（光学工程专业论文）machzehnder电光调制器的光学偏置研究.pdf

摘要 摘要 集成光学自问世以来一直是光电子学领域的- - f l 十分活跃的前沿学科。以晶 体材料为基底制作的各类导波光学器件在通信与光信息处理方面有着蓬勃的发 展。根据m a e h z e h n d e r 光波导干涉结构设计的集成光波导电光调制器与电磁场传 感器应运而生。 在高速光纤通信系统中，m a c h - z e h n d e r 集成光波导电光调制器作为一种信号 源的外调制器，它可以获得很窄的调制信号谱宽，降低光纤色散的影响。此外， m a c h - z e h n d e r 集成光波导电光调制器调制速率高，能很好的满足光纤通信系统向 更高速率发展的要求。这些特点令它成为当前大容量光纤传输网络和高速光电信 息处理系统中的关键器件，并有着广阔的发展前景。 与此同时，依据同样原理制作的电场传感器因其具有光路系统集成的新型光 学传感器结构，使得它在检测领域的应用中具有其他结构传感器无法比拟的优点。 此外，集成光波导电场传感器还具有稳定性好、精度高等优点。这令它在科研、 生产、通信、航天等领域有着广阔的应用前景，并有着良好的社会效益和可观的 经济效益。它是当前研究的热点之一 在实际中，为使m a e h z e h n d e r 集成光波导电光调制器工作于线性区域，通常 对其采用直流偏置法。然而直流电压的引入常会影响器件的工作特性。本文旨在 研究m a e h - z e h n d e r 集成光波导电光调制器的光学偏置法。并且分析此偏置法对 m a e h - z e h n d e r 集成光波导电光调制器及集成光波导电磁场传感器的影响。 首先，本文介绍了m a e h - z e h n d e r 铌酸锂电光调制器与集成光波导传感器的工 作原理。以此理论基础，对电光调制器的路径非对称m a c h - z e h n d e r 结构光学偏置 和折射率非对称m a e h z e h n d e r 结构光学偏黄分别进行研究。本文引入f d b p m 法 对此两种非对称结构电光调制器进行模拟仿真。其结果分析表明，非对称结构电 光调制器都具有较好的光学偏置特性。并且能很好的降低电光调制器的直流漂移 现象。在该两种非对称m a c h - z e h n d e r 结构电光调制器中，路径非对称结构的偏置 效果明显好于折射率非对称结构。此外，该两种结构应用于集成光波导传感器中， 都很好地提高了传感器的灵敏度。后者的灵敏误差、线性动态范围好于前者。 摘要 其次，本文研究了m a c h - z e h n d e r 集成光波导电光调制器的应力光学偏置。本 论文从晶体物理学和力学方面对晶体特性进行分析。在外力作用下，波导长度与 折射率发生变化产生相移。同时，电光调制器的弯曲损耗增加。由于外力作用致 使器件电极与波导问作用发生改变，电光调制器的凋嗷也有所增加。 最后，本文还设计了一套电光调制器应力光学偏詈实验系统。实验中分别对 两种不同应力光学偏置进行测试。简支梁式应力光学偏置实现9 8 7 2 4 。相位偏置。 实验结果基本符合理论分析。 本文对以上三种电光调制器的光学偏置进行了大量的计算仿真、实验与分析。 其研究结果具有着重要的理论与实际意义。 关键词：集成光学，m a t h z e h n d e r 干涉仪，电光调制器，光学偏置 i l a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h ee m e r g e n c eo fi n t e g r a t e d o p t i c s h a sb e e nav e r ya c t i v ef r o n t i e ro f o p t o e l e e t r o n i e sf i e l d s t h ev a r i o u st y p e so fw a v e g u i d ep r o d u c t i o nb a s e do nc r y s t a l m a t e r i a l sh a v et h er a p i dd e v e l o p m e n ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g a c c o r d i n gt o t h ed e s i g no fi n t e g r a t e dm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r sa n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l ds e n s o rd e v i c e sm e r g e d i nh i g h - s p e e do p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a