（物理电子学专业论文）行波型光调制器射频接口微带电路的研制.pdf

摘要 摘要 行波型光波导调制器是高速、长距离光纤通信网络系统终端设备和信号处理模块 中不可缺少的器件。光调制器的调制特性由调制微波与光波间速率匹配、行波电极的 导体损耗以及特性阻抗等参数决定，行波电极和外接微波电路是最关键的影响因素。 本文主要分析和研究光调制器中的行波电极及其外接微带电路。第一章根据高速 光通信系统的要求和直接调制固有的缺点，介绍了行波型光外调制器，讨论了其工作 原理、行波电极以及耦合封装电路等技术。第二章利用长线理论建立电极特性参数传 输线模型，分析了相位调制器主要参数，就两类强度调制器的直流和动态工作特性进 行了研究，讨论了调制器中微波与光波失配产生机理，并提出了几种改进方案。第三 章利用c s t 软件对调制器中的行波电极进行了模拟仿真，所得结果证实了已研制的调 制器行波电极可满足器件性能要求。第四章利用c s t 软件对行波型光调制器外接微波 电路进行了模拟，介绍了外接微带电路、连接器等，分析了同轴连接器的失效机理， 模拟分析了微带线几何尺寸对s 参数的影响。然后给出了器件试验结果，并与模拟结 果进行了对比分析，两者吻合较好。最后提出进一步工作建议。 关键词：光调制器耦合封装行波电极微带电路 东南入学硕f ：论文 a b s t r a c t o p t i c a lm o d u l a t o r su s i n gt r a v e l i n g w a v ee l e c t r o d e sa r en e c e s s a r ya n di n d i s p e n s a b l e f o rt e r m i n a lf a c i l i t i e sa n ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e si nh i 曲- s p e e da n dl o n g h a u lo p t i c a l f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks y s t e m s t h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c sr e q u i r e di n o p t i c a lm o d u l a t o r sa r em a i n l yd e t e r m i n e db yt h ev e l o c i t ym a t c hb e t w e e nm o d u l a t i n g m i c r o w a v ea n dm o d u l a t e do p t i c a lw a v e ，al o w e rc o n d u c t o rl o s sa n dh a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c eo ft h ee l e c t r o d e s t h e s ep a r a m e t e r sa r ei n f l u e n c e dh i g h l yb yt r a v e l i n g - w a v e e l e c t r o d e sa n dm i c r o s t r i pc i r c u i t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a v e l i n g - w a v ee l e c t r o d e sa n dm i c r o s t r i p c i r c u i t sa r em a i n l ya n a l y z e da n ds t u d i e d i nc h a p t e r1 ，t h et r a v e l i n g w a v eo p t i c a l m o d u l a t o r sf o rt h er e q u i r e m e n to fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sw i t hh i 曲s p e e da n d m i c r o w a v ep h o t o n i cs y s t e m sw i t hb r o a d b a n do p e r a t i o na r ei n t r o d u c e d ， a n dt h ei m p a c t so f t r a v e l i n g - w a v ee l e c t r o d e s ，c i r c u i t so fc o u p l i n ga n dp a c k a g eo nt h e i rp e r f o r m a n c e sa r ea l s o d i s c u s s e d i nc h a p t e r2 ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r so ft h ee l e c t r o d et r a n s m i s s i o n l i n ea r ee s t a b l i s h e db a s e do nl o n g - l i n et h e o r y t h em a i np a r a m e t e r sf o rt h eo p t i c a lp h a s e m o d u l a t o r sa r ea n a l y z e d ，a n dt h eo p r e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c si nt h ed ca n dd y n a m i cs t a t e s f o rt w ot y p e so fi n t e n s i t ym o d u l a t o r sa r es t u d i e d a tl a s ti nt h i sc h a p t e r ，t h em e c h a n i s mo f v e l o c i t ym i s m a t c hb e t w e e nt h em i c r o w a v ea n dt h eo p t i c a lw a v ei sg i v e na n dt h e c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r d i nc h a p t e r3 ，t h et r a v e l i n g - w a v ee l e c t r o d e so f t h eo p t i c a lm o d u l a t o r sa r es i m u l a t e db yc s t ，a n dt h et r a v e l i n g w a v ee l e c t r o d e sc a nm e e t t h en e e d so ft h ef u n c t i o n so ft h ed e v i c e st h r o u g ht h ec o n s e q u e n c e so b t a i n e db ys i m u l a t i o n s i nt h el a s tc h a p t e r ，t h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fm i c r o s t r i pc i r c u i t so fo p t i c a lm o d u l a t o r s a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ec o n n e c t o r su s e di nm i c r o s t r i pc i r c u i t sa r ea l s oi n t r o d u c e d t h es p a r a m e t e r si n f l u e n c e db yt h es i z e so ft h em i c r o s t r i p sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d t h e d e v i c e sa r et e s t e da n dt h er e s u l t sa r ep r o v e dr i g h tc o m p a r e d 涌t l lt h ec o n s e q u e n c e so ft h e s i m u l a t i o n s t h ew o r k sw ew i l ld on e x ta r ei n t r o d u c e da tl a s t k e y w o r d s ：o p t i c a lm o d u l a t o r ， c o u p l i n ga n dp a c k a g e ，t r a v e l l i n g w a v ee l e c t r o d e s ， m i c r o s t r i pc i r c u i t i i 东南大学学位论文独创性声明 本入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，也不包含为获得东南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 确的说明并表示了谢意。 泸器吁1 0 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名： f 1 少 水r 办 日期：珧矿矽 第一章绪论 第一章绪论 1 1 波分复用( w d m ) 光通信技术 1 1 1w d m 光通信技术的发展背景 计算机的广泛应用，促进了计算机文化的迅速提高，激发了人们对w w w 接入 和i n t e m e t 浏览的浓厚兴趣，这对日益膨胀的信息需求和对优质服务的向往又施予了 加速度【l - 3 】。