（微电子学与固体电子学专业论文）质子交换linbo3单y相位调制器的研究.pdf

摘要 x 2 3 g 2 8 ，7 f j 。聿， r 一、 随着光网络和光通讯的发展，性能高、成本低的光电子器件的需求量越来越大， l i n b 0 3 调制器以其高性能、低成本在光通讯和光信息处理领域占据了非常重要的作 用。i 传统的l i n b 0 3 调制器的制作方法是钛扩散。质子交换与传统的钛扩散工艺相比 制作十分简单，制备的波导具有较高的折射率增量、较小的波导损耗、较强的抗光 折变能力，不但能大大降低成本而且还可以提高性能，但是质子交换波导器件目前 、， 尚未成熟。可 本文首先阐述了质子交换l i n b 0 3 波导结构特性、质子浓度分布、折射率分布基 l ，一、一一 本理论，论述了折射率测量方法迭代法。并用三维f d b p m 法对的质子交换l i n b 0 3 波导传输模式进行了研究，确定符合器件设计要求的单模波导的尺寸和工艺参数。 本文对质子交换l i n b 0 3 单y 相位调制器的重要部件y 分支进行了深入的研究，比 较了不同s 弯曲形式的y 分支过渡长度与损耗的关系，并计算出间距2 5 0u 肌时的 最小弯曲长度。对于调制器的电极本文也进行较为深入的研究，探讨了电极宽度、 电极长度、电极间距对半波电压的影响，并据此对单y 相位调制器的电极结构进行 了优化设计。 在理论分析、设计的基础上，提出了与实验室水平相适应的质子交换器件制作 方法，完成了质子交换l i n b 0 3 单y 相位调制器的制作。文章在测试理论部分总结、 改进了本实验室常用的测试方法并测试了器件的指标。由于条件所限，论文中仅测 量了直波导损耗系数、相位调制器的半波电压和输出分束比。经测量，半波电压小 于5 v ，直波导损耗系数为0 2 2 d b c m ，输出分支比为5 2 4 8 。其它性能指标还需要 在芯片封装完成后作进一步的测量。 严 高， 乍冈 作 历建 日和 尊博 助 f 完 v - 山 i a b s t r a c t w t t ho p t i c a ln e t w o r ka n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，t h e d e m a n df o rh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e o p t o e l e c t r o n i cd e v i c e si s l a r g e r a n dl a r g e r l i n b 0 3m o d u l a t o r sh a v eb e e nf m n l ye s t a b l i s h e di n f i b e r - o p t i c t r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s y s t e m s f o rt h e i r a d v a n t a g e s l i n b 0 3m o d u l a t o rw a v e g u i d e sh a v eb e e nt r a d i t i o n a l l yf a b r i c a t e db y i n d i f f u s i o no ft i b u ta na l t e m a t i v es i m p l e rm e t h o di st h r o u g ht h ep r o t o n e x c h a n g e ( p e ) p r o c e s sa t l o w e rt e m p e r a t u r e p ew a v e g u i d e se x h i b i t l a r g e r i n c r e m e n to ft h ei n d e xa n dl o w e r w a v e g u i d e l o s st h a nt i i n d i f f u s i o nw a v e g u i d e s h o w e v e r , p ew a v e g u i d ed e v i c e sh a v e n tb e e n f u l l ym a t u r e i nt h i st h e s i s ，w ed e s c r i b e dt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r o t o n c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h er e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o no ft h ep el i n b 0 3 w a v e g u i d e s t h e n w e a n a l y z e d t h em o d ec h a r a c t e r i s t i