（通信与信息系统专业论文）LiNbOlt3gt光纤型行波光调制器的有限元研究及设计.pdf

摘要 外调制器是高速光通信系统中研究最多的领域之一，它对克服直接调制情况 下的电子瓶颈具有重要意义。其中l i n b 0 3 波导型行波光调制器是研究的最早、 技术最为成熟、性能最为稳定的光调制器，但是由于这种调制器的光波导和衬底 采用的都是高介电常数的l i n b 0 3 材料，微波和光波的相速很难实现完全匹配， 限制了带宽的进一步提高。 本论文针对l i n b 0 3 波导型行波光调制器的局限性，首次提出了一种新的设 计光调制器的思路l i n b 0 3 光纤型行波光调制器，它用化学性质非常稳定、 介电常数低的s i 0 2 材料取代介电常数高的l i n b 0 3 材料作为衬底，同时用方形截 面的l i n b 0 3 光纤取代l i n b 0 3 波导作为光传输媒介。这种设计使得整个调制器 的等效介电常数明显降低，可以获得比具有相同电极的l i n b 0 3 波导型行波光调 制器更高的调制带宽。由于同是采用m z 干涉计型实现强度调制的，因此可以 借鉴m z 干涉计型l i n b 0 3 波导行波光调制器的成功经验来分析、计算与设计。 本论文采用有限元法对无介质覆盖层和有介质覆盖层两种电极结构的 l i n b 0 3 光纤型行波光调制器进行分析，对开放边界问题的处理，首次采用了精 度较高的无限元法，经过网格划分、求解之后，得到了两种电极结构的l i n b 0 3 光纤型行波光调制器的等效折射率、特征阻抗、调制带宽、微波传输损耗和半波 电压等参数的变化规律及两者之间的比较。经分析表明，有介质覆盖层的调制器 容易达到阻抗匹配，但调制带宽较无介质覆盖层的调制器有所降低。 本论文首次采用基于有限元法的优化方法对两种电极结构的调制器进行优 化设计，该优化方法具有操作简单，收敛速度快等特点。经过优化比较，最终得 到无介质覆盖层的调制器的理论调制带宽高达5 0 0 g h z ，特征阻抗5 9 q ；无介质 覆盖层的调制器的特征阻抗为5 0 5 6 q ，而且调制带宽也高达2 4 0 g h z ；并且两 种调制器的半波电压和损耗系数均小于传统的l i n b 0 3 波导型行波光调制器。 本论文针对这两种电极的调制器，对它们的光特性进行了分析，得到了沿晶 体光纤横截面垂直中线和水平中线的折射率变化，进而得到了输出光强的变化。 最后，对l i n b 0 3 光纤型行波光调制器的制作工艺进行了探讨，提出了l i l 妯0 3 晶体光纤m z 干涉计的制作工艺，这在该领域中尚属首例，为后续的光纤型行 波调制器的制作和测试提供了指导性意见。 关键词：l i n b 0 3 光纤，l i n b 0 3 光纤型行波光调制器，相速匹配，t i 2 0 5 介质覆 盖层，有限元法 a b s t r a c t e x t e m a lo p t i c a lm o d u l a t o r si so n eo ft h ef i e l d sp u tm o s tw o r ki n t o i nt h eh i g h s p e e do p t i c a lt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 。t h e yc a no v e r c o m et h eb o t t l e n e c ke f 传c t c a u s e d b y t h ed i r e c t m o d u l a t i n g o fi n t e m a lm o d u l a t o r s a m o n gt h ee x t e r n a l m o d u l a t o r s ，l i n b 0 3w a v e g u i d et y p et r a v e l i n gw a v eo p t i c a lm o d u l a t o ri sc o n s i d e r e d t ob et h el o n g e s ti nr e s e a r c h i n gt i m e ，m o s tm a t u r ei nt e c h n o l o g y , a n dm o s ts t a b l ei n p e r f o r m a n c e h o w e e r , d u et ot h eh i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n to fl i n b 0 3m a t e r i a lw i t h w h i c ht h eo p t i c a lw a v e g u i d e sa n ds u b s t m t eo fl i n b 0 ，w a v e g u i d et y p et r a v e l i n gw a v e o p t i c a lm o d u l a t o ra r em a d e ，t h ep h a s ev e l o c i t i e so fm i c r o w a v ea n