（光学工程专业论文）一种改进型mzln电光调制系统的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电光调制( e o m ) 是高速光纤通信系统中的一个重要环节之一，分为电光内调制 和电光外调制两种。电光内调制主要是在电学上完成信号的调制和解调，用调制后的 电信号( 如电流) 驱动半导体激光器( l d ) 发光，使其输出的激光携带有信息，再利 用光纤进行传输；而电光外调制则是将电信号通过铌酸锂( l i n b 0 3 ) 晶体调制到激光 光源上，再利用大气或者光纤作为媒质进行传输，在接收端通过对光信号的幅度、相 位、频率解调来恢复原始电信号。由于电子渡越的速率瓶颈在1 0 g b p s ，所以随着光通 信速率的提高，电光内调制技术受到了较大的挑战。高性能的光纤通信系统要求对直 流激光源发出的激光施行外调制，激光的外调制具有的优点是高速率、大消光比、大 光功率和消除半导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象。 本文对电光外调制和脊形波导马赫曾德尔( m z ：m a c h z e h n d e r ) l n ( l i n b 0 3 ) 晶 体方案实现光调制进行了理论和实验研究，并进行了系统设计。论文在分析了电光调 制器和电光调制系统研究现状的基础上，给出了电光调制系统的理论模型，并介绍了 工作原理，分析了电光调制系统的关键技术指标，提出了基于m z l n 电光调制系统的 总体设计方案。 接着给出了电光调制器的理论模型，介绍了工作原理，提出了电光调制器的关键 技术指标，并根据数值模型对影响各关键指标的因素进行了理论分析，在此基础上提 出了对脊形波导m z l n 电光调制器的优化设计方案。 然后对基于m z l n 电光调制系统的关键部件进行了分析，并给出了选择方案。对 高压电源和调制信号源及解调电路的要求及详细设计方案进行了论述。 最后给出了基于脊形波导m z l n 电光调制系统的实验方案，并对关键指标进行了 讨论和分析。对基于脊形波导m z l n 电光调制系统进行了测试和实验，实验结果表明 该系统满足设计要求。 关键词：电光调制脊形波导马赫一曾德尔干涉仪铌酸锂晶体 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l ee o mi so n eo fi m p o r t a n tl i n k si nh i g hs p e e df i b e rc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m , i n c l u d e i n s i d em o d u l a t e sa n do u t s i d em o d u l a t e s t h ei n s i d em o d u l a t e s m a i n l yi sc o m p l e t e st h e s i g n a li n t h ee l e c t r i c i t yt h em o d u l a t i o na n dt h ed e m o d u l a t i o n , i ta c t u a t e st h e l a s e r i l l u m i n a t i o na f t e rt h em o d u l a t i o ne l e c t r i c a ls i g n a l ( f o re x a m p l ee l e c t r i cc u r r e n t ) ，e n a b l ei t s o u t p u tt h el a s e rc a r r yh o m et oh a v et h ei n f o r m a t i o n , a g a i nc a r r i e so nt h et r a n s m i s s i o nu s i n g t h ef i b e r ；e x t e r n a l l ym o d u l a t e da n de l e c t r o o p t i c a ls i g n a lt h r o u g ht h et y p eo fl i t h i u mn i o b a t e ( l i n b 0 3 ) m o d u l a t i o nt ot h el a s e rs o u r c ec r y s t a l 。