（电磁场与微波技术专业论文）新型电光调制器中多包层波导特性分析.pdf

中文摘要 摘要：无论是建设高速密集波分复用光纤网，还是实现光纤到户，都需要有廉价 的光电子器件作为支持。可是光调制器昂贵的价格严重制约了光通信的推广和应 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，都 需要探索、研究出性能优良，价格低廉的高速电光调制器。 本论文主要研究了一种新型高速电光调制器的重要组成部分一多包层波导的 基本特性，主要工作和创新点如下： 1 阅读了大量国内外文献，掌握了新型电光调制器的原理、研究意义及发展 现状，研究分析了多包层光波导目前的应用进展和具体的分析方法。 2 深入分析新型电光调制器的重要组成部分一多包层光波导的特性；推导出 调制器中四包层光波导结构的特征方程，分析包含i t o 、聚合物的多包层光波导的 传输常数及其模场分布，获得了第一包层厚度、i t o 电极厚度和聚合物薄膜镀制厚 度的最佳取值范围；分析了该多包层光波导的色散特性，并获得了相对应的色散 曲线，研究色散对多包层光波导的影响。 3 分析了包含i t o 、聚合物的多包层光波导中写入光纤光栅并加上调制电压 后聚合物的折射率，调制电压与折射率变化三个分量的关系，并获得了光纤光栅 谐振波长的变化规律；分析了外加调制电压的大小对光纤光栅谐振波长的影响， 由此计算得到满足消光比条件下的最小调制电压，为基于光纤光栅多包层光波导 结构的新型电光调制器的制作参数提供了理论基础。 4 进行了多包层光波导的相关实验，确定了光纤轴向侧面研磨来获得所需多 包层光波导第一包层的实验方案，获得了第一包层厚度变化以及外包层折射率变 化情况下，多包层光波导纤芯芯层所写入光纤光栅谐振波长和相关特性的变化规 律，为基于光纤光栅多包层光波导结构的新型电光调制器的制作参数提供了实验 依据。 关键词：多包层光波导；传输常数；i t o 电极；聚合物薄膜；调制电压；谐振波长 分类号：t n 9 2 9 1 1 j 匕塞交通太堂亟堂焦i 金室 一旦曼! b ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：i n e x p e n s i v eo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e sa r en e e d e dt os u p p o r tt h eb u i l d i n go f h i g h - s p e e d d e n s ew d mo p t i c a lf i b e rn e t w o r ka n dt h er e a l i z a t i o no ff 订h ( f i b e r - t o - t h e h o m e ) b u tt h eh i g hp r i c eo fo p t i c a lm o d u l a t o rh a ss e r i o u s l yh a m p e r e dt h e p r o m o t i o no fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n da p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pak i n d o fh i g h s p e e de l e c t r o - o p t i c a lm o d u l a t o rw i t hl o wc o s tb u tg o o d p e r f o r m a n c es oa st om e e tt h ec u r r e n tn e e do fr o u t en e t w o r ka n dt h ef u t u r en e e do ft h e f 兀h t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e dt h eb a s i cp r o p e r t i e so fm u l t i c l a d d i n gw a v e g u i d ew h i c h i sa ni m p o r t a n tp a r to fan e w h i g h s p e e de l e c t r o o p t i c a lm o d u l a t o r 弧em a i ns t u d i e s a n di n n o v a t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 l e 锄e dt h ep r i n c i p l eo ft h en e we l e c t r