现有的通信能力与信息流通的需要远远不相适应，造成通信网络容量危 机，满足市场需求成为通信业面临的首要问题。根据预测来规划电信网络规模和传输 能力，已经不太现实，因为无人可以十分准确地预测出网络的发展、信息流通量的增 长速度以及何种通信技术最有发展前景。即使预测接近实际，建设不滞后于社会需求 发展速度的新网络要花费很多时间和投资，而己经铺设光纤的巨大带宽得不到合理的 利用。 面对市场需求增长，现有通信网络规模、传输能力不相适应等多方面的问题，需 要从多种可供选择的方案中找出低成本的解决方法。缓和光纤数量不足的一种途径是 铺设更多的光纤，但这不仅受到许多物理条件的制约，也不能有效地利用光纤带宽。 采用时分复用( t d m ) 方法提高比特率来扩大单根光纤的传输容量，其前提是必须实 现更高的比特率，目前一些实验室己进行了1 6 0 g b s 乃至3 2 0 g b s 的试验，这已趋近 上限。w d m 技术利用己铺设光纤，使单根光纤的传输容量在高速t d m 的基础上成 n 倍增长，实现了扩容，迅速解决通信网络传输能力不足的问题。w d m 能够在通信 网络中广泛使用，其最主要的原因之一是掺饵光纤放大器技术的成熟、性能的完善， 满足了w d m 传输系统对其性能的要求。现在开发的各种增益平坦的宽带放大器( 如 带宽达1 0 0 n m 的光纤拉曼放大器等) 可用来放大复用数量超过1 2 8 个光波长的光信 号，是长距离光传输网络t 比特量级信息处理的关键。 w d m 技术除了能经济地使光网络获得超大传输容量之外，还有应用灵活方便的 优点。因为w d m 系统各信道上的光信号可以具有彼此独立的比特率和体系，用一根 光纤能够同时传输不同体系、不同速率( 低速、高速、超高速) 、不同业务类型( 图 像、语音、数据) 的多种信号，无论是同步数字序列( s d h ) 还是准同步数字序歹u ( p d h ) ， 东南大学硕l ：论文 无论是数字信号还是模拟信号，都无需对它们进行体系转换，保持原貌进行传输。 1 1 2w d m 光网络技术的研究与应用现状 据报道，目前w d m 传输实验系统最多已采用1 0 2 2 个波长，通道间隔仅o 1 n m ， 总容量提高到2 5 6 t b i t s 。阿尔卡特朗讯公司贝尔实验室、日本国立信息与通信技术 研究所( n i c t ) 和日本s u m i t o m oo s a k ac e m e n t 公司合作，创造了单纤2 5 6 t b i t s 的 新纪录【4 1 ，传输距离为2 4 0 k m ，5 0 g h z 信道问隔，c + l 波段共1 6 0 波道，通过偏振复 用达到3 2 0 个信道，单信道速率为8 0 g b i t s ( 由于采用f e c ( 前向纠错) ，线路速率 为8 5 4 g b i t s ) ，频谱效率达到了3 2 b i t s h z ，调制码型为r z d q p s k 。日本n t t 公司 的实验虽然总容量只有2 0 4 t b i t s ，但却创造了2 0 4 x ll1 g b i t s 的高速大容量d w d m 传输新纪录，传输距离为2 4 0 k m ( 3 x 8 0 k m ) ，系统配置是1 0 0 g h 信道间隔，单信道 速率达到1 0 0 g b i t s t 5 1 。 与w d m 相关的另一个动向是在光网络发展过程中，w d m 技术与i p 技术相结 合，使得路由器具备w d m 功能，i p 包在路由器中直接变换成光信号进行波分复用传 输，不必经由s d h 等设备，实现“i po v e rw d m ”。业界提出了t m p l s 技术，即传送 多协议标签交换技术，作为i po v e rw d m 的解决方案。t m p l s 技术的优势有：电信 级数据传送技术，支持不同技术信号的交换；面向连接；能融合任何l 2 和l 3 协议； 完全的业务扩展能力；与传统传送网络相似的端到端的维护、保护和监测等。g m p l s 则是t m p l s 的未来继承者，它和a s o n 的结合是光网络面向未来的发展趋势。a s o n 控制面的引入使光网络产生了巨大的变化，而g m p l s 则是实现a s o n 网络控制面的 最佳核心协议。它不仅提供了一种多层次的、多厂商的控制平面的互操作，还使光虚 拟专用网业务( o v p n ) 、按需带宽分配业务( b o d ) 等新类型服务成为可能。 光电子技术的低损耗、高带宽能力对于微波信号的传输和处理来说有着很大的优 势1 6 1 。近年来，宽带无线通信业务飞速发展，已采用大容量、低价位光通信系统实现 射频与微波信号光载波信号传送。微波光子学应运而生，将微波通信和光纤通信技术 有机结合在一起，集成光子技术和微波、毫米波技术，构成新的科研与技术发展领域。 微波光纤通信系统采用微波通信发射方向任意、易于构建和重构、能够与移动和手提 设备互联、传输成本低、频率利用率高以及光纤通信的一系列优点，有效避免了高频 微波信号传输时损耗大的缺陷，具有很好的研究和应用前景。