c o a lf o ru s ea sa i ro rf i b e rt r a n s m i s s i o n t h r o u g ho p t i c a ls i s a la tt h er e c e i v i n ge n do ft h er a n g e ，p h a s e ，t or e s t o r et h eo r i g i n a ls i g n a l f r e q u e n c yd e m o d u l a t i o n b e c a u s et h ee l e c t r i cf i e l dm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s a r ev e r ym a t u r ea n dt h e r e f o r eh a sb e e nw i d e l yu s e di no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d h o w e v e r , d u et ot h ee l e c t r o n i ct r a n s i t i o nr a t eb o r i e n e c ki n1 0 g b p s o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nw i t l lt h e i n c r e a s eo fv e l o c i t y r e e lt i m em o d u l a t i o nt e c h n o l o g yb yt h el a r g e rc h a l l e n g e s d cf i b e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sr e q u i r eh i g h p e r f o r m a n c el a s e rs o u r c ef o rt h ei m p l e m e n t a t i o no f e x t e r n a l l ym o d u l a t e dl a s e r t h ee x t e r n a l l ym o d u l a t e dl a s e rw i t ht h ea d v a n t a g eo f h i g hs p e e d ， e x t i n c t i o nr a t i o ，a n dt h ee l i m i n a t i o no fl a r g e - p o w e rs e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t hm o d u l a t i o no f t h eo p t i c a lf r e q u e n c yh o p p i n g ”c h i r p ”p h e n o m e n o n t h i sa r t i c l et oo u t s i d ee o ma n dk e e ls h a p ew a v eg u i d em a t h z u n d e ll i n b 0 3c r y s t a l p l a nr e a l i z a t i o no p t i c a lm o d u l a t i o nh a sc a r r i e do nt h et h e o r ya n d t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , a n d h a sc a r r i e do nt h es y s t e md e s i g n t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ee o ma n dt h ee o ms y s t e m r e s e a r c h o nt h e b a s i so f p r e s e n ts i t u a t i o nf o u n d a t i o n , h a sg i v e nt h ee o ms y s t e m t h e o r e t i c a lm o d e l ，a n di n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fw o r k ，h a sa n a l y z e dt h ee o ms y s t e mk e y t e c h n o l o g i e st a r g e lp r o p o s e db a s e do nm z l ne o ms y s t e mo v e r a l lp r o j e e td e s i g n t h e nh a sg i v e ne l e c t r i cl i g h tm o d u l a t o rt h e o r e t i c a lm o d e l ，t h ee x t e n s i v el i t e r a t u r e s e a r c ha n da n a l y s i so fe l e c t r o o p t i cm o d u l a t o ro u t s i d et h es i g n i f i c a n c ee l e c t r o - o p t i c a l m o d u l a t o ra n dt h en e c e s s i t yo fr e s e a r c ha n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ee l e c t r o o p t i c m o d u l a t i o nt e c h n i q u eo f f o r