o - o p t i c a lm o d u l a t o r , s t a t u sq u oo fi t s d e v e l o p m e n ta n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h e sc o n c e r n i n gi tb yr e a d i n gag r e a t n u m b e ro fl i t e r a t u r e s ；s t u d i e dt h es t a t u sq u oo ft h ea p p l i c a t i o no fm u l t i - c l a d d i n g w a v e g u i d ea n dt h es p e c i f i cm e t h o d so fa n a l y s i s 2 d e e p l ya n a l y z e dt h ep r o p e r t i e so fm u l t i - c l a d d i n gw a v e g u i d ew h i c hi sa n i m p o r t a n tp a r t o ft h en e wm o d u l a t o r ；d e d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c e q u a t i o no f f o u r - c l a d d i n gw a v e g u i d es t r u c t u r ei nt h em o d u l a t o r , a s c e r t a i n e dt h eb e s tr a n g ef o rt h e t h i c k n e s so ft h ef i r s tc l a d ，i t oe l e c t r o d ea n dp o l y m e rc o a t i n gb ya n a l y z i n gt h e t r a n s m i s s i o nc o n s t a n ta n dt h em o d ef i e l dd i s t r i b u t i o no fm u l t i c l a d d i n g ；a n a l y z e dt h e d i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i c l a d d i n gw a v e g u i d ea n do b t a i n e dt h e c o r r e s p o n d i n gd i s p e r s i o nc u r v e 3 a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e f r a c t i v ei n d e xo fp o l y m e r , m o d u l a t i o n v o l t a g e sa n dt h ec h a n g e so fr e f r a c t i v ei n d e xa f t e rf b ga n dm o d u l a t i o nv o l t a g ea r e a d d e dt ot h em u l t i c l a d d i n gw a v e g u i d ec o n t a i n i n gi t oa n dp o l y m e ra n do b t a i n e dt h e c h a n g i n g r u l eo ff b gr e s o n a n tw a v e l e n g t h ；a n a l y z e dt h ei m p a c to fm o d u l a t i o n v o l t a g e sm a g n i t u d eo nt h er e s o n a n tw a v e l e n g t ho ff b ga n dc a l c u l a t e dt h em i n i m u m m o d u l a t i o nv o l t a g et h a tc a nm e e tt h ec o n d i t i o no ft h ee x t i n c t i o nr a t i o ，w h i c hp r o v i d e s t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h en e wm o d u l a t o rb a s e do nf b g m u l t i - c