最近十年，微波光子学 引起了世界各国的重视，现在专门的微波光子国际会议每年在北美、欧洲、亚太地区 2 第一章绪论 轮流召开，2 0 0 8 年的会议在亚太地区召开。 众所周知，微波传输信道分为有线、无线两类。微波金属波导不适用于进行微波 信号的长距离传输；微波大气传输在1 0 g h z 以下，损耗较低，但超过1 0 g h z ，由于 雨雾的吸收，衰减增大。光纤具有体积小、重量轻、机械灵活性大、超宽带低损；在 波长、频率、空间上可多路合成；易于多路合成和分解及灵活构建网络：不受电的影 响；因此可为微波信号的长途传输提供优质通道。 另外，电处理器的带宽限制了高带宽的光电信号处理，以光子取代电子，在较高 的速率处理信号，可以避免电子瓶颈。可利用光的相干特性和无源光波导去编码、解 码光纤通信链路上的信息，对于将来的高波特率局域网1 7 】和计算机互连，这些技术可 以为透明、光多点接入提供基础。它们也具有很好的安全特性，对于公共系统上的私 人光网建设很有吸引力。 目前微波光子技术研究包括：光微波相互作用、微波光子器件、微波器件的光 子控制、高频率传输连接等等。微波光子器件具有高速、高频率的功能，可应用于天 线遥控【8 】、阵列天线的波束形成网络、无线通信反馈网络、微波信号的光学处理、有 线电视信号的分配、探测器系统和设备、光子的模数变换、微波通信系统、光线长滤 波器、基于非线性光效应的控制组件、光波和超导现象的相互作用等等。光控毫米波 产生技术具有很大的吸引力，可以实现宽频域载波信号与光纤直接连接，改变现存系 统面临的频率带宽短缺的问题。将微波、射频信号调制到光载波上，是实现微波光纤 传输系统的关键。在光通信中光信号的微波调制、检波，需要使用调制器。调制器按 调调机理分为内调制和外调制，内调制因其自身的缺陷，现在已很少采用。目前最常 用的光调制器有两种：铌酸锂( l i n b 0 3 ) 材料的马赫曾特( m z ) 型调制器和基于 砷化镓( g a a s ) 或磷化铟( i n p ) 材料的电吸收( e a ) 调制器。本文后面的主要工作 都是围绕着l i n b 0 3 调制器展开。 微波光子电路一般有两种类型。第一种类型，终端用户发射、接受射频波，原始 基带信息嵌入射频波，射频波被转化为光波并作为副载波由光纤传送。该电路称为光 纤射频系统。光线对射频波应该是透明的，射频波被嵌入光波传输，不用担心射频波 的相互干扰，而该种情况在开放空间的射频传输中始终存在。在这种情况下，光纤被 看作“无损”的射频传输媒质，且不受干扰，易于多路合成和分解，在不同的体系间使 用相同的频率，互相不产生干扰。射频波和光波的变换应当易于操作。另一种类型， 东南人学硕士论文 基带信号直接调制光波，并由光波传输，该电路称之为光纤基带，电路中因带宽由直 流延伸到基带信号频率，因此调制和检测器件需要平坦的频率响应特性。 1 2 高速宽带光发送技术 光发射模块是各类光网络传输链路中最基本的模块。光发射模块主要有光源、调 制电路和控制电路组成。光源是光发射模块的核心，光发射模块的性能基本上取决于 光源的特性，对高速光通信系统中使用的光源的要求是输出光功率足够大。调制频率 足够高，谱线宽度和光束发散尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长。 l e d ( 发光二级管) 、l d ( 激光二级管) 是用于光纤通信的两种重要的光源。其 中，l e d 的调制频率仅能达到6 0 0 m h z ，而且传输距离较短，通常只适用于局域网 ( l a n ) 。而目前发展迅速的垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 的调制速率可达数g h z ， 光转换效率更高，而且价格便宜，有可能在光纤通信领域逐步取代l e d 。 调制是光电系统中的一个重要环节，也是光发送模块中的关键技术。光辐射的调 制是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数使之携带信息的过程。调制的 目的是对所需处理的信号或被传输的信息进行某种形式的变换，使之便于处理、传输 和检测。目前用得较多的是电光调制、声光调制等方法。 1 - 2 1 光调制技术 要实现光通讯，首先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即实现光调 制9 1 。根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大类。直接调制 只适用于半导体光源，这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入l d 和l e d ， 从而获得相应的光信号，所以是采用电源调制的方法。 图1 2 1 采用光调制器的光纤链路 4 第一章绪论 间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应、电吸收效应等性质来实 现对激光辐射的调制，这种调制方式既适应于半导体激光器，也适用于其他类型的激 光器。