（光学工程专业论文）聚合物电光调制器的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代信息社会对高速、大容量通信系统的要求，高速光纤通信系统得到迅速发 展。电光调制器是光纤通信系统的核心器件，只有通过电光调制器将电信号加载到光波 上，光纤的宽频带优势才能得以利用，因此对高速电光调制器的研究受到了人们普遍关 注。随着对电光调制器性能指标要求的不断提高，用于制作调制器的材料也不断更新换 代：铌酸锂晶体、半导体材料、聚合物材料等纷纷登上历史舞台；另一方面，针对不同 的材料，调制器的结构设计、波导制作、极化手段、微波电极结构等方面的研究也日新 月异。聚合物电光调制器由于制作方便、容易大面积集成、容易实现相速匹配等优点成 为近年来的一个研究热点，被人们普遍寄予厚望。 本文针对聚合物电光调制器进行了基础性的分析和研究，首先介绍了电光效应的基 本原理及电光波导材料，着重分析了聚合物电光波导材料的基本特性和合成方法。接下 来研究了马赫一曾德干涉仪型电光调制器基本原理和工作特性，分析了半波电压、调制 深度、调制带宽等电光调制器的特征参量。最后对基于微环谐振器结构的电光聚合物波 导调制器进行了研究，分析了耦合系数和环形波导周振幅损耗因子对全通型波导微环谐 振器的滤波特性及精纽度的影响，研究了微环谐振腔波导调制器行波电极的基本特性， 分析了光波与微波速度失配及微波传输损耗对调制器调制频率响应的影响，并与具有等 效半波电压的马赫一曾德调制器进行了比较，结果表明微环谐振腔调制器在微波频率为 环形腔自由光谱范围整数倍处具有更高的响应特性。论文工作对进一步开展聚合物电光 波导调制器的设计和制备研究提供了良好的理论基础。 关键词：聚合物电光效应电光调制器m z 干涉仪波导微环谐振器 聚合物电光调制器的研究 t h er e s e a r c hi ne l e c t r o o p t i cp o l y m e rm o d u l a t o r o p t i c o l y m e ri v l o ua t o ri - a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er e q u e s tf r o mt h ec u r r e n ti n f o r m a t i o ns o c i e t yt ot h eh i g h s p e e d ，l a r g e c a p a c i t yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h eh i g hs p e e df i b e r o p t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo b t a i n st h e r a p i dd e v e l o p m e n t n l ee l e c t r o o p t i cm o d u l a t o ri st h ec o r ec o m p o n e n to ft h ef i b e r - o p t i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m o n l yw h e nt h ee l e c t r i c a ls i g r l a li sl o a d e do nt h el i g h tw a v et h r o u g h t h ee l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r ，t h eb a n d w i d t hs u p e r i o r i t yo ft h eo p t i c a lf i b e rc a l lb eu s e d t h e r e f o r et h er e s e a r c ho nt h eh i g h - s p e e de l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o ri so b t a i n e dt h eg e n e r a l a t t e n t i o n a st h ep e r f o r m a n c ei n d e xr e q u e s tt ot h ee l e c t r o o p t i cm o d u l a t o ri si n c r e a s i n g l y e n h a n c e d , t h em a t e r i a lu s e di nm a n u f a c t u r i n gm o d u l a t o ri sa l s oc o n s t a n t l yr e n e w e d ：l i n b 0 3 c r y s t a l ，s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，p o l y m e rm a t e r i a la n ds oo n ，s t e pi n t ot h eh i s t o r i