（电子科学与技术专业论文）基于透明陶瓷的高速可变光衰减器及其控制电路的设计.pdf

浙江大学硕士学位毕业论文 ab s t r a c t i n r e s p o n s e t o h ig h e r le v e ls o f t r a f f ic o n o p t ic a l c o m m u n ic a t io n s n e t w o r k s , w a v e - le n g t h - d iv is io n m u lt ip le x in g o r wd m -t h e m a i n s t r e a m s y s t e m n o w in u s e -is d e v e lo p in g i n t w o d ir e c t io n s : h ig h e r d a t a r a t e s a n d a la r g e r n u m b e r o f c h a n n e ls . t h e e r b iu m - d o p e d a m p l if ie r ( e d f a ) is a n i n d is p e n s a b le c o m p o n e n t o f wd m s y s t e m , a n d , in o r d e r t o p r o v id e d y n a m ic a lly f le x ib le g a i n le v e l a d j u s t m e n t , is o ft e n u s e d in c o m b i n a t io n w it h v a r ia b le o p t ic a l a tt e n u a t o r s ( v o a s ) , w h ic h h a v e f la t w a v e le n g t h c h a r a c t e r is t ic s o v e r a w id e b a n d r a n g e . i n t h is t h e s is , w e s u c c e s s f u lly m a d e a t y p e o f h ig h - s p e e d v a r ia b le o p t ic a l a tt e n u a t o r , w h ic h is b a s e d o n t r a n s p a r e n t f e r r o e le c t r ic c e r a m ic s , a n d e x p e r im e n t a l d a t a d e m o n s t r a t e d it s g o o d p e rf o r m a n c e . r e c e n t ly v a r io u s t y p e s o f a t t e n u a t o r s h a v e b e e n r e a liz e d w h ic h in c lu d e t h e u s e o f m e c h a n is m , m a g n e t ic - o p t ic a l e ff e c t , t h e r m o - o p t ic a l e ff e c t , e le c t r o - o p t ic e ff e c t , a c o u s t ic - o p t ic a l e ff e c t , m e m s , o p t ic a l w a v e - g u id e a n d s o o n . i n t h e p a s t p e o p le c a n n o t g e t p r o p e r m a t e r ia l w h ic h h a s h ig h e n o u g h e o c o e f f ic ie n t , s o w e s e ld o m h e a r d a b o u t v o a s b a s e d o n e o m a t e r i a l . s i n c e b o s t o n a t i h a d i n v e n t e d it s t r a n s p a r e n t e le c t r o - o p t ic c e r a m ic s , n a m e ly o p t o c e r a m ic , w h ic h f e a t u r e s in h ig h e o e ff e c t , lo w o p t ic a l lo s s , b r o a d t r a n s m is s io n w a v e le n g t h r a n g e , c e r a m ic r u g g e d n e s s , a n d lo w c o s t , m a k e it id e a l m a t e r ia l f o r m a