sa ne x t e r n a lm o d u l a t o ro fs i g n a l s o u r c e m a c h - z e h n d e re l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r s 啪g e tt h en a r r o ws p e c t r a lw i d t ho f m o d u l a t i o ns i g n a l ，a n dr e d u c et h ei m p a c to ff i b e rd i s p e r s i o n i na d d i t i o n , e l e c t r o - o p t i c m o d u l a t o r s ，u s i n gm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , c a nm o d u l a t ea th i i g hs p e e da n ds a t i s f y t h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e df i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s s oh i g h s p e e de l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r sh a v eb e e nk e yd e v i c e sf o rl a r g ec a p a c i t yo p t i c a lf i b e r t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dh i 曲s p e e do p t o e l e c t r o n i c ss i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m m e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r s ，u s i n gm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , h a v eb r i g h tp r o s p e c t si n t h ef u t u r e m e a n w h i l e ，t h eo p t i c a lw a v e g n i d ee l e c t r i cf i e l ds e n s o r sb a s e do nt h es a m ep r i n c i p l e h a v et h en e wo p t i c a ls t r u c t u r e 、v i t l lo p t i c a ls y s t e mi n t e g r a t i o n t h eo p t i c a lw a v e g u i d e e l e c t r i cf i e l ds e n s o r sw i t l lt h o s eu n i q u ea d v a n t a g e sa r eb e t t e rt h a no t h e rs e n s o r si nt h e d e t e c t i o nf i e l d i ti n t e g r a t e so p t i c a ls y s t e mi nt h es a m es u b s t r a t e ，m i n i a t u r e st h e d e t e c t i o ns y s t e m i na d d i t i o n ，i th a s g o o ds t a b i l i t y , h i 曲p r e c i s i o n ，t h eo p t i c a l w a v e g n i d ee l e c t r i cf i e l ds e n s o r sh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h er e s e a r c h , m a n u f a c t u r i n g ，c o m m u n i c a t i o n s ，a e r o s p a c ea n do t h e rf i e l d s a n dt h e yh a v eg o o ds o c i a l a n dc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t s t o d a yt h e yh a v eb e c o m eas u