器的影响很小。 设计中为了进一步减小渡越时间的影响，采用了行波形式调制信号。调制信号以行 波的形式加到晶体上，如图4 7 所示： 光的偏 检偏器 出射光 - - - - - - - - - - - - j - - - - - - - j 图4 7 行波电光调制原理图 高频调制场以行波形式与光波场相互作用，并使光波与调制信号在晶体内始终具有 相同的相速度。这样，光波波前在通过整个晶体过程中所经受的调制电压是相同的，就 可以消除渡越时间的影响了【3 0 l 。 综上所述，所设计的电光调制晶体调制带宽为6 0m h z ，具备高速信号传输的能力。 由于调制晶体的渡越时间与最小调制周期相差两个数量级，因此渡越时间对调制器的影 响比较小。可以说调制器的电学特性良好。 第五章激光束整形装置的设计 由于半导体激光器的光束发散角比较大，因此如果将激光束直接入射到电光晶体上，电光调 制器的效率会很低。因此在半导体激光器与电光晶体之间有必要加入个光束整形装置，以提高 调制器的激光耦合效率。 5 1自聚焦透镜的准直原理 自聚焦透镜又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学 透镜。传统的透镜成像是通过控制透镜表面的曲率，利用产生的光程差使光线汇聚成一 点。自聚焦透镜同普通透镜的区别在于，自聚焦透镜材料能够使沿轴向传输的光产生折 射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。 在忽略高阶小量的条件下，自聚焦透镜的折射率为平方律分布则有： n ，一n o ( 1 一a r 2 p ) ( 5 1 ) 甩为距中心距离为r 处的折射率，a 为自聚焦常数，p 为节距，为自聚焦透镜上的点距中 心线的距离，开口为自聚焦透镜的中心折射率，p 为自聚焦透镜的节距。在自聚焦透镜中， 光束沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即称为一个节距p 。p 是自聚焦透镜 的重要参数，一般把尸作为衡量自聚焦透镜长度的标准。 a 是衡量自聚焦透镜汇聚能力的重要参数。它的定义如式( 5 2 ) 所示： 爿一2 r ( 5 2 ) 其中，4 为相对折射率差，中心距，a 反映了透镜对光线的会聚能力。a 越大则焦距越短， 透镜的会聚能力就越强。 节距： “ 6 3 ) 由( 5 3 ) 式可知，p 与彳成反比，也就是说，彳越大，自聚焦透镜对光线的会聚能力越 强，因此光线在自聚焦透镜中偏折的就越厉害，走完一个周期的正弦曲线的轴向距离越 短。 自聚焦透镜还有一个重要的参数就是它的数值孔径n a ： n a = n o 瑟 ( 5 4 ) 在实际使用中，必须使其与光纤参数相匹配。 自聚焦透镜的成像特性与透镜长度有关，自聚焦透镜的长度一般用节距p 来衡量， 0 2 3 p 、0 2 5 p 、o 2 9 p 是自聚焦透镜常见的几种长度1 3 2 l ，这3 种长度的自聚焦透镜光路如 图5 1 所示： t 水7 一桫一了 、 一j ： 、i l v 、卅 0 2 3 p 时的光路0 2 5 p 时的光路 0 2 9 p 时的光路 图5 1 不同长度的自聚焦透镜的光路图 自聚焦透镜的长度不同，焦距就不同，从而导致自聚焦透镜的准直效果不同。一般的透 镜有厅，d ，三个基本参数，可以通过改变其中的任何一个来改变透镜的特性。而一般 的自聚焦透镜中只用到n 、d 两个参数，自聚焦透镜并没有用到f 这个参数来改变自聚 焦透镜的光学特性。因此可以考虑把r 这个参数利用起来。通过改变自聚焦透镜的端面 形状来改善准直效果。