co ft h e w a v e g u i d e s m o d et h r o u g h3 d - f d b p m o nt h eb a s e ，w ed e s i g n e dt h e w a v e g u i d e s s t r u c t u r ea n d f a b d c a t i o n p a r a m e t e r a n di nt h e d e s i g n o fs y m m e t r i cy - b r a n c ho f p r o t o n e x c h a n g e s i n g l e - y p h a s el i n b 0 3m o d u l a o r , w eu s e df i n i t ed i f f e r e n c eb e a m p r o p a g a t i o n m e t h o dt oa n a l y z ea n d c o m p a r e t h eo p t i c a lt r a n s m i s s i o nl o s s o fd i f f e r e n ts - b e n dy b r a n c h o nt h eb a s i so f t h ea n a l y s i sa n d c o m p a r e ， w e d e s i g n e d t h el e a s t l e n g t h o fs - b e n dy - b r a n c ht od e c r e a s et h e t r a n s m i s s i o nl o s sw h e nt h es p a c eb e t w e e nt h eo u t p o r ti s2 5 0 1 a m w ea l s o a n a l y z e dt h o r o u g h l yd e p e n d e n c eo f h a l f - w a v ev o l t a g ea n db a n d w i d t ho n t h ew i d t h ，t h el e n g t ho fm o d u l a t o r se l e c t r o d e sa n dt h eg a pb e t w e e nt w o e l e c t r o d e s t h e nw e o p t i m i z e d t h es t r u c t u r eo f e l e c t r o d e s o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n ，w eb r o u g h tf o r w a r d am e t h o do f f a b r i c a t i n gt e c h n i q u e f o ro u r l a b o r a t o r y , a n dw e f i n i s h e dt h e f a b r i c a t i o no f p r o t o n - e x c h a n g el i n b 0 3p h a s e m o d u l a t o r b e c a u s eo ft h e l i m i t a t i o no ft h em e a s u r i n gc o n d i t i o n ，i nt h et h e s i sw eh a d o n t ym e a s u r e d s o m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h a s em o d u l a t o r ：c h a n n e lw a v e g u i d e s l o s s c o e f f i c i e n ti s0 2 2 d b c m ，t h es p l i t - r a t i oi s5 2 4 8a n dh a l f - w a v ev o l t a g ei s 5 v o t h e r p e r f o r m a n c e w i l lb em e a s u r e da f t e rt h ed e v i c ei sp a c k a g e d 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 前言 毫无疑问人类的生活越来越离不开信息，人们对信息的需求将越来越大。在 过去的1 0 年中光通信技术以超乎人们想象的速度在发展，光传输的容量提高了 1 0 0 倍，预计在未来的l o 年里还将提高1 0 0 倍左右。进入2 1 世纪人类所享有的 信息资源将极大丰富，对信息的传播也必将提出更高的要求，人们正呼唤着全光 时代的到来。光通讯技术经过这些年的迅猛发展已呈现出崭新的面貌，但是离全 光通讯还有一段距离，而光电子器件是其中的瓶颈。因此光电子器件的研究具有 非常重要意义。 