（光学工程专业论文）集成光波导宽带LiNbOlt3gt电光调制器研究.pdf

中文摘要 随着多媒体技术、计算机网络和无线业务的发展，使得高速电光调制器的需 求大大增加。在高速光调制中，直接调制引起的啁啾噪声难以克服，光外调制器 在大容量光纤传输系统中，扮演着越来越重要的角色，成为当前的研究热点。目 前，实用化的光外调制器主要有：m a c h - z t m d e r ( m z ) 波导型l i n b 0 3 调制器和电 吸收型半导体调制器。采用行波电极的m z 型外调制器调制速率高，波长的啁 啾噪声理论上为零，几乎不受光纤色散的限制，已成为高速长距离光纤传输系统 必不可少的器件。 本文首先详细的阐述了电光调制器的基本原理和类型，就研究调制器的方法 作了介绍，特别是对本文采用的研究方法一施瓦兹保角变换的基本原理作了具体 的分析。然后，用一般的椭圆积分计算了普通共面波导型调制器的有效折射率、 特征阻抗和导体损耗系数。通过计算发现，采用厚电极和厚缓冲层结构，在实现 速度匹配的情况下，可以大大减小导体损耗，但是由于阻抗不能同时满足匹配， 调制带宽受到限制。 由于实际的电极横截面形状是梯形而非理想的矩形结构，研究梯形电极中间 电极角度和地电极角度对调制器特征参量影响是十分有必要的。通过计算发现， 随着中间电极角度和地电极角度增加，有效折射率、特征阻抗同时减小，导体损 耗系数也随之减小。但最终特征阻抗与信号源阻抗5 0 q 相差较大，因此，要实 现宽带调制，还需调整中间电极和地电极的高度。 脊型结构光调制器是近年来研究的热点，由于脊型结构初始平面多边形比较 复杂，保角变换过程中的超椭圆积分计算比较繁琐，但又无法用一般的椭圆积分 进行计算。一般文献中计算脊型结构特征参量，采用的都是准静态有限元法，而 本文采用保角变换工具箱进行计算，并且首次采用保角变换和有限元法相结合的 方法，对脊型结构特征参量进行计算。通过分析脊深和其它尺寸参数对调制器特 征参量的影响，可以看出随着脊深的增加，有效折射率减小，特征阻抗增加，导 体损耗减小。对脊型调制器尺寸参数进行优化，在达到速度和阻抗匹配的同时， 导体损耗也大大的减小，可以实现超宽带调制。最后，用有限元法分析了普通共 面波导和脊型结构调制器中间电极周围的电场分布和电位分布，同时对两者进行 比较分析，说明了脊型结构半波电压小于普通共面波导结构的原因，并且给出可 以实现宽带调制的脊型结构参数。 关键词：保角变换，有限元法，集成光学，电光调制，脊型结构 r e s e a r c ho nb r o a d b a n dl i n b 0 3 e l e e t r o o p t i c a lm o d u l a t o r s w i t hi n t e g r a t e do p t i c a l w a v e g u i d e s a b s t r a c t w i t ht h er e c e n td e v e l o p m e n t si nm u l t i m e d i as e r v i c e s ，c o m p u t e rn e t w o r k sa n d w i r e l e s sa c c e s s ，t h en e e df o re x t e m a lm o d u l a t i o ni no p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s h a sb e e nf i r m l ye s t a b l i s h e d i nh i g h s p e e dd i r e c to p t i c a lm o d u l a t i o no fl a s e rd i o d e s ， t h e 丘e q u e n c yc h k po f t h em o d u l a t e ds i g n a lc a n n o tb ee l i m i n a t e d t h e nt h eo p t i c a l e x t e r n a lm o d u l a t o r sp l a ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n l a r g ec a p a c i t yo p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，a n dh a v eb e c o m eas u b j e c to fi n t e n s e 咖d ya tp r e s e n t ，t h e p r a c t i c a lm o d u l a t o r si n c l u d em - zw a v e g u i d el i n b 0 3m o d u l a t o ra n de l e c t r o a b s o r b t y p es e m i c o n d u c t o rm