（电磁场与微波技术专业论文）基于铌酸锂波导的电光调谐roadm设计.pdf

中文摘要 具有动态配置能力的可重构光分插复用器( r o a d m ) 是光网络由现行的波 分复用( w d m ) 系统向全光网络演进过程中不可或缺的关键节点器件，是光网 络“智能”实现的重要基础，它不仅能够像传统的非重构光分插复用器( o a d m ) 那样，可以从多波长线路信号中提取特定波长到本地，以及将本地波长插入到线 路中去，而且可以动态调节节点的上下话路波长，从而实现光网络的动态重构， 大大加快光网络透明化和智能化进程。 现行的r o a d m 技术大多基于分立光学器件，成本高、可靠性差，不利于 集成化，此外由于调谐手段的限制，在超高速网中应用时存在响应速度偏慢的问 题。为适应光网络对r o a d m 器件的要求，本论文提出一种新颖的电光调谐的 可重构光分插复用器。该器件采用钛扩散铌酸锂波导结构，其光路部分由偏振转 换部分( p c s ) 和两个偏振分束器( p b s ) 组成，其中p c s 由多个偏振转换单元 ( p c u ) 与多个波长调谐单元( w t u ) 交替排列在波导上构成。器件采用电光 光栅实现偏振转换，同时以电光效应实现波长调谐。 本论文从波导光学、光电子学以及模式耦合理论等基本原理出发，推导出器 件的各部分参数对器件性能的影响。在此基础上，对器件的物理和几何参数进行 计算，设计出了器件中使用的钛扩散铌酸锂波导的制备参数、p b s 的波导参数、 p c s 中各波导参数、p c u 及w t u 的电极结构以及所施加电压等。最后，本论文 还对各p c u 中的电压分布进行了多种改进，以适应对r o a d m 的通带宽度、旁 瓣抑制等各项指标要求。并且本论文还给出了几种较为简化的备选设计方案，适 用于对可重构性要求较低的场合。 经理论分析及仿真研究表明，本论文设计的r o a d m ，具有集成度高、响应 速度快、通带宽度窄、串扰低等特点。并且可在不改变器件结构的条件下实现通 带宽度可调，可满足不同信道间隔的密集波分复用系统需求，还可实现相邻信道 的同时下载。 关键词：可重构光分插复用器铌酸锂波导电光调谐旁瓣抑制偏振转换 a b s t r a c t r e c o n f i g u r a b l eo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ( r o a d m ) ，w h i c hi s a b l et o d i s t r i b u t ec h a n n e l sd y n a m i c a l l y , i sa ni n d i s p e n s a b l ek e yn o d ee q u i p m e n ti nt h e p r o c e s st h a tw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) s y s t e me v o l v e si n t oa l l o p t i c a ln e t w o r k ，a n di sa l s ot h es i g n i f i c a n tf o u n d a t i o ni nr e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n t o p t i c a ln e t w o r k i tc a nd o w n l o a dc e r t a i nw a v e l e n g t hf r o mt h em u l t i w a v e l e n g t hl i n e s i g n a lt ol o c a la n du p l o a dc e r t a i nw a v e l e n g t hf r o ml o c a lt ol i n es i g n a l m o r e o v e r , i ti s c a p a b l eo ft u n i n gt h ea d d d r o pw a v e l e n g t hd y n a m i c a l l y , t h e r e b y , i tr e a l i z e st h e d y n a m i c a l l yr e c o n f i g u r a b l e o p t i c a l n e t w o r ka n da c c e l e r a t et h e p r o c e s s o f t r a n s p a r e n t i z i n ga n di n t e l l i g e n t i z i n gt h eo p t i c a ln e t w o r k t h ea c t u a l t e c h n o l o g i e s o fr o a d ma