1 2l i n b 0 3 集成光学矗件的应用 集成光学作为现代光电子技术的一个重要分支自从1 9 6 9 年首次提出后发展 较快。随着微电子技术的蓬勃发展，平面加工技术的日臻完善，以晶体或者非晶 体材料为衬底的光波导应运而生，使人们可以将光限制在与其波长相比拟的微小 空间加以研究和利用。由于光限制在介质波导中传播，通过介质的电光、声光、 磁光等多种物理效应对其波导中传播的光进行控制和处理。目前，集成光学已初 具规模，并在光通讯中显示出独特的优越性。 以铌酸锂光调制器、光开关为代表的集成光学器件在光纤通讯、光学传感和 光学信息处理中有广泛的应用，技术日益成熟。许多应用系统元件已集成在一块 芯片上。并与先进的电子学自动控制和信息处理现结合。大幅度提高了系统性能。 其中用于宽带光纤通用的外调制器，光纤c a t v 发射机和光纤陀螺多功能集成 光学芯片已达到大规模的商品生产，并且由于优异的性能和较低的成本，在国际 市场上处于供不应求的状况。在人类进入信息时代的今天，在信息高速传输、光 学信息传感和信息处理方面都有突出表现的l n 妯0 3 集成光学技术将发挥重要的 作用，带来良好的社会效益和丰厚的经济效益。l i n b 0 3 集成光学主要应用有： 浙江大学硕士论文 一宽带光纤通讯 随着数据通讯业务的膨胀带宽需求急剧增长，目前外调制在光纤传输系统中 已经取得了优势【l l 。在高速数字通信应用中，光纤色散限制了系统的性能，而 l i n b 0 3 外调制器在提供所需的带宽的同时减小了色散效应。不像发激光器直接 调制，l i n b 0 3 波导调制器可以实现零啁啾或者可调啁啾运行，零啁啾和负啁啾 调制器有利于减少由于色散对系统造成的不利影响。 在高速远距离信号传输领域，由于外调制器具有减小限制传输距离与速度的 光纤色散和激光器啁啾的特点而被研究人员所重视。l n 妯0 3 外调制器是采用连 续工作的激光器，可在最佳的高功率条件下工作，调制时光波长不发生变化，第 一代l i n b 0 3 外调制器就验证了只需5 个遥控放大器跨度就超过6 0 0 k i n ，通过在 外调制中设置相位调制器使光功率分配到若干边带和相位调制使强光功率受激 声波在衰变时间内不可能形成强的相干声波有效地抑制了受激b d l l o u i n 散射，提 高光纤的传输功率和降低接收机中的基底噪声。因此使用外调制器可以使用更高 的光功率。传输更长的距离和得到更高质量的信号，在长距离波分复用应用中， 1 5 p m 可选波长多量子阱分布反馈激光器作为光源，国际通讯联盟规定从 1 5 3 0 3 n m 1 5 6 3 9 m 每隔1 0 “h z ( 波长约为0 8 n m ) 为一个通道波长，共有4 3 个 通道，激光器用保偏光纤尾纤输出，与外调制器的保偏光纤输入相连，因此每个 通道就要一个l i n b 0 3 外调制器。l i n b 0 3 调制器正在用于2 5g b i t s ( o c - 4 8 ) 系统 中，它可以无中继传输1 0 0 k m 以上。这种器件的指标一般是驱动电压小于5 v ， 4 d b 的插入损耗。现在也有一些电信设备供应商在提供适于1 0 - 4 0 g b i t s 系统的 l i n b 0 3 调制器应用于下一代系统中。 外调制器也非常适合于目前美国正在大力开发的w d m 系统。使用这样的系 统，可以通过复用2 5g b i t s 系统来实现1 0g b i t s 系统工作。而在日本几乎是直 接实现1 0g b i t s ，而不是通过w d m ，其中部分原因是因为n t t 安装了工作于 1 5um 的色散补偿光纤，但其中间的跨度要比美国的同类产品短。 为了有效地在商用通讯系统中使用l i n b 0 3 调制器，制造商们将精力集中在 两个主要技术问题上：减小电压漂移，实现b e l l c o r e 对封装后的调制器的指标要 求。对前一个问题，已经有好几种方法成功地解决了这个问题：如在芯片上加上 特殊的涂层以消除电荷累积；改善晶体生长减小杂质，精确控制晶体组分。 2 浙大学硕士论文 b e l l c o r e 标准要求器件满足一系列环境测试；器件制造商在光机械封装上做了很 大的改进，使得器件在抗湿性等方面可以满足b e l l c o r e 标准。 n t t 和h e w l e t t p a c k a r d 公司已经开发出电学带宽超过4 0 g h z 的调制器。 为了解决器件的对准问题，如激光器和l i n b 0 3 调制器的对准a t & t ，n 丌等一 些公司正在进行微型槽的探索研究工作，以期实现低成本的光子器件对准。 二光纤陀螺苍片【2 4 】 集成光学光纤陀螺是8 0 年代末在国际上出现的新型光学陀螺，它可以将分路 耦合器、偏振器、电光调制器、光开关等光波导器件做在同一块铌酸锂晶体基片 上，用集成光学功能芯片取代。以图1 1 为例，光从光源发出，经光纤耦合，从 y 分路器l 端输入进带电光调制器的y 分路器2 ，能量被均等分束后进入光纤陀 螺环，形成正时针、反时针相向传播的两束光波，光纤环出来的两束光经y 分 路器2 聚集耦合，再从y 分路器1 输出，由光纤与探测器耦合接受，相位信号转 变为电信号。