o d u l a t o r e s p e c i a l l y , l i n b 0 3o p t i c a lm o d u l a t o r s ，u s i n gm z w a v e g u i d e sa n dt r a v e l i n g - w a v ee l e c t r o d e s ，a r ee s s e n t i a l f o rh i g h s p e e da n dl o n g h a u l o p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ss i n c et h ew a v e l e n g t hc h i r pi sv e r ys m a l la n d t h e e f f e c to f t h ef i b e rd i s p e r s i o ni sm i n i m i z e d f i r s t l y , w e d e s c r i b et h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n dt y p e so ft h e e l e c t r o o p t i c a l m o d u l a t o r si nd e t a i l ，a n dm a k ea ni n t r o d u c t i o nt ot h em e a n su s e dt o a n a l y z et h e m o d u l a t o r s ，e s p e c i a l l y , t o t h e s c h w a r t z - c h r i s t o f f e l ( s c ) c o n f o r m a lm a p p i n g ( c m ) t e c h n i q u e t h e naq u a s i s t a t i ca n a l y s i su s i n gt h ec o n v e n t i o n a lc o n f o r m a lm a p p i n g a p p r o a c h e sb a s e do ne l l i p t i ci n t e g r a l sh a sb e e n u s e di ne v a l u a t i o no ft h em i c r o w a v e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n v e n t i o n a lc o p l a n a rw a v e g n i d em o d u l a t o r , t h ee f f e c t i v ei n d e x ， t h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ea n dt h ec o n d u c t o rl o s s i th a sb e e ns h o w nb yo u r c a l c u l a t i o n st h a tc o n d u c t o rl o s si s g r e a t l yr e d u c e du n d e rv e l o c i t ym a t c h i n gw i t h r e l a t i v e l y m i c k c o p l a n a rw a v e g u i d e e l e c t r o d e sa n dm i c kb u f f e r l a y e r , b u tt h e c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ec a l ln o tm a t c hw i t ht h a to ft h ee x t e r n a lc i r c u i ta tt h es a m e t i m e ，a n d t h em o d u l a t i o nb a n d w i d t hi sc o n f i n e di nt h i sc a s e t h ec r o s ss e c t i o no fm o d u l a t o re l e c t r o d e sw es t u d yi s t r a p e z o i d a l b u tn o t r e c t a n g u l a ri nc o m m o n , s oi t i s n e c e s s a r y t om a k ea na n a l y s i so ft h ee f f e c t so f t r a p e z o i d a le l e c t r o d e so