为了改进自聚焦透镜的耦合效果，使用的自聚焦透镜的输出端面 就设计成了球面。 5 2 自聚焦透镜的选取 选取自聚焦透镜时，一定要考虑高斯光束束腰的位置，采用合适的自聚焦透镜，可 保证在一定光程内整形后的激光光束为近似的高斯光束。考虑到自聚焦透镜整形后的近 高斯光束束腰的位置，拟定两种自聚焦透镜方案，一种方案考虑把近高斯光束的束腰放 在光路中间，此方案优点是激光功率损耗小，在整个光传输过程中不出现小光斑，缺点 是到达下一级光学系统主镜处的光斑与光束角较大；另一种方案考虑把近高斯光束的束 腰放在下一级光学系统主镜处，此方案优点是到达下一级光学系统主镜处的光斑与光束 角较小，缺点是激光功率损耗大，并且在整个光传输过程中出现极小光斑。如图5 1 ： 本论文中激光器采用单管8 1 0 h m 半导体激光器，发光面积为l x l o o z m ，通过芯径 1 0 0 z m 、数值孔径0 2 2 的多模光纤耦合输出。通过计算，在不加自聚焦透镜的条件下， 从光纤出射的光束角为5 0 8 。，要想激光通过晶体的入射面，并在晶体的出射面形成 ds2 m m 的光斑，在调制器入射端口处，要求激光光束满足光束角小于0 8 0 的要求，必 须用自聚焦透镜对光纤光束角进行压缩。 j ，_ _ 一 、 寅群 自聚焦透镜整形后的近高斯光柬形式i - - 柬暧在光路的中间 、 丛 白密隹诱培璐形鼻柏诉赢曲i 非宙于虼吉一宙鹿 靠非闷m 肘而肺 图5 1 采用自聚焦透镜整形后的光束束腰位置 我们的实际几何光程为： h 何一3 0 + 9 0 6 - 1 2 0 6 m m ： ( 5 5 ) 起偏器的材料为方解石，其在波长0 8 1 z m 处的折射率矗约1 6 5 ，起偏器的等效光程工。 为： 一8 n 一8 x 1 6 5t1 3 2 ( m m ) ( 5 6 ) l i n b 0 3 晶体在0 8 l , u m 处的, l o = 2 1 8 6 ，其等效光程三2 为： l 2 9 0 6 n o 一9 0 6 x 2 1 8 6 1 9 8 ( r a m ) ( 5 7 ) 从自聚焦透镜的端面到l i n b 0 3 电光晶体入射面的等效光程上为： 一厶+ ( 3 0 - 8 ) ；3 5 2 ( m m ) ( 5 8 ) 从自聚焦透镜的端面到u n b 0 3 电光晶体出射面的等效光程k 为： 气一l + l 2 i3 5 2 + 1 9 8i 2 3 3 2 ( r a m ) ( 5 9 ) 激光通过自聚焦透镜整形后，近高斯光束束腰在光路中间的方案，按照拉氏不变量 原理，采用自聚焦整形，可以达到接近衍射极限的光束角为全角2 4 。其所完成的光束 角压缩任务也只能是达到全角为2 4 。，与完成本调制器所需要的全角0 8 。光束角要求相 差3 倍，差距仍然较大。因此采用束腰放在光阑出射面处。 为了把光束束腰放在出射面处，使光阑处光斑与光束角较小，我们以自聚焦透镜光 程3 0 0 r a m 为中心工作点，5 0 r a m 为工作步长，定做了2 5 0 m m 、3 0 0 m m 、3 5 0 m m 、4 0 0 m l n 的固化有芯径1 0 0 u m 尾纤的自聚焦透镜，并对经自聚焦透镜整形与压缩的激光光斑与束 散角进行了测试，见表5 1 至表5 - 4 。 在讨论自聚焦透镜时引入一个新的概念，自聚焦透镜的作用距离。保证激光的发散 角全角小于2 5 。的距离就是自聚焦透镜的作用距离。选取不同作用距离的自聚焦透镜作 为激光器的整形器件，每隔2 0 m m 测量光束的孔径。激光束在该点的发散角( 半角) 计算公 式如式5 1 0 所示： dd 酊哪砸了习叫比培丽 ( 5 1 0 ) d 一激光束的孔径；a 一激光束的发散角。 