再经过电路放大，数，模转换，检相电路得出电压值。在光纤陀螺 没有旋转时，两路光相位差应为零，接受器表面没有干涉光。当陀螺旋转时，两 路光之间形成对应于旋转角速度及方向的相位差，光学陀螺的光相位差巾。 与旋转角速度q 为正比，被称为s a g n a c 效应。l i n b 0 3 集成光学器件具有插入损 耗小、驱动电压低、调制带宽大并与保偏光纤兼容等特点，特别适用于研制中、 高精度的闭环光纤陀螺，美国、法国、德国、英国及日本等国家先后投入了巨大 的人力物力进行理论研究和实用化开发工作，并取得了很大的成就。角速度测量 精度也由原来的几十倍的地球自转角速度( 1 5 。h ) 到现在0 0 0 0 5 0 h ，提高了近6 个数量级。 图卜1集成光学光纤陀螺的基本结构 浙江大学硕士论文 目前，国外许多大公司均已研制出走向工程化和实用化的光纤陀螺样机，其 中美国h o n e y w e l l 和l i t t o n 公司所研制的光纤陀螺代表了国际上光纤陀螺技术的 最高水平。由于光纤陀螺在民用领域也有良好的应用背景，j a e 、h i t a c h i 等公司 主要致力于光纤陀螺民用领域的开拓。这就是f o g 发展的高精度和低成本两个 方向。国内很多研究所也致力于开发高性能光纤陀螺。 三光纤c a t v 发射机多功能芯片i s , 6 】 目前采用l i n b 0 3 外调制器的发射机( 如图1 - 2 ) 以其优良的性能，在市场上占 据领先的地位。光纤c a l v 传输信号的方式主要是残余边带振幅调制，它与数 字调制和频率调制相比对传输线路和噪声提出了更高的要求，l i n b 0 3 光调制器 就满足了这种要求。在网络的顶端，目前的趋势是使用1 5pm 的被调制的8 0 通路的系统，该系统由c w 激光器、l i n b 0 3 调制器、光纤放大器等组成。可以 在5 0 k i n 的距离内实现无须电再生。在首末两端以及集线处都需要集成光学调制 器。对于网络的d i s t r i b u t i o n p a r t ( 即信号被送入n 条线的结点端) ，l i n b 0 3 调制 器可以同大功 图1 - 2c a t v 调制发射接收示意图 率激光器相连，取代四个或更多个被调制的d f b 激光器。为了使c a t v 上的调 制器能够有效工作需要对传统器件结构的线性化加以改进。有两种方法已经商用 化：一是建立预失真电路来补偿调制器的电光转移特性；另一种是采用新颖的集 成光学结构，该结构由两个调制器组成，其非线性项相互抵消。 现在c a t v 发射机的双输出外调制器已成为多功能，高性能、容易使用，配 套齐全和能大批量生产的器件。c a t v 成为l i n b 0 3 集成光学技术的最大用途， 占大部份产量。工作在1 5 5 0 n m 的高功率连续波光源与光学放大器相结合允许 4 浙江大学硕士论文 c a t v 信号传输超过1 0 0 k m 的距离仍能满足严格的载波，噪声比技术条件。采用 外调制器的c a t v 发射机引导着能满足国际电视系统委员会严格技术条件的直 达1 1 0 通道的线性化产业。不仅使性能最佳化，还在市内分配系统中使每个用户 成本悬低。随着多媒体技术的发展，c a 将有进步的发展。 从应用方面来看l i n b 0 3 集成光学器件在市场上有着非常重要的作用，虽然使 用l n 妯0 3 材料尚无法实现单片集成，但是通过嫁接、掺杂技术可以解决这些问 题，我们有理由相信l 心怕0 3 在集成光学领域继续占据着非常重要的作用。 1 3 光调制器量新进晨 光调制器是最重要的集成光学器件之一，它可以对激光器发射光波的幅度或 者相位进行调制，使输入信号施加到载波上进行传播。下面着重介绍y 分支形 和m - z 干涉型行波调制器的最新进展。 行波调制器的设计在光波和微波之间存在微波衰减和相速失配，解决这两个 问题的关键取决于如何设计电极。为了同时获得宽的带宽和低的驱动功率，必须 始终使电极的设计最佳化。近年来显出现了许多新颖的光调制器如下： 一v 族电光调制器 1 衬底去除a 1 g a a s g a a s 电光调制器1 a i r8 a c k n d eo i 鳅r 6 曲 ( a ) b b 截面图 b 2j i ma k ，g | 。舢卜一6 f , l m 叫 0 7 3 # 川g a 5 黍感 口5 t 帅 夏搿b t ( b ) a a 我面圈 图1 - 3 衬底去除a 1 g a a 2 ，g a a s 电光调制器 为了降低驱动电压在后步工艺过程把衬底腐蚀去除，使调制场的垂直电场分 浙江大学硕士论文 量与光波的重叠差减小，从而使调制器的驱动电压大大降低，并能实现超高速可 调啁啾工作。如图1 3 器件衬底使用衬底去除技术被去除，电极采用推挽式。使 用衬底去除新技术，可使调制器在1 5 5 微米波长时驱动电压由1 6 8 v 降至 8 7 v ，并可进一步改善到5 5 v 。调制器的分支可以独立地偏压使它能够在 宽范围内调整啁啾，使用t 铁轨型加感共平面慢波电极，使调制器可以超过 4 0 g h z 的无啁啾高速工作。 