n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o p l a n a rw a v e g u i d e t h ec a l c u l a t i o n r e s u l t sh a v es h o w nt h a tw h e nt h ea n g l e so ft h ec e n t e re l e c t r o d ea n dt h eg r o u n d s d e c r e a s e ，t h ee f f e c t i v ei n d e x ，t h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ，a n dt h ec o n d u c t o r l o s sa l l d e c r e a s e b u t ，t h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c ei sm u c hs m a l l e rt h a nt h es i g n a lr e s o u r c e i i i m p e d a n c e5 0q ，w ej u s tc a n r e a l i z eb r o a d b a n dm o d u l a t i o nb ya d j u s t i n gt h eh e i g h to f t h ec e n t e re l e c t r o d ea n dt h eg r o u n d s t h em o d u l a t o rw i t har i d g es t r u c t u r ei sa h o t s p o to f m o d u l a t o ri n v e s t i g a t i o nn o w t oe v a l u a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f r i d g e d s t r u c t u r em o d u l a t o r ，t h e h y p e r e l l i p t i c i n t e g r a l sa r ec u m b e r s o m ed u et ot h ec o m p l e xp o l y g o ni nt h ep h y s i c a ld o m a i no fa r i d g e ds t r u c t u r e ，a n dt h e c o n v e n t i o n a lc o n f o r m a l m a p p i n ga p p r o a c h e s b a s e do n e l l i p t i ci n t e g r a l s c a r ln o tb eu s e di nt h ec a l c u l a t i o n i ns o m ep a p e r s ，aq u a s i s t a t i c a n a l y s i sb ym e a n so ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) h a sb e e nu s e df o rm t m e r i c a l s i m u l a t i o n so n r i d g e ds t r u c t u r em o d u l a t o ri ng e n e r a l ，b u ti nt h i sp a p e rw e u s et h es c t o o l b o xt op e r f o r mt h e s ec o m p u t a t i o n s a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o m b i n e dw i t l l c o n f o r m a lm a p p i n g ( f e m c m ) h a sb e e nu s e di no u rw o r ka tt h ef i r s tt i m et oe v a l u a t e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e r i d g e d m o d u l a t o r a f t e r m a k i n g a n a n a l y s i s o ft h e d e p e n d e n c eo f t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er i d g e ds t r u c t u r eo nt h e r i d g eh e i g h ta n do t h e r p a r a m e t e r s ，w ec a no b t a i nt h a ta st h er i d g eh e i g h ti n c r e a s e s ，t h ee f f e c t i v ei n d e xa n d t h ec o n d u c t o rl o s sd e c r e a s e ，b u tt h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e i n c r e a s e s b yo p t i m i z i n g t h em o d u l a t o rd i m e n s i o np a r a m e t e r s ，i m p e d a n c em a t c h i n ga n ds m a l lc o n d u c t o rl o s s c a nb er e a l i z e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fv e l o c i t ym a t c h i n g ，t h e r e f o r et h eo p t i m u m d e s i g nd e v i c ew i t ht h er i d g es t r u c t u r ei ss u i t a b l ef o ru l t r ab r o a d b a n dm o d u l a t i o n a t l a s t ，w eu s eaq u a s i - s t a t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( q sf e m ) t oa n a l y z et h ee l e c t r i cf i e l d a n dp o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n so ft h er i d g e ds t r u c t u r ea n dt h o s eo fc o n v e n t i o n a lc o p l a n a r w a v e g u i d em o d u l a t o r s ，a n dac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e s et w oc a s e si sm a d et os h o w t h a th a l f - w a v ev o l t a g eo ft h er i d g es t r u c t u r ei sl o w e rt h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a l c o p l a n a rw a v e g n i d e s a s a r e s u l t ，w e h a v eo b t a i n e dt h e o p t i m u md i m e n s i o n p a r a m e t e r s o ft h e r i d g e ds t r u c t u r e ，w h i c h c a nb er e a l i z e df o ru l t r ab r o a d b a n d m o d u l a t i o n k e y w o r d s ：c o n f o r m a lm a p p i n g ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，i n t e g r a t e do p t i c s ， e l e c t r o o p t i c a lm o d u l a t i o n ，r i d g e ds t r u c t u r e n 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：垒垒塑日期：切年r 月和e l 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密后应遵守此规定) 日期：沙，多年r 月) d e t m z s c c m f e m f e m c m q s f e m 简缩宇表 m a c h z e h n d e r 马赫曾德尔 s c h w a r t z c h r i s t o f f e l 施瓦兹克利斯多菲变换 c o n f o r m a lm a p p i n g保角变换 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 有限元法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d c o n f o r m a lm a p p i n g 保角变换有限元法 q u a s i - s t a t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d准静态有限元法 v i 1 1 电光调制器的发展 第一章绪论 光纤通信是以光波为载波，光纤为传输媒介的一种新兴通信技术。