c a ls t a g e ；o n t h eo t h e rh a n d ，i nv i e wo fd i f f e r e n tm a t e r i a lt h er e s e a r c ho nt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h e m o d u l a t o r ，t h ew a v e g u i d em a n u f a c t u r e ，t h ep o l a r i z e dm e t h o d ，t h em i c r o w a v ee l e c t r o d ea n ds o o ni sc o n s t a n t l yr e n e w e d p o l y m e re l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o rb e c o m e sah o ti s s u ei nr e c e n t y e a r s r e s e a r c h ，a n de m b o d i e st h eg r e a te x p e c t a t i o n sf r o mp e o p l eb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so f 也ec o n v e n i e n tm a n u f a c t u r e ，e a s ya n dw i d ei n t e g r a t i o n ，e a s ya n df a s tm a t c hi np h a s ev e l o c i t y t h i st h e s i si nv i e wo fp o l y m e re l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o rc a r r i e so u tt h ef o u n d a t i o n a l a n a l y s i sa n dt h er e s e a r c hw o r k f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o - o p t i ce f f e c ta n dc h a r a c t e r i s t i c s o fe l e c t r o o p t i cw a v e g u i d em a t e r i a l sa r e i n t r o d u c e d t h eb a s i cp r o p e r t i e sa n ds y n t h e s i s t e c h n i q u e s o fo p t i c a lp o l y m e rm a t e r i a l sa r ea n a l y z e d t h e nt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e rw a v e g u i d em o d u l a t o ri si n v e s t i g a t e d t h e p r o p e r t yp a r a m e t e r so fe l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r ：t h eh a l f - w a v ev o l t a g e ，m o d u l a t i o nd e p t h ， m o d u l a t i o nb a n d w i d t h ，e t c a r ea n a l y z e d l a s t l y ，t h ep o l y m e re l e c t r o o p t i cm o d u l a t o rb a s e d o nw a v e g u i d em i c r o r i n gr e s o n a t o ri si n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to fc o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n d r o u n d - t r i pa m p l i t u d el o s so nt h ef i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n df i n e s s eo fa l l - p a s sm i c r o r i n g r e s o n a t o ra r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o n t h ei n f l u e n c e so ft r a v e l i n g w a v ee l e c t r o d eo nt h e m o d u l a t i o nf r e q u e n