间接调制最常用的方法是外调制的方法，即在激光形成以后加载调制信号。对 于某些类型的激光器，间接调制也可以采用内调制的方法，即用集成光学的方法把激 光器和调制器集成在一起，用调制信号控制元件的物理性质，从而改变激光的输出特 性以实现其调制。 在直接调制半导体激光二极管的过程中，不仅输出光强度随调制电流发生变化， 而且输出光的频率也会发生波动，也就是说在幅度调制的同时还受到频率调制，特别 是在信号频率进入高速微波调制的情况下，这个现象称之为“啁啾”特性。由于啁啾特 性的存在，不仅使单个纵模的线宽展宽，而且在单模光纤中传播时，在色散作用下将 使非线性失真增大。这两种不利的结果，将对光纤链路产生不利的影响。解决的办法 是用外调制器，即间接调制。图1 2 1 示出了高速调制下使用光调制器的光纤链路。在 这种光纤链路中，调制的电信号不是直接施加在激光二极管上而是施加在光调制器 上。尽管对光纤链路来说增加了插入损耗，但却解决了直接调制存在的惆啾现象。所 以，光调制器广泛应用于外调制的光发射机和数据链路中，通过光调制器不仅可以改 变光波的强度，还可以调制光波的位相和偏振态等物理参量。 1 2 2 高速外调制模块 用于高速光通信系统中的外调制光发射模块指的是最近几年发展的激光器( l d ) + 光调制器开关( o n u s ) 光子集成模块( 外调制方式) 。而且，半导体光放大器( s o a ) 和掺铒光纤放大器( e d f a ) 的发展又使得外调制方式所产生的插入损耗可得到有效 的补偿。目前最常用的外调制器有电光调制器和电吸收调制器。目前实用化、速率 z o n o 图1 3 7 具有谐振电极的m z 型调制器的布局和电极截面图 行波电极是调制器中用来通过微波信号，并和光波进行互作用的关键部位。 l i n b 0 3 调制器凭借其衬底材料损耗低、电光、声光系数高、稳定性好、寿命长和易 成波导等优点，成为目前广泛应用的电光波导调制器，可以进行高速长距离光通信传 输。但是目前研制的外调制器带宽受诸多因素的影响，存在行波调制器微波速率与光 波速率失配、微波源阻抗与传输线特性阻抗不匹配这两个关键问题，而这两个问题又 东南人学硕j ：论文 取决于行波电极的设计。因此，行波电极电光调制器的设计关键就是行波电极的设计。 为实现宽带宽和低驱动电压，必须优化电极设计。 1 3 3 半导体光调制器的封装 首先是光学封装，即光纤与波导的对接耦合封装【2 7 1 。光纤波导，波导光纤之间 的微米量级的光学耦合是集成光学器件的基本组成部分之一。现在己经发展了一些不 同类型的光纤波导耦合方法。对于单模光纤与波导对接来说，直接对接耦合与v 形 槽耦合是比较流行的两种方法。而单根光纤与波导的对接又是多根光纤与波导的理论 与工艺的基础。硅片v 形槽耦合是实现多根光纤波导对接的最好方法( 称为倒装技 术) ，由于它实现方便已被广泛应用。当一根光纤与波导对接时，一共有五维方向可 以调节，它们是光纤和器件端面的左右位置、上下位置、前后位置、上下倾角和左右 倾角。每个方向的因素发生改变，都会影响到耦合损耗。选取较好的位置和角度可以 有效减小插入损耗。 光纤与波导对接好后，要用u v 胶( 紫外光固化胶) 进行固化，以保证连接的稳 定性，不会因为震动，和温度变化而改变插入损耗。尤其为了减小温度对连接的影响， 光纤与波导的对接一定要上下、左右对称连接。在连接处小心的涂上u v 胶后，用 u v 灯照射固化。 接下来就是进一步的微波电路连接封装和外形封装。随着光电子器件速率的不断 提高，普通微电子器件封装技术已经不能满足光电子器件发展的要求，人们开始借鉴 微波器件的封装技术。高速光电子器件经历了与微电子非常类似的发展历程：从t o 封闭二极管、蝶型封装到b g a 封装的集成芯片，到现在所有的光电子器件封闭形式 都有微电子封装的影子。 封装通常包括封闭外壳、高频输入端口、高频输入端口到调制器芯片的过渡传输 线、偏置输入端口、两个光纤过孔及光纤固定支撑部件、微波匹配电阻安放平台。高 频输入端口为s m a - k 或v 同轴接头。通过同轴接头探针，同轴线转换为共面波导 线。在设计过渡传输线时，需要考虑其阻抗过渡和与调制器芯片电极输入端尺寸匹配 情况，以减少模场失配。 澳大利亚r m i t 大学电气与计算工程学院的y s v i s a g a t h i l a g a r ，w s t r o w e ， a m i t c h e l l ，g b e n n e t t ，m g r o s s e r 等人【2 8 1 采用倒装片技术对l i n b 0 3 调制器进行了封 装，实验结果表明倒装片技术能够最大程度的减小光调制器中r f 信号的衰减。 1 2 第一章绪论 一| 卜o 盛爿 。 飞、t - ! 、一 1 4 本文主要工作 图1 3 8 商用化的l n 调制器的封装结构图 本文集中进行了高速光调制器中行波电极及外接微波电路的分析、设计等方面的 研究，同时配合课题组进行一些相关的实验，设计了，并进行了测试工作。本文的主 要内容安排如下： 本章，根据高速光通信系统的要求和直接调制固有的缺点，介绍了行波型光外调 制器，讨论了其工作原理、行波电极以及耦合封装电路等技术。 