它具有容 量大、损耗低、抗电磁干扰、可靠性高、重量轻、体积小、抗核辐射、避免短路 和接地回路等一系列的优点。从二十世纪7 0 年代初开始发展到现在，已经得到 广泛应用并渗透到其他领域，并且仍以惊人的速度向更高级阶段发展。光调制器 是光纤通信中的一个重要器件，特别是近年来高速光纤传输系统的迅猛发展，人 们对带宽的要求也越来越高，迫切要求高速光波导调制器与之相适应。 光波调制就是将电信号加在激光载波上使之变成光信号的过型l 】一。光波调 制按其调制方式分为内调制和外调制。内调制只使用于注入式半导体激光器，它 是用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光特性随信号而变；外调制使 用调制信号作用于激光腔外面的调制器，产生某种物理效应( 如电光、声光、磁 光和热光等) ，使通过调制器的激光束某一个参量随信号而变。因此外调制器不 仅是光通信中的重要器件，也是光信息处理系统中必不可少的器件。 内调制器具有驱动功率小、与光纤耦合效率高等优点而得到广泛的应用。但 内调制在实际应用中，激光器工作不稳定，通常会随温度的变化出现不同的模式， 即所谓的频率啁啾现象。同时内调制器一般只适用于半导体激光器，使用范围受 到一定的限制。并且内调制方式的调制带宽较窄，调制频率受到激光器中半导体 材料的载流子速度的限制，因而影响了调制带宽。目前国内达到几个g h z 都比 较困难，国外可达到1 5 2 0 g h z 。所以更高频率或者更大带宽的通信中，只有考 虑利用外调制方法，外调制方法可获得更大的带宽。 外调制器有电光、声光、磁光等多种形式。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。外调制器不需要高频率响应的激光器，只要求有稳定的激光源，另外还适 用于在多种波长下的固体和气体激光器。在大功率的光纤通信系统中( 如光孤子 通信) ，半导体激光器由于功率太小( 一般在微瓦级) 已经不能使用，这时外调 制也就更能显示出它的重要性。并且由于调制单元与激光器在电磁上的分离而使 激光器可以稳定工作，也允许调制方案和结构更灵活多变来提高调制带宽和调制 效率。 理论上，用任何具有高速电光效应响应、能透过所使用激光的材料都能制作 亩：古由业；国# 1 1 强耸ic 舯靴4 等旱呈生6 h 挂构士十尘“童带隹击f 宣宣 台粤岔同一针庙! 卜隹“：篮 电子科技大学硕士论文 1 1 电光调制器的发展 第一章绪论 光纤通信是以光波为载波，光纤为传输媒介的一种新兴通信技术。它具有容 量大、损耗低、抗电磁干扰、可靠性高、重量轻、体积小、抗核辐射、避免短路 和接地回路等一系列的优点。从二十世纪7 0 年代初开始发展到现在，已经得到 广泛应用并渗透到其他领域，并且仍以惊人的速度向更高级阶段发展。光调制器 是光纤通信中的一个重要器件，特别是近年来高速光纤传输系统的迅猛发展，人 们对带宽的要求也越来越高，迫切要求高速光波导调制器与之相适应。 光波调制就是将电信号加在激光载波上使之变成光信号的过程 2 1 。光波调 制按其调制方式分为内调制和外调制。内调制只使用于注入式半导体激光器，它 是用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光特性随信号而变；外调制使 用调制信号作用于激光腔外面的调制器，产生某种物理效应( 如电光、声光、磁 光和热光等) ，使通过调制器的激光束某一个参量随信号而变。因此外调制器不 仅是光通信中的重要器件，也是光信息处理系统中必不可少的器件。 内调制器具有驱动功率小、与光纤耦合效率高等优点而得到广泛的应用。但 内调制在实际应用中，激光器工作不稳定，通常会随温度的变化出现不同的模式， 即所谓的频率啁啾现象。同时内调制器一般只适用于半导体激光器，使用范围受 到一定的限制。并且内调制方式的调制带宽较窄，调制频率受到激光器中半导体 材料的载流予速度的限制，因而影响了调制带宽。目前国内达到几个g h z 都比 较困难，国外可达到1 5 2 0 g h z 。所以更高频率或者更大带宽的通信中，只有考 虑利用外调制方法，外调制方法可获得更大的带宽。 外调制器有电光、声光、磁光等多种形式。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。外调制器不需要高频率响应的激光器，只要求有稳定的激光源，另外还适 用于在多种波长下的固体和气体激光器。在大功率的光纤通信系统中( 如光孤子 通信) ，半导体激光器由于功率太小( 一般在微瓦级) 已经不能使用，这时外调 制也就更能显示出它的重要性。并且由于调制单元与激光器在电磁上的分离而使 激光器可以稳定工作，也允许调制方案和结构更灵活多变来提高调制带宽和调制 效率。 