e i g ns t u d yp r o g r a m sa n dt h es t a t u sq u o t h e nt oe o ms y s t e mk e yc o m p o n e n tc a r r i e do nb a s e do nm z - l nh a sa n a l y z e d , h a s a n a l y z e dt h ee o ms y s t e mk e yt e c h n o l o g i e st a r g e t , f i n a l l yp r o p o s e db a s e do nm z l ne o m s y s t e m o v e r a l lp r o j e c td e s i g n , h a sg i v e nt h ee o mt h e o r e t i c a lm o d e l ，i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e i i 华中科技大学硕士学位论文 o fw o r k , p r o p o s e dt h ee o mk e yt e c h n o l o g i e st a r g e t , a n dt oa f f c c t e dv a r i o u sk e yi n d i c a t o r a c c o m i n gt ot h en u m e r i c a lm o d e lt h ef a c t o rt oc a r r yo nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p r o p o s e di n t h i sf o u n d a t i o nt ok e e ls h a p ew a v eg u i d em z l ne o mo p t i m i z a t i o nd e s i g np r o p o s a l f i n a l l yh a sc a r d e do nt h es u b t o t a l f i n a l l yh a sg i v e nb a s e do nk e e ls h a p ew a v eg u i d em z l ne l e c t r i cl i g h tm o d u l a t i o n s y s t e mt e s t i n gp l a n ，h a sg i v e nb a s e do i lk e e ls h a p ew a v eg u i d ei v l z - l ne o ms y s t e mt e s t i n g p l a n , h a sg i v e nt h ee x p e r i m e n t a le f f e c t a n dh a sc a r d e do nt h ed i s c u s s i o na n dt h ea n a l y s i st o t h ek e yi n d i c a t o r f i n a l l yh a sc a r r i e do nt h ea p p r a i s a lt ot h i sp l a n k e yw o r d s ：e o m k e e ls h a p ew a v eg u i d em a c h - z u n d e lh l t e r f b r o m e t e r l i n b 0 3 1 1 i 独创性声明 x1 0 1 6 7 0 1 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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。 学位论文储虢叩蝴 日期：弼年1 月f 年日 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，即：学校有权保 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 人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 ， 不保密田。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：叩卿 1 日期：彬年，月1 4 - 日 磷归 烤协 名 年 签 以 师 i 教 ： 导 期 指 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 激光调制的分类及原理概述 激光具有极好的时间相干性和空间相干性，它与无线电波相似，易于调制，且光 波的频率极高，能传递信息的容量很大，加之激光束发散角小，光能高度集中，既能 传输较远距离，又易于保密，因而它为光信息传递提供了一种理想的光源。 激光调制就是把欲传输的信息加载于激光辐射的过程，我们把完成这一过程的装 置称为激光调制器，由已调制的激光辐射中还原出所加载信息的过程则称为解调。由 于激光起到“携带”信息的作用，所以称其为载波。通常将欲传递的信息称为调制信 号，被调制的激光称为已调波或调制波一 激光调制。