b j e c to f i n t e n s e s t u d y m a e h - z e h n d e re l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r sa n do p t i c a lw a v e g u i d ee l e c t r i cf i e l ds e n s o r s a r em a d et ow o r ki nt h el i n e a rr e g i o nb yb e i n ga p p l i e dd cb i a s b u ti tw i l ld i s t u r bt h e p r o p e r t i e so ft h ed e v i c e s t h es u b j e c to ft h i st h e s i si st os t u d yt h eo p t i c a lb i a so ft h e i a b s t r a c t d e v i c e s ， f i r s t ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r s ，s t u d i e sh a v eb e e nm a d eo n o p t i c a lp a t ha s y m m e t r i cb i a so fm a c h - z e h a d e ri n t e r f e r o m e t e r f i n i t ed i f f e r e n c eb e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ( f d b p m l i s i n t r o d u c e d t o s i m u l a t et w od i m e n s i o n s m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t sf r o mt h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n , c o m p a r e dt on o n - i n t e g r a t e do p t i c a lb i a s ，t h es e n s i t i v i t yo fo p t i c a lw a v e g u i d ee l e c t r i c f i e l ds c i i s o r si si m p r o v e d s e c o n d ，s t u d i e sh a v e b e e nm a d eo nt h er e f r a c t i v ei n d e xo fm a c h - z e h n d e r i n t e r f e r o m e t e r t h er e f r a c t i v ei n d e xi sc h a n g e dt oa c h i e v eo p t i c a lb i a s t h es e n s i t i v i t yo f o p t i c a lw a v e g u i d ee l e c t r i cf i e l ds e n s o r si si m p r o v e d t h es e n s i t i v ee r r o ra n dt h e d y n a m i cr a n g ea r ed e c r e a s e d ，b u tb e t t e rt h a nt h eo p t i c a lp a t ha s y m m e t r i cb i a s a tl a s t , i n t e g r a t e dm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e ri sp r e s s e dt oa c h i e v eo p t i c a lb i a s t h ec o n d u c t o rl o s sa n d c h i pp a r a m e t e ro f e l e c 打o - o p t i c a lm o d u l a t o r si si n c r e a s e d as e t o f o p t i c a ls y s t e mi sd e s i g n e df o ri ti nt h ef i n a lc h a p t e r t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t sm a t c h w i t ht h et h e o r e t i cv a l u ea p p r o x