c yr e s p o n s eo fm i c r o r i n gm o d u l a t o ra r ei l l u s t r a t e d 1 1 1 ev e l o c i t y m i s m a t c h b e t w e e no p t i c a lw a v ea n dm i c r o w a v ea n dm i c r o w a v el o s sw i l li m p a i rt h er e s p o n s eo ft h e m o d u l a t i o nf r e q u e n c ya su n f o l d e di nt h ea n a l y s i s 1 1 1 em o d u l a t i o np r o p e r t i e sc o m p a r i s o n b e t w e e nm i c r o r i n gm o d u l a t o ra n de q u i v a l e n th a l f - w a v ev o l t a g em a c h z e h n d e rm o d u l a t o ra r e a n a l y z e d n l er e s u l ts h o w st h a tm i c r o r i n gm o d u l a t o rh a sh i g h e rm o d u l a t i o ne f f i c i e n c ya t f r e q u e n c i e sa r o u n dm u l t i p l e so ff s rt h a nt h ee q u i v a l e n tm a c h z e h n d e rm o d u l a t o r t h e i i 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d e sg o o dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e rd e s i g na n df a b r i c a t i o nw o r ko f p o l y m e re l e c t r o o p t i cw a v e g u i d e m o d u l a t o r s k e yw o r d s ：p o l y m e r ；e l e c t r o - o p t i ce f f e c t ；e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r ；m a t h z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r ；w a v e g u i d em i c r o r i n gr e s o n a t o r i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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己经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：朋妻 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连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“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连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。本人授权大连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 导 大连理工大学硕士学位论文 引言 在信息技术发展中，通信从长波到微波，存储从磁芯到半导体集成，运算使用的器 件从电子管发展到以大规模集成电路为基础的电子计算机。可以看到，当今信息技术的 发展起主导作用的是微电子技术，其传递的信息的载体是电子，但由于其物理学理论和 技术实施上的固有缺陷，难以完全适应未来技术发展的要求。光电子学是近代光学和近 代电子学的融合，是电子学在光波波段的延伸。 网络技术的进步和普及得益于光纤通信技术的发展，现今8 0 的信息传输由光纤 完成，利用电光和光电转换以及全光网络可以大大提高通信。光电子技术中的变频、调 制、开关、偏转是光信息处理不可缺少的元件，在长距离大容量光纤通信、光存储、光 显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军事武器装备及未来的光计算中发 挥重要作用。其中作为连接电子器件和光纤光学器件桥梁的电光调制器，是信息高速公 路最关键的元器件之一。 电光调制器是将电视、计算机、电话和雷达等电信号，快速转换为光信号的光学器 件。