n y t y p e s o f o p t ic a l d e v ic e s . y e t it s h y s t e r e s is a n d t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e e x is t s , t h e r e f o r e t h e s t a b il it y is v e ry c r it ic a l f o r t h e v a r ia b le o p t ic a l a tt e n u a t o r m a d e b y t r a n s p a r e n t f e r r o e le c t r ic c e r a m ic s . h ig h s p e e d v o a m o d u le h a d b e e n f a b r ic a t e d b y u s in g b a c k c lo s e d - lo o p c o n t r o l a n a lo g c ir c u it s . t h e r e s u lt s in d ic a t e t h a t t h e r e s p o n s e t im e is a b o u t 1 0 u s , d y n a mic r a n g e is 2 5 d b , a n d in s e r t io n lo s s is le s s t h a n 0 .6 d b , p l d is le s s t h a n 0 . 1 d b . i n o r d e r t o f u rt h e r im p r o v e t h e d e v ic e s r e s p o n s e t im e , w e a ls o d e s ig n h ig h e r s p e e d d ig it a l c o n t r o l c ir c u it s w h ic h a im e d a t m ic r o - s e c o n d le v e l r e s p o n s e t i m e . k e y w o r d s d wd m , v o a , t r a n s p a r e n t f e r r o e le c t r ic c e r a m ic s , c lo s e d - lo o p c o n t r o l c i r c u it s 浙江大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 可变光衰减器( v o a ) 在光通信中 具有广泛的 应用， 是一种非常重要的光学无 源器件。 主要用于光纤系统的指标测量、 短距离通信系统的信号衰减， 特别是随 着d wd m传输系统和e d f a在光通信中的应用， 在多个光信号传输通道上必须 进行增益平坦化或信道功率均衡， 在光接收器端要进行动态饱和的控制， 这些都 使得v o a成为光网络中不可或缺得关键器件。 此外， v o a产品还具有与其它光 通信组件结合并将其推往高阶模块的特性。 1 . 1 可变光衰减器( v o a ) 光衰减器( o a ) 自2 。 世纪7 0 年代中期即开始发展， 现己 成为最基本的光无源 器件之一。随着宽带光通信网络、特别是全光网络的迅速发展，o a的市场需求 增长十分迅猛， 它与连接器、 祸合器和隔离器等一起成为了最基本的光无源器件。 根据工作特点， o a大体上可以 分为固定光衰减器( f o a ) 和可变光衰减器( v o a ) 两个大类。 其中v o a又可以 分为手动操作的 机械式光衰减器( m v o a ) 和电 控可 变光 衰减器 ( e v o a ) 。目 前固 定光衰 减器价格 较低， 主要 应用为 通信系统平 衡光 能量的元件，但是往往不具备弹性;相对地，v o a在发展上较具优势，能精确 的主动平衡光能量。 光端机设备的运行和维护特点要求采用高性能的e v o a ， 因 为它本身可以 作为一个功能 模块与设备融合为一体【 1 。 随 着d w d m和e d f a技术的 广泛应用， 光纤的非线性效应已 成为大容量、 高速率、 长距离光纤通信的主要障碍之一， 控制光端机的入纤功率也就成了当前 抑制非线性效应的有效措施之一。 因此， 设计性能优良的可变光衰减器对现代光 通信系统中d wd m通道的功率均衡具有重要意义， 特别是电控可变光衰减器对 智能化光网络的运行管理维护具有重要的应用价值。 1 . 2 v o a的市场需求 光通信网络通道数目的增减直接影响着光放大器和系统的其他组件。 举例来 说， e d f a对于光能量的输入相当灵敏，因此在光能量控制上需要可程式化控制 浙江大学硕上学位毕业论文 各个通道数，因为当通道数增加或减少，由此改变进入e d f a的光能量时， 这些 输入光能量的变化会对e d f a造成一些不确定的影响， 例如: 导致光谱的增益偏 斜( g a i n t i l t ) 增益偏斜定义为反转条件改变时 产生非均匀的 增益。 