i m a t e l y t h ed e t a i l e dt h e o r ya n dd e s i g na b o u tt h r e ek i n d so f o p t i c a lb i a sh a v eb e e nf i n i s h e d i nt h i st h e s i s t h er e s u l t so f l o t ss i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v es h o w e dt h e yh a v e i m p o r t a n tt h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lm e a n i n gf o re l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r s k e y w o r d s ：i n t e g r a t e do p t i c s ，m a e h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r s ， o p t i c a lb i a s 图表目录 图表目录 图1 2 - 1m a c h - z e h n d e r 铌酸锂电光调制器 图1 3 i 集成光波导传感器及其系统图示 图2 i l 沿c 轴的氧八面体空间立体分布直观示意图 图2 1 2 折射率球及相应于s 方向上的椭圆曲线。 图2 2 - 1 电光调制嚣的基本结构 图2 2 - 2m a c h - z c h n d e r 铌酸锂电光调制器 图2 3 1 集成光波导电场传感器结构 图2 4 - 1m - z 结构强度调制器的直流特性 图2 4 - 2 相位偏篁与光输出强度i 叫的关系 1 0 1 4 1 5 1 7 1 7 i s 图3 2 - i ( a ) 宜接转向墼对称分支波导( b ) s 弯曲型分支波导j 弦 图3 2 - 2 平行波导臂长3 r a m 、闻距2 0 p r o 波导耦合情况 图3 2 - 3 平行波导臂长3 m m 、间距2 3 p m 波导无耦含情况一2 9 图3 2 4 不同波导宽度与波导输出的关系 图3 2 - 5 波导宽度为i o p m 光场情况 图3 2 - 6 ( a ) 未施加电压时m z 光场分布图( ”麓加半波电压时m - z 光场分布3 0 图3 2 7 直流电压调制下电光调制器光输出情况 图3 3 1 路径非对称m - z 干涉结构- 3 l 图3 3 2 非对称电极结构。 图3 3 - 3 对称电极结构 图3 3 - 4 路径非对称m 乏结构光学偏置仿真 图3 3 - 5 路径非对称m - z 结构光学偏置光场分布 3 2 3 3 图3 3 - 6m z 平行波导中的光波传输情况3 4 图3 3 7 平行波导中的光强情况3 5 图3 每l 折射率非对称m - z 结构 图3 4 2 折射率非对称光学偏置仿真3 7 图3 4 - 3 折射率非对称m z 电光调制器的光场分布 v i i i l 鳘i 表目录 图3 4 4 经不同折射率波导光场情况3 8 图3 4 - 5 经不同折射率光强情况3 9 图3 6 - 1 偏置相位与传感器可探测最小电压的关系4 l 图4 ，2 - l 悬臂粱式应力光学偏置示意瞄，4 7 图4 2 - 2 不同基底宽度相位偏置情况5 0 图4 2 - 3 长度改变引起相位妒，与折射率改变引起相位5 l 图4 2 _ 4 所施外力与总偏置相位间关系 图4 , 3 1 简支梁式应力光学偏置示意图5 3 图4 3 - 2 不同基底宽度相位偏置情况5 5 图4 3 3 外力户与偏置相位p 关系5 6 图5 1 i 应力光学偏置实验测试图6 0 图5 1 - 2 实验系统实物装置图一6 0 图5 2 i 简支梁式应力光学偏置 图5 2 - 2 旌力装置实物图6 l 图5 2 - 3 悬臂梁式应力偏管实验测试系统一6 2 图5 2 - 4 悬臂粱式光学偏置电光调制器受损图6 2 图5 3 1 简支梁虑力光学偏置结构示意图6 3 图5 3 - 2 筒支粱光学偏置施力装置图 图5 3 - 3 简支粱光学偏置实验系统图6 4 图5 3 - 4 电光调制器受损情况 表5 , 3 i 不同步进光输出情况“ 表5 , 3 - 2 不同步迸的光输出与相位偏置情况一6 5 表5 3 - 3 不同输入光功率f 偏置电光调制器的光输出情况6 5 i x 简缩字表 l i n b 0 3 m z e m c f d b p m l i t h i 啪n i o b a t e m a e h z e h n d c r 简缩字表 铌酸锂 马赫一曾德尔 e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 电磁兼容性 f i i l i t ed i f f e r