这种器件的制作及相关技术，涉及面很广，与高速计算机，检测地面资源，电子系 统监视的传感器的制作、电力供应部门的电压传感器的制作，以及社区网络的快速开关、 平板显示、汽车袖珍防撞雷达、三维全息、摄影、光束控制等技术密切有关，特别是在 远距离通信中，人们不仅要求能得到越来越多的语音、数据i 图像等业务的传输，更希 望能以更快的速度、更高的质量、更便捷的方式来获取信息。这就要求现代通信传输向 着大容量、高速率、长距离、宽带宽、低成本的方向发展，目前光纤通信凭借其频带宽、 容量大、损耗低等优点已成为现代通信网中一种不可替代的、最主要的信息传输方式。 由于多媒体技术、计算机网络和接入网技术的进步，使数据通信业务呈爆炸性增长， 人们对带宽的需求越来越高，这就决定了光传输系统向超高速、大容量和长的中继距离 的方向发展；另一方面互联网业务的突发性，不对称性以及业务量增长的不可预测性等 决定了光纤通信还会从两点通信向网络化方向发展，特别是向密集波分复用( d w d m ： d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的高性能、大容量、灵活的全光网络方向发展。 近年来，符合高速密集波分复用光纤网发展方向的各种新型光电子器件的研究和开发引 聚合物电光调制器的研究 起了人们广泛关注，特别是作为光纤网中关键器件之一的高速电光调制器的设计和性能 的改善一直是国际研究的热点。近年来光纤到户( f t t h ：f i b e r - t o - t h e h o m e ) 是光纤通 信的一个亮点。虽然现在移动通信发展速度惊人，但因其带宽有限，终端体积不可能太 大，显示屏幕受限等因素，人们依然追求性能相对占优的固定终端，也就是希望实现光 纤到户。光纤到户的魅力在于它具有极大的带宽，它是解决从互联网主干网到用户桌面 的“最后一公里”瓶颈现象的最佳方案。随着技术的更新换代，光纤到户的成本大大降低， 不久可降到与数字用户环路( d s l ：d i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 和混合光纤同轴( h f c ： h y b r i df i b e rc o a x i a l ) 网相当。据报道，早在1 9 9 7 年日本n t t 公司就开始发展f t t h ， 2 0 0 0 年后由于成本降低而使用户数量大增；美国在2 0 0 2 年前后的1 2 个月中f t t h 的安装数量增加了2 0 0 以上。在2 0 0 4 年初的日本博览会上，n t t 展出了光纤到户的 发展规划，虽然目前n t t 光纤到户只有两万户，但到2 0 0 8 年，将增至两千万户，五 年内增长1 0 0 0 倍。2 0 0 4 年的0 f c 和a p o c 会议上，光纤到户也成为最为关注的课题， 光纤到户是信息社会成熟与否的重要标志，它能为人类提供随地办公的条件，电子商务、 政务、金融等诸多方面都将在这超大容量的光纤到户网上进行。从另一角度看，由于光 纤到户为人们提供了任何地方、任何时间工作的条件，从而有效地解决了交通阻塞的重 大问题，同时也节省了大量的能源。可以说，光纤到户为人类社会的持续发展提供了最 有力的支持。在我国，光纤到户也是势在必行，光纤到户的实验网也已经在武汉、成都 等城市开展，预计在2 0 1 2 年前后，在我国从沿海到内地，从东到西将兴起光纤到户建 设的高潮。 无论是建设高速密集波分复用光纤网，还是要实现光纤到户，都需要有廉价的光电 子器件作为支持。可是，我们国家在高速电光调制器方面仍然处于依靠进口的局面，一 个l o g b i t s 的光调制器，包括微波激励放大仍需要4 0 0 0 6 0 0 0 美金，这昂贵的价格无疑 严重制约了光通信的推广和广泛应用。因此无论是从目前干线网的需求，还是从长远的 光纤到户的要求上来看，我们都需要探索、研究出性能优良，价格低廉的高速电光调制 器。高速电光调制器除应用于光纤通信外，还有其它方面的用途，如用于有线电视( c a t v ) 系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路和高速a d 转换器，先进雷达系统 中用作为光子宽带微波移相器和移频器等。 大连理工大学硕士学位论文 有机聚合物被公认为是最具有挑战意义的一类新型非线性光学材料，它已经广泛应 用于高性能集成光学器件1 】【2 】。由于它们具有高的非线性，在高频光路、快速电子响应 和近于理想速度匹配的行波器件方面显示极大的优势。聚合物电光调制器的研究始于9 0 年代，但发展十分迅速，近年来随着新型聚合物电光材料研发成功和波导制各工艺的进 步，聚合物电光调制器的研究正成为国内外关注的焦点。 聚合物电光调制器的研究 1 电光效应与电光波导材料 1 1 光调制分类 利用改变光波的振幅、频率、相位、强度、偏振状态等参数实现信息传输的方法， 称为光学调制。一百多年前，人们就提出能够控制光束的方法，例如，在早期测量光速 时用齿轮旋转来实现对光的调制。按激光调制与激光器之间的关系，可将光学调制分为 直接调制( 内调制) 和间接调制( 外调制) p j 。 1 1 1 直接调制 直接调制方法适用于半导体光源，它将要传送的信息转变为电流信号注入光源，获 得相应的光信号输出，输出光波电场幅值的平方与调制信号成正比，是一种光强度调制。 图1 1 给出了直接调制半导体激光器的结构示意图。相应的输出特性曲线如图1 2 所示。 