表5 1 作用距离2 5 0 m m 的自聚焦透镜测试 表5 2 作用距离3 0 0 m m 的自聚焦透镜测试 光斑d ( m m l 1 61 72 1 2 5 2 93 43 9 发散角0 1 4 。0 5 7 。0 5 7 00 5 7 。0 7 2 。0 7 2 0 表5 4 作用距离4 0 0 r a m 的自聚焦透镜测试 从表中可以看出，采用光程为3 0 0 m m 的自聚焦透镜进行整形与压缩时在自聚焦透 镜出口处获得的出口激光光斑最小，为1 4 m m ；同时在自聚焦透镜整个工作光程3 0 0 m m 范围内，激光束散角最大为全角1 6 。与其它几种工作光程的自聚焦透镜相比较，激光 光斑与束散角均达到了最佳值。 综上所述，通过理论计算和实验结果可以判定作用距离3 0 0 m m 的自聚焦透镜是可以 完成设计指标的最佳光束整形器件。 第六章电光调制器的结构设计 6 1电光调制晶体盒设计 晶体盒是电光调制器中的关键部件，调制器调制性能的好坏不仅仅取决于电光调制 晶体，还与晶体的电极和调制盒的散热系统紧密相关。对于铌酸锂晶体，非临界相位 匹配允许的温度范围小，当温度过高时会一起调制器不能正常工作，因此散热系统更应 加以重视。 电光调制晶体盒的内部结构示意图如6 1 图所示： 图6 1 电光调制晶体盒的内部结构装配图 下面将分别介绍各部分的设计。 6 1 1电光调制器的电极及其散热系统的设计 1 电极结构设计及研究 电光调制器的电极结构对调制器的性能具有重要影响。由于晶体加压电极相当于一 个等效电容，对高速率调制将产生时间延迟，因此在电极设计中必须尽量减少分布电容， 同时要考虑高频供电时的阻抗匹配。因此，对晶体加压电极的设计和试验研究是本论文 的重要研究内容之一。电光调制器电极分为集总参数电极和分布参数电极两类。大功率、 高速率电光调制器电极属于分布参数电极，电极和电光晶体组合等效为一个电容。对于 大功率、高速率电光调制器其电极必须特殊设计，电极的设计必须综合考虑调制电压和 调制带宽，并且必须考虑电极与负载的阻抗匹配、电极损耗对带宽及半波电压的影响。 采取如下方法解决： ( a ) 采用行波管电极结构 采用传输线的行波电极和小于微米波长的集总参数电极相比，有效提高了调制带 宽。 ( b ) 高电导率金属薄膜电极技术 由于分布电容越小，调制速率越高，采用薄金属膜结构有效地提高了调制速率。 ( c ) 阻抗匹配技术 采用电极薄膜刻蚀技术，进一步减小了分布电容，提高了调制频率，达到阻抗匹配。 此外，采用低折射率缓冲层( 如s i o ：) 、屏蔽板等措施也可以改善失配程度。 论文采用的方法类似于( b ) ，用铂片做电极，由于铂具有很好的导电性能，因此选 择与电光晶体尺寸大小相同的薄铂片做电光晶体的一个电极，电极的面积与晶体上表面 面积相同。如图6 2 所示： 图6 2 电光晶体的上电极 另外一个电极的设计考虑到电光晶体的固定及两块晶体电极的共地要求，因此另一 个电极的结构如6 3 图所示： 图6 3 电光晶体的下电极 电光晶体放置在金属底座上，晶体的一个面紧贴底座的一侧，即底座的一个面做电 光晶体的一个电极。用绝缘材料将底座的另一侧与电光晶体隔开。用一个绝缘的长方条 紧压在电光晶体的上电极上，使两电极紧紧贴在电光晶体的两侧。考虑到散热的需要， 设计一个散热片压在绝缘的长方条上，同时散热片也起到固定晶体和电极的作用。结构 如图6 4 所示： 图6 4 电光晶体的散热片 为了使整个装置具有良好的散热性和机械稳定性，整个装置的连接用螺纹连接在一 起。