e n c e 有限差分法 b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d 光束传播法 f d b p mf i n i t ed i f f e m e eb e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d 有限差分束传播法 x 透明边界法 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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：趔 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：型导师签名：钟嬲 醐砰n 掷 第一章绪论 1 1 集成光学简介 第一章绪论 自从1 9 6 9 年美国贝尔实验室s e m i l l e r 首次提出“集成光学”这一概念 1 1 以 来，它将光纤和以平面介质光波导为基础的集成光路相结合，极大的促进了光通 信的长足发展。集成光学系统一改传统的非集成光学离散光学元件系统体积大和 重量大、稳定性性差和光束的调准困难的缺点实现在光波导传播光波容易控制 和保持能量，光功率密度高的优点，而且器件尺寸和相互作用长度得到缩短，相 关的电子器件的工作电压也较低。集成光学器件一般都集成在厘米尺度的衬底上， 其体积减小、重量减轻。器件的组装问题得到解决，对环境因素的适应也比较强。 目前，在光通信、传感器及光信息处理方面，集成光学器件已显示出电子学 无法比拟的优越性。作为一种信息的处理与传输系统，与微电子系统相比，集成 光学系统也独具魅力【2 】。 集成光路以光波作为信号载体，它的频率比电磁振荡高得多，因而其所加载 的信号频带极宽；同时，集成光路还可以克服电路导线固有的电容和电感导致的 频率限制效应。如此以来，集成光路传输的信号带宽及信号的传输信息量，比以 往电子电路系统的电信号传输带宽和信息量大很多。 简而言之，用集成光路替代集成电路的优点包括带宽增加，波分复用，多路 开关、耦合损耗小，尺寸小，重量轻，功耗小，成批制备经济性好，可靠性高等。 由于光和物质的多种相互作用，还可以在集成光路的构成中，利用诸如光电效应、 电光效应、声光效应等多种物理效应，实现新型器件的功能【3 j 。 尽管现在集成光学器件的集成规模仍处于中小规模，按集成的元件数而言， 由几个到几百个，还不能与微电子集成相比。但是也远非简单的光学器件集成， 而是一个集成光学、激光、微电子学、光电子学、薄膜技术为一体的综合集成。 对于光电子学，集成光学的功能集成方向是以光子集成( p i c ) 、光电集成( o e i c ) 的方式，将不同功能的元件集成在一起，制造出高功能、高性能的器件【4 j 。 随着光通信、光传感器及光信息处理方面的发展，作为现代光电子学的一个 电子科技大学硕士学位论文 重要分支，集成光学将会得到更加飞速发展，各种新型集成光学器件将层出不穷， 光学器件的集成工艺及功能也会更加完善。 1 2 铌酸锂电光调制器 集成光学从基础研究转向应用研究对于光通信与光信息处理的发展起着很大 促进作用。其中集成光波导电光调制器是最为突出的例子。它已成为光通信与光 信息处理的重要器件。特别随着近年来高速光纤传输系统的迅猛发展，以及人们 对宽带需求的增加，迫切要求高速集成光波导电光调制器与之相适应【5 j 【6 j 唧8 1 。 光波调制就是将电信号加在激光载波上使之变成光信号的过程嗍【“。按调制方 式而言，光调制分为直接调制方式和外调制方式。直接调制方式是直接利用调制 信号控制激光器的输出光特性。而外调制方式用调制信号作用于激光腔外的调制 器，使通过调制器的激光束某一参量随信号而变。 虽然直接调制器具有驱动功率小、与光纤耦合效率高等优点，但是与此同时， 半导体激光器的直接调制也会引起啁啾现象。啁啾使激光器的谱线展宽，而光传 输传输系统的色度色散与信号的谱宽成正比。啁瞅现象限制着系统的传输带宽和 传输距离。 外调制器具有高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生 的光频率跳变的“啁啾”现象。且外调制器不需要高频响应的激光器，只要求有 稳定的激光源，另外还适用于在多种波长下的固体和气体激光器。在大功率的光 纤通信系统中( 如光孤子通信) ，半导体激光器由于功率太小( 一般在微瓦级) 已 经不能使用，这时外调制也就更能显示出它的重要性，并且由于调制单元于激光 器在电磁场上的分离而使激光器可以稳定工作，也允许调制方案和结构更灵活多 变来提高调制带宽和调制效率。 理论上，用任何具有高速电光效应响应、能透过所使用激光的材料能制作高 速电光调制器。然而适合用于光纤通信系统的调制器材料却主要是铌酸锂 ( l i n b 0 3 ) 、砷化镓( g a a s ) 和聚合物等。目前，无论从整个光路的研制水平， 或单个功能器件的研制和开发应用来看，仍需利用那些电光效应特别优异的介质 材料，来研制电光调制器。