l a d d i n gs t r u c t u r e 4 c a r r i e do u ts o m ee x p e r i m e n t sc o n c e m i n g m u l t i - c l a d d i n gw a v e g u i d ea n ds e tu p t h ee x p e r i m e n tp r o g r a mo fo b t a i n i n gt h ef i r s tc l a d d i n go ft h ed e s i r e dm u l t i c l a d d i n g w a v e g u i d et h r o u g hf i b e ra x i a l s i d er u b b i n g ；o b t a i n e dt h ec h a n g i n gr u l eo fr e s o n a n t w a v e l e n g t ho ft h ef b ga d d e di n t ot h ec o r eo fm u l t i - c l a d d i n gw a v e g u i d ea n dt h e c h a n g i n gr u l eo fi t sr e l a t e dp r o p e r t i e s ，w h i c hp r o v i d e st h ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h e d e v e l o p m e n to ft h en e wm o d u l a t o rb a s e do nf b gm u l t i c l a d d i n gs t r u c t u r e k e y w o r d s ：m u l t i c l a d d i n gw a v e g u i d e ；t r a n s m i s s i o nc o n s t a n t ；i t oe l e c t r o d e ； p o l y m e rc o a t i n g ；m o d u l a t i o nv o l t a g e s ；r e s o n a n tw a v e l e n g t h c i a s s n 0 ：t n 9 2 9 1 1 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字同期：勿8 年 刀8 年彦月z 日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高夜签字日期：z 吣年6 月夕日 致谢 本论文的工作是在我的导师裴丽教授的悉心指导下完成的，裴丽教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来裴丽 老师对我的关心和指导。 裴丽教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向裴丽老师表示衷心的谢意。 裴丽教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，赵瑞峰、魏环等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 本章主要介绍了高速电光调制器的研究意义及目前电光调制器领域已有的研 究内容和发展状况，以及多包层光波导的应用进展。根据目前的状况，本论文提 出了一种新型的基于光纤光栅的高速聚合物电光调制器，最后简要地介绍了本论 文的主要研究工作。 1 1 研究高速电光调制器的意义 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， 光纤通信凭借着其频带宽、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。在光纤通信中，信息由激光器发出的光波所携 带，光波就是载波，要实现信息的传输，首先必须把信息加载到光源发射的光波 上，这一过程就是调制。光调制器就是实现从电信号到光信号的转换的器件。光 调制器可利用的物理效应包括电光效应、声光效应、磁光效应、热光效应以及非 线性光学效应，其中利用电光效应的调制器是最多的。 利用电光效应实现光调制的器件称为电光调制器，它利用调制信号在调制器 中产生的电场来改变器件的折射率，从而改变通过器件中光的相位，达到调制的 目的。电光效应有线性电光效应( 普克尔效应) 和非线性二次电光效应( 克尔效应) 。 在一般情况下，前者比后者强，因此最常采用的是线性电光效应。常用作线性电 光调制的晶体有a d p 和l i n b 0 3 晶体等，这些晶体在加上外加电场后折射率将会 发生变化。 