1 分为内调制和外调制两类。内调制是指加载的调制信号在激光振荡的过 程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调 制的目的。例如通过直接控制激光泵浦源来调制输出激光的强度。内调制也可在激光 谐振腔内放置调制元件，用信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激光 输出特性实现调制。 外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外， 在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过 它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数 ( 强度、频率、相位等) 。 激光调制的方法由调制器依据的原理不同常分为电光调制( e o m ) 、声光调制、磁 光调制、干涉调制、直接调制等。电光调制是当前人们较重视的一种调制方法，也是 本文介绍的重点。 电光调制器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而制成的 器件。电光调制可分为一级电光调制和二级电光调制。 通常将电场引起晶体的折射率的变化用下式表示： n = n o a e o + b e 0 2 + 式中a 和b 为常数，n 0 为不加电场时晶体的折射率。由一次项a e o 引起折射率变 华中科技大学硕士学位论文 化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔( p o k e l l s ) 效应；由二次 项b e 0 2 引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔( k e r r ) 效应。一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于 任何物质中，一次效应要比二次效应显著。 晶体的一次电光调制嘲又可以分为常用的有两种方式：一种是加在晶体上的电场与 通光方向平行，称纵向电光效应( 也称为纵向运用) ；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( t g 称横向运用) 。通常k i ) * p ( 磷酸二氘钾) 类型的晶体用 它的纵向电光效应，l i n b 0 3 ( 铌酸锂) 类型的晶体用它的横向电光效应。 内调制 1 2 电光调制的意义 磁光调制 干涉调制 直接调制 图1 - 1 激光调制的分类 、f 横向调制 1 纵向调制 随着网络信息的高速增长，通信网对比特( b i t ) 速率的要求也越来越高。激光内 调制受光频率跳变的“啁啾”现象影响，调制速率“电子瓶颈”受限于l o g b p s 范围内。 高性能的光纤通信系统( l o g b p s ) 要求对直流激光源发出的激光施行外调制。激光的 外调制具有的优点是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的 光频率跳变的“啁啾”现象。 利用电光调制技术进行激光通信具有传输速度快、抗干扰能力强、保密性好、结 构简单、成本低廉、易于实现等优点，可用于骨干通信网络，也可用于城市两建筑物 之间以及校园网、小区网或大企业的内部网建设。电光调制系统可利用光纤作为传输 介质进行远距离传输，也可以利用大气作为传输介质进行短距离通信。目前这两种通 信方式都得到了一定的应用。 2 应 ， 效 应 尔 效 克 尔 普 克 ( ( 制 应 调 效 光 光 电 电 次 次 一 二 ，j、l 制 制 凋 调 光 光 电 声 制凋夕 制凋光激 华中科技大学硕士学位论文 1 3 国内外对电光调制系统的研究现状 由前所述，对电光调制系统的研究一般分两步，首先要对核心器件电光调制器进 行研究，再对电光调制系统进行研究。又基于电光调制器的重要性，本节也将就这两 大块分别概述目前国内外的研究情况。首先分析电光调制器的研究概况。 1 3 1电光调制器的研究概况【4 】 电光调制器是高速光通信的关键器件。它可以对激光器发射光波的幅度或相位进 行调制，使输入信号施加到光载波上进行传输，光调制器不仅可改变光波的强度，还 可调制光波的偏振态。光纤通信系统对调制的要求是： ( 1 ) 高调制速率和宽调制带宽； ( 2 ) 低驱动电压； ( 3 ) 高消光比； ( 4 ) 低插入损耗。 对于电光调制器的研究目前已取得很大进展，各国已开发了多种类型的电光调制 器，实现方法归纳起来主要有以下几种： ( 1 ) m - z 干涉仪式电光调制器 m - z 干涉仪式调制器结构如图卜2 所示。输入光波经过一段光路后在一个y 分支处 被分成相等的两束，分别通过两光波导传输，光波导是由电光材料制成的，其折射率 随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第2 个y 分支处产生相位差。若两 束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的1 2 ， 两束光相干抵消，调制器输出很小。因此通过控制电压就能对光信号进行调制。 