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们 与单模光纤光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多。聚合物调制器的长 期稳定性尚不理想。相比较下，铌酸锂调制器啁啾小，传输损耗小，同时可以实 2 第一章绪论 现宽带调制，最大的优势在于它的电光系数比较高。因此铌酸锂器件已经被广泛 应用，并且还有很大的发展空间，对于这类应用，它是最有发展前途的介质材料， 因此当前实用光纤通信系统中都选用铌酸锂电光调制器。宽带铌酸锂电光调制器 是目前高速、长距离的光纤通信系统中不可或缺的关键组件。m a c h z e h n d e r 铌酸锂 电光调制器的结构如图1 2 1 所示。 1 3 集成光波导传感器 图1 2 - 1 m a c h - z e h n d e r 铌酸锂电光调制器 高速电光调制器用途广泛。高速m - z 铌酸锂调制器除用于高速据率的光纤传 输系统外，还可制备成集成光波导传感器测量微弱的微波电场。集成光波导传感 器及相应系统结构如图1 3 - 1 所示。 集成光波导传感器的研究是集成光学技术的一个重要领域。它为光学传感器 开辟了新的发展方向。它解决了传统传感器暴露出的体积大、稳定性差、光束的 对准和准值困难等问题。器件中的介质光波导直接成为感应和传递信息的媒质。 在被检测信号的调制下，使波导中的光强度或相位随着信号相应的变化。在众多 传感器中，集成光波导传感器具有以下优点：( 1 ) 与基于电信号探测的传感器相 比，集成光波导传感器基于光信号探测，可以避免外界电磁场的干扰，有更好的 稳定性和可靠性，有利于在恶劣环境下使用；( 2 ) 通过灵活选择波导材料和优化 设计结构以获得更高的灵敏度；( 3 ) 通过单片集成，可实现多信道同时测量以及 系统微型化和多功能化，并降低功耗；( 4 ) 通过与微机械、微电子技术相结合， 可提供新的传感应用和集成潜力；( 5 ) 通过集成工艺实现规模化生产，可降低成 本【1 1 1 【i 2 】i l3 1 。集成光波导传感器有利于实现多功能集成、紧凑封装和批量生产，以 电子科技人学硕士学位论文 及拥有小型轻量、稳定可靠、低耗高效等其他结构传感器无法比拟的优势，是新 代传感器系统的重要组成部分。 图i 3 - 1 集成光波导传感器及其系统图示 凭借集成光波导传感器的众多优势，其应用领域也会更加广泛。目前在精确 检测甚高场和高压电场传输线以及快速感应高功率微波源系统中具有可喜的应用 前景。 目前，国际上众多国家正在对用于不同用途的集成光波导传感器进行研制， 其中包括压力、电磁场、流量、加速度、角速度和生物化学传感器等。我国的众 多科研院校机构也开展了各种类型的集成光波导传感器的研究工作，并取得进展 【1 4 】【1 5 】【1 5 j 。1 9 9 4 年中国科学院长春物理研究所研制出了种用于检铡汽车点火的 啊扩散l i n b 0 3 光波导电场传感器【 】。在此基础上，中科院长春光机与物理所于 2 0 0 1 年又研制出了高性能的集成光波导电场传感器。它的研制成功，可成为火箭 发射系统、电力部门高压绝缘漏电、局部高压放电、空间电位分布、大气电磁场 分布等方面的检测手段1 1 3 l 。 在不久的将来，随着新原理、新材料和新工艺的进步，集成光波导传感器将 会灵敏度更高、带宽更大而且同时还具有多功能、智能化、集成化特点，适应当 4 第一章绪论 今多变的测试环境 1 4m a e h - z e h n d e r 电光调制光学偏置研究国内外动态 采用m a c h z e h n d e r 干涉仪式结构制备的集成光波导传感器具有结构紧凑、大 带宽、高灵敏度且不干扰被测电磁场的优点。因而在e m c ( 电磁兼容性) 测量方 面具有很好的发展前景。为实现传感器线性调制及提高它的动态范围，一般要将 对传感器实现初始光相位偏置。 为实现m a e h - z e h n d e r 电光调制器相位偏置，一般通过对调制器电极施加直流 电压以实现偏置。然而在实际工作中，直流偏置会因工作温度、铌酸锂晶体材料 的热释电引起表面电荷迁移以及存在s i 0 2 缓冲层而发生直流漂移，偏置点在漂移 进而还会影响频率啁啾【1 9 1 。此外，直流偏置电极的引入不但令器件结构复杂，而 且增加了器件的长度，电极设计复杂化。对于集成光波导传感器而言，直流偏置 还将会影响对教测电磁场的测量。集成光波导传感器的灵敏度以及调制范围等工 作特性将受到限制。为此，集成光波导电磁场传感器只能采用无电方式偏置。 为能进步发挥集成光波导传感器的优越特性，不少国内外专家学者都在开 展对电光调制器的相位偏置研究。在国外，华盛顿海军研究实验室c i - i b u l m e r , w k b u r n s 等学者【2 0 l 于1 9 8 0 年发表论文提出通过设计m a e h - z e l m d e r 干涉臂不等长 以产生相位差达到相位偏置的方法。