目前高速光纤通信系统正在蓬勃发展，建设高速密集波分复用( d w d m ：d e n s e w a v d e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 光纤网已经成为当前光纤通信技术发展的主要方 向和构筑信息社会的重要基础，光通信的持续发展和不断更新换代对其中光通信 器件的性能也不断提出新的要求。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( 硎：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l 。 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10 g b 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，都需要探索、研究出性能优良， 价格低廉的高速电光调制器。 1 2 高速电光调制器的发展现状 我国从“七五 攻关开始，到此后的国家8 6 3 计划中，高速电光调制器一直 占据了研究内容和支持力度的显著位置，期间浙江大学“g a a s 共平面结构新型超 高速光调制器研究 项目与日本东京大学多田邦雄教授合作，利用了多田研究室 先进的实验设备及材料，联合研制成带宽达3 0 g h z 以上的超高速光波导调制器： 上海交通大学光学和光电子学研究所在发展新型有机光波导器件以及高速铌酸锂 衬底的波导电光调制器方面，主要研究内容有聚合物波导电光调制器和1 0 g h z 以 上带宽的铌酸锂调制器的研制等，但都未有实用化的进展。同时还有一些具有远 见的企业家对铌酸锂调制器的研制投入了数以千万计的资金，但仍未获得成功。 国际上制作电光调制器的技术有很多，主要有铌酸锂( l i n b 0 3 ) 光外调制器， 电吸收( e a ) 光调制器，聚合物薄膜光调制器等。 铌酸锂光外调制器具有带宽较宽、可抑制啁啾性能、波长独立性等优点，是 用于高速光通信系统最有希望的器件，已成为国内外研发的热门器件之一，目前 全世界仍在投入大量人力和物力研究高性能的铌酸锂光外调制器。 铌酸锂光外调制器的研究方向主要集中在以下三个方面： 1 光时分复用( o t d m ：o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) 调制器； 2 非偏振依赖调制器； 3 低驱动电压调制器； 日本利用宽带隙、长共面波导( c p w ) f e 极结构的l i n b 0 3 光外调制器已可实现 4 0 g b s 的信号调制，其驱动电压仅为0 9 v 。美国康宁公司已研制出用于4 0 g b s 网络的高速铌酸锂调制器，并具有极佳的电光性能：驱动电压低，典型插入损耗 3 5 d b 及零啁啾等。随着半导体调制器研究的日趋成熟，在实际中广泛应用的大多 是铌酸锂m z 电光调制器，这类调制器通过相速度匹配和减少损耗，可实现对其 调制电压、调制带宽的改善。现在，4 0 g b s 光传输系统的调制器已经商用化，最 2 近已有用于电的单信道速率为1 6 0 g b s 传输系统的调制器的报道【2 卅。在2 0 0 3 年基 于铌酸锂技术的调制器占了总市场的6 4 ，但其最大的问题就是其带宽的提高相 对困难，价格一般是数千美金，并且一直居高不下。到目前为止，我国铌酸锂高 速光调制器仍然需要引进，不仅花费大量资金，而且也严重影响了我国光纤通信 的发展和推广应用。 电吸收光调制器由于其体积小、驱动电压低等优点，是继铌酸锂调制器之后， 国际上普遍认为又一种比较有发展潜力的调制器，目前也在大力研制中。以 4 0 g b i t s 等超高速应用为目标的电吸收调制器，其结构、产品形式和性能特点因研 发单位而异。文献报道的器件既有单一的调制器，也有与激光器等光器件单片集 成的产品；既有集总电极的常规电吸收调制器，也有行波电极的电吸收调制器。 通常基于电吸收的调制器的输出功率被限制在小于l d b m 的范围内，最近经过改 进，在光通信波长1 5 5 0 n m 处单片集成的1 0 g b i t s 和4 0 g b i t s 的电吸收调制器输出 功率均有显著提高，可以达到2 5 d b m 。同时利用5 0 q 的匹配阻抗的行波电光吸收 调制器的3 d b 带宽已可达到9 0 g h z ，调制速率高达1 0 0 g b i t s t 7 o l 。但人们希望将 激光器与电吸收调制器集成在一起。我国在“8 6 3 计划中，电吸收调制器也是研 究的重点，国家“9 7 3 的重大研究项目计划中，电吸收调制器己被列为重点研究 内容，但是目前来看，仍未取得实用化突破性的进展。 聚合物薄膜光调制器是近几年才出现的新型调制器，其调制带宽、驱动电压 都能达到4 0 g b s 等超高速系统运用的水平，因此倍受关注。