大部分 在减低 增益偏斜和保持平均反转能量常数时，会在设计宽频光放大器时导入 v o a ，如 此可以减低受激拉曼散射的影响。 v o a应用其损失特性在e d f a上达成多样化 跨据， 控制光放大器之间的跨距损失的方式， 在于控制输入光的能量。 在许多情 况下，设计者需要利用v o a将系统设示 十 成固定跨距，比如说在已经架设完毕系 统设备时，或新安装光放大器时，系统老化或系统连接更改时都会用到。v o a 在d wd m网络能够动态控制光的能量有几个关键地方， 包括在多通道祸合前提 供能量平衡、o a d m 信道间的平衡、置于光放大器间和进入接收器前的能量控 制， 驱动v o a的 需求归纳如下: ( 1 ) 使用v o a调整w d m通道能量， 能使l a s e r 维持理想的波长稳定。 ( 2 ) 使每个通道在个别通道的 加入或者分离时皆 能维持平 衡。 ( 3 ) 光自 动增益控制模拟多波长在 e d f a跨距间的衰减，使调整光放大 器增益能够达成固定跨距。 根据美国e l e c t r o n i c a s t 公司的市场分析报告， 光衰减器市场分成下列几个部 分: ( 1 ) 平面底板:固定式( 包括b u l k h e a d , c o n n e c t o r b u i l d o u t ) ( 2 ) 光缆 组装: 固 定式( 包括跳接线/ 引线、 i n - l i n e ) ( 3 ) 可变的: 手动( 平面底板/ 单独直立) 、 电 子 式控制。 2 0 0 0 年全球光衰减器的销售金额约3 . 1 亿美元，至2 0 0 5 年复合成长率大约 3 3 .9 %， 市场预计将达到1 2 亿美元， 尤以电信市场占有比例最大， 主要用于光纤 用户环路( f i t l ) 的发展，以 及长距离d w d m网 络升级的需求。 其中e v o a ， 包 括磁光、声光和电光，此部分主要由改变电压来控制衰减范围，约占市场7 0 %; 另外，手动可变光衰减器约占1 2 %，总体来说2 0 0 0 年v o a约占全球光衰减器 销售金额的8 2 %. v o a大部分重要的 规格在插入损失 上要求 1 5 d b ) 、 大p d l 、热稳定性差等，其封装难度也较大。欲发挥其潜在的优势无疑还有很多 困难尚需克服。 1 3 4 几种主要v o a 技术的比较 理想的v o a 能, 精确的控制光讯号的损失，一般特性上要求包括：低的极化模 态色散、低的极化相关损失、与波长无关的损失以及低的插入损失。其中之一， 电控方式的v o a 藉由透过电场的应用改变e o 材料的折射率来控制衰减量，可获 得好的光的特性和高速运作。过去康宁利用e o 光电材料的特性控制管理光网， 其中铌酸锂( l i n b 0 3 ) 材料提供高可靠度，甚至可利用高e o 系数( l i n b 0 3 ) 材料， 放入未被占用的空间，光垂直入射e o 材料表面，有较少的插入损失和极化不灵 敏，调整电场改变e o 材料折射率控制输出的光能量。 除了上述康宁的方法，v o a $ l i 造的方法尚有许多种，包括上述提到过的液晶 ( l i q u i d c r y s t a l ；l c ) 和m e m s 为基础的v o a ，皆是新进入此领域，他们提供了小 型化的v o a 数组，进一步的v o a 技术比较可参考表1 1 【1 3 l 。 实现技术光机械式机械式热光热光 m e j s 电( 光束干涉)( 光纤偏移) ( 光纤) ( 平面波导) 插入损耗( d b ) o 80 60 3 o 2 2 1 动态范围( d b ) 2 53 0 1 5 2 02 06 0 3 - d b 衰减速率 o 11 0 05 0 01 0 0 022 0 ( m s ) 表卜1v o a 实现技术比较 浙江大学硕士学位毕业论文 真对待和必须解决的问题。 1 . 3 . 3 光波导技术 光波导技术作为光集成的核心正日 益成熟， 该项技术在包括光衰减器等的光 通信无源器件领域的 应用也日 趋广泛。 应用光波导技术制作的光衰减器具有结构 简单、 组件少、尺寸小、可实现自动化生产、 低价格及利于同其它器件集成等优 点， 但目 前技术工艺尚 在发展、 完善之中， 其性能 还较差， 表现为高插损( 1 . 5 d b ) , 大p d l 、 热稳定性差等， 其封装难度也较大。 欲发挥其潜在的优势无疑还有很多 困难尚需克服。 1 . 3 .4 几种主要v o a技术的比 较 理想的v o a 能精确的控制光讯号的损失， 一般特性上要求包括: 低的极化模 态色散、低的极化相关损失、与波长无关的损失以及低的插入损失。其中之一， 电控方式的v o a 藉由 透过电 场的 应用改变e o 材料的折射率来控制衰减量，可获 得好的光的特性和高速运作。过去康宁利用e o 光电材料的特性控制管理光网， 其中 妮酸w ( l in b 0 3 ) 材料提供高可靠度， 甚至可利用高 e o 系数( l i n b 0 3 ) 材料， 放入未被占 用的空间，光垂直入射e o 材料表面，有较少的插入损失和极化不灵 敏，调整电场改变e o 材料折射率控制输出的光能量。 