2 波长不灵敏高速y 分支光调制器【9 j 调制器的结构由一个y 分支波导构成如图1 4 ，两波导分支可以产生折射率变 化，当在一个分支加偏压提高折射率时，通过这支分支的光导致在另一未偏压分 支中光的强度调制。当光到偏压分支时，在末偏压分支中的调制光相位变化很小， 因此呈现可忽略不计的啁啾，假如使用推挽式偏压结构，可以实现可调啁啾，可 以实现比典型的电吸收调制器的低1 0 倍啁啾，因此这种调制器非常适合高速长 拖曳光纤通信系统。y 分支开关调制器输出的光是阶跃形，而不是像m z 型 调制器和定向耦合器器得到的正弦形，所以，这种调制器倾向于对超出阈值的波 长、偏振、温度、驱动电压以及其它物理参数不灵敏，因此适用于波分复用系统。 由于对偏振不灵敏，它还适用于接收机分离数字串。 通过对 n g a a s l n p 多量子阱波导绝热y 分支开关调制器测量的结果表明， 对一个分支加反向偏压约为- 7 v 时，未加偏压的分支调制器响应的调制深度约为 1 0 d b 。若提高波导腐蚀的精度，可以进一步改善。对有源长度为9 0 0 爿m 的调 制器，测得小信号时3 d b 带宽8 g h z ，在1 5 3 0 - - - 1 5 7 0 n m 波长范围呈现的波长相 关小于l d b 。 。墨 图1 4 波长不灵敏高速y 分支光调制器 6 浙江大学硕士论文 二聚合物光调制器1 1 0 j 聚合物对微波和光波的速度失配小，已有报道聚合物电光m z 调制器实 现了超过1 0 0 0 h z 的带宽。使用聚合物的高速光强度调制器，广泛用于模拟光纤 传输系统、公共接入电视分配系统、无线频率移相器、模拟数字微波线路，以 及w d m 光纤长途通信系统的外调制器。美国加利福尼亚大学电气工程系的 d h c h a n g 等人，在美国高级防御研究计划局( d a r p a ) 的支持下，使用聚合 物电光调制器，进行时间展宽使频率为1 0 2 g h z 的调制降至1 1 g h z 。时间展宽是 利用调制到光脉冲上的频率下变微波信号在光纤中的线性群速色散作为信号预 处理扩展电子模拟数字( 刖d ) 转换器的频率范围。 三l i n b 0 1 调制器 1 脊形m a c h - - z e l m d e rl i n b 0 3 光调制器 1 1 , 1 2 l i n b 0 3 有效介电常数很大，在速度匹配下特征阻抗往往要增加，图1 5 为 t i ：l i n b 0 3 光调制器的结构俯视图和截面图。采用脊形结构在于将作用区的 l i n b 0 3 换成了低介电常数的s i 0 2 和空气，可以使器件的有效介电常数大大降 低。如低电压型和宽带宽型1 5 5 耻1 1 1 波长用的毫米波脊形t i - l i n b 0 3 光调制 器。这两种调制器采用的脊形波导电极结构尺寸分别为：低电压型：电极长度 l = 3c i i i 、t i 扩散宽度6 u 、厚度9 0 r i m 、脊形宽度为9 m 、高度3 6 um ，s i 0 2 i b l簟冲屡 i j 图i - 5 脊形m a c h - z e h n d e r 型光调制器的俯视l g l ( a ) 和截面图( b ) 缓冲层厚度t b = 0 6 um ，c p w 电极宽度w = 8 u m 、间距g = 2 5 u m 、厚度t e = 2 9 i im 。 宽带宽型：为了使c p w 电极的传输损耗更低，减小电极长度l = 2 c m ，其他尺寸相 同。低电压型的性能参数为：电信号3 d b 带宽3 0 g h z ，光信号3 d b 带宽5 0 g h z ，v 为3 5 v 。宽带宽型的性能参数：电信号3 d b 带宽7 0 g h z ，光信号3 d b 带宽1 0 5 g h z ， v 为5 1 v 。 7 浙江大学硕士论文 c h 电极i t i 扩散波导 ( a ) 俯视图 嚣臀 庸 氅真算驾鹱委 ( b ) 截面图 图1 6 推挽型光调制器 如果两条波导之间距离相隔2 5 0 乒胁可抑制串扰如图1 - 7 ，中心电导宽度为 8 f 胁间距2 5 口肺调制长度4 c m 。低频电反射低于- - 2 0 d b ，高频电反射低于一 1 5 d b ，3 d b 带宽为3 0 g h z ，采用单电极形式半波电压为2 9 v ，推挽电极为1 5 v 。 2 行波反射m a c h - - z e h n d e rl i n b 0 3 调制器【1 3 , 1 4 改变作用区长度的方法减小驱动电压方法由于受衬底的尺寸的影响而收到的 了限制，但是如果采用行波反射的形式可以使有效作用长度加倍，从而降低了驱 动电压。如图1 - 6 当输入光和r f 波相互作用后到达干涉仪终端被反射涂层反射， r f 波也受同时被开路反射，所以两种波反射点的相位接近相等，因此两个方向 上电光速度匹配。宽带反射行波l i n b 0 3 光调制器，与同样电极长度的单程( 不 反射) 调制器的性能相比，反射行波l i n b 0 3 光调制器在工作带宽为2 0 g h z 时， 驱动电压为4 5 v ，工作带宽 0 5 g i - i z 时驱动电压为o 5 l v ，而单程行波l i n b o ， 光调制器驱动电压2 1 v ( d c ) 到4 5 v ( 2 0 g h z ) 。