目前随着合成技术的 不断提高，具有好的热稳定性和高的光学非线性的新型聚合物材料已成功合成。 由于同铌酸锂材料相比，聚合物材料具有大的电光系数、快的响应速度，并且可 在各种衬底上制成多层结构的特性，因此聚合物材料具有比铌酸锂材料更加优越 的性能，自出现以来发展也十分迅速。应用聚合物薄膜的光电特性来实现高速光 调制的技术，国外已有众多相关报道。最近，聚合物调制器已可实现1 1 0 g h z 的调 制带宽，小于1 v 的驱动电压。但至今为止，聚合物调制器仍未达到实用化的要求， 目前我国在聚合物调制器方面的研究才刚刚起步。对未来的光网络来说，集成化 是必然的发展趋势，对器件的尺寸的要求也越来越苛刻。有机聚合物是当今公认 的最具挑战意义的一种新型非线性光学材料，并且由于其自身的优点，正在成为 人们关注的焦点。使用聚合物电光材料制成的有机电光调制器将在未来的光通信、 光信息处理领域发挥越来越重要的作用。 1 3 有机聚合物电光调制器的研究进展 有机聚合物波导器件从1 9 9 0 年问世以来，就倍受全世界业内人士的瞩目，发 展也十分迅速，并且有机聚合物波导也被公认为最具有潜力、并有望制成超高速 电光调制器的一种材料，这都是与有机聚合物电光材料自身具有的优点息息相关 的。 基于高速电光调制器在光纤通信系统中的重要地位和其目前的发展状况，本 论文提出了基于光纤光栅的高速聚合物电光调制器的新构思：利用有机聚合物相 对于晶体材料具有大的电光系数、快的响应速度以及可在各种衬底上制成多层结 构的特性，在光纤光栅上镀制有机聚合物薄膜而形成高速电光调制器，利用聚合 物材料高的电光调制特性改变光纤光栅的中心谐振波长。这种新型的基于聚合物 的高速电光调制器是一种具有原创性的新型调制器，不仅具有调制速率高的特点， 而且偏振无关，可以直接与光纤光栅激光器和传输光纤相连接，大大降低了插入 损耗。 目前，商用激光器的中心波长已经可以非常稳定，这就为光纤光栅的谐振波 长与激光器波长的精确对准提供了保证。此外，加入反馈系统来调整并锁定静态 时的直流偏置电压，使光纤光栅的谐振波长正好与激光器的波长相同，此时无激 光输出。当外加信号电源时，光纤光栅谐振波长与激光器的波长偏离，此时激光 信号输出，这样就实现了光信号的0 1 0 1 的信号输出，达到了高速调制的目的。 这种基于光纤光栅的高速聚合物电光调制器构思新颖，为全光纤型调制器， 与光纤的耦合容易，并具有结构简单、集成度高、偏振无关，可实现用较低的功 率的微波微带电路进行高速调制的特性【l l 一2 1 。 1 4 多包层光波导的应用进展 研究聚合物电光调制器，首先要分析多包层光波导的结构特性，目前含有多 包层光波导结构的光电子器件有着非常广泛的应用。随着光纤应用范围的日益扩 大，对于光纤性能提出了许多新的要求。比如为了对光纤的色散进行补偿，就开 始寻求所谓的色散补偿光纤d c f ；为了使光纤的零色散点和最低损耗点都处于 1 5 5 u m 波段，就开始寻求色散位移光纤d s f ；为了能够在较宽的波段内光纤的色散 变化不大，就要研制色散平坦光纤；为了能够使色散、损耗及非线性都比较小， 又开始研制非零色散位移光纤( 大芯径光纤) ；为了用光纤制造一些特殊的光纤器 件，需要高非线性光纤h n l f 等。所有这些光纤，基本都是采用增加包层来改变光 纤结构的1 1 3 叫引。此外，近年来对于光纤有限包层所带来的“包层模式 的传输问 题人们也极为重视，因为这些模式带来了很多有趣的新现象【l s 】。所以，多层圆 均匀光波导的理论、方法等都成为人们关注的热点，受到普遍的重视。 4 众所周知，光网络的发展日新月异，究其原因是用户对语音、数据、图像业 务的需求按指数率增长。为了使光纤适应通信系统和有源、无源器件超高速、超 长距离超大容量的发展要求，国内外著名光纤通信技术研究机构和知名光纤厂商 不断对光纤的几何尺寸、传输性能、机械强度、环境性能及材料进行细致的研究 探索，近年来取得一个又一个可喜的成果，推出了一系列新产品，既保证了光纤 的创新步伐与系统、器件的飞速发展同步，又满足了光纤通信技术整体的发展要 求。光波导是比光导纤维更为广泛的概念。影响光波导传输特性的，主要是折射 率的空间分布。根据光波导的折射率的空间分布的均匀性，进行如下分类： 线性光波导 纵向均匀的c 正规光波导) 鬟昌靠篙骂芝靠耄蓦荛薹导) 纵向非均匀的( 非正规光波导) 迅变光波导 f 缓变光波导 i 突变光波导 均匀光波导是正规光波导的一种，它的折射率分布不仅沿纵向是均匀的，而且 沿横截面的分布也是分区均匀的。其横截面的折射率分布有平面的也有圆面的。 光导纤维基本是围绕着圆光波导折射率分布的不断改进而发展的。最早出现 的多模光纤是一种二层均匀圆光波导，它只包含一个芯层和包层。后来由于这种 光纤有很大的模间色散，为了减少这种色散，出现了梯度光纤。这种光纤的芯层 折射率按平方率下降分布，可使不同模式的传输常数的差异减小，提高传输速率。 