除了上述康宁的方法， v o a 制造的方法尚有许多种， 包括上述提到过的液晶 ( l i q u i d - c r y s t a l ; l c ) 和m e m s 为基础的 v o a ， 皆 是新进入此领域， 他们提供了小 型化的 v o a 数组， 进一步的 v o a 技术比 较可参考表1 - 1 1 1 3 1 . 实现技术光 电 机械式 ( 光束干涉) 机械式 ( 光纤偏移) 热光 ( 光纤) 热光 ( 平面波导) mem s 插入损耗( d b ) 0 . 80 . 60 . 3 0 . 22 1 动态范围 ( d b ) 2 53 01 5 2 02 0 6 0 3 - d b 衰减速率 ( m s ) 0 . 11 0 05 0 0 1 0 0 022 0 表 1 - 1 v o a 实现技术比较 浙江大学硕士学位毕业论文 1 .4 论文研究的目的和内容 可变光衰减器在光通信系统中发挥着重要的作用，并向 着体积小、重量轻和 大阵列的方向发展。 基于电光材料的高速可变光衰减器适应了这一发展趋势， 具 有很大的市场潜力。 早期的电光材料如铿酸妮由于其较低的电光系数而无法实现 器件的 小型化， 而利用波士顿应用科技公司的专利产品o p t o c e r a r n i c 系列的 透明 铁电陶瓷材料使得制造实际可用的小封装v o a成为可能，不仅如此，利用该材 料的透光性，高响应速度可以制造除v o a以外的其它很多光器件，如光开关， 光偏振控制器等。 本文是在双方合作的基础上， 研究了国际上电光陶瓷材料的最 新进展， 提出并实现了基于该材料的高速可变光衰减器。 对于促进我国光通信产 业的发展有一定的潜在意义。 由 于o p t o c e r a r n i c 材料的 先进性， 使得小型化v o a的 制造成为可能。 在充 分研究了材料特性的基础上论证了采用闭环控制电路实现的可能性。 通过不断改 进电路设计达到充分利用材料特性的目的， 并利用实验室的研究基础采集了大量 试验分析数据，证明了用该种方法制造的v o a确实能够满足实际应用需要，并 在各项指标上领先于其他方法的v o a制造技术。 本文的主要工作是制作了 基于o p t o c e r a m i c 材料的高 速可变光衰减器， 设计 优化外围模拟控制电路，主要研究成果有:( 1 )衰减动态范围达到 2 5 d b ，响应 时间小于i o u s ; ( 2 ) 温度相关损耗小于0 .2 d b , 1 5 d b 衰减时c 波段( 1 5 2 5 -1 5 6 0 n m ) 的波长相关损耗为0 . 2 5 d b ; ( 3 ) 插入损耗小于0 . 6 d b ，偏振相关损耗小于 0 . 1 d b ; ( 4 )试验验证该器件对2 - 4 k h z 干扰信号的抗干扰能力 ( 5 ) 提出了高速数字控 制电路的设计。 本论文共分五章:第一章绪论，讨论了目 前市面上比较流行的几种v o a制 造技 术 和各自 的 优缺点; 第二章o p t o c e r a m i c 材料介绍， 进而简 要分析了 相关光 器件的设计方法; 第三章详细分析了器件的设计方案和模拟控制电路的制作; 第 四章提出高速数字电路的设计方案;第五章总结本文工作，提出对将来展望。 浙江大学硕士学位毕业论文 第二章透明电光陶瓷材料及其应用 1 9 7 0 年， 透明铁电陶瓷问世后， 就引起了广泛重视。 随后人们发现这种材料 在当代许多新技术如计算技术、显示技术、 激光技术、 全息存贮、微声技术以及 光电子学诸领域都有重要的应用前景。 陶瓷材料和单晶铁电材料相比， 具有容易 加工成各种不同尺寸和形状的制品、 控制组成性质的可变范围较宽、 成本较低等 优点，这一点更激发了人们对透明铁电陶瓷材料研究的兴趣。 薄膜技术的兴起，使器件的进一步集成化、小型化、轻量化成为可能，拓宽 了 透明电 光陶瓷材料在现代高新技术中 应用的范围。 掺斓错钦酸铅( 简称 p l z t ) 透明电光陶瓷材料( 陶瓷和薄膜) 是目 前透明电 光陶瓷材料制备及应用中 研究得 较多的一种。本章将要介绍的是一种由美国波士顿应用科技公司研制的 o p t o c e r a m ic . 系 列 透 明 电 光 陶 瓷 ， 包 括p ut 和p m n - p t ( ( p b ( m g i ,3 n b u 3 ) 0 3 - p b t io 3 ) o o p t o c e r a m ic材料具 有高电 光效应， 低 插损， 透光频谱宽， 陶瓷耐久性， 成本低等特点。 利用该材料可以制造很多类型的光器 件:可变光衰减器， 偏振控制器，正弦滤波器， 动态增益平坦滤波器， 可调光滤 波器以 及q - s w it c h e s . 2 . 1 陶瓷材料 2 . 2 . 1 o p t o c e r a m ic 材料 高性能固态电光氧化物是唯一一种同时拥有高电光效应和快速响应时间的 材料。 l in b 0 3 单晶体是应用于通信领域的标志性电 光材料。 然而l i n b 0 3 晶体的 缺点，诸如电光效应低和温度相关性高，使得它较难得到广泛应用。 o p t o c e r a m ic . 