r e m o s t l y b a s e do n s e p a r a t eo p t i c a l c o m p o n e n t s ，w h i c hi n d u c eh i g hc o s t ，l o wr e l i a b i l i t ya n du n s u i t a b l ef o ri n t e g r a t i o n b e s i d e s ，f o rt h et u n i n gm e t h o dl i m i t e d ，t h o s er o a d m s r e s p o n s es p e e di ss o m e w h a t l o wc o m p a r i n gt ot h a to fs u p e r h i g hs p e e dn e t w o r k i no r d e rt om e e tt h en e e d so f r o a d mf o ro p t i c a ln e t w o r k ，t h i st h e s i sp r o p o s ean o v e le l e c t r o - o p t i c a lt u n a b l e r o a d m w i t ht h es t r u c t u r eo ft i t a n i u m d i f f u s e dl i t h i u mn i o b a t ew a v e g u i d e ，i t s o p t i c a lp a r tc o n s i s t so fap o l a r i z a t i o nc o n v e r s i o ns e c t i o n ( p c s ) a n dt w op o l a r i z a t i o n b e a ms p l i t t e r s ( p b s ) t h ep c sh a st e n so fp o l a r i z a t i o nc o n v e r s i o nu n i t ( p c u ) a n d w a v e l e n g t ht u n i n gu n i t ( w t u ) d i s t r i b u t i n ga l t e r n a t e l ya l o n gw a v e g u i d e s t h ed e v i c e u s e se l e c t r o - o p t i c a lg r a t i n gt oc o n v e r tt h ep o l a r i z a t i o na n de l e c t r o - o p t i ce f f e c tt ot u n e t h ew a v e l e n g t h t h i st h e s i ss t a r t sw i t ht h ef u n d a m e n t a l m o d e - c o u p l e da n ds o m eo t h e rt h e o r i e sa n d p r i n c i p l e so fw a v e g u i d eo p t i c s ，o p t r o n i c s ， t h e nd e d u c e sh o wt h ed e v i c e sp a r a m e t e r s a f f e c ti t s p e r f o r m a n c e s f u r t h e r m o r e ，i tc a l c u l a t e st h eg e o m e t r ya n dp h y s i c a l p a r a m e t e r so ft h ed e v i c ea n dd e s i g n st h em a n u f a c t u r ep a r a m e t e r so ft h et i t a n i u m d i f f u s e dl i t h i u mn i o b a t ew a v e g u i d eu s e di nt h ed e v i c e ，t h ep a r a m e t e r so f w a v e g u i d e s i np b sa n dp c sa n dt h ev o l t a g e sa p p l i e db yt h ee l e c t r o d e si np c ua n dw t u i nt h e e n d ，t h et h e s i sp r o p o s es e v e r a lp c u v o l t a g ed i s t r i b u t i o n st of u l f i l lt h ep a s