do p t i c a lw a v ea r e h a r dt oi m p l e m e n tp e r f e c t l ym a t c h t h em o d u l a t i n gb a n d w i d 血i s1 i m i t e da sar e s u h s o 、w ep u tf o r w a r dan o v e lm e t h o df o rd e s i g n i n go p t i c a lm o d u l a t o r sn a m e da s l i n b 0 1f i b e rt y p et r a v e l i n g w a v eo p t i c a lm o d u l a t o ra l l o w i n go ft h ed r a w b a c k so f l i n b 0 1w a v e g u i d et y p et r a v e l i n g w a v eo p t i c a lm o d u l a t o r i nt h i sm e t h o d ，as i 0 2 m a t e r i a lw i t hs t a b l ep e r f o r m a n c em a dl o wd i e l e c t r i cc o n s t a n ti sa p p l i e da st h e s u b s t r a t ei n s t e a do ft h el i n b 0 3m a t e r i a lw i t hh i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n t ，a n di nt h es a l n e t i m e ，t h el i n b 0 1o p t i c a lf i b e rw i t hs q u a r ec r o s ss e c t i o n i su s e da st h eo p t i c a l t r a n s m i t t e rt a k i n gt l l ep l a c eo fl i n b 0 3w a v e g u i d e d u et ot h ef a c tt h a tt h ed i e l e c t r i c c o n s t a n to ft h es u b s t r a t ei sd e e p l yr e d u c e d ，t h ee f f e c t i v ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h e w h o l em o d u l a t o ri sa p p a r e n t l yd e c r e a s e d ，s oj tc a na c h i e v em u c hh i 曲e rm o d u l a t i n g b a n d w i d t h c o m p a r e dw i t h t i l e l i n b 0 3w a v e g u i d et y p et r a v e l i n gw a v eo p t i c a l m o d u l a t o r 谢mt h es a m ep a t t e ma n ds i z eo fe l e c t r o d e s a st h el i n b 0 3o p t i c a lf i b e r s a r ea l s oc o n s t r u c t e dt om zi n t e r f e r e n t i a l 卸p a r a t u s t h es u c c e s s f u le x p e r i e n c ei n b u i l d i n go p t i c a lw a v e g u i d et y p em - zi n t e r f e r e n t i a la p p a r a t u so fl i n b 0 1w a v e g u i d e t r a v e l i n gw a v eo p t i c a lm o d u l a t o rc a nb ea p p l i e dt oa n a l y z e 。