是属于透明电 光陶瓷材料的一个家族系列， 拥有电 光效应高， 透 光 性 能 好， 陶 瓷 耐 久 性 和 成 本 低的 特 点 r 4 1 o p l z 丁 做 为o p t o c e r a m ic . 家 族 的 一 员， 其电 光效应比l in b 0 3 高得多，但是其严重的 场感应、偏整相关散射损耗以 及高迟滞效应使得控制如此动态的器件成为一个难题。最新开发的 ( p b ( m g i ,3 n b 2 ,3 ) 0 3 - p b t io 3 ( p m n - p t ) 5 3 o p to c e r a m ic 在 很 大 程 度 上 解决了 上 浙江大学硕士学位毕业论文 述问 题o p m n - p 丁属于弛豫铁电陶瓷材料， 它各向同性的最小能量稳定结构相对 而言容易被外加电场扭曲， 产生双折射现象， 这就是所谓电光效应。 常温条件下 它的电 光效应大概是 p l z t的2 - 5 倍，是l i n b 0 3 的 1 0 0 倍。为达到相同的折射 率改变( 或相移) ， 外加到p m n - p t 的电 压远小于p l z t 和l in b 0 3 。 在。 到7 0 范围p m n - p t陶瓷的迟滞效应也得到很大的抑止。和单晶体材料不同，多晶 的电光陶瓷更容易由成熟的热压技术制造， 且成本较低。 在5 0 0 n m - 7 0 0 0 n m宽波 长 范围内良 好的 透光性使得 p m n - p 下o p t o c e r a m ic . 适合绝大多数的 可见光到 中红外的 光学应用。 o p t o c e r a m ic o 的 各向同 性特性适合偏振无关器件的 制造。 此外，电光效应中电子和离子的移动速度比液晶材料中分子的移动速度快许多， 纳秒级的调制己经被证明确实可行。 o p t o c e r a m ic . 家 族的多晶结构属于钙钦矿，可以 用公式a b 0 3 表示。 例如 p b l .x l a x ( z r y t il -y ) i _,/ a 0 3 ( p l z t ) , p b ( m g3 n b 2 ,3 ) 0 3 - p b t io 3 ( p m n - p t ) , p b ( z n l r 3 n b 2 r 3 ) 0 3 - p b t io 3 ( p z n - p t ) 1 6 1 o p l z t 公 式 假 定l a 代替了p b 2 + 在a 处 和b 处 的 电 子 平衡空缺。 p l z 丁的成分通常简写为x / y / 1 - y ， 例如p l z 丁 9 / 6 5 / 3 5 表示l a 百分比 浓度为9 而z r f t i 比例为6 5比3 5 。为了达到最佳透光性和电光系数，某些元素 比如b a 和 ( 或) l a ， 通常被加入到固溶体p m n - p t和p z n - p t中去。 如图2 - 1 为p l z t 1 1 和p m n - p t i i 的 相位图 。 p l z t 相 位图中 的电 光 材料成 分分布被 分为 三个主要的区域: 二次方区， 存储区和线性区。 二次方区材料沿着分离铁电和顺 电相的相位边界分布， 主要集中在阴影部分。 存储区分布有稳定的，电开关光状 态，大致在铁电 ( f e )菱形相位区域。线性材料拥有非开关，线性电光效应， 包围在四边形区域中。 其中一个被研究得较少得分布区域是反铁电( a f e ) 相位， 靠近相位图p b z r 0 3 -边。 虽然大部分区域已 经被研究过， 本文中得材料成分大 致分布在二次方区域。 浙江大学硕士学位毕业论文 ，、 必丫.叫“.、 a fa m 叫 p m n 打 0 户 de d 娜u n p d e d c b ic 娜， 十.1! 母j口刃饭吕峨 策 f夕 r e la r q 岁 砷 沪p e x o t n _ o r p s e u a a c u b ic 7 喊 劝 】 自 自 t o加即. n o r rn d p 执z o 溯铆。 赶曹2份艺七普遥，0 i 协 舞 拍 摧jo 臼 ， (.1 7 6 于 呜 ” m o le (x) p t 0 4。 石 ( a ) 图2 - 1 ( a )室温 卜 p l z 丁 相位图 ( b ) ( b ) p m n - p t 温度相关相位图 2 . 2 . 2 材料制造过程 陶 瓷 制 造过 程中 使 用到了 一 套 单 轴的 热 压系 统 ( t h e r m a l t e c h n o lo g y ,m o d e l h p 5 2 - 0 9 1 4 - s c ) 。 该系统是全计算机控制的， 能够制造直径4 英寸的 优质陶瓷材 料。利用金刚砂可以在空气/ 真空中加热元素到 1 5 0 0 0c 。电 动机驱动的水压系统 最大提供2 5 吨的压力。 基于数字微处理器的自 动温度控制系统， 其中p t - r h ( b 型)热电祸作为温度传感元件。 铁电陶瓷的传统做法是由 各种氧化物粉末合成的; 然而，电 光材料粉末采用 化学沉降法更为合适。 电光陶瓷材料需要t 匕 非光学材料更高的纯度和一致性， 因 为光相比电 对不一致性更为敏感。 