s - b a n d w i d t h a n ds i d e i o b es u p p r e s s i o nd e m a n d sa n di tg i v e ss e v e r a ls c h e m e sa ss t a n d b yw h i c h m a t c hl o wr e c o n f i g u r a t i o nl e v e lc o n d i t i o n s t h e o r e t i ca n a l y s i sa n de m u l a t i o n a lr e s e a r c hs h o w st h a tt h er o a d m d e s i g n e di n t h et h e s i sp e r f o r m sh i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，r a p i dr e s p o n s es p e e d ，n a r r o wp a s s - b a n da n d l o ws i d e l o b e f u r t h e r m o r e ，i tc a nm o d u l a t et h eb a n d w i d t hw i t h o u tc h a n g i n gt h e d e v i c es t r u c t u r et of u l f i l lt h e r e q u i r e m e n t f o rd e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n gs y s t e m sw i t hd i f f e r e n tc h a n n e ls p a c i n go rd o w n l o a dn e i g h b o r i n g c h a n n e l ss y n c h r o n o u s l y k e yw o r d s ：r e c o n f i g u r a b l eo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r , l i t h i u mn i o b a t e w a v e g u i d e ，e l e c t r o - o p t i c a lt u n a b l e ，s i d e i o b es u p p r e s s i o n ，p o l a r i z a t i o nc o n v e r s i o n 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，也不包含为获得墨鲞态堂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。 靴敝储獬钾h ：x m s - 石月严同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗苤鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞壅太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：翻肛 j 签字日期：玖卜。岔年6 月够同 ， 导师签名：企哆 uc o 签字同期：厶孵石月 严同 第一章绪论 1 1 全光网络发展概述 第一章绪论 在以光的复用技术为基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成光电光 的转换，仍以电信号处理信息的速度进行交换，而其中的电子器件在适应高速、 大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点。 由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这个问题，人们提出了全 光网( a o n ) 的概念【2 】，全光网以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩 展性，已成为下一代高速宽带网络的首选。 1 1 1 全光网络的概念及发展历程 所谓全光网，是指从源节点到终端用户节点之间的数据传输与交换的整个过 程均在光域内进行，即端到端的完全的光路，中间没有电信号的介入。 从历史上看，光网络可以分为三代p j 。第一代光网络中光只是用来实现大容 量传输。所有的交换、选路和其他智能都是在电层面上实现的，s d h 就属于第 一代的光网络。而目前正在开发的光传送网( o t n ) 和全光网络可以分别认为是 第二代光网络和第三代光网络。o t n 在功能上类似于s d h ，只不过在o t n 所规 范的速率和格式上实现而已。