直接调制技术具有简单、经济和容易实现等优点，但是由于只适用于半导体光源，并且 在信号频率进入高速调制的情况下，将产生“啁啾 现象，从而使激光器的输出线宽展 宽，影响光源的工作稳定性，因此其应用具有一定的局限性。 纰 架 蛏 曲 斗 直流 电流 图1 。l 半导体激光器直接调制的结构示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i r e c t l ym o d u l a t e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 9 2 2 半导体激光器直接调制的特性曲线 f i 9 1 2c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f d i r e c t l ym o d u l a t e ds e m i c o n d u c t o rl a s e r 1 1 2 间接调制 间接调制是指光辐射产生后再加载调制信号，其具体办法是在激光器输出端外的光 路上放置光调制器，在调制器上加调制电压，使通过调制器的光束得到调制【4 1 。从其实 现的机理来讲，主要基于电光、声光、磁光和电吸收效应。电光效应指材料折射率随外 加电场变化的现象，是在光调制中得到最广泛应用的物理现象。声光效应是指在外加超 声波场的作用下，介质的折射率周期变化形成折射率光栅，光波在介质中传播就会发生 衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超声波场的变化而变化。磁光效应是指 光与处于磁化状态的物质发生相互作用而引起的各种光学现象，主要包括法拉第效应、 科顿穆顿效应和克尔磁光效应等，通过施加外磁场控制可以改变传播光束的特性，光 调制器中最重要的磁光效应是法拉第旋转效应。电吸收效应是指利用半导体超晶格结构 的量子限制斯塔克效应，垂直于量子阱薄层施加电场能够引起光吸收边的展宽，而锐吸 收特性仍被保持，基于此效应可制作光调制器。表1 给出了间接调制中常用的物理现象 和代表性材料。 聚合物电光调制器的研究 表1 1 间接调制中常用的物理现象和代表性材料 t a b l e1 1m a j o rp h y s i c a lp h e n o m e n aa n dt y p i c a lm a t e r i a l sf o ri n d i r e c tm o d u l a t i o n 利用的物理现象光调制原理代表性材料 l i n b 0 3 ，k h 2 p 0 4 ( k d p ) ，g a a s ， 泡克耳斯效应折射率与电场成正比g a p ，k t a o6 5 n b o3 5 0 30 ( t n ) 电光效应 ( t t c ) ，有机聚合物 折射率与电场平方成正 克尔效应玻璃，硝基苯 比 偏振光的旋转与电场成 磁光效应法拉第效应 y i g 正比 由声波形成的三维光栅 p b m 0 0 4 ，t e 0 2 ，b i l 2 g e 0 2 0 ，熔融 布拉格衍射 产生光衍射石英 声光效应 由声波形成的二维光栅 p b m 0 0 4 ，t e 0 2 ，b i l 2 g e 0 2 0 ，熔融 拉曼纳斯衍射 产生光衍射石英 半导体的基片吸收端随 弗朗兹凯尔迪 外加电场移动并吸收量 什效应 电吸收效应 也变化 量子束缚斯塔量子阱内的激子吸收系 i n g a a s i n a i a s 多重量子阱， 克效应数随外加电场变化 i n g a a s i n g a a s p 多量子阱， 1 2 电光效应 电光效应( e o e ，e l e c t r o o p t i ce f f e c t ) 指材料折射率随外加电场变化的现象【5 】，是在 光调制中得到最广泛应用的物理效应。若电光效应追本溯源，则是由于构成材料原子的 电子状态随电场变化，所以对电场变化的响应速度非常快，对飞秒级的电场变化也能瞬 息响应，因此可以说这一物理效应最适合于用在超高速光调制器中 大连理工大学硕士学位论文 1 2 1 电光张量 光在晶体中的传播规律遵从光的电磁理论，利用折射率椭球可以完整而方便地描述 出表征晶体光学特性的折射率在_ v _ f b q 各个方向的取值分布。显然，外加电场对晶体光学 特性的影响必然会通过折射率椭球的变化反映出来。因此，可以通过晶体折射率椭球的 大小、形状和取向的变化，来研究外电场对晶体光学特性的影响【4 】o 晶体中的光波传播方向，偏振方向和折射率之间关系，可以用如下的折射率椭球表 示 善+ 若+ 考= ， ，) 其中，x 、y 、z 为将晶体的( 假设没有外加电场) 三个主轴方向分别作为三个直角 坐标轴时各自的坐标( 见图1 1 ) ，船，、摊，、玎：为主折射率。 z 、 尸 l 级 腑 水： 么 、。一 y x 图1 3 折射率椭球示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e f r a c t i v ee l l i p s o i d 聚合物电光调制器的研究 该折射率椭球用几何方法表示沿某一方向传播的光偏振方向和折射率及相位速度。 首先，用通过原点并垂直于传播方向o p 的平面，切开折射率椭球，则其切口为一个通 过原点的椭圆。