为了彻底消灭模间色散，人们进一步研制出单模光纤。后来，为了使色散最低的 波长和损耗最低的波长相一致，又出现了色散位移光纤( d s f ，d i s p e r s i o ns h i f t f i b e r ) ，它是三层或四层的圆均匀光波导。近年来，为了对光纤进行色散补偿，又 出现了具有多层结构的圆均匀光波导，色散补偿光纤( d c f ，d i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nf i b e r ) 就是其中一种。目前，大有效面积光纤、塑料光纤、包层泵 浦技术、红外光纤、光子晶体光纤等的发展也是人们对光纤横截面折射率分布的 进一步研究所取得的成果。对多包层圆均匀光波导的分析对获得所需不同特性的 特殊光纤以及光器件的研究具有重要的意义。 本文研究的是折射率纵向均匀、横向分层均匀的圆多包层光波导。这种结构 最具有代表性，也是基础的理论模型。 1 5 本文的主要工作 本文的工作是在国家教育部新世纪优秀人才支持计划“基于可调谐微吸收环 的低损耗、低驱动电压、偏振不敏感的新型高速聚合物电光调制器研究，( 项目编 5 号：n c e t - 0 5 0 0 9 1 ) 的支持下进行的。本文主要研究这种新型高速调制器的主要组 成部分调制器中波导的多包层结构。多包层光波导在谐振滤波器，调制器， 激光器等方面具有广泛的应用，具有广阔的应用前景。 主要研究内容如下： 1 通过大量国内外文献的阅读，对多包层光波导目前的应用进展和具体的分 析方法做深入的研究分析，掌握新型聚合物电光调制器的原理、研究意义、及发 展现状的相关知识，对聚合物电光材料和i t o 金属薄膜的特性有一定的了解。 2 深入分析调制器中的重要组成部分多包层光波导的结构，利用多包层 光波导的相关知识推导调制器中的四包层光波导结构的特征方程，利用特征方程 求根的方法来求解传输常数以及模场分布，仿真工具为m a t l a b 。 3 通过以上求解传输常数的方法计算结构参数的改变对多包层光波导传输 常数的影响，由于第一包层的厚度直接影响外包层的有效折射率，首先改变包层 厚度，拟合出一条第一包层不同厚度时对应传输常数值的曲线，利用曲线分析第 一包层厚度如何影响多包层光波导的传输特性，确定厚度大小的取值范围可为今 后实验中包层研磨深度的确定提供方便。 4 同理拟合出i t o 电极的厚度和聚合物薄膜厚度对应多包层光波导传输常数 的曲线图，选取传输常数变化较快的范围为厚度选取的最佳范围，通过这种方法 可以确定这两层薄膜的厚度选取范围，为i t o 电极及聚合物镀膜实验提供准确的 参数。 5 由于调制的基本原理是谐振波长的偏移所以必须对多包层光波导芯层写 入光纤光栅，在加上调制电压的条件下讨论聚合物的折射率、调制电压与折射率 变化三者的关系，分析聚合物折射率的改变对传输常数的影响，进而可以得到调 制电压的大小对光纤光栅谐振波长的影响曲线图，借此可以计算出多大的调制电 压可以达到好的消光比。 6 由于在高速的通信系统中色散容限较小，色散对传输系统的性能影响十分 明显，所以分析多包层光波导的色散特性十分必要，本论文通过计算不同波长值 时光波导的传输常数来拟合色散曲线，分析色散是否对传输特性造成影响。 7 通过以上理论分析来进行实际的实验：( 1 ) 观察第一包层的研磨深度的大小 对外包层有效折射率的影响，利用光谱仪来分析透射谱和反射谱的变化以及光栅 谐振波长的偏移情况，并分析相应实验结果。( 2 ) 掌握i t o 薄膜镀制的方法，分析 镀膜过程的工艺特点。( 3 ) 通过将光纤光栅浸入到不同折射率的液体模拟聚合物外 加调制电压后折射率的改变，观察谐振波长的变化情况并分析其原因。 6 2 基本原理 本章主要首先对多包层光波导理论和新型调制器原理作详细的分析，随后对 多包层光波导所包括的i t o 金属电极和聚合物的电光特性等进行简要的说明，通 过多包层光波导结构理论与新型调制器调制原理相结合，确定了本文所采用的分 析依据和方法。 2 1 多包层光波导理论基础 工程中广泛应用的光导纤维，大部分可看作圆光波导。圆均匀光波导既是最 简单的一种，也是目前应用最广泛的一种。对它的研究具有普遍意义。在本文中， 本论文所讨论的是圆均匀多层光波导的特性，其横截面剖面和折射率分布如图所 示。这是一种理想的近似情况，实际工程中，每层之间的折射率不会有那么明显 的突变，光纤拉制成后其折射率分布都是要经过测量来最后确定的。其数学模型 为【1 9 】： 刀( ，) = 刀fo l r ，l l 咒 扎 ，f1【 = 1j 巳吃 + + + 哆以 。l = 1j 巴吃 + + 巴曩。l = 、， 厂 ，l 、， p ，。l 乞( ，) 吃( ，) = 厶( 旦，) 口 吃k 。