而全光网络则不同，此时传递、复用、选路、监控 和有些智能将在光层面上实现。从更广义的角度看，光网络还应该覆盖城域网和 接入网领域。 1 1 2 全光网络的优点 基于波分复用的全光通信网可使通信网具备更强的可管理性、灵活性和透明 性。它具备如下以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点： 第一，省掉了大量电子器件。全光网中光信号的流动不再有光电转换的障碍， 这不仅克服了电子器件处理信号速率难以提高的困难，大大提高了传输速率，还 省掉了大量电子器件，节约了组网成本。 第二，提供多种协议的业务。全光网采用波分复用技术，以波长选择路由。 可方便地提供多种协议的业务。 第三，组网灵活性高。全光组网极具灵活性，任何节点可以抽出或加入某个 第一章绪论 波长。 第四，可靠性高。由于沿途没有变换和存储，全光网中许多光器件都是无源 的，因而可靠性高。 1 1 3 全光网络的发展前景 全光网是通信发展的目标，从现有的波分复用( w d m ) 光网络向全光网络 的逐渐演进过程大致将分为以下四个步骤【4 j ： 第一步，从现有的w d m 系统向点到点超长w d m 系统演进，即将典型的干线 网电再生中继距离从目前的几百公里扩展到几千公里，传送节点仍然可以继续应 用电d x c 设备。 第二步，随着中间站节点上下业务量的需要的增加，具有重配置能力的可重 构光分插复用器( r o a d m ) 将进入中间站节点。这样，w d m 网开始具有简单 的光层联网功能，在中间站节点可以根据组网的需要插入和分路一组选择的波 长。 第三步，随着更多波长在网中的应用，网络变得越来越复杂，逻辑上更趋向 于完全的网状拓扑，此时在枢纽节点引入光交叉连接( o x c ) 。全光o x c 是纯光 层联网的核心，主要功能是实现在波长、波长组和光纤级上的连接功能、分插功 能以及保护和恢复功能。 第四步，随着i p 业务成为全网的主导业务量后，由于i p 业务量本身的不确 定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求越来越迫切，网络最终需要实时 动态配置能力，即智能光交换能力，传统的静态交叉连接型o x c 将升级为动态 交换型智能光交换机，最终形成自动交换光网络( a s o n ) 。这样，传送网具备 了自动选路和管理等更高的智能。 1 2r o a d m 在全光网络中的作用 由前面的论述可以看出，具有动态配置能力的r o a d m 是光网络由现行的 w d m 系统向全光网络演进过程中不可或缺的关键节点器件，是光网络“智能”实 现的重要基础p j ，它不仅能够像传统的非重构光分插复用器( o a d m ) 那样，可 以从多波长线路信号中提取特定波长到本地，以及将本地波长插入到线路中去， 而且可以动态调节节点的上下话路波长，从而实现光网络的动态重构。 r o a d m 的使用给网络的运营带来了更多业务开展的便利和运营成本的降 低。首先，r o a d m 支持波长级业务的开展，面向大客户提供波长级业务( 如存 储局域网) 。使用r o a d m 节点设备，只需通过网管系统进行远程配置即可，同 第一章绪论 传统的通过人工方式配置节点设备相比，极大地方便了波长级业务的开展，提高 了对客户新需求的反应速度。其次，r o a d m 的使用便于进行网络规划，降低运 营费用。对于突发和难以预测的业务，r o a d m 通过提供灵活的节点重构能力， 使密集波分复用( d w d m ) 网络拓扑可方便地改变。因此降低了对网络业务分 布及其发展进行预测的难度，应对突发情况的能力也大大增强，使整个网络的运 行效率有很大的提升。另外，r o a d m 的使用有利于降低维护成本。如果采用 r o a d m ，绝大多数日常维护操作( 包括增开业务及进行线路调整等) 可通过网 管进行，不需要人工操作，极大提高工作效率，降低维护成本。由于r o a d m 的 显著优点，对其进行深入研究很有意义。 1 3 本论文的主要工作及安排 本论文是国家自然基金项目“基于电光效应的双向调谐的r o a d m 研究” 的一部分，主要任务是对基于铌酸锂波导的电光调谐r o a d m 进行理论分析、 参数设计和性能优化，分以下几章进行。 前两章从全光网络的发展需求出发，讨论研究r o a d m 的重要意义并介绍 了几种较为典型的r o a d m 的实现方案，在对这些方案进行综合评价后，提出 了本论文设计的r o a d m 的主要特点。 第三章主要对基于铌酸锂波导电光调谐的r o a d m 所使用到的理论和原理 进行分析和推导。主要包括波导光学理论，铌酸锂晶体双折射及其电光效应理论， 在这些理论的基础上还针对r o a d m 中使用到的偏振分束器和电光光栅以模式 耦合理论进行了分析，为后面几章对器件的深入分析和设计提供了理论基础。 