在p l z t的制造过程中，高纯度液态有机金属 ( 四丁基钻酸盐和四丁基钦酸 盐) 首先在高速搅拌器中和氧化铅进行预混合， 然后加入醋酸钢使之沉淀， 搅拌 的时候加入水溶性溶液。 结果溶液被分成悬浮的混合氧化物和溶解在酒精溶液的 氢氧化物， 在大约8 0 条件下烘干。 随 后的步骤包括( 1 ) 5 0 0 下锻烧粉末1 6 小 时，( 2 ) 湿磨法几个小时改进一致性， ( 3 ) 干燥， ( 4 ) 冷压粉末。到这一步为止，己 经做好了热压的准备。 p mn - p t或 p z n - p t的制造过程和p ut完全一直，除了 开始使用相应的有机金属材料。 单轴热压法被用于制造光学性能陶瓷材料。 原料粉末被放在s i c模具中周围 都是耐火材料颗粒 ( 氧化镁或氧化错) ，以组织高温条件下原料和周围材料发生 反应。在热压循环的加热部分，棒条被抽空后回灌氧气。典型的热压条件是 浙江大学硕士学位毕业论文 ( a ) 图2 1 ( a ) 室温fp l z t 相位图 2 2 2 材料制造过程 ( b ) ( b ) p m n - p t 温度相关相位图 陶瓷制造过程中使用到了一套单轴的热压系统( t h e r n l a lt e c h n o l o g y , m o d e l h p 5 2 0 9 1 4 s c ) 。该系统是全计算机控制的，能够制造直径4 英寸的优质陶瓷材 料。利用金刚砂可以在空气真空中加热元素到1 5 0 0 。c 。电动机驱动的水压系统 最大提供2 5 吨的压力。基于数字微处理器的自动温度控制系统，其中p t r h ( b 型) 热电耦作为温度传感元件。 铁电陶瓷的传统做法是由各种氧化物粉末合成的：然而，电光材料粉末采用 化学沉降法更为合适。电光陶瓷材料需要比非光学材料更高的纯度和一致性，因 为光相比电对不一致性更为敏感。 在p l z t 的制造过程中，高纯度液态有机金属( 四丁基锆酸盐和四丁基钛酸 盐) 首先在高速搅拌器中和氧化铅进行预混合，然后加入醋酸镧使之沉淀，搅拌 的时候加入水溶性溶液。结果溶液被分成悬浮的混合氧化物和溶解在酒精溶液的 氢氧化物，在大约8 0 。c 条件下烘干。随后的步骤包括( 1 ) 5 0 0 。c 下煅烧粉末1 6 小 时，( 2 ) 湿磨法几个小时改进一致性，( 3 ) 干燥，( 4 ) 冷压粉末。到这一步为止，已 经做好了热压的准备。p m n p t 或p z n p t 的制造过程和p l z t 完全一直，除了 开始使用相应的有机金属材料。 单轴热压法被用于制造光学性能陶瓷材料。原料粉末被放在s i c 模具中周围 都是耐火材料颗粒( 氧化镁或氧化锆) ，以组织高温条件下原料和周围材料发生 反应。在热压循环的加热部分，棒条被抽空后回灌氧气。典型的热压条件是 浙江大学硕士学位毕业论文 1 2 0 0 1 3 0 0 。c 、2 0 0 0 p s i 气压下超过1 0 个小时。热压之后，从模具中抽出棒条并 抛光以进行光学检验。图2 2 为热压o p t o c e r a m i c 材料的圆芯和晶片形式。 在整个制作过程中要求最严格的两个步骤是粉末制备和烘烤，其中前者最为 重要。虽然粉末的很多可测量特性，诸如微粒尺寸，表面积，成分，晶体结构和 形态都比较容易确定。但是粉末活性( 在温度提升时微粒分散和结合的趋势) 才 是最重要的特性。事实上，各种不同的化学制备技术的目的是为了增加粉末活性， 由此才能获得零孔隙率和最大化学一致性。 2 1 3 材料特性 图2 - 2 热压o p t o c e r a m i c 圆芯和晶片 热压法制成的p l z t 和p m n p t 的多晶体结构可以从图2 3 的x 光衍射模式 中看出。唯一的晶体相位是没有二阶相位的钙钛矿结构。这是获得透光铁电陶瓷 的必要条件。除了所有尖峰往更大的衍射角度移动了之外，p m n p t 和p l z t 拥 有几乎相同的x 光衍射模，这表明p m n p t 的晶格常数比p l z t 要略微小一些。 多晶体的特性使得o p t o c e r a m i c 材料结构均匀一致，从而和偏振无关。这一特点 免去了在器件设计和制造过程中因为单晶材料的晶体方向性带来麻烦。 浙江大学硕士学位毕业论文 图2 - 3p l z t 和p m n - p t 透明陶瓷材料x 光衍射曲线 热压p l z t ( 9 5 6 5 3 5 ) 和p m n - p t 陶瓷的电滞回环如图2 - 4 ( a ) 和2 - 4 ( b ) 所示。 这些数据实在一个相对较低的电场下测得的( 大约是通常测量p l z t 电压的一 半) 。从图可以看出p m n - p t 活性更大，因此在低压时比p l z t 率先进入偏振饱 和。由于电偏振和电光属性紧密相关，这也就意味着p m n p t 拥有更高的电光 系数。同样需要引起注意的是p m n p t 材料几乎没有很明显的迟滞效应，或者 说是增强和减弱电场时候两条曲线的不同。迟滞效应的削弱是器件制造的一大优 势。 透明电光陶瓷的电特性和光特性与微粒尺寸是紧密相关的。微粒的大小受到 制造过程中的热压温度和时间控制。