该椭圆的长轴和短轴的方向砑和面，对应两个偏振方向，而且长轴 和短轴长度的各一半i 葫l 和l 历i 对应于各自偏振光折射率一，因此各自的偏振光以 c n a ，c l n s 传播( c 为真空中的光速) 。 只要知道折射率椭球，光波在晶体中的传播特性就完全确定了。因此，。c f - 力n 电场对 晶体的影响表现为它使晶体的折射率椭球发生了改变。由于在外电场作用下晶体的折射 率椭球发生了变化，因此，原来的x 轴、y 轴、z 轴不再一定是加电场后晶体折射率椭 球的主轴方向。于是，在原来的( x 、y 、z ) 坐标系中，加电场后的折射率椭球方程将 是一般的椭球方程，即 ( 去) ，x 2 + ( 嘉) ：y 2 + ( 专) ，z 2 + 2 ( 砉) 。弘+ 2 ( 砉) ，荔+ 2 ( 砉) 。砂= t c ，4 ， 也就是说，在方程中出现了交叉乘积项。由于要满足能量守恒定律，介电张量一定是对 称张量，因此，9 个介电张量分量中只有6 个是独立的。与此相应，在折射率椭球方程中， 也只有6 个系数是独立的。很明显，当去掉外加电场后，即e = 0 时，式( 1 4 ) 将退化 成式c - 3 ，也就是说，耷e = 。时，有( 吉) ，l e ：。= 去，( 吉) ：l ；。= 虿1 ，( 吉) ，l e ：。= 专， l ，2 2 1 i f n，z ：l ，2 2 ，2 i # 。 ，2 ：l ，2 2 3 i # 一n 甩； ( 砉) 。i 昱；。2 ( 砉) ，i 占；。= = ( 砉) 。l 。= 。 在外电场e ( e x ，e y ，e ：) 作用下，如果折射率椭球方程( 1 5 ) 的系数i _ 1 i 的变化 量f 与1 与面的各分量成线性关系，则 ( 砉) ，= ( 砉) ，f e 一( 吉) ，l 丘。= 等乃目 一8 一 ( 1 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 其中，渊忍6 ；川乙3 瓤y 一而( 划表示有外加电场面存在时的系数， ( 剁0 表勐电场西= 。时繇数。 用矩阵形式表示式( 1 5 ) 为 ( 吉) ( 砉) ( 嘉) ( 砉) ( 嘉) ( 爿 其中，由组成的6 x3 矩阵就叫做晶体的电光张量。 ( 1 6 ) 1 2 2 克尔效应和泡克尔斯效应 对于公式( 1 6 ) 若用简写法，则由外加电场引起的晶体折射率的变化可表示为 ( 砉) = 乃乞+ 吉玩邑邑 ( 1 7 ) ， 1 = 1 厶h = l ；1 其中，下标，2 为按上述简写法改写的下标h 、k 。公式( 1 3 ) 第一项表示线性电光效应， 或称之为泡克尔斯效应( p o c k e l se f f e c t ) ，第二项表示非线性电光效应，或称之为克尔 效应( k e r re f f e c t ) ，：，称为线性电光常数，b m 称为克尔常数。 泡克耳斯效应于18 9 3 年由德国物理学家f c a 泡克耳斯发现，基于该效应的折射 率改变量与所加电场强度的一次方成正比。某些晶体，如磷酸二氢钾( k d p ) 、铌酸 锶钡( s b n ) 、铌酸锂( l i n b o ，) 、砷化镓( g a a s ) 、氧化亚铜等，外加电场所引起的 位彻纫彻却亿 聚合物电光调制器的研究 折射率变化与电场强度e 的一次方成正比。对于具有中心对称的晶体来说，外加电场方 向改变，晶体的物理性质( 包括折射率) 并不发生变化，从( 1 7 ) 式可以看出，只有， 为零时，才能满足这一要求，因此具有对称中心的晶体没有线性电光效应，即线性电光 效应只存在于不具有中心对称的晶体中。 克尔效应于1 8 7 5 年由英国物理学家j 克尔发现，基于该效应的折射率改变量与所 加电场强度的二次方成正比。其特点是弛豫时间极短，在加电场后不到1 0 母秒内就可完 成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种迅速动 作的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关光闸，在高速摄影、光速测量和激光技 术中获得了重要应用。 利用具有克尔效应的介质作为电光介质时，其半波电压比利用泡克尔斯效应的半波 电压高得多，一般克尔效应的半波电压高达数万伏，因此光通信系统中调制器通常采用 具有泡克尔斯效应的介质材料，下面我们主要研究泡克尔斯效应及其相关特性。 1 3 电光系数的研究与测量 1 3 1 电光系数 一根据上面的分析，可知( 赳是个对尊张量，其中f 、可以互换，这样使得线 性电光系数有1 8 个独立分量7 。= 厂舭，对于许多晶体中，由于对称性的存在，电光系数 中有许多为0 ，而不等于0 的矩阵元中也有一些是相等的。 应用折射率椭球法分析线性电光效应，若给晶体中加电场e p ，其折射率改变为： 1 ： 刀2 了刀3 7 ep( 1 8 ) 可以看出折射率的改变不仅与外加电场有关，还与电光系数y 有关。对于常见电光 晶体我们可以查到其电光系数矩阵，就可具体分析折射率的改变1 6 。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 2 电光相位改变 由于外加电场面的作用，使折射率发生了变化，当光通过电光晶体后，两个相互垂 直的偏振分量p 。