第四、五章结合第三章的理论对该电光调谐r o a d m 的几何参数及驱动电 压的分布进行了设计和优化，并提出了一些备选方案 最后一章对本论文所做的工作进行总结，并对下一步工作做了计划安排。 第二章光分插复用器简介 第二章光分插复用器简介 光分插复用器是以波分复用尤其是密集波分复用系统为基础的光网络的主 要网元之一。其功能是实现网络节点处的光分插复用，具体说就是将本地波长上 载到链路或者将链路的某一或某几个波长下载到本地，并且不影响其他波长的透 明传输。这一过程不经过光一电或电一光转换，是完全在光域内的波长级别的分 插复用，故而称为光分插复用器。该器件或系统( 尤指r o a d m ) 的引入可以大 大加快光网络透明化和智能化进程，它不仅是全光网路演进过程中电交换连接和 电分插复用的阶段性替代产物，即使是在全光网络趋向成熟的时期，它也将配合 光交叉连接器( o x c ) 在非枢纽光节点发挥其巨大作用l o j 。所以说光分插复用器 ( 尤其是可重构光分插复用器) 将会成为国内外相当长的一段时间内的研究热 点，对其研究有着重要而深远的意义。 本章将结合国内外r o a d m 的研究进展，对其主要实现手段、技术评价等进 行简单的介绍，并以此为基础提出本论文所设计的r o a d m 的特点。 2 1 可重构光分插复用器的实现方案 光分插复用器技术的实现方法很多，如果按照其结构分类，可以简单地分为 并行结构、串行结构以及串并行混合结构【7 j 。并行结构在节点上对上下路波长进 行复用和解复用处理，直通波长同样在光层进行一次复用和解复用，之后对要上 下路的波长分别进行操作。串行结构在节点上只对需要上下路的波长进行处理， 而对于通过波长则不做光层的复用和解复用处理。串并行混合结构即先通过子波 带滤波器将在本节点上下路的一个或多个子波带进行滤波，然后对子波带内的每 个波长进行复用和解复用处理，而其他子波带在经过子波带滤波合波器的处理 后直通。按照其上下载波长及波长数是否可变，又可以将光分插复用器分为不可 重构的光分插复用器和可重构光分插复用器，即r o a d m 。而r o a d m 按其实 现角度不通又可以分为开关型和调谐型。本论文主要研究的是可重构的光分插复 用器，所以有必要简单介绍几种有代表性的r o a d m 的实现方案，以便提出本 论文的新型的电光调制的r o a d m 的设计方案。 第二章光分插复用器简介 2 1 1 分波器+ 波长交换单元+ 合波器 这种方法构成如图2 1 所示f 8 】，从干线来的复用信号通过解复用后分解成单个 的波长，然后跟本地上路波长信号经光开关进行交换，部分或全部干线波长下路 到本地，本地相应的波长上下路到干线，重新组合后的波长信号经复用后再重新 构成干线信号送出。 图2 1 基于分波器+ 波长转换单元+ 合波器的r o a d m 示意图 干线信号 匕= = = 0 干线信号 亡= = = 上路信号下路信号 图2 - 2 以2 2 光开关实现的分波器+ 波长转换单元+ 合波器型r o a d m 波长交换单元是这一类r o a d m 的核心部分，一般由光开关矩阵来实现， 如图2 2 所示的以2 2 光开关实现的结构，可以将其归类为开关型r o a d m 。 根据光开关类型不同，其实现也略有差异。目前，人们可以采用微电机械 ( m e m s ) 、平面光波导( p l c ) 、液晶工艺等技术来实现各种规模的光开关( 矩 阵) 。其中，m e m s 光开关采用微机械制造技术，易于集成，且具有插入损耗小、 响应速度快、信道串扰小、与波长和偏振无关、功耗低等优势【9 1 。而p l c 光开关 借助于成熟的截止波导技术，可实现器件的高度集成，结构紧凑、可靠性高、速 度快。m e m s 和p l c 是目前商用化程度较高的基于分波器+ 波长转换单元+ 合波 第二章光分插复用器简介 器结构的r o a d m 两种实现方案。 2 1 2 耦合器+ 滤波单元+ 合波器 在这种方案中，耦合单元是一个一般性的概念，根据具体实现方案不同而有 所不同，一般为普通的耦合器或光环行器等，滤波单元有光纤光栅、法布里一泊 罗腔( f p ) 或带通滤波器等，合波器通常为耦合器或复用器。整个r o a d m 的性能取决于滤波单元的性能。图2 3 及图2 4 分别给出了由两种常见的滤波单元 构成的耦合器十滤波单元+ 合波器结构的r o a d m 。 光环行器 一书h + 一 卜_ h 怕 卜- h 肛 一_ h 肛 光纤光栅 光环行器 图2 - 3基于光纤光栅和光开关的r o a d m 光环行器光环行器 图2 _ 4基于调谐光纤光栅+ 环行器结构的r o a d m 在图2 3 的方案中，干线w d m 信号经开关选路，每路的光纤光栅对准一个波 长，被光纤光栅反射的波长经环行器下路到本地，其他的干线信号波长几乎透明 地通过光纤光栅经环行器和上路信号波长合波，继续在干线上向前传播。这个方 案中引入了光开关，属于开关型r o a d m ，其开关速度慢造成的过大的时延限制 了其应用。这种方案也可以由调谐型来实现，如图2 4 所示。