t a l c u l a t ea n dd e s i g nt h e l i n b 0 1o p f i c a lf i b e rt r a v e l i n gw a v eo p t i c a lm o d u l a t o r t m sp a p e ra d o p t e df i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oa n a l y z et w ol i n b 0 3o p f i c a lf i b e r t r a v e l i n gw a v eo p t i c a lm o d u l a t o r sw i ld i 成r e n tt y p eo fe l e c t r o d e s o n ew i t ha n d i e l e c t r i co v e r l a y e ra b o v e ，a n dt h eo t h e rw i t hn od i e l e c t r i co v e r l a y e ra b o v e t h e i n f i n j t ee l e m e n tw a si n t r o d u c e dt od e a lw i t ht h eo p e nb o u n d a r yp r o b l e mf o rt h ef i r s t t i m e a n di ti sp r o v e dt ob em o r ea c c u r a t e ，a f t e rm e s h i n gc a r e f u l l ya n ds o l v i n gt h e t w om o d u l a t o r s r e s p e c t f u l l y , t h ec o r r e s p o n d i n g e f f e c t i v ed i e l e c t r i c c o n s t a n t 。 c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ，m o d u l a t i n gb a n d w i d t h m i c r o w a v et r a n s m i t t i n ga t t e n u a t i o n a n dh a l fw a v ev o l t a g ew e r ec a l c u l a t e da n dc o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l yw i t ht h ev a r i a t i o n o fe l e c t r o d ep a r a m e t c r s t h em o d u l a t o rw i t hd i e l e c t r i co v e r l a y e ri sc o m p a r e dt ob e e a s i e rt oi m p l e m e n ti m p e d a n c em a t c h i n ga tt h ec o s to fd e c r e a s i n gt h em o d u l a t i n g b a n d w i d t hs l i g h t l y t h i sp a p e ra p p l i e dt h eo p t i m i z i n gm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d w h i c h i ss i m p l ei no p e r a t i o na n df a s ti ns p e e d t oo p t i m i z et h em o d u l a t o r s i nt h ee n d t h e o p t i m i z e de l e c t r o d ed i m e n s i o n sw e r eo b t a i n e dr e s p e c t f u l l y , w i 也t h et h e o r e t i c a l m o d u l a t i n gb a n d w i d t ha sh i g ha s5 0 0 g h za n dt h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c eo f5 9q f u rt h em o d u l a t o w i t h o u td i e l e c 埘cl a y e r , a n dt h et h e o r e t i c a lm o d u l a t i n gb a n d w i d t h a sh i g ha s2 4 0 g h za n dt h ec h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c eo f5 0 5 6qf o rt h em o d u l a t o r w i t l ld i e l e c t r i co v e r l a y e r a t 廿l es a m et i m e t h eh a l fw a v ev o l t a g ea n dm i c r o w a v e a t t e n u a t i o nw e r ep r o v e dt ob en oh i g h e rt h a nt h ew a v e g n i d em o d u l a t o r s a f t e ra n a l y z i n gt h em i c r o w a v ep e r