( 堡，) 口 厂 口 厂 口 其中： u 2 = ( 后2 ，1 1 2 一2 ) 口2 w 2 = ( 2 - k 2 刀2 2 ) 口2 【，2 + w 2 ：v 2 ( 2 0 5 ) ( 2 - 0 6 ) 当m _ 0 时，则对于t e 模，必有口o = 6 口= o ，对于t m 模，必有c o = 吃= o 利用纵 横关系，可以求出其余各分量。采用归一化方式p = r a ，各分量在， a 时，各分量表现为： p ， 以 吃 ( 加芳 阡却，豳协 - , b w k m ( i f p )jm w l k m ( w p ) p jm f lk m ( w p ) 一胀：( 形p ) p 一j m a ) e 2k 。( p ) 一f l w k m ( i f p ) p 一缈乞陟聪( 矽p )_ ，竺笙如( 形p ) 卧叫小删 特征方程是利用场在边界上的连续条件，列出求解的方程。由于只有4 个未 知量( 口o ，吃，c o ，d o ) ，所以只需取4 个连续的条件，即： 勺 吃 乞 吃 p = l 芯层 9 叫 l l 乞i 吃j 舻咆层 ( 2 0 9 ) 哆 一 u一口一4 l、 ( 厶 秭 踟 玩 ，ili-_j【_i_l 在芯层： 在包层 二者相等 即： k 乞 吃 忆 巴 吃 m p ar 亓r ，历 u ；缈q a ， 。_ i j m j m o m p a 矿 而 m = i 一_ ，等磁 k 。 0 j 等哦 m p a7 可f m 0 j m 阡叫翻 十净二 一譬如w 上月l o k 所 ( 2 1 0 ) 芝 = k c 形， 笺 c 2 ， 彳c u ， ： 一k c 形， 芝 = 。 【彳，一k = 0 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 这就是二层圆均匀光波导的特征方程。在已知传输的波长和芯层半径以及芯 包折射率之后，u 和都是关于的函数，再由特征方程就可以求解出给定的模 式下的值。从而研究光波导中模式场的传输特性等。 二层圆均匀光波导的理论，可以很容易地推广到多层的情况。矢量法的模式 场在中心层内的表达式与二层情况基本相似，a ( p ) 矩阵中既可能包含以和j = 函 数( 砌。 ) ，也可能包含k 。和k ：函数( 概 时，矩阵的元素包含厶，以，以，二等函数， 当饥 时，矩阵的元素包含l ，k ，l ，e 等函数。 1 0 推导特征方程的第一步是先将某一层外边界的场用内边界的场表示，即 吃 巳 吃 令只( 辟) 彳1 ( 辟一。) = 墨，则 叩( 户) 口i 岛 c f d t = 暑( 辟) 彳1 ( 肛一。) 孔书 e p 吃 b z 7 l z 吃 巳 吃 ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 然后依次一层一层地将外层边界的场用内层边界的场表示，直到最内、最外 两边界。这样最外层边界的场可用最内层边界的场表示，为 吃 乞 吃 = s n s n l s 2 吃 巳 吃 ：删h l _ c lj 另一方面，在包层的模式场的表达式( 2 1 1 ) 中，令p = 1 ，可得 二者相等，得 于是，特征方程为 记q = s a ，得 玩 乞 吃 = k 阴 s ak 1 lj q q 吃 吃 l s a - k = 0 = 0 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) i ql q = 0 ( 2 2 1 ) 与两层圆光波导的特征方程形式上是相同的。同样也可以通过求解这个方程， 得到给定模式的传输常数。 2 2 新型聚合物调制器原理 由于信息高速公路的迅速发展，有线电视的普及，对高速电光调制器件的商 业需求大大增加调制就是将电信号转变为光信号，调制的方式通常有两种：直接 调制和间接调制。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。间接调制是利用晶体的电光、磁光和声光效应等性 质对光辐射进行调制，既适用于半导体光源，也适用于其它类型的光源。间接调 制最常用的是外调制的方法，即在光辐射产生后再加在调制信号，其具体办法是 在激光器输出端外的电路上放置光调制器，在调制器上加调制电压，使通过调制 器的光束得到调制1 3 引。 图2 3 新型高速聚合物电光调制器的结构图 f i g u r e2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fn o v e lh i 【g hs p e e dp o l y m e re o m o d u l a t o r 这种新型高速调制器的原理是：利用有机聚合物的特性，在光纤光栅上镀制 有机聚合物薄膜，利用聚合物材料高的电光调制特性改光纤光栅的谐振波长。静 态时，通过反馈系统调整并锁定直流偏置电压，使光纤光栅谐振波长正好与激光 器的波长相同，激光信号将会被光纤光栅反射，此时无激光输出。