这个方案采用了可 调谐的光纤光栅来代替光纤光栅组+ 光开关的结构，解决了光开关的时延问题， 但由于光纤光栅的调谐范围限制，这种方案的r o a d m 的调谐范围不大，一般只 第二章光分插复用器简介 有几纳米，且由于可调谐光纤光栅的重复性差，该r o a d m 存在寿命短、稳定性 差等固有劣势。 光环行器 图2 5采用f o p 腔的r o a d m 图2 5 采用的为f - p 腔设计方案】，在这种方案中，干线w d m 信号经f p 腔后， 需要下路的波长到达本地节点，其他波长被反射后继续在干线上向前传输。本地 节点的业务使用与下路相同的波长上路到干线。这个方案的一个突出优点在于 f p 腔的一定范围内的连续可调谐性，属于调谐型的r o a d m ，因此可根据需要 上下路任意波长，可重构能力强。不足之处在于其对温度的敏感性。 以上三个方案都引入了光环行器，光环行器是r o a d m 的实现过程中较为常 用的无源器件，采用它可以非常容易的实现多波长信道操作，且结构简单，仅需 在两个环行器之间插入多个可调谐滤波器或多个基本单元级联。但光环行器造价 过高，在一定程度上也限制了其在构建r o a d m 过程中的实用性。 2 1 3 基于波长光栅路由器( w g r ) 的r o a d m 这类r o a d m 主要借助波长光栅路由器( w g r ) 所特有的集解复用、复用、 滤波和路由选择功能于一体的优势，实现类似于光开关的作用i l 引。 基于w g r 实现r o a d m 可采用两种结构：环回和折叠型。其中环回型结构如 图2 6 所示，为了实现m 个波长信道的操作，采用了( m + 1 ) ( m + 1 ) 的w g r ， 干线信号的输入端和输出端口分别位于w g r 两侧( 与折叠型不同，折叠型为同 侧) ，而其他单波长信号所对应的端口则都通过光纤环回连接在一起，环回路径 上采用2 x 2 光开关实现上下路操作。这种结构最大的优点在于其易于集成实现， 但由于未摆脱光开关的使用，响应速度仍难以保证。 第二章光分插复用器简介 下路信号上路信号 图2 - 6基于波长光栅路由器的r o a d m 结构( 环回型) 2 1 4 基于声光可调谐滤波器( a o t f ) 的r o a d m a o t f 是利用各向异性晶体在声光作用下的反常布喇格衍射效应制成的波长 可调谐器件。包括两个对称的偏振分束器( p b s ) ，中间经过声光模式转换器。 只有满足相位匹配条件( 布喇格反射条件) 的光波长发生模式转换【l3 1 。通过改变 声波频率达到可调谐滤波目的。通过加在叉指换能器上的射频( r f ) 信号产生 的声波周期性地调制光波导折射率，折射率变换会引起t e _ t m 或t m _ ，r e 之间 的相互转化，改变r f 信号的数目和频率，就可控制需要下路的波长数。 干 上 叉指电极 图2 7基于a o t f 的r o a d m 该方案实现的r o a d m 属调谐型，较开关型r o a d m 在调谐速度上有明显的 优势，一般可达微秒量级。而相对于其他调谐手段，如前面提到的基于可调谐光 纤光栅的r o a d m ，其调谐范围很宽，可达1 0 0 r i m 以上，在r o a d m 的各种实现 技术中竞争力较强。所以，该方案逐渐成为国内外近年来研究的热点。它的主要 缺点是极化敏感特性，串扰较大，且需要较大功率的r f 信号。 2 2r o a d m 的性能评价 衡量r o a d m 的性能参数主要有插入损耗、光回波损耗( o r l ) 、串扰水平( 通 道隔离度) 、消光比( e r ) 、扩展能力、响应时间、色散水平和偏振相关损耗( p d l ) 等。 应该说，开关型r o a d m 通过采用高性能w d m 器件和合理的波长分配策略， 通道串扰水平可以优于调谐型结构，同时插入损耗也可以较小，非常适合高分插 端口数的节点应用。但由于每次下路波长都需解复用，对于低端口数的节点非常 不经济；况且w d m 解复用器与波长相关，一旦设计完成就不可能引入新波长、 扩展性较差。另外，开关型r o a d m 的响应速度一般较慢，如分波器+ 波长交换 单元+ 合波器型r o a d m 和基于w g r 的r o a d m 的响应时间为1 0 m s 左右，这大大 限制了其在高速大容量光通信领域的应用1 1 引。 调谐型r o a d m 则对波长透明，增加新波长只要不与原来的相同，扩展就可 行。因此，调谐型r o a d m 得到了更多关注，如基于a o t f 的r o a d m 是目前商用 化产品的主流。它主要存在的问题是，插入损耗较大，分插波长数较多时常需要 增加光放大器，且滤波器特性直接影响串扰水平。 2 3 本论文提出的r o a d m 及其特点 综合分析以上提到的各种r o a d m 的实现方案，本论文选用调谐型结构。其 主要原因是开关型r o a d m 的调谐速度偏慢，目前见报道的最快的开关型 r o a d m ，即采用高速的m e m s 开关，其速度也仅为7 5 0 微秒左右l l 引。