二二二二 二二二二 图1 - 2l l - z 干涉仪电光调制器 对于各种类型的高速调制器，主要应考虑高频信号的频率限制问题，为此可将高 频调制信号以行波形式输入，以确保电光调制器中光波和调制电场具有相同的速度。 华中科技大学硕士学位论文 目前高速长距离系统中，所用调制器大多数是以m z 干涉仪为基础的行波电极电光调 制器。这种调制器具有如下优点： 1 ) 采用行波电极，可获得很高的工作速度； 2 ) 以l i n b 0 3 材料为衬底制作的m z 调制器与d f b 激光器组合，使调制信号的频 率啁啾非常小； 3 ) 性能的波长依赖性很小。 ( 2 ) 带状波导定向耦合式电光调制器旧 如图1 - 3 所示，带状波导定向耦合式调制器是由平行且距离很小的两个光波导组成， 其中一个波导的光能耦合到另一个波导内，电极电场的作用是改变波导的传播特性和促 进两波导间的横向光耦合。在光的一个耦合周期内，当电极上无电压时，一个波导内传 输的光将完全耦合到另一个波导输出；当电极上有电压时，进入一个波导内的光，耦合 后将完全再返回到原波导中传播和输出。因此光信号就受到了控制电压的调制。 图1 - 3 定向耦合式电光调制器 ( 3 ) f - p 型电光调制器 f p 型调制器结构如图1 - 4 所示。它是利用两端面的反射来形成f p 腔，光波在f p 腔中的相位延迟随波导电极上所加电压引起的折射率的变化而变化，输出光强也作相 毫 玻罨 图卜4 光波导卜p 电光调制器 4 圈 华中科技大学硕士学位论文 应的变化，从而实现对入射光信号的调制。 与其他结构形式的调制器( m z 干涉仪式调制器、定向耦合式调制器等) 相比，f p 型调制器具有调制灵敏度高的特点，因此在光传感，光通信等方面有重要用途。 ( 4 ) 双输出电光强度调制器0 1 双输出电光强度调制器的结构如图1 5 所示，这种调制器一般采用m - z 型结构， 其调制原理与m z 干涉仪电光调制器相似。只是将m - z 干涉仪的第2 个y 形分支换 成一个3d b 耦合器，从而使该调制器具有两个光输出口。由于每个输出口具有5 0 的 光输出，可以使用一个输出对信号进行监测，从而进一步改善载噪比。这种调制器在 模拟光纤( c a t v ) 和纤维光学传感器中得到了广泛的应用。 r f 电极偏置电极 输 茶富 r - 弓s 饵够出耦合器 i 霎| f 至l 是 图卜5 光波导f - p 电光调制器 ( 5 ) 截止式电光调制器【9 j 截止式电光调制器的结构如图1 - 6 所示。这种调制器当不加电压时，波导恰好处 于最低阶模的截止点，而当加上调制电压时，调制电场通过电光效应使波导折射率增 加，导致最低阶模高于截止点而使光导通，从而实现对光波的调制。 、 堂塑- 4 ， ，l 高制j m 低g a a s玎， t i + 一l 叫 图l - 6 截止式电光调制器 由于这种调制器工作在截止点附近，调制电压和折射率的微小变化，均会导致传 厂 华中科技大学硕士学位论文 输特性的退化，而且平面波导结构的截止式调制器极间电容较大，调制带宽受到限制， 调制效应相对较低。 ( 6 ) 薄膜电光调制器【1 0 l 随着薄膜技术的发展，特别是可选薄膜材料的增多，薄膜调制器技术倍受关注。 e o 有机聚合物高速调制器的研究始于1 9 9 0 年，由于有机聚合物材料相对于无机材料 具有许多优点，因此发展十分迅速，有望制成超高速调制器。目前有机聚合物电光调 制器正成为国内外研究的热点。有机聚合物电光材料自身具有很多的优点： 1 ) 可在各种衬底上成膜，并与半导体器件工艺兼容，这为单片光电子集成提供了 很大的方便； 2 ) 聚合物材料具有等于或大于l i n b 0 3 的电子折射系数，这对制作调制器十分有 利： 3 ) 由于非线性光学聚合物的低的和无弥散的相对介电常数，可以提供宽带行波结 构的光波与微波之间的天然速度匹配，响应频率高。 ( 7 ) 行波反射m z l n 电光调制裂1 1 1 行波反射m z l n 电光调制器是一种具有极低驱动电压和高速行波电极的调制器， 是在输出分支前使用光学反射涂层终止干涉仪。c p w 电极上的r f 波同时还受到开路 的反射，导致在接近具有相同相位的点上反射光波和r f 波，通过器件能使两个方向中 速度匹配的光电相互作用。可实现加倍的衬底长度和总相互作用长度，并提供单终止 的器件。 美国海军实验室研制出一种宽带反射行波m z l n 电光调制器，该器件类似于集中 元件反射调制器，采用z 切l n 晶片，波长为1 3 a n ，采用n 扩散波导、o 9 a n 厚的 s i 0 2 缓冲区，电镀1 6 a n 厚的c p w 金电极，电极长度为5 3 c m ，获得1 0 6 c m 的总相互 作用长度。该器件安装在带有w i l t r o nk 连接器的微波基座上，通过用环氧树脂与干涉 仪末端介电涂敷的反射镜提供光反射。 ( 8 ) 反相电极m z - l n 行波电光调制器“” 香港大学研制出一种1 5 5 , u m 波长的m z l n 行波电光调制器，该器件采用5 段反 相电极的最佳化设计和z 切共平面波导( c p w ) 结构。图1 7 为具有5 段反相电极m z l n 6 华中科技大学硕士学位论文 电光测制器的构形。该调制器的信道波导采用面内扩散制作在z 切l n 衬底上，面 条宽9 a n ，度7 8 n m 。在衬底上淀积2 0 0 n m 厚的s i 0 2 缓冲层，以便隔开波导与电极。 