f o r m a n c e ，t h eo p t i c a lp e r f o r m a n c ew e r ea l s o s t u d i e d t h ev a i l a t i o no fo p t i c a lr e f r a c t i v ei n d e xa l o n gt h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a l m i d l i n eo ft h ec r o s ss e c t i o no fl i n b 0 3o p t i c a lf i b e rw e r eg i v e n t h e r e o u t t h eo u t p u t o p t i c a li n t e n s i t ya tt h eo u t p u tp o r to fm zi n t e r f e r e n t i a la p p a r a t u sw e r ee d u c e d a tl a s t ，t h em a n u f a c t u r i n ga r t sa n dc r a f t so ft h el i n b 0 3o p t i c a lf i b e rt y p e t r a v e l i n gw a v eo p t i c a lm o d u l a t o rw e r ed i s c u s s e d ，e s p e c i a l l yt h ec r a f l w o r ko fl i n b 0 3 o p f i c nf i b e rt y p em zi n t e r f e r e n t i a la p p a r a t u sw a sp r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e i t p r o v i d e dt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ef u t u r em a n u f a c t u r ea n dt e s to ft h el i n b 0 3 o p t i c a lf t b e r , t y p et r a v e l i n gw a v eo p t i c a lm o d u l a t o r k e yw o r d s ：l i n b 0 3o p t i c a lf i b e r ，l i n b 0 3o p t i c a lf i b e rt y p et r a v e l i n gw a v eo p 廿c a l m o d u l a t o r , p h a s ev e l o c i t ym a t c h ，t i 2 0 sd i e l e c t r i co v e r l a y e r ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 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，也不包含为获得墨洼蠢鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 氯港娲签字日期：1 印年偿月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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：i 匍表俄导师签名 签字日期：咿牛年协月一日 签字日期：。叼年l 文月1 r 尖下 始 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光纤通信技术的发展现状 随着人类社会信息化的发展，人们对通信带宽的需求迅速增长，光纤通信骨 干网上的单信道传输一直在朝着高速率、大容量和长距离的方向发展。单信道速 率为1 0 g b s 的系统已经开始全面商用化，3 2 0 g b s ( 1 0 g b s x 3 2 ) 的w d m 系统 也已经开始大批装备网络，而且单信道速率正在向4 0 g b s 、甚至更高速率迈进。 这就要求整个光纤通信系统，无论在传输媒介上，还是在信号传输技术上以及各 个环节的光器件上都需要长足的突破发展。 在光纤应用技术上，经历了从短波长到长波长、从多模到单模、从低速率到 高速率的发展过程。充分发挥光纤的带宽潜力，克服光纤损耗及色散的影响、延 长中继距离、扩大传输容量及降低成本，一直是光纤通信的发展目标。目前得到 比较成熟的应用的有8 5 0 r i m 的短波长波段、j 3 0 0 n m 和1 5 5 0 n m 的长波长波段， 1 9 9 8 年l u c e n t 公司又推出了全波光纤，该光纤几乎完全消除了1 4 0 0 n m 波长段 的o h 的吸收峰，打开了1 3 6 0 1 4 6 0 n m 的第五窗口，实现了从1 2 8 0 n m 1 6 2 5 n m 整个波段都可以进行低损耗传输的设想，为d w d m 传输系统进一步发展和应用 奠定了坚实的基础。