低驱动电压、宽带脊形行波l i n b 0 3 光调制器，与不用脊形结构的调制器性能相比：用脊形结构的调制器性能：工作 带宽2 2 0 g h z ，驱动电压4 5 5 5 v ；工作带宽为4 0 g i - i z 驱动电压 7 v 。比较结果表明，反射结构的性能优于单程结构的性能。 l 蠊入 图1 7c p w 电极型波反射调制器 3 使用混合材料的c p w 宽带电光调制器【l 副 在共平面r f 传输线和包含l i n b 0 3 光波导的衬底之间填充相当厚度的低介 电常数的缓冲层和一组浮电极。如图1 8 ，宽带低驱动功率1 5 5 um 波长的高 速l i n b 0 3 光调制器为m - z 干涉仪型结构，在共平面r f 传输线和光波导l i n b 0 3 衬底之间，填充浮置电极以及较厚的低介电常数( 8l = 2 7 ) 的b c b 缓冲层， 使光波和r ：波的传输速度很接近匹配，同时浮电极可以把r f 电压直接加在 t i 扩散波导上，改善了调制灵敏度( 约6 d b ) 。1 5 5 i n 工作波长下，调制器的 3 d b 带宽为4 0 g h z ，需要的r f 驱动功率低至4 4 m w 7 0 m w 。 龋米 l稿如蛹 l x 切l i 珂3 树扁：o 5 h 一 图1 - 8 混合材料c p w 结构宽带l i n b 0 3 电光调制器截面图 浙江大学硕士论文 4 多反相电极m a c h - z e h n d e rl i n b 0 3 调制器l 】埘 如图i - 9 ，这种结构的最大特点就是通过改变电极和波导之间的相对位置， 可以实现重叠积分最大化从而降低半波电压。1 5 5 um 波长m - z 行波l i n b 0 3 光 调制器，采用5 段反相电极最佳设计，既使带宽增大，又使驱动半波电压减小， 并采用z 切割c p w 电极结构，为半波电压、特性阻抗和驱动功率之间提供最好 的折衷。5 段反相电极与单段电极调制器比较，3 d b 带宽分别为1 5 g h z 和3 6 g h z ， 对应的半波电压分别为1 4 v 和4 v 。 图i - 9 多反相电极m a c h - z e h n d e s 调制器 四三种材料调制器的比较 从文献报道来看，目前调制器的研究主要集中在l i n b 0 3 、i i i v 族材料、及 聚合物三种电光材料上，这三种材料的性能比较如表1 田l ，从表中可以看出聚合 物材料是最理想的材料，各项指标都非常优越，但是就目前来说聚合物材料热稳 定性差、目前尚无可靠稳定、重复性高的加工工艺，聚合物光调制器的商品化还 有待于材料技术的进一步发展。i i i v 族材料特别是量子阱材料近年来越来越受 到人们的重视，但是这种材料的调制器不易封装、和光纤耦合的损耗很大而且价 格很高不利于低成本商用化。 表l电光材料的性能参数对比 电光系数折射率介电常数品质因子 材料 r ( p m v ) n0 t i l i n b 0 3 3 12 2 93 01 2 4 g a a s1 73 31 2 5 34 9 聚合物5 0 1 7 正 6 0 l o 浙江大学硕士论文 l i n b 0 3 光调制器在所有的外调制技术中是最成熟的，而且已经广为商用。 l i n b 0 3 光波导的低损耗低、电光系数高、能与光纤的良好匹配、成本低廉。l i n b 0 3 电光器件的制作工艺主要有钛扩散和质子交换。质子交换与钛扩散技术相比质子 交换技术简单、快捷而且用它制各的l i n b 0 3 波导具有较小的波导损耗、较强的 抗光折变能力、较大的异常光折射率增量d n 。，较强的光能量控制能力；而且由 于质子交换只引起异常光折射率的增加，而寻常光折射率会略微的减小( 4 n o - , - 5 1 0 。3 ) ，这意味着x 切和y 切l i n b 0 3 波导只传播t e 模，z 切l i n b 0 3 波 导只传播t m 模式，因此与t i ：l i n b 0 3 相比，质子交换l i n b 0 3 波导容易实现 偏振控制。此外，由于质子交换是一低温过程，因此不必象钛扩散波导再进行极 性反转。如果用质子交换法代替钛扩散制作l i n b 0 3 调制器不但可以简化制作工 艺，还可以提高性能。从报道来看目前以研究质子交换波导性质为主计3 1 1 ，应用 质子交换法制作调制器还不多。 1 4l i n b o a 调制矗的国内发晨状况 长春物理所张伯华等采用x 切y 传的波导结构，t e 模工作的钛扩散集总式m - z 型t i ：l n 曲0 31 5 微米电光波导强度调制器。波导及电极参数：波导宽9 微米， 分叉角1 5 。，两臂间距3 6 微米。两臂长度差为四分之一波长，铝电极间距为9 微 米，主电极长为l c m 。预计半波电压为7 5 v 左右，实际测量为1 5 v 左右【1 7 】。 机电部和电子科技大学陆荣鑫i l s 等研制了l i n b 0 34 x 4 光开关陈列。该陈列 采用b o a 型x 波导，由六个单元集成于一个衬底上构成4 x 4 光开关陈列。