第二章利用长线理论建立电极特性参数传输线模型，分析了相位调制器主要参 数，就两类强度调制器的直流和动态工作特性进行了研究，讨论了调制器中微波与光 波失配产生机理。 第三章利用c s t 软件对调制器中的行波电极进行了模拟仿真所得结果证实了已 研制的调制器行波电极可满足器件性能要求。 第四章利用c s t 软件对行波型光调制器外接微波电路进行了模拟，介绍了外接微 带电路、连接器等，分析了同轴连接器的失效机理，模拟分析了微带线几何尺寸对s 参数的影响。然后给出了器件试验结果，并与模拟结果进行了对比分析，两者吻合较 好。最后提出进一步工作建议。 第五章，为本文的结束语。 东南火学硕上论文 第二章行波型光调制器的时变场原理 2 1 长线基本理论 2 1 1 微波等效电路法 微波等效电路法的基本思想是：将一个本质上是电磁场的问题，在一定的条件下， 归结为一个与之等效的电路问题【2 9 】【3 0 】。 微波等效电路法的具体作法是： 1 根据均匀导波系统是引导电磁波的作用而将它等效为具有分布参数的均匀传 输线( 工作在单模的导波系统等效为一对均匀传输线；工作在多模的导波系统等效为 多对均匀传输线) 。 2 根据不均匀性一般是起贮能和耗能作用而将它们等效为集总参数网络。不同 结构的不均匀性等效为不同结构和不同性质的网络。 3 确定均匀导波系统与不均匀区的界面。此界面称为参考面。 本文所感兴趣的是均匀传输线的分布参数电路理论。 2 1 2 长线理论 图2 1 1 长线及其等效电路 考虑图2 1 1 所示的一段传输线，其单位长度的串联阻抗z 和并联导纳y 分别为 z = r + j c o , ( 2 1 一1 ) 1 4 第二章行波型光调器的时变场原理 y = g + j ( 0 c ( 2 - l 。2 ) 下面讨论d z 这- - d , 段，其电压、电流如图中所示。将电路理论中的希尔霍夫定律应用 于d z 段，略去高阶无穷小量，可得到线上电压v 、电流1 的方程为 d v ：z ，( 2 1 3 ) 塑：( 2 1 4 ) 比 这两个方程的物理意义是很明确的，它们分别表示：传输线上的电压变化是由于串联 阻抗的降压作用造成的；而电流的变化是由于并联导纳的分流作用造成的。 微波传输线的损耗一般都很小，满足如下无损耗传输线的条件 r 础、g o 时，t 。时刻进入的光子己经走了一段距离z ，设光在介质波导中的速度为，。， 所以传输距离z 光所需的时间为出= z l v 。，此时刻即f = t o + a t 的微波电压表示为 东南人学硕i ：论文 v ( z , t o ) ：v os i n l _ _ 2 a n mz 一2 矿( ，。+ 三) 】 v o ( 2 3 3 ) 展开上式，有 v ( z , t o ) ：v os i n ( 2 7 r a mz 一2 a f ! 一2 斫。) ：v os i n 【望世( 1 一n o ) 一2 矽。】 ( 2 3 4 ) c v o c 刀” 这里，= c v 。为介质对光波的折射率。式( 2 3 3 ) 和( 2 3 - 4 ) 所表示的物理 概念为：在t = f 。时从光波导传播方向萨0 处进入调制作用区后，沿电极纵向( z 方向) 各点所遭遇到的电压，也就是光波的一个固定波阵面沿电极纵向所获得的调制电压分 布。这个概念还可以利用图2 3 1 所示的失配波形图来说明从图中可以看出，由于光 波与微波的传播速度的差异，一个固定的光波阵面沿z 方向各点所遭遇的微波调制电 压的大小是变化的，这个变化的周期就是光波从微波上的一点追上相邻波长的对应点 所需的路程，设为人，显然人为 人2 互百2 ；r g 写( 2 - 3 - 5 ) c 胛” 注意，这里c 为光在自由空间中的速度。周期的量纲是长度，因为它是空间变化周期， 而不是时间变化的周期。 广、n 、一- - * z k ： 一光波阵 面 7 厂趴厂、 7 、广v 一，、 ， 厂、厂、 ： 厂、i ，、 啼呢t ， 厂呻 一 、- r 、一 图2 3 1 光波和微波的速度失配波形图 z z z z z z z z z 第- 二章行波型光调器的时变场原理 从图2 3 1 还可以看出，在长度等于人的范围内，一个光子( 或一个固定的光波阵 面) 经历的调制微波电压恰好为一个正弦波周期，所以如果相位调制的长度等于人的 整数倍，那么微波电压引起的电光效应即折射率变化的平均值为零，那么光的相位调 制也必定为零。根据这个现象，如取调制长度等于a 2 ，可得到相位调制的最大值， 当长度变化从a 2 直到人时，调制深度下降一直零。设调制总长为l ，则总的相位变化 为 f a f l ( f ) d z = = 矽s i n ( x f l n , , 8 ) c 7 0 q - n 。艿 c s i n ( 2 n f i 。一x f l n ms ) ( 2 3 6 ) c 式中，矽= 一翮3 r v o r l 彳g ，万= 1 - - 1 1 0 n 。由于存在万0 ， 使得总的相移随着l 的 变化，时为正，时为负，时为零。如果艿= 0 ，即意味着以。= 露。，也就是v o = v 。，微 波与光波速率匹配，自然失配问题也就消失，相移变化随着l 的增大而变大，当然就 能使用长距离的调制而大大减小驱动电压。