用一个绝缘的压块压在散热片上，通过两个螺钉将此压块与下电极连接在一起，锁 紧螺钉就可以使各部件连为一体了。 图6 5 电光调制晶体的电极及其散热结构 6 1 2 电光调制晶体盒壳体的设计 设计调制晶体盒时必须注意光轴稳定性，如图6 6 所示。 幽6 6 电光调制晶体盒壳体 在电光调制晶体盒的内部用聚四氟板将将底座和晶体盒隔开，用以绝缘。盒中其它 位置放置电子器件以及光电接口，由于本文的研究重点是光学部分，因此这里对涉及其 它部分设计就不进行过多的讨论了。 6 2 格兰棱镜和分束镜固定架的设计 6 2 1 格兰棱镜固定架的设计 格兰棱镜盒的设计必须考虑机械稳定性和调整方便。由于电光晶体自身不能调整， 因此要求格兰棱镜必须有调整机构，这样才能保证起偏器和检偏器的偏振方向与晶体光 轴方向相匹配。格兰棱镜通光方向上的横截面为方形，因此格兰棱镜框设计成圆套方的 结构，入射端面开四个槽，以方便旋转调整。格兰棱镜盒的装配图如图6 7 所示： 将格兰棱镜与棱镜套胶合在一起，然后旋入棱镜支架中，由于棱镜套与棱镜支架之 间为圆配合，这样就可以实现格兰棱镜的3 6 0 度旋转了。两者之间的配合选择了一个较 小的间隙，这样在旋转的过程中就可以保证整体的光轴一致性。在棱镜支架上加两个锁 紧螺钉，起到锁紧的作用，以保证格兰棱镜的机械稳定性。 6 2 2 分束镜镜架的设计 图6 7 格兰棱镜盒 4 5 度分束镜的孔径为l o m m ，足够大，因此无须考虑分束镜的上下、左右的调整， 只需要考虑俯仰、摆动的调整就可以了。采用两顶两拉的结构实现调制器的俯仰、和左 右摆动的调整，结构图如图6 8 所示： 图6 8 分束镜镜架的装配图 考虑到整个镜架结构的稳定性，在装配调试完成后，螺纹联接处点胶固定。分束镜 反射的光要照射到探测器上，因此在设计时在电光调制器盒的侧壁设计了一个孔用于导 出反射光。 6 3 光轴调整架的设计 为了实现电光调制器输出能量的最大化，需要调整自聚焦透镜的光轴与电光调制器 的光轴保持一致。把调制器的光轴作为基准，调整自聚焦透镜的光轴使其与调制器一致， 这样做比较容易实现。这就需要一个可以实现自聚焦透镜上下、左右、上下俯仰、左右 摆动的调整架。具体的装配体如图6 9 所示： 图6 9 激光光轴凋整装置 设计一个滑块，将自聚焦透镜与其固定在一起，然后用两个相对的顶钉顶滑块，实 现光轴的左右移动的调整。然后利用同样的原理，增加一层嵌套结构实现光轴的上下移 动的调整。利用四顶四拉的结构实现光轴上下俯仰、左右摆动的调整。 6 4 电光调制器盒的设计 电光调制器盒中要装的部件有：电光调制晶体盒、起偏器、检偏器、自聚焦透镜及 其调整机构。将以上部件装在一个盒子中有利于保证光轴的一致性，提高整个电光调制 器的稳定性。其结构如图6 9 所示： 图6 9 电光调制器盒 由上图所示，整个调制器盒的定位是利用输出端的圆柱卡头，将圆柱卡头直接塞到 连结件中，这两个部件间采用一个紧配合；另外圆柱卡头上还有一些槽，再在槽中点一 点胶，就可以实现对调制器盒的定位了。在输出端面上设计一个孔径光阑，用来消除杂 散光和滤掉激光中的高阶模成分。为了装配的需要，在调制器盒的输入端也要设计一个 孔，对这两个孔的同心度提出一个高的要求，那么我们就可以利用这两个小孔实现对电 光调制晶体盒、起偏器、检偏器的粗定位了，定位后的光轴中心基本可以与输出端的圆 柱卡头的中心保持一致。另外还要设计许多孔用于导出电线和分束镜反射光的导出。各 个部件之间都是通过螺纹连接在一起，为提高机械稳定性，在完成调制器的装配调试后 可以进行点胶加固。 