和p ：会产生相应的相位延迟f 7 】，大小为： f = ( 2 删名) 幽 ( 1 9 ) 其中血是折射率改变量，三是通光方向样品长度，旯是光的波长。由上面推导可知 a n = 妻刀3 厂罾，则相位延迟为： 二 f = g - 兄皿，z 3 7 云= 五皿疗3 r ( v d ) = 万o ，形) ( 1 1 0 ) 其中v 为外加电压，d 为样品厚度，圪为f = 万时的外加电压，称为半波电压，是 电光晶体的一个重要参数，并影响其应用。 圪= w 刀3 ，黼三) ( 1 1 1 ) 若定义爿= 兄眈万) = w 册3 x d i l ) ，可以看出a 是一个只与晶体本身参数有关的一 个常数，反之可得： r = 彳刀圪 ( 1 1 2 ) 应用上面推导的关系式，我们可以设计相应的测量方法。 1 3 3 单光束电光光强调制器 在上部分我们讨论了晶体中线性电光效应和基本的相关方程，在这部分我们介绍单 束光作用于晶体的线性电光效应及电光系数的测量方法。 单光束电光光强调制器应用非常普遍。如图1 4 所示，在起偏器p 和检偏器a 之间插 人电光晶体样品s 构成的调制器是最简单和常见的形式。这就是著名的p s af p o l a r i z e r - - s 锄p l e a 1 1 a 1 ) ，z e r ) 系统或调制器【8 1 1 9 。 p s a 中的起偏器p 是确保输入为线偏振光，且把p 的透射方向设置为与样品的双折射 成4 5 。角。波片c 为4 波片，而检偏器的偏振方向与晶体的快轴成夕角。在此条件下得 到系统的光传输关系式： t = ，。= 伍2 砸+ s i n 2 f l c o s f 】 ( 1 1 3 ) 聚合物电光调制器的研究 兰 鬻蒙攀_ 起偏器p波片c 穰蕊霹麓絮籀豳豳露黧醪 。? 07 囊“r i i 。lj | j “ i 誊- 譬一。 叫 m t 。n 大连理工大学硕士学位论文 为控$ 1 j p s a 联j - l - 作点，以得到最大线性工作环境，在样品和检偏器间插入一个州4 波 片( 补偿器c ) 。这样，我们得到了p s c a ( p o l a r i z e r s a m p l e c o m p e n s a t o r a n a l y z e r ) 系统调制 器。通常，使形4 波片的轴与晶体主轴成4 5 。夹角，就得到了著名的s e n a r m o n t 系统，其 光传输公式如下： t = ，o = 瓦s i n 2 ( r 2 一) ( 1 1 5 ) 厶r 特性曲线上任一个m 点的位置是由调节系统输出部分的检偏器么的方位 角来控制的。若要输人为圆偏振光，可在起偏器后放一个纠4 波片，且波片的轴向与 晶体的主轴夹角为4 5 9 。于是我们就得至t j7 p c s c a ( p o l a r i z e r - c o m p e n s a t o r - s a m p l e c o m p e n s a t o r a n a l y z e r ) 系统或调制器。 1 3 4 电光系数的测量方法 ( 1 ) 直接测光强法f 9 】 这种方法要求使用4 5 。p s a 调制光路。在晶体上加一直流电场e ，所加直流电压v 补偿了自然相位延迟r 0 后，测出输出光强，在起、检偏器垂直的情况下，传输公式可 以写成： t = i 1 0 = z 0s i n 2 ( r ( e ) 2 ) ( 1 1 6 ) 根据r ( e ) 的公式，可求线性电光系数： y = 2 ( a v ) s i n 一1 而 ( 1 1 7 ) 在实际测量中，输出光强，由光电检测系统测量，这个系统由一个光电二极管p d ( 接 受光强，并转化为电信号) 和一个适合的放大器p d a m 组成。同时，为监测输人光强的变 化，我们可以通过一固定的分光片提出- - 4 , 部分输人光，这个分光片插在起偏器后，并 且利用另一套光电探测系统来监视分离出来的这一部分光强变化情况。 ( 2 ) 直接测匕法 半波电压圪的值可根据定义式来确定1 0 】【】l 】。例如，给样品加直流电压，使光波所 产生的相位延迟改变万，记录改变前后所加电压值，匕= v 一圪。实际上，如果前述的 聚合物电光调制器的研究 变化是从最小传输点到最大传输点，那么这样的测量会更加精确。当然，在这种以光强 为基础的方法中，自然相位延迟，必须被补偿。把测得圪代人厂= 么州圪， 并利用 a = y 畋伽) = w 劢3x a l ) ，可得电光系数为： 彳。k = w 船3 ) ( d l ) v ,( 1 1 8 ) ( 3 ) 最小传输点( 零传输点) 测量法 在传输特性曲线上，与其他工作点相比，最小传输点m 。能更精确地定位。这个最 小传输点实际上就是对应透过率为零或最小的情况，例如消光的情况。如果工作在这一 点上，我们就可以通过测量检偏器的方位角的改变量来确定电光系数，在单束p s c a 系统 中还要补偿由外加电场引起的微小的相位延迟r 伍) 。我们如果用图1 2 中所示典型的 4 5 。p s c a 系统并利用t = 厶= 兀s i n2 ( r 2 一) ，用直接补偿法测得场致相位延迟r 仁) 。 这种方法是通过检偏器使输出消光或最小，即达到加电场前的情况。在这种情况下有： r 仁- - 2 纸一氏) = 2 展 ( 1 1 9 ) 其中风。