由式( 2 3 6 ) 可以知道，当力。刀。，即万0 时，由于速率失配，导致总的相移减少，当l 或促够大时，甚至使总的相移小到很多， 且随着l 或啪继续增大，总相移便趋于零。根据式( 2 - 3 - 6 ) a , a 对z 的积分值减+ n f = - o 时的5 0 时对应的频率即为通常所说的3 d b 相位调制带宽，可以近似表示成为 l j 坐一( 2 3 7 ) 7 万( 门。一n o ) 所以，在给定的电极长度下，调制器所能达到的带宽关键取决于光波与微波传输速率 的失配程度。 2 4 提高调制带宽的几种可行方案 调制器的调制带宽主要是受行波调制电极中折微波传输速率与器件波导中的光 波传输速率之间失配程度以及微波的传输损耗影响的3 5 1 3 6 】【3 7 1 。微波秘光波之间的速 率失配是因为衬底基片材料的介电常数比较大，导致调制微波的有效折射率相对于光 波的有效折射率来说比较高。在电光行波调制器的发展中，为了降低调制微波的有效 介电常数，满足速率匹配的条件，提高调制带宽有以下几种可行的方案： 1 在电极上方用接地的理想导体作为屏蔽面，结构如图所示。在电极上方覆盖一层接 2 7 东南大学硕士论文 地理想导体作为屏蔽面，是为了使更多的电场进入空气中，提高了调制微波的传播速 度，从面有效降低了微波的有效介电常数【3 8 】【3 9 h o 。 s h i e l d i n gp l a n e 2 反相行波电极结构【4 1 】【4 2 1 ，如图所示。因为电极的纵向尺寸是限制调制带宽的重要因 素，利用反向电极可以补偿光波与微波之间的速率失配对电极长度的限制f 4 3 】。在相位 调制的电光作用区内，电极每隔一段距离l 就横向移动造成光波导的外加电场周期性 的反相。l 的数值必须作这样的考虑，使它的长度能准确地在速率失配的负相移始点 产生反相作用，在负相移的终点结束反相作用。 3 间断性行波电极结构，结构如图所示嗍。它的结构特点是周期性地把某些段的电极 横向移动，移至光波导之外，使其移动部分的电场远离光波导，对电光调制不起作用， 因为这部分调制电场对光波导的调制起削弱作用。 2 8 第二章行波型光调器的时变场原理 4 在电极和衬底之间引入具有低介电常数的缓冲层，且一般腐蚀成台面结构，结构如 图所示【4 5 1 。它的效应是使大部分的调制电波在空气中和低介电常数的缓冲层传输，从 而有效地降低了调制电波的介电常数。 5 采用脊形波导结构【4 6 1 4 7 ， 结构如图所示。光调制器中采用脊形波导结构将使调制波对光波的调制电场得到充分 的使用，提高了调制效率；同时在衬底中刻蚀槽，使部分微波能量在槽中传输，其具 有比衬底低的折射率，可以有效地降低调制器的微波有效折射率，从而极大地提高了 调制器的带宽，同时特性阻抗也比一般传统结构要高，容易实现阻抗匹配。 曼t c l 匝l 幢疆n s t 工一n 工，惦毫卫 ，z g l 旺卫童 2 9 东南大学硕士论文 6 在单模光波导中编入光栅，结构如图所示。利用光栅引起前向和后向传输光波导发 生耦合，导致了实际向前传输的光波速率的降低，起到了慢波效应，有利于光波与微 波之间的速率匹配，并且由于光在调制区域的驻留时间变长有利于提高调制深度。 su ：b s t z a t e 当然在实际的应用中，上面各种结构有的是综合使用，且在此基础上，一般还采用厚 电极结构，这样可以进一步降低调制微波的有效介电常数和电极的传输损耗，提高调 错4 带宽【4 8 】【4 9 】【5 0 】。 2 5 本章小结 利用长线理论建立电极传输线的特性参数，分析了相位调制器的主要参数的定义 和计算，接着就两类强度调制器的直流特性和动态工作特性进行了分析，最后分析了 调制器中微波与光波互作用产生的机理。 第三章行波型光调器行波电极的设汁 第三章行波型光调制器行波电极的设计 行波电极是行波型光调制器中的关键结构，行波电极结构设计的好坏将直接决定 行波型光调制器的性能。本章的主要工作就是对行波电极进行设计。 3 1 数学分析原理 在微波频段，信号的波长同微带电路尺寸相比拟已不可忽视，如不进行合理设计 和计算，信号的反射和传输损耗将非常严重。由于s 参数是微波集成电路设计的一项 主要参数，能很好的反映微带电路的高频性能，因此本文主要对不同电阻率和不同线 宽的微带线的s 参数进行模拟研究。 4 l 小 排 ii b 1 4 2 卜h - * 屯 图3 1 1 二端口网络s 参数的计算 将微带线视为一二端网络。对于二端口网络，s 参数与入射波和反射波的关系如 图3 1 1 所示。其中：a l 表示从1 端口入射波，a 2 表示从2 端口入射波，b 1 表示从1 端口反射波，b 2 表示从2 端口反射波， s 。= 堕l 。，= o ( 3 1 1 ) s 。：生l 口i = o 口2 。 b 2 3 2 12 一l 口，：o 口l ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) s ：2 ：蔓i 。= o ( 3 1 4 ) 口， 本文所研究微带线是无源器件，网络具有对称性，故有s 1 1 = $ 2 2 ，$ 2 1 = s 1 2 。