为增加特征阻抗和减少两波导之间的光耦合，电极宽度1 3 f a n ，每段电极长度为5 m m ， 电极间隙为2 3 , t u n 。该器件与单段电极相比，在特性阻抗、半波电压及驱动功率之间 获得最好的折衷，既增大了带宽，又减小了驱动电压。3 d b 带宽达1 5 g h z ，比单段电 极的3 6 g h z 高4 倍以上。 图1 - 7 具有5 段反相电极m z l n 电光调制器构形 法国i m f c 还研制出一种铁电时域反转调节啁啾的单驱z 切l n 电光调制器。该 器件为两个分支具有相同波导宽度的m z 干涉仪构成。衬底采用z 切l n 晶体，将波 导分为两部分，一部分长度为l 2 的波导分支形成铁电时域反转，另一部分长度为l 1 的波导分支定向不变。由于将反相电极部分与反转的铁电时域部分进行了串联，通过 c p w 下电极的时域反转，可控制和调节z 切l n 调制器的啁啾参数，并改进了频率啁 啾特性。所产生的啁啾与反转时域的长度有关，通过调节非反转电极长度l 1 与反转电 极长度l 2 铁电部分之间的l 儿2 比值，可设置啁啾参数值，啁啾参数调节范围为0 8 0 8 。 图1 8 为具有反转铁电时域的z 切m z l n 调制器构形。该调制器的口啁啾参数还 不到传统z 切器件的1 1 0 ，可使啁啾参数设置为零或其它确定值。该调制器可在1 0 g h z 以上工作，并可实现零啁啾z 切m z l n 调制器。在6 g h z 时的啁啾参数为0 0 6 ，半波 电压为6 6 v ，削光比为1 4 d b 。该调制器的研制成功，开拓了研制可预定啁啾参数的单 驱l n 调制器的新技术。 华中科技大学硕士学位论文 波廿 图卜8 具有反转铁电时域的z 切l i z l n 电光调制器构形 ( 9 ) 浮置电极复合结构宽带l n 电光调制器【1 3 1 以色列通用微波公司开发了一种宽带低驱动功率的1 5 5t u n 高速l n 调制器制。该 器件结构为m z 干涉仪型，以5 0 q 特性阻抗为特征参数设计复合结构，在l n 衬底和 c p w 结构的r f 传输线电极之间插入一层较厚( 9 5 a n ) 的低介电常数( = 2 7 ) c y c l o t e n e ( b c b ) 层，获得了所希望的复合介质性能，并使光波和r f 波的传输速度接近 匹配。填允浮置电极以及较厚的低介电常数缓冲层可使光波导中的电场强度增加一倍， 浮置电极还可使调制灵敏度最佳化，因此减小了所需的i 江输入，使1 5 5 j 册光波长所 需的r f ( 在2 g h z ) 输入从7 0 m w 减少到4 4 m w ，并使灵敏度改善约6 d b 。这种1 5 5 删 高速l n 电光调制器获得的3 d b 带宽为4 0 g h z 。 ( 1 0 ) 具有两个底槽的低驱x 切l n 电光调制器“” 日本n g k 半导体公司开发了具有两个底槽的低驱动电压x 切l n 电光调制器。即在 l n 衬底背向制作两个底槽。先采用t i 扩散方法，在x 切l n 衬底制作光波导，并在衬 底上直接电镀c p w 电极，其中槽宽为4 0 a n 、中心电极宽度为3 0 , u r n 、相互作用长度 为4 c m 。图卜9 为具有两个底槽的低驱动电压x 切l n 电光调制器构形。 该高速、低驱动电压x 切l n 电光调制器结构可满足速率匹配条件，两个槽光波导 周围的衬底厚度比光点尺寸大得多，可避免光场变形。该调制器己获得2 5 g h z 调制带 宽，3 d b 带宽为2 0 g h z ，驱动电压为2 8 v ( 在1 k h z 下) 。这种调制器可用于4 0 g b s 或更 高速率的光传输系统。 8 华中科技大学硕士学位论文 r 波也擞c p w ， 段0 n 虬糊l | i l l h ，辩制瓣磺娃蛆s 眦贼挣 图l 增其有蘸令底媾豹低驱x 落麟壤懋潺制嚣秘形 ( 1 1 ) 谶擐壅臻电毙诵涮器8 8 采用谐振溅电极结构可实现短电极及可调谐的低驱、高速电光调制器，在模拟光 传埝系统孛将起裂重要撵嬲。曩翦已嚣发感双尾结构谶缀型蛸魄您调露嚣、光波反鸯雪 巍双尾绉稳谐振鍪臻甑怒溪镪器及港掇瓒强鍪毫极簿速球电毙獭麓器。 1 ) 双尾结构谐振型渊电巍调制器 日本n k k 研制了一种舆露对称尾部和调制电极的谐振型l n 电光调制器。这种由两 个短尾对称绪擒组成的溅泡毙谲毒l 嚣瓣决了场强形失驻闯题。运释谐振型臻魄光谣 制器的电极由调制电极稠两个短尾构成，调制电极为对称共平面波鼯( a c p w ) ，肖两个 长度穗同的鐾，在潺制电援瓣孛心连接罗一个吴鸯c p w 熬馈线，势纛调裁龟板耨馈线 豹接合怒又连接了嚣今美鸯裰藏长度懿c p w 短建，甏称凳短趸络褥。逶蓬调髑魄极翡 谐振提高了调制效率，猩i o g h z 时的增长因子为3 4 1 。由于该对称结构有两个调制电 极甓，可获褥低的半波呶聪，在1 0 5 5 g h z 时，其半波电压为1 3 。7 v 。 2 ) 必波爱麓j j l 蕾双惩续秘滏叛型醚潺割器 n k k 公司在研制具有对称尾部和调制电极的谐振l n 电光调制器的基础上，又迸一 步研s o t 具脊光波反射和双尾结构的谐振型l n 电光调制器，如图卜l o 所示。该调制 嚣是由一个￥分支秘一辩淹菠射捣戒豹发射鍪激干涉仅。由予没蠢慕震复杂煞三维波 导结构，这种简单的平面绪构易于制作。