是补偿r ( o ) 时需要的检偏器的方位角，于是有： 7 = 2 4 尻 ( 1 2 0 ) 可求得窀光系数。 1 4 制作电光波导器件的材料 1 4 1 制作电光波导器件对材料的要求 在集成电光器件( 包括通信和信息处理中的光信号高速调制与开关) 中，约束在波导 中的光信号被外电场调制。器件的工作是基于材料的线性电光效应的，构成这些器件的 材料折光指数必须可为电场所迅速( 1 i l s ) 改变，且通过电光导波区时诱导的相移为 刀。对光通信应用而言，感兴趣的波长是半导体激光的工作波长( 约8 0 0 或 1 3 0 0 。1 5 5 0 n m ) 。当假定器件长度为l c m ( 对集成芯片希望为l m m ) ，调制场为5 v a m ， 且传输距离为吸收或散射所限制( 一般传输损耗在l d b 以下) 时，要求材料的电光品质因 数为： 大连理工大学硕士学位论文 ，z 3 ，a 2x1 0 2p m v c r t l 一1 或z 2 n a 5 1 0 e s u c m ( 1 p m v = 2 3 8 7 1 0 9 e s u ) 电光器件必须在高频下调制以适应光纤通信的带宽要求，例如传输高质量的视频图 像就要求调制带宽厂为g h z 量级。为减小器件电容，要求f 1 0 g h z 时材料介电常数s 最大不能大于lo 。此外，为避免光场与调制场之间的相速失配，其光频下的折光指数应 满足n ( c o ) 兰s 夕2 ( c o o ) ( 为调制频率) 。 集成电光器件的功率一般为每平方毫米截面上几十m w 量级，这就要求材料的光损 伤阈值必须大于1 m w c m 2 。因此在材料选择和器件结构设计时还应充分考虑在此功率 密度下热诱导折光指数变化的影响。 材料品质因数的表达式是随材料的形态和应用方式而不同的。极化聚合物可以用一 维刚性取向气体模型来描述，在对相应参数作了粗略近似后，要求分子品质因数 m f m t f l 5 0 0 1 0 椰e s u ，其中的m 是说明分子的偶极矩t 单位为d ( 德拜) = 1 0 1 8 e s u 和一阶超极化率( 单位为1 0 。3 0 e s u ) 在净偶极方向上投影的有效偶极数， 厂埘是表征极 化聚合物电场极化诱导平均取向的一个因子，其值在1 至5 之间f 1 2 】。 1 4 2 制作电光波导器件的光学材料 2 0 世纪6 0 年代，自从激光出现以后，其相干电磁场功率密度可达1 0 1 2 w c m - 2 ，相 应的电场强度可与原子的库仑场强( 约3 1 0 8 v m 。1 ) 相比较。因此，其极化强度p 与电 场的二次、三次甚至更高次幂相关，由此开辟了非线性光学及其材料发展的新领域。用 于制作光电器件的材料主要包括m v 族化合物半导体材料( g a a s g a a l a s 、 l n g a a s p l n g a a s ) ，l i n b 0 3 ，s i ，s 0 1 ( s i l i c o no ni s o l a t o r ) ，s i o ，( 玻璃) ，有机聚合 物光学材料等。这些材料各有特点，能够实现的器件也不尽相同n 。下面简单地对它们 作概括性的介绍。 ( 1 ) m v 族化合物半导体材料：一v 族化合物半导体材料多为直接带隙，因此它首 先在光源、光放大器等有源器件( 尤其是长波长器件) 方面具有明显的优势【1 3 】【1 7 】。其次， 聚合物电光调制器的研究 利用其二次电光效应以及其他一些效应可以实现相当多的体积小、速度快的器件如干涉 仪、高速调制器、光开关、列阵等等【1 s 】啦! 1 。第三，i i - v 族化合物半导体材料可以很好 地实现性能特性高于体材料的多量子阱材料。另外基于m v 族化合物半导体材料的 m e m s 在光通讯方面的应用也取得了一定进展。目前一v 族化合物半导体材料最大的缺 点就是成本太高 ( 2 ) l i f 0 3 ：l i 册0 3 是目前研究比较成熟的波导类器件的材料，以前主要利用其二 次电光效应，多应用在干涉型、相位调制型光子器件( 如m z 干涉仪、b o a 开关等 2 2 - - 2 5 1 ) 中，近年来乃：e r ：l i n b o ，在波导激光器中也有应用【2 6 卜【27 i 。总体来说，l z n b 0 3 为材料的光子器件的优点是材料成本低，工艺相对简单。但是由于干涉型、相位调制型 器件的体积相对来说都比较大，因此其集成度具有一定的限制。 另外受高质量单晶生长、电光系数以及材料的某些本征性质的制约难以实现大规模 商业应用。比如，铌酸锂晶体的介电常数高达2 8 ，使调制器的本征带宽与长度的乘积 仅为6 g h z c m ，必须有特殊的电极设计才能满足高频下的光束与微波( 毫米波) 驱动的 电磁辐射速度的匹配。但是，这种速度匹配造成晶体内电场减小。于是，随器件带宽的 增大，器件品质因数v l p ( 半波电压与调制长度的乘积) 明显增大。l i n b 0 3 制作工艺与 半导体工艺的兼容性、z j ：n b 0 3 与半导体光子器件的可集成性方面也较差，在半导体光 子器件占优势的今天，这无疑是个较大的缺点。 ( 3 ) s i ，s 0 1 ：s i 作为常规半导体电子材料，也能较好地实现光予器件，但由于它 是间接带隙材料，因此主要应用于无源光子器件中。目前除了直接的研基光波导以外， 1 9 9 8 年出现了绝缘层上硅