电光调制器的装配图如6 1 0 图所示： 图6 1 0 电光调制器的装配图 1 光轴调整架2 格兰棱镜盒3 _ 4 5 度反射镜 4 一电光调制晶体盒5 一电光调制器盒 整个电光调制器的机械结构满足光通信使用要求，做到了结构紧凑、简单，实现了 小型化，其外形最大尺寸为：4 0m m x 6 0 m m x l 5 0 m m 。 第七章折叠式高频l i n b 0 3 电光调制器性能测试及分析 7 1 高功率高速率l i n b 0 3 电光调制器测试系统 高功率高速率l i n b 0 3 电光调制器实验测试系统的如图7 1 所示： 图7 1 高功率高速率l i n b 0 3 电光调制器实验测试系统示意图 在本测试实验中，通信光源采用输出波长为8 1 0 r i m 的半导体激光器，激光器驱动电 源采用输出电流0 - - - 2 5 0 0 m a 可调谐的电源，便于我们调整激光输出功率，方便实验测 试；电光调制器为我们独创设计的折叠式l i n b 0 3 电光调制器，晶体尺寸为2 8 3 0 m m 3 ； 编码信号采用的为频率5 0 - - - 2 0 0 m h z 可调，最大幅度为1 2 0 0 m v 的方波信号，由它控制 驱动器，为电光调制器提供1 2 0 v 的调制电压，驱动器的工作带宽为1 m h z 5 0 0 m h z ； 在激光通信系统的接收端有两种接收器件，它们并不同时出现在折叠式高频l i n b 0 3 电 光调制器实验测试系统，功率计在测功率时使用，雪崩二极管和示波器在看激光编码信 号的波形时使用。 7 2 半导体激光器参数测试激光器功率测试 半导体激光器已成为激光通信的首选光源，但对于长距离通信应用，要同时克服通 过大气时引起的吸收和散射等损耗，以及长距离传输时激光束发散带来的能量损耗，对 激光器发射系统的发射能量、光束参数、调制频率、脉冲波形等提出了非常高的要求。 采用中心波长为8 1 0 r i m 的半导体激光器，测得的激光器输出特性曲线如图7 5 詈 a 量 。】二髦 一z “i 二 d cc 一a ) 图7 5 激光输出特性曲线 图7 6 激光器输出光谱 调制器的性能会受到温度的影响1 3 2 1 ，为了测定调制器的温度特性，在2 0 以9 0 c 范围 内，每隔1 0 c 测试1 组数据，其中2 2 0 c 时调制器的总效率最高，2 9 0 c 时调制器的总效 率最低。这里由于篇幅有限，只列出2 2 0 c 和2 9 0 c 时的测试结果。 在室温2 9o c 时，当激光器的输入电流大于1 5 0 0 1 i l a 时激光器功率再增加，调制器 的输出功率几乎不变，因此室温2 9o c 时我们把1 5 0 0 m a 作为激光器的最大输入电流。 经自聚焦透镜准直后的激光器输出功率测试结果如表7 1 、表7 2 所示： 表7 12 9 0 c 时的激光器功率测试 表7 - 22 2 0 c 时的功率测试 7 3电光调制器输出光功率的测试及结果分析 电光调制器光功率包括两方面：电光调制器的静态光功率和动态光功率。本设计中 在完成光学调整后对两种情况分别进行测试，数据如下 7 3 1电光调制器静态功率及效率测试 静态光功率测试如表7 - 3 、7 - 4 所示。 表7 - 32 9 。c 时的薛态功率测试 由表7 - 3 、7 - 4 可知，2 9o c 时的静态效率偏低，这是由于温度比较高，激光对光 学元件有加热作用，温度高，激光产生的热量不能即时发散，使光学元件发生变形，从 而导致调制器的静态效率降低。 7 3 2 电光调制器动态功率及效率测试 电光调制器动态功率测试结果如表7 5 、7 - 6 所示。 表7 - 5 2 9o cc 时的动态功率测试 表7 - 62 2o c 时的动态功率测试 由表7 5 、7 6 可以知道，2 9o c