1 9 9 3 年美国学者y - k c h o l 、m s a n a g i 和 m n a k a j i r n a 2 1 l 以此非对称铌酸锂m ，z 结构制作的集成光波导传感器在6 0 h z 到 i o o k h z 问可以获得0 1 v e r a 至6 0 v c m 测量范围。日本学者r y u i c h ik o b a y a s h i 和 n o b u ok u w a b a r a 等人于2 0 0 0 年采用施加外力的方法实现对电光调制器的相位偏 置，集成光波导传感器的灵敏度也提高了6 d b l 2 2 1 。 在国内，电子科技大学光电学院于1 9 9 1 年曾报道了自行研制的一支曩扩散 m z 结构集成光波导传感器1 2 3 j 。该传感器通过不等臂长实现偏雹，可用来测量低 频毫伏级电场。以其同样原理，2 0 0 6 年清华大学曾嵘，陈未远等1 2 4 j 研制出一支集 成光波导电磁场传感器用于测试高压电场，可适用于3 0 0 k v m 强电场测量。 随着集成光学工艺的不断进步，对于集成光波导电场传感器的研究还将在器 件的结构方面深入开展。偏置技术的发展必将带动集残光波导电传感器商灵敏度、 大带宽的优点充分体现出来。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 5 本论文的主要工作及结构安排 本论文根据m a e h z e l m d e r 电光调制器的基本原理，以计算机仿真和具体试验 相结合，对m a e h - z e h n d e r 电光调制器的光学偏置进行研究，并对其相关特性进行 了详细的分析。其研究的主要内容如下： ( 1 ) 首先从理论上阐述铌酸锂晶体的基本晶体结构及其特性；在此基础上探 讨了对铌酸锂晶体的电光效应的基本原理，阐明了铌酸锂电光晶体的调制方式， 分析了m a e h - z e t m d e r 铌酸锂电光调制器及集成光波导传感器的基本原理、调制器 的直流偏置原理以及光学偏置原理。 ( 2 ) 对非对称m z 结构光学偏置进行研究分析。非对称m z 结构光学偏置 包括路径非对称、折射率非对称两种形式本论文采用束传播法( b p m ) 对两种 形式的m - z 电光调制器进行计算仿真。首先优化设计对称结构的m - z 光波导电光 调制器，并以此基础设计两种不同形式的光学偏置。对实现光偏置电光调制进行 特性分析。 ( 3 ) 对应力光学偏胃进行研究分析。首先从晶体物理学和力学上阐述铌酸锂 晶体在外力作用下的结构改变。进而以之分析在外力作用下，铌酸锂电光调制器 折射率以及波导臂长度的改变。由于折射率与波导臂长改变，导致光波在波导中 传播相位发生变化。在实现光学偏置同时，器件的性能也受影响。调制器的啁啾 参数作为衡量调制器性能的重要参数之一 ( 4 ) 对两种应力光学偏置方式进行理论分析计算，并且开展相应实验。从实 验中，本论文进一步分析应力光学偏置。 本论文的结构安排如下： 第一章主要介绍集成光学的概念、特点和发展，描述了铌酸锂电光调制器与 集成光波导传感器应用现状和研究现状，并且介绍了电光调制器的偏置研究动态。 最后阐明了本文的主要工作即各章节安排。 第二章阐述铌酸锂晶体的基本结构及性质，着重分析了铌酸锂晶体的电光效 应，在此基础上导出了铌酸锂电光调制器的原理以及集成光波导电场传感器原理。 对电光调制器的直流偏置原理和光学偏置原理进行分析介绍。 第三章介绍了本文所用的光波导模拟仿真和优化设计算法一差分束传播法 第一章绪论 ( f d - b p m ) 。以此来优化设计对称m z 光波导结构，根据该波导优化结构为基础 对非对称m - z 结构光学偏置进行仿真计算。并分析非对称m z 相位偏置器件性能。 第四章从晶体物理学理论上阐述晶体受外力作用下的应力与形变，以及之间 关系。在此基础上研究外力作用下器件的光传输路径与折射率变化，如何实现器 件的光学偏置。对电光调制器采用两种不同施力。实现偏置并对其加以研究分析。 第五章详细介绍了实验研究的内容并对实验结果进行了分析和讨论。结合试 验室的现有条件对该方案进行了一系列的实验研究。详细描述了各实验的全过程， 对实验结果进行了详细的讨论与分析。 第五章全文的工作总结，指出下一步开展的工作。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章m a c h z e h n d e r 铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置 由于本文所讨论的调制器采用的是铌酸锂晶体材料。因此有必要首先对铌酸 锂材料的组成、结构和特性有所介绍，然后对l i n b 0 3 电光调制器和集成光波导传 感器的基本原理及偏置进行分析讨论。 2 1 铌酸锂晶体特性概述 自1 9 4 9 年首次发现铌酸锂晶体具有铁电性，1 9 6 5 年b a l l m a n 用c z o c h r a l s k i 拉提法成功地生长出大单晶【2 5 l 以来，人们对铌酸锂晶体材料的研究与应用发展迅 速。