具有双尾结构或对称谐搽结构的调制器可对 藩良波导和麓惠波导嚣遴褥调涮，克暇了一般行波调露器仅对嚣国终播静光波怒撂餍， 嚣由予窀壤搂糕艨导致瓣发射孑波毫投枣嚣寇慧售考魄蔻定售鼍奎孝罨多豹缺点。对抟 谐振l n 调制器在调制电极中产生了标凇波，因此，辩采用反射光波缩构可使调制效率 增加一倍。在7 g h z 时其半波电压为2 9 v 。通过谐振传输线增加调制电极的电压，甚至 9 华中科技大学硕士学位论文 采用短电极也可增加光调制效率。这种采用谐振结构的电光调制器将是光通信系统必 不可少的器件。 图卜l o 具有光波反射和双尾结构谐振型l n 调制器构形( 俯视图) 3 ) 谐振增强型电极高速l n 电光调制器 美国海军实验室还开发了一种谐振增强型电极高速l n 电光调制器，在保持可谐振 的功耗和获得最好的电压一长度乘积的同时，还深入研究了短有源电极长度。通过采用 计算机模拟软，研究了不同类型的l n 谐振电极构形，以减小有源电极长度、提高调制 效率。同时采用了渡越时间快的t i 扩散l n 波导、中等的开关、及满足当今光通信系 统性能和可靠性的制作技术，以获得大电光系数。为使耦合进谐振电极结构的电功率 最佳化，还验证了几种供电电路，其中采用末端开口的电c p w 结构获得了t i 扩散m z l n ； 采川阻抗匹配的诱导c p w 尾部获得了最好的电功率耦合。这种谐振型电光调制器在 1 5 5 埘l 波长区具有3 0 g h z 带宽，并获得低电压一长度乘积( 2 5 v 咖) ，在全封装的0 7 m m 短相位调制器中，光纤到光纤损耗低至2 3 d b 。 ( 1 2 ) 电光光栅l n 强度调制器“7 1 意大利p o l i t e c n i c o 大学研制出一种具有速度匹配的新型电光光栅( e o g ) l n 强度 调制器，即由具有周期小鳍的共平面微条形( c p s ) 电极和空气桥构成了l n 电光调制器， 通过e o g 产生电场诱导折射率变化。图1 - 1 1 为该e o gl n 强度调制器构形，其波长为 1 3 删，鳍线长l 朋、宽0 3 脚、周期1 2 1 o n 。存y 切l n 衬底上淀积s i 0 2 缓冲 层，c p s 电极位于s i 0 2 缓冲层之上。刷期性鳍线与主电极进行电连接，适当选择加权 函数可改变鳍线长度，而光栅效率则随所施加电压和光栅长度增加而增长。 由于采用一对具有小周期鳍线的行波电极，由小鳍线所产生的附加电容可减慢微 波传播速度，并增加了微波有效折射率。所以采用空气桥结构，以使有效折射率下降， l o 华中科技大学硕士学位论文 并采用缓冲层来加快微波传播速度。该e o gl n 强度调制器光谱相相当窄( 约0 1 册) ， 所以波长选择性很好，并有高速性能，驱动电压为5 v ，很适用于w d m 光通信系统。 产寸伊w - i 剖 图卜1 1 电光光栅l n 强度调制器构形 ( 1 3 ) 具有克尔效应的电光调制器 具有克尔效应的电光调制器，在带有平行玻璃窗的小盒内，装有硝基苯的液体，封 着一对平行板电极。实际上这种电光调制器利用了晶体的二次电光效应。对于具有克 尔效应的介质，理论分析指出，0 、e 光通过厚度为1 的介质后，所产生的相位差为： 由= 2 k l ( u d ) 2 上式中，k 称为克尔系数，与介质种类有关；u 为加到克尔盒两电极板上的电压； d 为两电极板间的距离。可见，克尔盒中由与u 的平方成线性关系。 克尔效应的时间响应特别快，可跟得上i o g h z 的电压变化，因此可用它来作高速 的电光开关，用于高速摄影、光束测距、激光通讯、激光电视等方面。如果加到克尔 盒上的电压是由其它物理量转换来的调制信号，克尔盒的光输出就要随着信号电压而 变化，这时克尔盒就是电光调制器。克尔盒中所用的介质，多数都是液体，但也有少 数固体，如铌酸钽钾和钛酸钡晶体等。半波电压一般为数千伏。 对比上述电光调制器实现方案，m - z 干涉仪式调制器调制带宽受到光波速度和电 微波或毫米波速度之差、电极特征阻抗和电极传播损耗的限制，所以这种方案有一定 的局限性。用定向耦合式调制器方案相对于m z 调制器较为复杂，因此分析和制作较 困难，并且定向耦合式调制器的消光性的好坏，完全受耦合长度制作公差的制约，同 时还受两波导间的串扰限制。如果采用与m - z 干涉仪式调制器完全相同的电极设计结 构，则定向耦合式调制器的电压要高于m - z 干涉仪式调制器才能获得相同的输入输出 特性。因此定向耦合式调制器的应用远还不如m - z 调制器那样广泛。用纯的有机聚合 华中科技大学硕士学位论文 物调制器，也有不尽人意的地方，特别是在同一衬底上集成有源和无源器件时，无源 器件常常受到光信号传播损耗的限制。因此要想制作低传播损耗的有机聚合物高速调 制器，调制器的结构设计和聚合物材料的选择将十分重要。k d p 类晶体是水溶性晶体， 易潮解，所以，使用受到一定限制。具有克尔效应的电光晶体由于其二次电光效应要 明显地小于一次电光效应，且半波电压比普克尔效应中的半波电压要高5 1 0 倍，因此 一般不用于商用。上述其它类型的调制器又常常受到光波与微波的相速度匹配、电极 损耗、结构散射与物理散射等的影响，应用比较局限。相比之下，脊形波导m e , l n 电 光调制器是一种低驱动电压、行波电极z 切调制器，可获得光波和调制电场的速率匹 配，且只有l i n b 0 3 外调制器才可以充分满足4 0 g b s 长途和超长途传送系统的要求， 但以往对于这种电光调制器的研究还限于低速调制和较高调制电压的情况。 