因 此主要考察两个指标，s l l 和$ 2 1 ，其中s 1 1 表示在输出端匹配的情况下，射频信号在 东南人学硕l 二论文 微带线上的反射，$ 2 1 表示在输出端匹配的情况下，射频信号在微带线上的传输。显 然，如果s 1 1 越小表明射频信号反射越小；$ 2 1 值越大，则表明微带线的上射频信号传 输越好，损耗越小。因此研究这两个s 参数指标有助于揭示微带线高频特性。要对行 波电极进行研究，我们需要能够仿真模型并精确得出s 参数据帮助分析的软件。我们 选择t c s t 。而c s t 是基于有限积分法( f i t d ) 的，接下来就介绍这种算法。 3 2 有限积分法 解决数值分析问题都包括场域离散化和数学表达式的离散化两个步骤。场域的离 散化包括网格的划分、编号和不同介质交界面的分析，其中的关键问题是不同介质交 界面处的分析；数学方程的离散化是如何将连续的微分或积分等算子方程转化为用网 格点上的场值表示的离散方程。 3 2 1 场的离散化 f i t d 法的特点就是引入了亚网格的概念。下面讨论这种网格的优越性。图3 2 1 为用矩形网格来模拟弧形边界。其中( a ) 图为通常的阶梯近似，其精度最差；( b ) 图为定步长矩形网格结合三角网格的模拟，其精度明显好于图( a ) ；( c ) 图为变步长 矩形网格结合三角亚元的模拟，可以看出，这个划分方式可以用更少的网格数获得比 前两种方式更高的精度。这就是f i t 能尽可能减小几何形状模拟上的误差的所在。 ( a ) 台阶近似 、 ( b ) 引入三角亚元近似( c ) 三角亚元结合变步长近似 图3 2 1 弧形边界的三种近似 3 2 2 数学表达式的离散化 由m a x w e l l 方程的积分形式 螺西= 一儿詈幽 3 2 ( 3 2 1 ) 第三章行波型光调器行波电极的设计 螈击= m 芘- - g - + j + 毋、) 面 舻, f i = o ，f 。f ( o 优d + 歹+ ) 么= o ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 式中，b = h ，d = s e ，j = r e 。g 、和y 是空间坐标的函数，也是电磁场强 度的非线性函数。 方程( 3 2 1 ) 包含沿一闭合曲线的线积分以及以此曲线积分为边界的面积分。对 于线积分部分，采用如下图3 2 2 所示常用数值积分方法，得其方程为 。 e + 厂( x ) a x = f ( x o + 了a ) + o ( a ) 2 ( 3 2 - 5 ) x jl 1-7 马 j - _ - 目。 马 1r 且7 图3 2 2 一维线积分数值近似图3 2 3 单一网格单元及场分布 下面定义积分区域。取网格单元作为积分的最小单元，这样积分元d x 的方向将 平行于网格线。为了简化问题，使用平行于网格线的电场强度分量来表示方程，由于 与积分线垂直的分量对积分无贡献，所以这样并不影响方程的适用性。这样方程 ( 3 - 2 1 ) 的左边为 ( r 童西= 巨+ 易一毛一巨+ o ( ) 2 ( 3 2 6 ) 函 由上式可以看出，由m a x w e l l 积分方程本身决定的场量分布形式表明在网格的不同地 方可以得到不同的场分量。为了讨论的简洁，一律采用固定步长。 现在来看方程( 3 - 2 1 ) 的右端的面积分，常用的面积分公式为： e + e + f ( x , y ) d x d y = a 2 f ( x o + 虿a ，y o + i a ) + d ( ) 2 ( 3 - 2 7 ) 东南人学硕j 二论文 由于方程( 3 2 1 ) 的右端也包含有矢量点积，所以也用与面元平行的否的分量来 表示( 见图3 2 3 ) ，将( 3 2 7 ) 式应用于右端 圯詈讧2 即删 由( 3 - 2 6 ) 和( 3 - 2 8 ) 式得 ( e l + e 2 一e 3 一e 4 ) = 一2 玩+ d ( ) 2 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) 以上就是在一个风格上对方程( 3 2 1 ) 的离散。将上述过程用于所有风格，就可以得 到一组离散的、们于风格一定位置的雷和否的不同分量，即连续方程被离散化为一组 列矢量阵。 图3 2 3 所示为一个二维网格的网格单元，磁感应强度位于网格中心。接磁场强 度矢量，其连线构成一组网格，称为6 网格，如图3 2 4 所示。由图可看出，磁场强 度矢量云的地位和电场强度矢量置在原网格中的地位完全一样。称原网格为电网格， 用g 表示，而g 称为磁网格。 1， ， ， 1l w - ， i 一一参- 。 一 - 一 ：一! ! ；- ， ， 1， ， 、 - 一q 一-参一 i - j 一 jl 图3 2 4 电网格和磁网格示例 由于只是保证了在一个网格单元内材料特性一致，那么在网格的交界面上场矢量的边 界条件就必须予以考虑。 第三章行波型光调器行波电极的设计 e 2 j 弋 e e -l 1 e 一 千 b i 弘y i b 3 毛心y 3 + 1 - 日4。昂+ b 2 l i 帝一j 日l n b l 巳鲍) ，2 图3 2 5 仅云和云的连续分量