目前在集成和导波光学中，它是一种很重要的晶体材料。铌酸锂晶体材料属 于三角晶体结构材料，具有大的热电、压电和弹光系数等特性。它的居里点高、 声光效应和体光伏效应强。因此，它被广泛的应用来制作器件，如微声器件，高 频高温换能器、红外探测器、激光调制器、激光倍频器、光参量振荡器、无线电 高频宽带通滤波器、延迟线、光波导等等。 2 1 1 晶体结构 铌酸锂是无色或略带淡黄绿色的透明晶体，熔点为1 2 4 0 士5 c ，密度为 4 7 0 x 1 0 3 k g m 3 ，莫氏硬度为6 。铌酸锂晶体铁电相结构属于3 m ，顺电相结构属点 群5 m 。铌酸锂晶体在低于居罩温度( 1 2 1 0 c ) 时呈现铁电性，当温度超过居里温 度时呈现顺电性，电光效应消失闭，因此本文仅讨论铌酸锂晶体的铁电结构。 铌酸锂晶体是由氧八面体组成的。其中氧八面体以共面的形式叠置起来形成 堆垛，公共面与氧八面体三重轴，办即与极轴垂直，许多堆垛再以八面体共棱的 形式连接起来形成晶体。n b 和“分别填塞在氧八面体中，n b 和“是相间隔填塞 得。包围n b 的三个氧八面体和包围l i 的三个氧八面体又分别形成三角形的位置。 在这个八面体空隙结构中，1 3 是锂原子占据，l ，3 为铌，余下l ，3 是空穴；在 + c 方向，n b 、空穴、l i 呈周期性空间排列。当温度高于居里温度时铌酸锂晶体 处于顺电相位，每个垛中氧八面体按下述顺序交管出现：一个中心有n b 的氧八面 体，两个在其公共面上有“的氧八面体。在顺电相，“和n b 分别位于氧平面和 氧八面体中心，无自发极化当温度处于居里温度之下时，铌酸锂晶体处于铁电 8 第一二章m a c h - z e h n d e r 铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置 相。晶体中“和n b 都发生了沿c 轴的位移，前者离开了氧八面体的公共面，后 者离开了氧八面体的中心。由于l i 和n b 的移动，造成了沿c 轴的电偶极矩，即 出现了自发极化。 硝s 1 1 1f v t 0 i p o l ee o 囝 图2 1 i 沿c 轴的氧八面体空间立体分布直观示意图 ( 相互平行的公共氧平面( 三角形) 层中大球为o 褐色球为n b 小罴球为l i ) 2 1 2 折射率球 折射率椭球是描述晶体中的光学性质最常用的光学示性曲面，它是为了表示 给定波法线s 方向的两个折射率n 和栉一以及电位移矢量d 的两个偏振杏d 。和d ， 而提出的一个单层空间曲面。借助于这些曲面可以用直观的几何方法说明光波在 晶体中的传播规律，包括光的传播方向、各矢量之同的关系及光波的偏振态嘲。 它是以主折射率m 、m 、啦为半主轴的椭球。在主轴坐标系统下，根据能量关 1 系式玑= 二西d 可得： 言+ 专每， ( z - i ) 该式( 2 - 1 ) 是标准的椭球方程t 表示一个椭球面，通常称为折射率椭球面。他的主 轴长度分别为2 惭、2 啦、2 ，其主轴方向与晶体光轴方向一致。若坐标系统方向 9 s 意f 电子科技大学硕士学位论文 与晶体光轴不一致，则曲面方程可写成为： ( 专】。x 2 + ( 专) 托歹2 + ( 吉1 ，z 2 + z ( ) 矽+ z ( 嘉) l ，膨+ 2 ( ) 2 ，弦= t ( 2 - 2 ， 仍然是一个椭球面。根据折射率椭球，可求出晶体中任意传播方向上两个独 立的平面波的两种折射率及相应的两个d 的方向。为此，作通过原点与传播方向 s 垂直的平面，找出此平面与折射率椭球相交的椭圆曲线，此相交椭圆的两轴在长 度上等子2 n 和2 疗”，其中肛和押”就是所求的两种折射率，两个轴的方向就是所求 的两个偏振d 和d 的方向。 ( a ) z 。 r l + 矛 吣 萝 r y ( 图2 i - 2 折射率球及相应于s 方向上的椭圆曲线 2 2m a e h z e h n d e r 铌酸锂电光调制器的基本原理 2 2 1 电光调制器的线性电光效应 电光调制器的电光效应，可以概括定义为当电场施加在光正在传输的介质时， 引起的折射率变化、吸收率( 电吸收) 变化和散射变化“o l 。理论与实验分析均证 明【2 ，】：当晶体上施加电场之后，将引起束缚电荷的重新分配，导致离子晶格发生 微小形变。其结果引起介电常量的变化，最终导致晶体折射率的变化。在外加电 场作用下，晶体折射率变化可以表示为： 第二章m a c h z e h n d e r 铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置 a n = 九一= y e + h e 2 + 一 ( 2 d ) 式中n o 为未加电场时的折射率：扎h 为常量。归是折射率变化的一次项，该项代 表的折射率变化称为线性电光效应或泡克耳斯( p o c k e l s ) 效应；二次项h , 2 代表 的折射率变化称为二次电光效应或克尔( k e r r ) 效应。铌酸锂电光晶