同时由于 舍弃了开关型结构，整个器件在一个铌酸锂晶片上制作完成，提高了集成度。本 文采用的调谐方式为电光调谐，相对于其他采用如热光效应、弹光效应等调谐手 段，调谐速度大大加快，同时由于采用的是电压调谐，电流很小，器件的功耗较 a o t f 要低得多。其结构上与a o t f 相似，但速度比其快几个数量级，可达到纳 秒量级。并且采用了特殊的结构设计，可以有效解决调谐型r o a d m 的串扰问题。 另外，上路和下路的通带宽度是动态可调的，这可以减少滤波器部分的级联，大 大减少了整个r o a d m 系统的插入损耗。 第三章基于铌酸锂晶体的r o a d m 光波导分析 第三章基于铌酸锂晶体的r o a d m 光波导分析 本章将从麦克斯韦方程出发，结合对最简单的波导类型平面波导的分 析，推导出最为一般的基模传输特性，为钛扩散铌酸锂波导的设计提供依据。并 且，将分析铌酸锂晶体的双折射现象和电光效应，并将结合模式耦合理论对器件 的偏振分束器及电光光栅进行理论分析，为第四章的器件结构设计提供理论基 础。 3 1 光波导基本原理及理论 本论文所设计的r o a d m 采用钛扩散铌酸锂波导结构，因此有必要对光波导 的传光特性进行分析。 3 1 1 麦克斯韦方程及波导光学理论 麦克斯韦方程是研究光波导理论的基础，由下式给出。 v e 一詈 v x h ：j + 塑 ( 3 1 ) a t v 由= p v g b = 0 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 式中，e 和h 分别表示电场强度和磁场强度，d 和b 分别为电感应强度和磁 感应强度，j 和p 分别为电流密度矢量和自由电荷密度，s 。和地真空中的介电 常数和磁导率，p 和m 为电极化强度和磁化强度。在光频下，介质都是无磁性 介质，即m = 0 ，于是p = z 。为常数。而介电常数s 通常在合适的坐标选取下为 对角矩阵如下。 f 0 01 弘lo 岛o f ( 3 - 4 ) l00 岛j h p e = g ) = m p + + 臣 n m 岛= = = d b 中其 第三章基于铌酸锂晶体的r o a d m 光波导分析 将以上条件带入麦氏方程，并经过简单的推导，可以得到式( 3 5 ) 。 v 2 e 一戳譬：o ( 3 - 5 ) 结合e ( r ，f ) = e ( r ) p 一删，最终可以得到亥姆霍兹方程( 3 6 ) ，它是进行下一步 讨论的基础。 v 2 e ( r ) + 七知2 e ( r ) = 0 ( 3 - 6 ) 上式中k 。= 国知( c o 为光的角频率) 是真空中的波数，7 = ；，以是介质的折 射率。s ，= s e o 为相对介电常数，以= i t u 。为相对磁导率，。由前面分析，= l ， 则： n = 0 sr = 一s s ) ( 3 _ 、) 3 1 2 平面波导理论 为分析钛扩散铌酸锂波导的传光特性，本论文先研究最为简单的一种波导结 构阶跃平面波导。其剖面结构如图3 1 所示。 i i i r 6 x jl 玎2 t y 1 r i i i 玎， 图3 1阶跃平面光波导结构示意图 j e l ，= e 2 f h l ，= h 2 t ( 3 - 8 ) l d l 。= d 2 。 i b l 。= b 2 。 li ：学删砰顺功= 。 i i ：学埘矿2 朗刖= 。 ii i i ：丁o z e ( x ) + ( 砖，z ，2 一p z ) e ( x ) ：o 由于对称性，e f 扪也可以表示v 分量的电场强度。式中，口为传输常数， ( 3 - 9 ) 啊、玎2 、 第三章基于铌酸锂晶体的r o a d m 光波导分析 船，为图3 1 给出的各层的折射率。 考虑鸦 强 啊的情况，波导模式特性可以通过分析传输常数来分析。下面 给出几种不同情况进行分析，具体情况如图3 2 所示。 当卢 j 1 1 时，e ( x ) 的解在所有区域都为正弦形式。这样的模式称为辐射模， 将不能在波导内传输。 当k o n 。 卢 k o n ，时，区域i i 和i i i 中为正弦形式的模式，而在区域i 中为指数下 降，这种模式可称为半辐射模，也不能在波导中正常传输。 当k o n 。 卢 如吃时，得到的解随着与i l 层的距离越来越远而成指数增长，这样的模 式是不存在的。 i i i k o n l 飞 l 、( = ( 。 ，7 。 哆 y 卢 后。，z l 的条件下，导模存在的条件为： k o n 3 n ) 这种情况。其折射率椭球如图3 3 所示。 图3 3负单轴晶体折射率椭球以及光传输方向s 与两个偏振光平面之间的关系 图中的矢量s 表示光波的传输方向，与z 轴之间形成的夹角表示为0 。椭球 关于z 轴旋转对称，因此，不失一般性，可将s 在平面x y 内的投影与y 轴重叠。 此时，光的偏振波面位于与s 相垂直的椭圆面内( 图3 3 中阴影表示) 。