当外加信号源 1 2 时，由于电光效应导致聚合物折射率的改变，光纤光栅谐振波长与激光器的波长 偏离，此时有激光输出，这样就达到了高速调制的目的。 电光聚合物具有较大的电光系数，人们在过去的二十年中已经对它进行了充 分的研究，而最近已经i , - f 实使用聚合物可以制造出效果非常好的器件 2 0 - , - 2 1 1 。被极 化的聚合物的电光系数可以写成以下形式： 这里 并且 勺 = ，i 3 = 仫= 2 = 吩l r 3 323 5 3 作为电场强度的函数，聚合物折射率的变化可以写成： ( 砉) 盯= ( ) e 假设电场的形式如下式所示： 将得到： 并且： 五：吲 训 觇= 圭 ，丘 觚= q = 喜觇 ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 假设光的极化沿z 轴，那么这种经过极化调制的折射率可由下式给出： 。+ 如号 弘2 9 ， 这里v 是加到器件上的电压。因为本论文设计的波导是一个多层结构，外包 1 3 3 3 3 o 0 0 吒眨吩 0 0 o 0 0 o 0 o o o 层折射率的改变将会引起光纤光栅谐振波长的改变，从而达到调制的目的。 2 3i t o 金属电极特性 i t o ( 氧化铟锡) 透明导电膜玻璃是国际上7 0 年代初研制成功的一种新型材料。 它是制造液晶平板显示器( l c d ) 的主要材料。l c d 顺应时代发展的潮流，作为人机 接口产品而获得了高速增长。这种透明导电膜玻璃的膜层具有以下特性【冽： ( 1 ) 膜层导电性能好； ( 2 ) 膜层硬度高、耐磨、耐化学腐蚀； ( 3 ) 膜层加工性能好； ( 4 ) 膜层可见光透过率高，可达8 5 以上； ( 5 ) 膜层对紫外线具有良好的吸收性，吸收率不小于8 5 ； ( 6 ) 对红外线具有良好的反射性，反射率不小于8 0 ； ( 7 ) 对微波具有衰减性，衰减率不小于8 5 铟锡氧化物( 简称i t o ) 是半导体材料，其薄膜由于具有优良的导电性和光学 性能，引起了人们的广泛关注，在光电器件中得到了广泛的应用，诸如平面液晶 显示器、幕墙玻璃、太阳能电池、风挡玻璃等各种光电器件中得到了广泛的应用， 尤其是平面液晶显示器，i t o 薄膜已经成为平面液晶显示器中不可或缺的透明电 极材料。 i t o 薄膜在可见光( 4 0 0 - - 8 0 0 n m ) 范围内是透明的，其透射率可在9 0 以上， 而其红外光区的反射率也在8 5 以上。如此高的可见光区透射率和红外光区反射 率同低电阻率相结合，使i t o 薄膜成为典型的透明导电薄膜材料。在一定意义上 讲，将宽禁带的透明绝缘材料通过掺锡和形成氧空位转变为透明导电i t o 薄膜， 这是材料改性研究或功能设计的成功，无论在理论上还是在应用开发上都具有重 要意义【3 引。 i t o 薄膜作为金属电极，具有高电导率、可见光区透明等优良的光电特性，本 文分析了i t o 金属电极作为波导一个包层后多包层光波导的模场分布和传输常数 的特点。 2 4 有机聚合物电光材料特性 有机聚合物电光材料相对于无机材料具有很多优尉2 3 2 5 】： 1 有机聚合物材料具有低的( 2 5 4 ) 和无弥散的相对介电常数，低的介电常 数使得聚合物较半导体材料或l i n b 0 3 材料更易于实现高频特性。这使得集总型电 1 4 路设备具有低的电容，并且对于聚合物宽带行波结构使用简单的微带电路就可以 实现光波与微波的天然速度匹配，响应速度快。 2 有机聚合物材料的种类繁多，选择余地大，适用于薄膜形态应用，可以在 各种衬底上成膜并制成多层结构，并且它与半导体器件工艺的兼容性好，制作成 本低，便于加工和微处理，为单片光电子的集成提供了很大的方便。 3 有机聚合物材料可以具有很高的电光系数( 1 0 0p m v ) ，是一般晶体材料的 2 3 倍，大于等于l i n b 0 3 的电光系数3 0 p m v 。这对制作调制器十分有利，并且 还为制造新型的高速电光调制器提供了新思路。表2 1 表示出了有机聚合物材料与 半导体无机材料性能的对比。 表2 1 电光材料的性能参数对比【1 8 l t a b l e 2 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rc o n t r a s to fe om a t e r i a l s 电光系数折射率介电常数品质因子半波电压 材料 y ( p m v ) n n 3 r v l i n b 0 33 l2 2 93 01 2 42 9 4 0 g a a s 1 7 3 31 2 5 34 95 0 0 0 9 0 0 0 聚合物 5 0 1 7 , - 4 6 0 5 表2 2f f c 和c l d 发色团的物理特性【2 1 】 t a b l e 2 2p h y s i c a lp r o p e r