理论上，用任何具有高速电光效应响应、能透过所使用激光的材料都能制作 高速电光调制器。集成光学器件的结构材料要求集成度高，能在同一衬底上制备 第一章绪论 出尽量多的不同功能元件，才能最大程度的体现出集成光学的全部优点。现在适 合用于光纤通信系统的调制器材料有铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、砷化镓( g a a s ) 和聚合 物。铌酸锂和半导体材料相比较，最重要的是它不能集成到半导体材料上，因此 铌酸锂仅限于不用集成的单个器件上。但是，无论从整个光路的研制水平，或单 个功能器件的研制和开发应用来看，目前仍需利用那些电光效应特别优异的介质 材料，来研制电光调制器。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们 与单模光纤光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多。聚合物调制器的长 期稳定性尚不理想【4 j 。 铌酸锂调制器啁啾小，传输损耗小，同时可以实现宽带调制，最大的优势在 于它的电光系数比较高。因此铌酸锂器件已经被广泛应用，并且还有很大的发展 空间，对于这类应用，它是最有发展前途的介质材料，因此当前实用光纤通信系 统中都选用铌酸锂调制器。宽带铌酸锂电光调制器是目前高速、长距离的光纤通 信系统中必不可少组件，本文对铌酸锂调制器的性能进行研究，以达到优化设计。 高速电光调制器有很多用途，高速相位调制器可用于相干光纤通信系统，在 密集波分复用光纤系统中用于产生多光频的梳形发生器，也能用作激光束的电光 移频器【4 】。m z 铌酸锂调制器有良好的特性，可用于光纤有线电视系统、无线 通信系统中基站与中继站之间的光链路和其他的光纤模拟系统。高速m z 铌酸 锂调制器除了用于上述的高数据率的数字光纤系统外，还可在光时分复用系统中 用于产生高重复频率、极窄的光脉冲或光孤子，在先进雷达的欺骗系统中用作为 光子宽带微波移相器和移频器，在微波相控阵雷达中用作光子时间延迟器，用于 高速光波元件分析仪，测量微弱的微波电场等。 1 2 国内外动态 国内对l i n b 0 3 电光调制器件的研究起步比较晚，很多单位都只是在理论上 进行数值分析和设计，真正用于商用的比较少。国家光电子工艺中心可以实现 1 0 g h z 的调制带宽，清华大学的一个实验室1 9 9 5 年做到1 5 g h z 的带宽，是目前 国内实现的最高带宽。清华大学正在进行带宽高达1 0 0 g h z ，以l i n b 0 3 为衬底， 采用相位同步行波型复合电极的，超宽带光波导电光调制器的研究，且获得了复 合型行波电光调制器及其电极的制造方法的发明专利。 现在能投入商用的调制器带宽一般是1 0 g i - i z ，最新的朗讯生产的带宽为 4 0 g h z 的调制器已经投入批量生产用于商用。在国外，现在实验室实验的目标 是增加光纤传输系统的容量，比特率增加到1 0 0 g b s ，据报道国外实验室已经实 现1 6 0 g h z 的超宽带结构，日本n t t 实验室最新的研究，l i n b 0 3 电光调制器采 2 电子科技大学硕士论文 用双电极驱动，驱动电压仅为2 v ，带宽达到1 0 0 g h z 的超高带宽。 脊型结构l i n b 0 3 调制器可以实现宽带调制，并且驱动电压相对比较低【5 】【8 】。 n o g u c h i 等人给出的文掣习中，带宽达到5 0 g h z 时，半波电压只有2 9 v 。另外一 篇文章1 6 1，带宽超过1 0 0 g h z ，但是半波电压小于4 v 。 要实现高性能的m z 型l i n b 0 3 光调制器，就要求在低驱动电压下，光波和 微波相速度匹配的同时，电极的特征阻抗和信号源阻抗满足匹配，并且传输损耗 比较小。本文在理论上对z 切共面波导l i n b 0 3 电光调制器的结构进行分析，尤 其是脊型结构进行了分析和计算，优化调制器结构，减小导体损耗，增加带宽。 1 3 论文完成的工作 1 对一般的共面波导调制器进行分析，用保角变换部分电容法计算分布电 容。分别考虑了零厚度电极、有限厚度电极产生的电容；有限厚度衬底和无限 厚度衬底部分电容；计算普通共面波导型调制器的有效折射率、特征阻抗、导 体损耗。通过计算发现，采用厚电极和厚缓冲层，在实现速度匹配的情况下， 可以大大减小导体损耗，但是由于阻抗不能同时满足匹配，调制带宽受到限制， 最后得到了普通共面波导调制器实现宽带调制的厚电极厚缓冲层优化结构。 2 由于实际得到的电极结构横截面都是梯形而非理想的矩形结构，研究梯形 电极中间电极角度和地电极角度对调制器特征参量影响是十分必要的。通过计算 发现，随着中间电极角度和地电极角度增加，有效折射率、特征阻抗同时减小， 导体损耗系数也随之减小。但由于最终特征阻抗与信号源阻抗5 0 d 相差较大， 因此，要实现宽带调制，还需调整中间电极和地电极的高度。 