日本的z 光纤，在，乇= 1 5 5 u m 处的损耗已达0 1 5 4 d b k m ，极 大地延长了中继距离。光纤预制棒的制作技术日趋成熟，制作成本也得到了极大 的降低。 目前采用了各种复用技术，如波分复用( w d m ) 、密集波分复用( d w d m ) 、 光码分复用( o c d m ) 、光时分复用( o t d m ) 等来提高单纤的传输容量。从 e c o c 1 9 9 6 会议e c o c 2 0 0 3 会谢“7 】的7 年时间里，1 9 9 6 年展览的w d m 光 通信系统为1 3 2 2 0 q b i t s ，传输速率2 ，6 i b s ，传输距离为1 2 0 k m ；而到2 0 0 3 年 传输速率达到3 t n t s ，传输距离超过1 0 2 7 0 k i n 。在o f c 1 9 9 9 d f c 2 0 0 4 光纤 通信会议上【8 - 1 1 1 6 年时间里，从1 9 9 9 年4 0 g b i t s x8 2 ( 3 2 8 t b w s ) 的密集波分复 用( d w d m ) 系统，到2 0 0 4 年6 t b s 光通信系统，传输距离超过6 1 2 0 k m 。单波 长信道传送速率由2 5 g b s 到1 0 g b s ，甚至4 0 g b s ，波分复用信道数由几个发展 到几十个乃至几百个，在上述高速光通信系统中，单信道速率在1 0 g b s 以上都 采用外调制技术对信号进行调制。光纤传输网已成为世界各国的主导传送网络， 预计未来1 0 年超高速、超大容量将成为下一代光网络的基本特征。 随着光通信网络向全光网络发展，光通信系统出现不少功能器件，如高速调 制器、集成开关矩阵、可调式滤波器、波长变换器、光交换光路由( 全光交换) 、 第一章绪论 光交叉连接( o x c ) 、全光中继和光分插复用( o a d m ) 、可调式激光、解决 高速光传输和复用的高性能探测器、可调激光器阵列、以及集成阵列波导器件、 基于声光可调谐滤波器( a o t f ) 、基于阵列波导光栅器( a w g ) 等关键器件， 这些光器件与光纤一起构成了全光网络的物质基础。另外值得提的是? 各种光 纤光栅的相继出现及成熟，使各种全光纤器件，如全光纤激光器、全光纤滤波器 等的研制成为可能。 1 2 光调制器的发展现状 光调制器类似于电调制器，它们在整个通信系统中的功能和地位都是一样 的，都是将原始信号调制到更高频率的载波上进行传输，只不过光调制器的载波 是频率更高的光信号。近年来，随着通信速率和容量的飞速增长，光调制器逐渐 成为影响高速光通信系统的瓶颈之一，因此对光调制器的研究成为光技术领域的 一个热点。 1 2 1 光调制器的分类 总的来说，光调制器分为两类：内调制器和外调制器。前者只能作用于半导 体激光器，目前其调制带宽可以达到2 5 g h z 左右，但当调制频率与激光器的谐 振频率相当时，相对强度噪声和波形失真就会迅速增加，因此直接调制不适合在 2 0 g h z 以上的高频调制，而且其大的频率啁啾也决定了其不能用于长距离通信； 高速率、大容量、长距离的通信系统必须采用外调制方式，这是由于外调制不仅 能解决直接调制的频率啁瞅问题，而且其引入的插入损耗问题在e d f a 等光放大 器的普及下已显得微不足道。目前研究中的外调制器有许多种，通常外调制器的 分类情况如下： 按调制参数分为：幅度调制、频率调制、相位调制。一般数字光通信中使用 p c m 二进制数字信号对光载波进行通断调制；而模拟光通信系统中是用基带信 号直接对光载波进行强度调制，即均采用幅度调制。 按物理效应分为：电光效应调制、声光效应调制、磁光效应调制等【1 “。电光 效应使电光晶体上的折射率随孙加电场而交化，从而影响光波在晶体中的传播特 性，使输出光强随外加电场而变化，来完成信号的调制；声光效应调制是利用弹 光效应，使声波作用于某些晶体时，晶体的折射率发生变化，从而达到光调制的 目的：磁光效应调制利用具有磁光效应的介质进行光调制，当光通过介质传播时， 在平行光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，其旋转角与介质长 第一章绪论 度、外加磁场强度成正比。在高速光通信系统中，一般采用电光效应的调制器， 这是因为电光效应调制器具有比声光效应调制器、磁光效应调制器高得多的调制 速率，而且易于控制。 按微波与光波传输方向的不同可分为：集总参数调制器和分布参数调制器。 集总参数调制器属于早期研究的调制器，采用块状光学材料，调制带宽受限于集 总电容，调制速率并不太高，目前在光通信领域已失去实用价值；分布参数调制 器采用行波电极和光波导，目前研究较多的是耦合器行波调制器和m z 型行波 调制器。 外调制器按制作材料来分，主要分为半导体调制器、聚合物调制器、电光晶 体调制器。 半导体调制器1 1 3 - 1 7 1 ：由于其体积小，驱动电压低，便于与激光器、放大器和 光检测器等其它光器件集成在一起，是很有发展前景的光调制器。