经测 试：光纤一器件一光纤的总插入损耗小于1 0 d b 、串音衰减大于2 0 d b 、开关电压 2 0 v 左右、工作波长为1 3pm 、3 d b 带宽大于5 0 0 m h z 。 电子工业部4 4 所1 4 室( 重庆) 蒲天春等报道了能小批量生产的高速铌酸锂强 度调制器的设计原则及性能特性，工作波长：1 3u m 或1 5 5 u m ，插入损耗( 带 尾纤) 2 5 d b ，调制半波电压小于4 v 或5 v ，偏置半波电压 4 0 d b ，光纤接头：f c ，工作温度范围：- - 4 0 7 0 0 c 1 9 。 上海交大沈启舜在l i n b 0 3 基板上扩t i 制作定向定向偶合器，通过电光调制 实现开关阵列。测得半波电压为1 5 2 0 v , 争话为1 5 2 0 d b 2 0 1 。 清华大学于1 9 9 7 年报导了国内首例宽带，低压铌酸锂电光调制器的研究结 浙江大学硕士论文 果。该器件有厚金电极和厚s i 0 2 缓冲层，是m - z 光波导强度调制器，制成的调 制器为实用化带尾光纤包装式器件，在1 5 5 um 工作波光下，其性能指标为3 d b 光调制带宽1 5 g h z ，半波电压5 6 v ，消光比2 1 d b 2 l 】。 航天工业总公司一院十三所张桂才、杨清生等采用光纤滤波双y 型集成光路 和全数字处理的闭环光纤陀螺，其中光纤滤波双y 型多功能集成光路是采用退 火质子交换法( a p e ) 在铌酸锂衬底上制作而成的，它包含了光纤陀螺所需的除光 纤线圈以外的无源光学器件的全部功能：两个分光合光器( 耦合器) 、两个宽带相 位调制器( 推挽工作) 和一个高消光比的偏振器，测试结果表明，陀螺零偏稳定性 优于l o l l 。该陀螺结构紧凑、动态范围大、精度适中、成本低，特别适合于战术 级的应用1 2 2 】。 1 5 本论文意义 集成光学器件特别是铌酸锂集成光学器件是光波高速调制的支柱技术，在 光纤通讯，光学传感和光学信息处理中有广泛的应用。随着通讯技术的发展，未 来基于0 x c 和0 a d m 的全光网以及其它光信息处理系统对光调制器的需求还将大 大增强，因此对性能良好、成本低廉的光调制器的研究有极其重要的迫切性和重 要性。 从质子交换铌酸锂调制器具有性能良好，成本较低，制作工艺相对简单，容 易与其它光器件集成。调制器的性能主要由单模特性、y 分支、调制电压，调制 带宽等参数决定。因此设计尽量低的调制电压，尽量大的调制带宽是本项研究的 重点。 - 1 6 本论文的主要工作 本论文对质子交换l i n b 0 3 单y 相位调制器各个组成部分的特性分别在理论上 进行分析，根据分析结果对器件各参数进行优化设计，器件设计在保证性能的同 时考良好的工艺实现性和重复性。 1 根据质子交换波导的特性，对单模波导进行优化设计，为器件其他部分的设 计打下基础。 2 对质子交换l i n b 0 3 波导器件分支波导和电极结构的设计在理论上作出详细 浙江大学硕士论文 的分析，对器件设计有很好的指导意义。 3 提出一套新型的适合l i n b 0 3 光调制器的工艺器件。 4 建立器件测试系统并对器件进行测试。 1 7 本论文的内容组成 本论文主要由以下几个部分组成： 第一章介绍了目前调制器最新的发展现状。 第二章论述质子交换l i y b 0 3 波导特性。 第三章为质子交换l i n b 0 3 结构设计。 第四章对器件制作工艺进行研究。 第五章器件的测试方法论述及测试结果 第六章是对全文工作的一个总结，同时作者还对光调制器研制中所需要进一 步解决和改进的问题谈了自己的看法。 参考文献 1 w o o t e n ，e l ；k i s s a , k m ；y i y a h ，a ；m u r p h y , e j ；l a f a w , d a ：h a l l e m e i e r , r e ；m a a e k ，d ；a t t a n a s i o ，d v ；f r i t z ，d j ；m c b r i e n ，g j ；b o s s i ，d e ，“a r e v i e wo fl i t h i u mn i o b a t em o d u l a t o r sf o r f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ”， s e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u m e l e c t r o n i c s ，i e e ej o u r n a lo n ，v o l u m e ：6i s s u e ：1 ， j a n - f e b 2 0 0 0p a g e ( s ) ：6 9 - 8 2 2 单英；延风平；简水生，“光纤陀螺及其发展动态，”传感器技术j o u r n a lo f t r a n s d u c e r t e c h n o l o g y1 9 9 9v 0 1 1 8n o 5 3 陈淑芬；朱永；秦秉坤；常建新，“集成光学光纤陀螺的噪声分析”，光学技术 o p t i c a lt e c h n o l o o y1 9 9 