如图2 5 是p l z t 热侵蚀过程中的微缩图像。 可以清晰的看到并测量微粒的大小。表2 - 1 列出了各种不同微粒大小的p m n p t 和p l z t 材料的电特性和光电特性。 纛自l 秘镪翻辎蝴) ( a ) 图2 _ 4 i + j ；- 嗣 ， j i f 。 一参 矽 畸 。一 ；谬i ! 醪 。鬻。- ，游 嚣；j 匿晦鳓簿彝e 瓣蝴l r b ) p l z t ( a ) 和p m n - p t ( b ) 陶瓷材料的电滞特性 簖冀囊眷瓣葡麓祀罄 浙江大学硕士学位毕业论文 图2 - 5 不同微粒大小的o p t o c e r a m i c 样品 表2 - 1 控制微粒大小的p m n p t 和p l z t 的介电和电光特性 材料 p m n - p tp l z t 烘烤温度( ) 1 2 0 0 1 3 0 01 3 0 01 2 5 01 1 5 01 0 5 0 微粒大小( g m ) 3 71 61 0 5 4 介电常数 l k h z 2 0 ，0 0 0 - 2 5 ，0 0 0 _ 4 ，6 2 6 4 ，5 7 9 4 ，3 7 7 介电损耗( 呦 l k h z 3 5 _ 3 7 3 5 3 5 f 。( v p m l ( 光路1 4 m m ) 0 1 7 5 0 2 8 - 0 5 50 5 90 5 9 图2 - 6 为p l z t 和p m n p t 的介电常数随温度变化盼隋况。当p l z t ( z r t i 比为6 5 3 5 ) 中镧的浓度从9 增加到1 0 ，如图2 - 6 ( b ) 所示，峰值介电常数从9 4 5 0 减少到8 0 0 0 ，峰值温度从7 0 。c 降至5 3 。对于一般的铁电陶瓷，居里温度的定 义是物质从铁电相变为顺电相时的温度，或者说是介电常数的峰值处。如图2 - 6 f b l 中改进型p m n - p t 在不同频率下( 从o 1 到1 0 0 k h z ) 介电常数和介电损耗随温 度变化的曲线。介电损耗数据轴位于图的右侧。p m n p t 材料频率越低介电常数 越高，当测量频率上升时介电常数单调下降。p m n p t 的介电常数比p l z t 高2 3 倍。 1 6 浙江大学硕士学位毕业论文 幽|一 瞥 辫蛰隘 固怒落 渍 n 露露 基 瓷 ( a )( b ) 图2 - 6p l z t 和p m n p t 介电常数与温度关系( a ) p l z t , ( b ) p m n p t o p t o c e r a m i c 材料在很宽的频谱范围拥有非常出色的透光性，大概从可见光 到中红外。如图2 7 所示1 4 5 m m 厚p m n p t 晶片3 0 0 1 8 0 0 n m 波长传输光谱。 测量中用到了分光计( s h i m a d z uu v - 3 1 0 1 p c ) 。材料折射率在测量频谱内从2 3 到2 5 变化，所以在空气陶瓷表面要考虑折射损耗。图2 7 中插入的小图是p l z t 晶片3 0 0 1 8 0 0 n m 和2 8 3 t t m 重新描绘的传输曲线。后者是用伯金一埃尔默 ( p e r k i n e l m e r ) 9 8 3 红外分光光度计测量得到的。虽然没有测量图2 7 中插图的 整个波长范围，但是在几个特选的波长处的透光性和p l z t 相似甚或略好于之。 蝴嘲叫b 捌h 图2 71 4 5 m m 厚p m n - p t 晶片传输光谱( 插图为p l z t 光谱) p m n p t 是一种二次克尔( k e r r ) 电光材料。图2 - 8 为p m n p t 和p l z t 样 品在1 5 5 0 n m 波长处相位延迟( 相移) 和外加电场的函数关系。相位延迟变量记 为r ，计算方式如下： r ：r d n 3 - r e 2( 2 1 )l = i ，i l 其中r 为电光系数，n 为光折射率，丑为波长，t 为光在物质中传播的路径长度。 -o善i摹g；=苦 拦i丹萋8兽嚣奎鼍鞋毒口曩畿 浙江大学硕士学位毕业论文 根据式2 1 ，可以推算出p m n p t 和p l z t 在室温下各自的电光系数为1 3 3 1 0 1 6m 2 2 和2 8 t 0 1 6m 2 n 2 。目前p m n p t 可获得的最大电光系数为2 8 1 0 1 6m 2 v 2 。 图2 - 81 5 5 p m 波长处p m n p t 相位延迟( 相移) 一电场关系图 与p l z t 相比，p m n p t 的场感应损耗更低，即所谓活化损耗，如图2 - 9 所示。 活化损耗会降低器件在半波电压v n 附近的性能。 剽黼蜷缱蠛静酗嘲嘧 图2 - 9p l z t 和p m n - p t 的活化损耗 o p t o c e r a m i c 材料的一个重要属性就是响应速度快。作为电光效应成因的电 子和离子的移动速度比液晶材料中分子的移动速度快许多。利用o p t o c e r a m i c 材 料制成的器件响应速度可以达到亚微妙级。如图2 - l o ( a ) 所示o p t o c e r a m i c 薄膜材 料制成的一种测试结构的开关速度大约是1 0 n s 。