电吸收调制器 是半导体调制器的一种，也是应用较多的一种，它的主要原理是在指定波长下， 利用外加电场引起材料吸收系数变化，进而直接实现强度调制的。现在采用的电 吸收波导材料有i n g a a s 、i n a l a s ，、i n a s p 、i n g a p 、l n g a a s p 和i n g a a l a s 等，采用i n p 作为衬底。这种调制器的尺寸可以做得很小，与同带宽和调制效率 的l i n b 0 3 m z 波导调制器相比小将近2 0 0 倍，半波电压很低( 可以低至l v 左右) ， 易于与其它器件集成：但它的频率啁啾较大，而且具有正啁啾因子，低的饱和功 率( 仅为l o - - 2 0 m w ) ，且调制带宽不高，迄今为止，主要用于1 0 g b i t s 的数字 系统，在模拟链路中，很难达到超过2 0 g h z 的调制带宽，并且需要温度控制装 置。 聚合物调制器1 1 8 - 2 4 ：由于聚合物材料具有光损耗小、折射率接近单模光纤折 射率、大的电光系数、介电常数低且色散小等优良性能，且易于与许多器件( 如 电器件、电光器件) 异质集成，电极设计灵活，因而迅速成为当前调制器的研究 热点。聚合物调制器的长期光学稳定性对于系统而言十分重要，但是聚合物的热 稳定性差，解决它的热稳定性，提高其可靠性是目前的主要研究课题。到目前为 止，该器件到底在多大的功率下工作能够保持长期的稳定性，还在进一步的探索 中。聚合物体调制器的调制带宽已经达到1 0 0 g h z 2 0 0 g h z ，该器件封装在惰性 气体环境中，热稳定性也有了一定的改善，但离实用还有一定距离。 电光晶体调制器【2 5 3 1 】：由于l i n b 0 3 电光晶体调制器具有调制带宽高、电光 系数高、光传输损耗小、与单模光纤具有高的光耦合效率及制作工艺难度小等 特点，在长距离、高速率光纤数字通信系统中得到广泛应用。现在大都采用在 l i n b 0 3 衬底上制作m z 型的波导结构来实现，因为l i n b 0 3 波导型m z 光调制 器具有低的光损耗和高的光功率处理能力( 高达4 0 0 m w ) ，与半导体调制器相比， 第一章绪论 有更宽的调制带宽、零或可调谐的啁啾以及对温度不敏感性，在未来光纤通信系 统中，它是一个非常有前景的器件。行波电极的高速l i n b 0 3 光调制器被认为是 4 0 g b s 甚至更高速率的w d m 传输系统的最佳选择。 1 2 2 光纤通信系统对光调制器的指标要求 大的调制带宽，对于行波型电光晶体调制器，调制带宽主要取决于光 载波与调制微波的相速匹配程度； 调制器的等效特征阻抗与微波源及负载阻抗的匹配； 小的微波传输损耗； 小的半波电压； 低的插入损耗； 1 2 3 高速光调制器的研究现状及发展方向 在高速光通信系统中，目前一般采用电光效应的调制器，而这其中研究最多 的当属t i l i n b 0 3 波导型电光调制器。日本著名的n t t 公司在这方面就投入大 量的研究，取得了颇为丰硕的研究成果，基本代表了这一方向的发展前沿。国内 对这方面的研究也陆续展开，但迄今为止，l i n b 0 3 波导型电光调制器的调制带 宽都不超过1 0 0 g h z ，而且特征阻抗难以做到匹配，半波电压也比较大，这难以 满足日益增长的光调制速率的要求。 图1 1x 切和z 切l i n b 0 3 调制器构型 当前的l i n b 0 3 波导型电光调制器主要采用m - z 型实现强度调制，根据 l i n b 0 3 晶体的电光特性，为了利用其z 向最大的电光系数，产生了两种调制器 构型：x 切和z 切l i n b 0 3 波导型电光调制器，如图1 1 所示，两者的主要区别在 于电极与波导的相对位置的不同。对l i n b 0 3 波导型电光调制器的研究主要是在 这两种基本构型的基础上，通过结构的稍微改变，来改善微波与光波的相速匹配、 调制器与微波源及负载的特征阻抗匹配以及减少调制器的传输损耗等。 第一章绪论 s i 0 2 、一一 t i ：l i n b o ，狡导、 。 图1 2 脊型结构截面图 行瘦电极心u ) s i 吗鳓产圈。罔厂；九。k 了 气 t i ：l i h m o ，、嵌导 图1 4 埋藏电极调制器示意图 l i n b 0 3 波导型电光调制器的调制带宽主要受限于l i n b 0 3 晶体中光波与调制 微波的相速不匹配，这是由于在微波波段与光波波段，l i n b 0 3 的等效折射率相 差甚远( 在l i n b 0 3 中，丑= 1 5 p m 时光折射率为2 1 3 8 ，而微波的等效折射率为 4 2 2 ) l i n b 0 3 波导确定之后，光折射率变化的可能很小，因而只能通过降低微 波的等效折射率来实现相速匹配。至今为止，为了实现光波与微波之间的速率匹 配，己提出多种改进方案，如增加s i 0 2 缓冲层的厚度【3 2 、厚电极结构【3 、倒相 电极结构、悬浮电极【3 5 、屏蔽式电极结构 3 6 1 、以及脊型波导结构l ”i ( 如图1 2 第一章绪论 所示) 、在两电极间刻蚀槽结构【38 j ( 如图1 3 所示) 等。这些新结构的横截面形 状越来越复杂，制作工艺也很复杂，而且其中一些电极结构只能被用于带通调制， 但依然未能彻底解决调制器相速匹配问题，或者只能在较窄的频带内实现良好的 速度匹配，同时也会带来阻抗不匹配或大的半波电压。 