1 3 2电光调制系统的研究概况 电光调制系统是光通信系统的核心环节，它要求输出的调制信号具有高速、低损 耗、高削光比、低啁啾、制造工艺难度小和稳定等特点。 目前已提出并实现了多种电光调制系统技术设计方案“”，主要有m z 干涉仪、l n 电光晶体、k d p 晶体、克尔盒等方案，其中基于l n 电光晶体的调制系统方案很多，可 利用谐振型l n 、光栅l n 、x 切l n 、浮置电极复合结构宽带l n 等实现电光调制。 ( 1 ) 基于k d p 晶体的电光调制系统“” 在外加电场的作用下，k d p 晶体相当于一个波片，当线偏光通过时，可以利用输入 电压改变其偏振状态，即。光于e 光之间的相位差随着外加电压的大小而变。系统结 构如图卜1 2 所示。 图1 - 1 2 基于k d p 晶体的纵向调制系统示意图 华中科技大学硕士学位论文 将4 5 0 z 切割的k d p 晶体放在两个正交的偏振器p l 和p 2 之间，p 1 的偏振轴与x 轴成4 5 度角，由左方进入的光，通过p 1 后成为线偏振光，再经过k d p 晶体组后成为 椭圆偏振光，调节波片改变。光和e 光的光程差，最后。光和e 光在检偏器上沿检偏 器的偏振方向合成，这样入射光就被调制了。 ( 2 ) 采用m z 电光调制器的电光调制系统嘲 由于m z 电光调制器t e 和t m 模的半波电压几乎相等，即在不同的偏振模式下，电 光效应没有显著的差别，因此，该系统中没有对入射光的偏振进行控制，这也是该系 统与其他电光调制系统的显著区别之一。 在m z 电光调制器的一个臂上蒸镀的t i 和n i 作为极化正电极，硅片背面相应位置； 涂抹导电胶作为地电极，并与高压电源的正电极和地电极相连。通过单模光纤把波长 为1 5 5 0 n m 的光波耦合进入m z 电光调制器的一端，用光功率计在另外一端测量输出光 强。 ( 3 ) 采用克尔盒的电光调制系统乜1 1 系统的结构如图卜1 3 所示。 图1 - 1 3 采用克尔盒的电光调制系统 图中k 是盛有硝基苯液体的克尔盒，被放置在两个偏振方向正交的偏振片之间，k 的两端为透明窗口以便光线通过，盒中在与光的传播方向相垂直的方向上装有两块平 行金属板作为电极。单色平行自然光通过起偏器m 后变为线偏振光，电源未接通时， 各向同性的液体样品无双折射现象，所以没有光从偏振片n 射出。当电源接通后，克 尔盒中处于电极之间的液体受电场作用而变为各向异性的，使进入其中的线偏振光发 生双折射分解为。光和e 光。使用时一般让电场方向与两个偏振片的透振方向成4 5 角。 将克尔盒的电极与调制信号电压相接，则通过检偏器n 的光强将随信号电压的变化而 改变。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 采用l n 晶体的电光调制系统嘲 鼍 日i | 1 电光晶体 起偏器( 脚轴) 输出光束 检偏器( 轴) 图卜1 4 基于l n 晶体的电光调制系统 l n 晶体的电光调制系统与k d p 等晶体的调制系统几乎是一样的，唯一的区别是， 几乎所有采用l n 晶体的电光调制系统都采用横向调制的办法，因为如果l n 晶体采用 横向调制，就可以通过控制1 和d 的值来改变其半波电压，并且采用z 轴通光，x 轴或 y 轴加电场的方式就可以消除晶体的自然双折射的影响。 1 4 课题研究的内容 电光调制是光通信系统中的核心技术之一，也是未来全光网中的关键技术之一。 随着光纤通信技术的迅猛发展，对电光调制器这一重要器件提出了更高的要求。而现有 众多的电光调制器及系统，如m _ z 干涉仪式电光调制器、带状波导定向耦合式电光调 制器、行波反射m z l n 电光调制器、浮置电极复合结构宽带l n 电光调制器、脊形波 导m z l n 电光调制器及相应的调制系统等，都常常受到光波与微波的相速度匹配、电 极损耗、结构散射与物理散射等的影响，不具备高性能，低成本，高可靠性，体积小和 易于大规模生产等特点，因此牵引着人们不懈地探索和研究。 本文提出了一种该进型的m 7 _ , - l n 电光调制系统的设计，就m z l n 电光调制器和 系统中的高压电路、信号源模块进行了理论研究，提出了改进方案，并通过实验进行 了分析，具体内容如下： ( 1 ) 在广泛查阅文献的基础上，分析了电光外调制的意义，以及研究电光调制系统 的必要性，并比较分析了电光外调制技术的实现方案和研究现状。 ( 2 ) 分析了l i n b 0 3 晶体的特性和工作原理，对实际的调制效果进行了深入分析， 并与理论做了比较，给出了影响调制效果的各个因素，并进行了深入分析，提出了改 进措施。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 给出了基于l i n b 0 3 晶体的电光调制系统改进后的实验模型，运用示波器和频 谱仪观测了不同调制电压下激光通过l i n b 0 3 晶体后在时域和频域上的变化，给出了 实验数据和波形，并进行了精度分析。 ( 4 ) 对改进后的电光调制系统进行了数字、模拟信号的调制，再将调制后的光信号 通过s i 光电探测器及接收电路进行了解调，实现了数字、模拟信号基于l i n b 0 3 晶体 的光传输，取得了非常好的效果。 华中科技大学硕士学位论文