3 脊型结构光调制器是近年来研究的热点，由于脊型结构初始平面多边形比 较复杂，保角变换过程中的超椭圆积分计算比较繁琐，而又无法用一般的椭圆积 分进行计算。一般文献中计算脊型结构特征参量，采用的都是准静态有限元法， 本文采用了保角变换工具箱进行计算，并且首次采用保角变换和有限元法相结合 的方法，对脊型结构的特征参量进行计算和分析。对两种方法进行比较，发现保 角变换有限元法可以快速准确的对脊型结构调制器特征参量进行计算和分析。通 过对脊型结构特征参量进行分析，可以发现，随着脊深的增加，有效折射率减小， 特征阻抗增加，导体损耗减小，对脊型结构调制器尺寸参数进行优化，在达到速 度和阻抗匹配的同时，导体损耗也大大的减小，可以实现超宽带调制。最后，用 有限元法分析了普通共面波导和脊型结构调制器中间电极周围的电场分布和电 位分布，同时对两者进行比较分析，说明了脊型结构半波电压小于普通共面波导 结构的原因，给出了可以实现宽带调制的脊型结构调制器参数。 第一章绪论 1 4 论文结构简介 本文第一章介绍了电光调制器的发展、国内外动态，以及电光调制器的应用， 对论文完成的工作以及论文的结构进行介绍。 第二章描述了电光调制器的基本原理，对l i n b 0 3 晶体的光学特性进行分析。 介绍了l i n b 0 3 电光调制器的结构形式和类别，给出本文所采用的调制器结构。 第三章主要描述共面波导调制器准静态计算的基本依据，对几种准静态方法 s c 保角变换、有限元法和保角变换有限元的基本原理进行介绍，同时给出了特 征参量计算的基本方法。 第四章采用准静态保角变换法对普通共面波导l i n b 0 3 电光调制器的特征参 量进行讨论分析，得出普通共面波导调制器实现宽带调制的优化尺寸结构。 第五章分析并计算了共面波导梯形电极结构l i n b 0 3 电光调制器中，中间电 极和地电极角度变化对调制器特征参量的影响。 第六章用保角变换、保角变换和有限元相结合的方法( f e m c m ) ，计算脊 型结构l i n b 0 3 电光调制器的特征参量，研究了各尺寸参量对调制器特征参量的 影响。对文中采用的保角变换有限元法和一般文献中对脊型结构进行分析采用的 有限元法计算结果作了比较，说明了保角变换有限元法计算脊型结构的可行性。 用有限元法分析调制器中间电极周围的电场和电位分布，然后对文中提到的三种 结构进行比较分析，给出优化的脊型调制器结构。 最后是全文总结。 4 电子科技大孚硕士论文 第二章l i n b 0 3 光波导电光调制器原理 本章首先描述了l i n b 0 3 电光调制器的基本原理及l i n b 0 3 晶体的电光特性。 介绍了调制器的结构形式及其发展。 2 1l i n b 0 3 电光调制器原理 2 1 1 电光效应 电光效应，可以概括定义为当电场施加在光正在传输的介质时，引起的折射 率变化、吸收率( 电吸收) 变化和散射变化【2 】。电场引起折射率变化的方式通常 可以分为两类：一类是电场直接引起介质光学折射率( 介电常数) 的变化，这就 是通常所说的电光效应，包括普克耳斯效应和克尔效应；另一类是电场间接引起 折射率的变化，包括弗朗兹一凯尔迪什效应和等离子体色散效应。我们考虑的是 直接电光效应，若折射率随外加电场的振幅线性的变化，则称这种效应为线性电 光效应或者普克耳斯效应，若折射率的变化与外加电场的振幅的二次方或高阶偶 次方成正比，则称这种效应为克尔效应。 当无外加电场时，各向异性晶体的标准折射率椭球方程表示为 v 21 1 2，2 鲁+ + ；= 1( 2 1 ) 聆；胛；n ； 式中，墩、 ，、r z 分别是椭球的三个轴长度，称为主轴折射率。对于l i n b 0 3 晶 体，墩= m = n o ，f z = n 。，n o 是寻常光折射率，”。是非常光折射率，折射率椭球方 程可以写成 ( 2 - 2 ) 在晶体主轴系统中，外电场加到晶体上，引起的折射率变化3 1 表示为 ( 吉) = 骞巧目+ 丢善3 否3 玩e b ( 2 _ 3 ) 上式中，第一项表示线性电光效应，y u 称为线性电光系数，电光张量。第二项表 示非线性电光效应，即克尔效应，岛。称为克尔常数。电光效应是由于外加电场 使电荷重新分布引起的，取决于外加电场与束缚带电粒子的原子电场之比。在电 第二章l i n b 0 3 光波导电光调制器原理 光效应的多数实际应用中，由于外加电场与原子内电场之比是很小的，因此与线 性效应相比，二次效应也很弱。具有对称中心并显示线性电光效应的晶体，y i b 。，所以存在线性效应时，常可忽略二次效应。 对于线性电光效应，外加电场引起的折射率的线性变化，就可以简化为 9 1 13 ( f = b ( 2 4 ) 其中y 为电光张量各分量，展为外加电场，k = - l 、2 、3 分别代表x 、y 、z 方向的 外加的电场。上式可用矩阵表示为 ( 寺 ( 去) r t , c 扫 ( 占) 甩 ( 占) , c 旁 n 1y 1 2n 3 托ly 2 2 托3 儿1 乃2 儿3 y 4 1 儿2 托3 z 5 1 儿2 以3 y 6 1y 6 2 3 a ( 去i ) i = a ( n l - - i - ) 。 ( 砉) 2