电极的特性阻抗与微波源殂抗是否匹配对调制器的带宽也有重要影响，如果 阻抗不匹配将会导致驱动功率的增加。为了获得阻抗匹配还提出了另外一些电极 结构，如复合电极【3 9 1 、t 型电极结构，这些新电极结构越来越复杂，制作工艺 也很复杂。另外一些提高特性阻抗的措施是加大电极间距，增大电极宽度一间距 比来获得，但是由于电极间距的增大导致半波驱动电压的增大，使得在获得阻抗 匹配和提高调制带宽，以及在降低半波驱动电压的问题上出现矛盾。 半波电压也是l i n b 0 3 波导型电光调制器的另一重要参数。在1 9 9 2 年报导的 带宽1 0 g h z 铌酸锂波导调制器，驱动电压为7 5 v ；在1 9 9 2 年报导的铌酸锂 波导调制器带宽5 0 g h z ，半波驱动电压为8 3 v f 4 2 j ；在1 9 9 4 年报导的脊型铌酸锂 波导调制器半波驱动电压为5 v 【3 。有人提出将电极的一部分埋入缓存层中的方 法来提高电场与光场的作用效果，从而达到降低调制器半波电压的目的 4 ”，该调 制器的结构如图1 4 所示。虽然这样可以降低调制器的半波驱动电压，但是调制 器的调制带宽很小，在a = 1 5 b u n 波长下，驱动电压3 2 v ，但带宽仅为1 4 g h z 。 显然对于l i n b 0 3 波导型电光调制器，仅仅通过改变电极的形状是无法同时 获得半波驱动电压小、带宽大、特性阻抗匹配的调制器的。 1 2 4 光纤型调制器的提出及其意义 为了实现相速与特征阻抗的同时匹配，从而获得大的调制带宽、小的半波电 压和微波损耗，同时尽可能简化制作工艺，降低器件成本，本文提出了一个全新 的光调制器设计方案【，i n b 0 3 光纤型行波光调制器。该调制器采用全新的结 构设计思路，与传统的l i n b 0 3 波导型电光调制器不同，利用l i n b 0 3 晶体光纤 取代l i n b 0 3 波导作为光传输通道，用低介电常数的s i 0 2 材料取代高介电常数的 l i n b 0 3 作为衬底，这样高介电常数的l i n b 0 3 材料在整个调制器中占的比重大幅 度降低，有效地降低了微波等效折射率，使得光载波与调制微波的速率在很宽的 频率范围内保持匹配，极大地提高了调制带宽。另外，我们也对电极的形状、尺 寸进行了有效的优化，得到了比较好的综合性能。最后，为了进一步降低调制器 的等效特征阻抗，本文又提出了改进的电极结构外加屏蔽层的双电极结构， 通过验证，这种电极结构更容易实现相速与特征阻抗的同时匹配。 经过后面各章的分析可见，l i n b 0 3 光纤型行波光调制器突破了传统的 第一章绪论 l i n b 0 3 波导型行波光调制器的带宽限制，有望成为未来高速、宽带光纤通信系 统的主要调制器。 1 3 本论文的内容安排 本论文共分六章： 第一章介绍了现在光通信的发展现状，及其对各种光器件尤其是光调制器的 发展要求，进而分析了l i n b 0 3 波导型行波光调制器的研究现状及其制约因素， 以及针对的改进措施，最后提出了一种新型的l i n b 0 3 光纤型行波光调制器。 第二章首先介绍了l i n b 0 3 材料的主要特性，进而对l i n b 0 3 光纤型行波光调 制器的工作原理进行了细致分析，并对其各种特性指标的物理意义及计算过程进 行了总体论述。 第三章介绍了本论文采用的主要分析方法有限元法，对其在电磁场分析 求解方面的应用、原理以及分析、优化过程进行了介绍。 第四章是本论文的主体，用有限元法分析了两种电极结构的l i n b 0 3 光纤型 行波光调制器无介质覆盖层和有介质覆盖层的l i n b 0 3 光纤型行波光调制 器，列出了它们的各种特性指标随电极尺寸的变化规律，为下一章的优化做好了 理论基础。 第五章根据上一章的分析结论分别对两种电极结构的l i n b 0 3 光纤型行波光 调制器进行了优化，分别得到了一组调制带宽比较大、半波电压比较小、损耗比 较小同时特征阻抗也比较匹配的最优化电极尺寸，并对两种优化调制器进行了光 特性分析。 第六章给出了l i n b 0 3 光纤型行波光调制器的制作工艺探讨，主要是l i n b 0 3 晶体光纤m - z 干涉计的制作工艺，以及整个调制器的制作工艺流程。 1 , 4 本论文的创新点 ( 1 ) 本文首次提出了一种基于l i n b 0 3 光纤的光纤型行波光调制器，这种方案设 计思路新颖，有独创性，克服了传统的基于l i n b 0 3 波导的波导型行波光调制器 难以达到很好的相速和阻抗匹配的缺陷，理论带宽达到2 4 0 g h z ，特征阻抗可到 5 0 5 6 q ，基本达到相速和阻抗匹配。 ( 2 ) 本文首次利用有限元法对l i n b 0 3 光纤型行波光调制器进行了理论分析，得 到了其各种微波特性指标随电极尺寸的变化规律，并计算得出了在不同电压下， 输出端光强的变化。 ( 3 1 本文首次利用有限元法对l i n b 0 3 光纤型行波光调制器进行了优化设计，得 第一章绪论 到了有介质覆盖层和无介质覆盖层的两种l i n b 0 3 光纤型行波光调制器的最优化 尺寸。 ( 4 ) 本文首次对l i n b 0 3 光纤型m z 干涉计以及l i n b 0 3 光纤型行波光调制器的 制作工艺进行了探讨。该制作工艺具有操作比较简单、成本较低的优点，具有很 高的实用价值。 经理论验证，该种光调制器具有很强的发展潜力，一旦理论成熟、试验成功， 将对未来的高速、宽带、长距离的光纤通信系统产生不可估量的正面影响。 第二章l i n b 0 3 行波型光调制器的】：作原理及性能分析 第二章l i n b o 。行波型光调制器的工作原理及性能分析 前一章讨论了现有的波导型光调制器的发展现状及其局限性，并提出了一种 新型的光纤型调制器，本章首先介绍了l i n b 0 3 电光晶体的各项物理参数，然后 分析了l i n b 0 3 光纤型行波光调制器的工作原理及其各项性能参数，详细列出了 各个性能指标的理论公式：为后续光纤型光调制器的理论分析和设计制作提供了 理论依据。 2 1l i n b 0 3 晶体材料简介 l i n b 0 3 是一种铁电晶体，虽然具有非线性电光效应，但相对线性电光效应 要弱的多。 其一次电光系数矩阵r 和介电张量s 分别为： 0 o 0 0 r s i r 2 2 1 9 1 1 = l毛ll 占o 1j 其中，r 2 ，= 3 4 ， = 8 6 1 0 _ 1 2 w v ，r 5 1 = 2 8 1 0 _ 1 2 m v ，r 3 3 = 3 0 8 1 0 叫2 m v ，对 于z 一切的l i n b 0 3 光纤，z 轴的电光系数为r 3 ，= 3 0 8 x 1 0 。2 m v ，x 轴的电光系 数为、= 8 6 x 1 0 。12 m v ；l i n b 0 3 室温下的相对介电常数分别为占l l = 4 3 ，岛3 = 2 8 ， 微波传输的有效折射率为= ( 1 + s l 。s 3 3 ) 2z4 2 2 。 l i n b 0 3 是一种双折射晶体，透过波段为o 4 5 u m ，其寻常光的折射率n 。( 五) 与异常光的折射率n ，( 旯) 分别满足下列的赛米尔方程： 2 ( 五) = 4 9 9 4 8 + 0 。1 1 7 6 8 ( , 2 - 0 0 4 7 5 0 ) - 0 0 2 7 1 6 9 x , 2 ( 2 1 a ) n 。2 ( a ) = 4 5 8 2 0 + 0 0 9 9 1 6 9 ( 2 2 - 0 0 4 4 4 3 ) - 0 0 2 1 9 5 0 x 3 2 ( 2 - i b ) 对于五：1 3 u m 的光，寻常光和异常光的折射率分别为2 2 2 0 和2 1 4 6 ：对于 兄：1 5 5 “m 的光，寻常光和异常光的折射率分别为2 2 1 l 和2 1 3 8 。由于采用z 一 切的l i n b 0 3 光纤，为了利用z 轴最大的电光系数码，调制的主要是异常光，因 此光波的折射率在a = 1 3 u r n 时为n tb 2 1 5 ，在丑= 1 5 5 u m 时为吩b 2 t 4 。 2 2l i n b o ，光纤型行波光调制器的理论分析 l i n b 0 3 光纤型行波光调制器与l i n b 0 3 波导型行波光调制器( 调制器结构见 图1 1 ) 都属于m z 型光调制器，两者的调制原理是相同的，都是依靠l i n b 0 3 亿乍0 o o 吨0 o 0 第二章l i n b 0 3 行波型光凋制器的工作原理及性能分析 材料的电光效应来实现调制，所不同的是，前者的调制主体是l i n b 0 3 光纤型 m z 干涉计，后者是l i n b 0 3 波导型m z 干涉计。下面主要以l i n b 0 3 光纤型行 波光调制器为例，分析这种行波型光调制器的调制原理。l i n b 0 3 光纤型行波光 调制器的模型如图2 1 所示，图2 1 ( a ) ( b ) 分别为其俯视图和横断面图，我们采用 最基本的对称型双电极结构。图2 1 ( a ) 显示其为m z 强度调制器，光沿z 切y 向的l i n b 0 3 矩形晶体光纤传输；图2 1 ( b ) 中b l 、b 2 为电极，b 3 、b 4 为s i 0 2 缓冲层，b 5 、b 6 为矩形l i n b 0 3 晶体光纤，b 7 为s i 0 2 衬底。由于两l i n b 0 3 光 纤的折射率随着外加电场的变化而变化，使两光纤中传输的光波产生相位差，致 使调制器输出端的光强随着外加电场有规律地变化着，实现了对光载波的调制。 ( a )( b ) 图2 1 l i n b 0 3 光纤型行波光调制器模型的俯视图( a ) 和横断面l n ( b ) 如图2 1 ( a ) 所示，当一束振幅为a 的t e o 偏振光经输入端输入到第一个y 分 支器后，理论上被分成振幅和相位完全相同的两束光，如果两l i n b 0 3 光纤臂完 全对称且损耗忽略不计，不加调制电压时，两支路光束在第二个y 分支器处将 重新合成振幅为a 的t e o 偏振光，由单模光纤输出。如果在调制区域上加调制 电压( 通常在两臂上加等值反相的电压) ，由于两臂l i n b 0 3 光纤的电光效应，材 料的折射率将发生变化，从而使两束光的相位发生变化，因此产生相位差， 在第二个y 分支器处将发生干涉，产生随a p 变化的输出光强，即输出光强受到