同样的方式测得块状材料的开 关速度小于l o o n s ( 图2 - 1 0 ( b ) ) 。必须指出的一点是响应速度的测量受驱动电路 的影响很大；因此测得的速度并不能完全代表材料固有的速度。 浙江大学硕士学位毕业论文 ( a ) o p t o c e r m i c 薄膜，1 0 n s( b ) o p t o c e r a m i c 块状，l o o n s 图2 - 1 0 o p t o c e r a m i c 材料测试结构的开关速度 2 2 应用o p t o c e r a m i c 制成的器件 在光网络领域中动态光器件的控制作用是举足轻重的，尤其在密集波分复用 ( d w d m ) 系统中，可以有效的改进网络的速度、容量、适应性和可靠性。光 信号的控制方式包括机械、热、磁和电等手段。除了机械方式，其他的控制方式 都是基于控制光线传播媒质的折射率来实现的。通过控制折射率，所有的特性， 比如光强、相位和偏振方向，都可以通过合适的光学组件h v y , j 来控制。 热光器件利用了折射率与材料温度的相关性。然而即使热光器件的光学特性 十分诱人，它们的响应时间却很慢，可靠性也并未得到证实。串扰是热光器件的 另一个有争议的问题。磁光材料在无源光隔离器和锁存器中得到了成功的应用， 但是对于动态器件应用，磁光材料需要电流驱动电磁以调节磁场的方式使得它不 适合这一领域。电光材料通过外加电场控制材料的折射率不失为一种方便的手 段。由电光材料制成的器件提供优异的光学特性和高速的响应。 o p t o c e r a m i c 材料优异的光学和电光属性，特别是透明电光p m n p t 陶瓷， 是一种理想的动态光器件材料。本小节以下部分将介绍由o p t o c e r a m i c 材料制造 的动态光器件。 2 _ 2 1 可变光衰减器( v o a ) 电控可变光衰减器( v o a ) 在控制整个网络中光信号水平都起到十分重要的 作用。主要的应用有：( 1 ) 预加重。在d w d m 传输中，各个通道的光线在进入单 根光纤之前要进行光强均衡。( 2 ) 通道平衡。在增加减少网络节点的时候，通道 浙江大学硕士学位毕业论文 均衡是必须的，因为来自网络中各个节点的光信号是不相关的。( 3 ) 光自动增益 控制。在掺铒光纤放大器之间同时衰减多波长就可以调节不同跨距的放大器增 益。这一能力优化了整个传输过程中的光能水平，也削弱了光强改变引起的 e d f a 增益谱倾斜。v o a 可以和其他设备组成新的用途。除了网络应用之外， 仪器制造商对v o a 的需求也大量增加。例如，在可调协激光仪器中v o a 可以 使发射源在发射谱宽内保持光强恒定。 高电光效应的o p t o c e r a m i c ( o c ) 材料使得非波导腔的自由空间形式的器件成 为可能。在我们的设计中，光线沿垂直o c 材料表面的方向入射，这样做的优势 是插入损耗小、偏振相关性低。器件的结构和广泛应用的网络组件光隔离器相类 似。光线经过输入瞄准仪进入，穿过o c 元素，然后经输出瞄准仪输出。改变外 加至o c 元素上的电场可以进行衰减控制一实质上就是改变了材料的折射率。图 2 - 1 1 为e e l i p s e t mv o a 器件的结构示意图。该封装的v o a 底面积仅为6 5 m m 2 ( 1 0 6 5 6r r l m ，不包括光纤探测器) ；因此，把它们以阵列形式安装到多通道 网络中去十分方便。 图2 - 11 v o a 结构示意图以及e c l i p s e t mv o a 器件 v o a 的典型动态范围是2 5 d b ，更好的可以达到3 5 d b 典型的波长相关损耗 ( w d l ) 和偏振相关损耗( p d l ) 在1 5 d b 衰减时为0 2 5 d b ( 最小0 。l d b ) ，插入损耗 小于0 6 d b ( 最小0 3 d b ) 。材料的基本响应时间小于l g s ；如此高速的响应使得 实时闭环控制系统成为可能，由此抑止了温度相关性并带来了根据实时光强精确 控制衰减量的好处。表格2 - 2 总结了o p t o c e r a m i c 制造的v o a 的性能参数。材 料固有的响应速度可以用来调制频率上兆赫兹的信号，合适用作信道监控，图 2 1 2 为1 m h z 光调制的v o a 。随着高速v o a 技术的到来，网络设计者可以在光 信号解复用的过程中避免昂贵的开销和较大插入损耗，却又能增加网络节点之问 的控制信息流程。通过使用高固有速度材料的v o a ，可以在不增加设备开销的 浙江大学硕士学位毕业论文 前提下同时控制信号能量水平和实现调制机制。 在远距离通信系统中，设备的可靠性十分的重要。简单的微光设计和陶瓷材 料的耐久性使得o p t o c e r a m i c 器件有着出色的可靠性。通过t e l c o r d i a9 1 0 ，1 2 0 9 和1 2 2 1 协议测试的v o a 器件得到了出色的测试结果。例如，在8 5 。c 和8 5 相 对湿度的条件下经过1 0 0 0 多个小时之后被测元件的插入损耗仅改变o 。1 5 d b 。同 样的，在一4