9n o 3 4 盛钟延；季杭峰；周柯江，“光纤陀螺的最新进展”，红外与激光工程 i n f r a r e da n dl a s e re n g i n e e r n q g1 9 9 9v 0 1 2 8n o 3 5 p i e h l e r , d ；z o u ，x ；k u o ，c - y ；n i l s s o n , a ；k l e e f e l d ，j ；g a r c i a , g ；r a l s t o n ， j d ：m a t h u r , a “5 5d bc n ro v e r5 0k mo ff i b r e i na n8 0 - c h a n n e l 1 1 塑垩查堂堡主堡塞 e x t e r n a l l y m o d u l a t e d a m c a t v s y s t e m w i t h o u t o p t i c a la m p l i f i c a t i o n ， e l e c t r o n i c sl e t t e r s 。v o l u m e ：3 3i s s u e ：3 ，3 0j a n 1 9 9 7p a g e ( s ) ：2 2 6 - 2 2 7 6张万书，“c a t v 系统用的外调制光发射机”，电视技术1 9 9 6 ，( 1 1 ) - 7 - 1 2 7 s p i e k e r m a r m ，r ；s a k a m o t o ，s r ；p e t e r s ，m g ；d a g l i ，n “s u b s t r a t er e m o v e d g a a s a l g a a se l e c t r o o p t i em o d u l a t o r s ”，i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ， v o l u m e ：1 1i s s u e ：1 0 ，o c t 1 9 9 9 ，p a g e ( s ) ：1 2 4 4 - 1 2 4 6 8 s a k a m o t o ，s r ；o z t u r k ，c ；y o u n g t a eb y u n ；k o ，j ；d a g l i ，n “l o w - l o s s s u b s t r a t e - r e m o v e d ( s u r e ) o p t i c a lw a v e g u i d e si ng a a s - a 1 g a a se p i t a x i a ll a y e r s e m b e d d e di no r g a n i cp o l y m e r s ”，i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s ，v o l u m e ： 1 0i s s u e ：7 j u l y1 9 9 8 ，p a g e ( s ) ：9 8 5 9 8 7 9 k h a n ，m n ；m i l l e r , b i ；b u r r o w s ，e c ；b u r r u s ，c a “h i g h - s p e e dd i g i t a l y - b r a n c hs w i t c h m o d u l a t o rw i t hi n t e g r a t e dp a s s i v et a p e r sf o rf i b r ep i g t a i l i n g ”， e l e c t r o n i c sl e t t e r s ，v o l u m e ：3 5i s s u e ：1 1 ，2 7m a y 1 9 9 9 ，p a g e ( s ) ：8 9 4 - 8 9 6 1 0 c h a n g ，d h ；e r l i g ，h ；o h , m c ；z h a n g ，c ；s t e i e r , w h ；d a l t o n ，l r ； f e t t e r m a n ，h r “t i m es t r e t c h i n go f1 0 2 - o h z m i l l i m e t e rw a v e s u s i n g n o v e l1 5 5 l lm p o l y m e re l e c t r o o p t i c m o d u l a t o r ”，i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s v o l u m e ：1 2i s s u e ：5 ，m a y2 0 0 0 ，p a g e ( s ) ：5 3 7 - 5 3 9 1 1 m i t o m i ，o ；n o g u c h i ，k ；m i y a z a w a , h “b r o a d b a n da n dl o wd r i v i n g v o l t a