两个偏振 光方向位于这个椭圆面内的o a 与o b 方向上，这两个方向呈正交状态。o b 方向 的偏振光的折射率可以用折射率椭球中线段o b 的长表示，通常为恒量。因此在 o b 方向的偏振光称为寻常光线( o r d i n a r yr a y ) 。而o a 方向偏振光的折射率却随0 的不同而变化，这个方向的偏振光称为异常光线( e x t r a o r d i n a r yr a y ) 。0 从0 变 化至1 1 9 0 。，该方向折射率p ) 的取值相应的从变化到臻。任意s 的o a 方向偏 振光的折射率可以由折射率椭圆中线段o a 长度表示，具体数值可以由( 3 1 3 ) 计算。 n f ( 0 ) = y 2 托2 ( 3 - 1 3 ) l z = 7 e ( o ) 馨i n o 并结合折射率椭球的表达式( 3 1 4 ) ： 乓+ 乓+ ；：。(14)1 3 - 1可+ 二_ + 2 l n ； n ； n ： 最终可以得到： 以( p ) ：1 辛害丝与亍 ( 3 1 5 ) 彰c o s 20 + s i n 20 本论文设计的r o a d m 采用的铌酸锂为x 切、y 传，即s 方向与y 轴重叠， 0 = 9 0 。，带入( 3 1 5 ) 式可以得到其两个偏振态的折射率刚好为和玎。结合 3 1 2 中对偏振态的分析可以看出，波导中t m 模对应折射率为玎。，t e 模对应的 为圪。( 严格来讲，在钛扩散铌酸锂波导中，存在的为q u a s i t em o d e ，q u a s i - t m 第三章基于铌酸锂晶体的r o a d m 光波导分析 m o d e ，即类t e 模和类t m 模。但习惯上仍称为t e 模和t m 模，本文采用后一 种叫法) 。 3 2 2 铌酸锂晶体电光效应 在具有电光效应的晶体上施加电场，电光晶体的折射率就会发生变化。其中， 折射率的变化与所加电场成正比的效应为泡克耳斯效应( p o c k e l se f f e c t ) ；折射率 的变化与所加电场的平方成正比的效应称为克尔效应( k e r re f f e c t ) 。对于铌酸锂 晶体，起作用的主要为泡克耳斯效应。 当沿着电光晶体的某个晶轴施加电场时，泡克耳斯效应引起的折射率变化可 以根据式( 3 1 4 ) 给出的折射率椭球的变化来求解。由于外电场的施加，主轴一 般不再是式( 3 1 4 ) 中的x 、y 、z ，这时的折射率椭球形式如下： b l ，2 + b 2 2 + b 3 3 2 2 + 2 8 2 炉+ 2 8 3 1 弘+ 2 b l 拶= l ( 3 1 6 ) 式中的各个系数，可以由电光系数与外加电场矢量e 。给出： y l l y 1 2 托3 托ly 2 2托3 圪l坞2y 3 3 儿l儿2几3 y 5 1 以2y 5 3 虼l九23 e 。 y e ： ( 3 1 7 ) 其中，为电光系数( e l e c t r o o p t i cc o n s t a n t ) ，由于铌酸锂材料属于三方晶系的负 单轴晶体，式( 3 16 ) 中，n x = 仇= n o ，绣= 珑( 其中玎 聍。) ，则其电光系数张 量为 0 一，2 2y 1 3 0 托2托3 00 蚝3 0 以l 0 以1 00 一托2 00 ( 3 1 8 ) 其中，= 8 6 10 。1 2 ，y 3 3 - 3 0 8 10 。1 2 ，= 2 4 10 叱形， 以。- - 2 8 1 0 吨。 本论文中采用了两个方向的电场( z 方向、y 方向) 分别对x 切、y 传钛扩散铌 酸锂波导进行调谐，下面分别就这两个方向的电光效应进行分析。 第三章基于铌酸锂晶体的r o a d m 光波导分析 3 2 2 1z 方向电场的电光效应 沿l i n b o ，晶体光轴( z 轴) 施加电场，即e = e = o ， 轴传输，因此电感强度d ，= 0 ，则式( 3 1 6 ) 中可设y = 0 ， 及( 3 1 8 ) 可以得到 ( + n 3 ) ，+ ( 上三- + y 3 3 ) z 2 = 1 ho|lc 由于施加电场所引起的折射率的变化十分小，可以认为 j 乃，彰l = 1 ，i 儿，刀。2 l ：gj = 1 z 0 。由于光沿y 由式( 3 1 6 ) 、( 3 1 7 ) 利用式( 3 2 0 ) 的近似，可以将式( 3 1 9 ) 改写成为 而；两+ 而；1 面2 e2 卅 zz ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) i c ( 3 2 1 ) 式( 3 2 1 ) 表示，当在z 方向施加电场时，寻常光和异常光的偏振方向不会发生 改变，只是其折射率发生微小的改变，加电场后的折射率阼。7 与r 。由下式给出。 | 玎d ，：一导 3 ：g k ：以一要毽蟛 1 2 以一了7 。s 绣己； 式( 3 2 2 ) 将用于本论文中对相移电极的分析。 在铌酸锂y 方向加电场时，e ，e = e ，e = o ，髟o ，y -