（物理电子学专业论文）高速可调光梳状滤波器及其控制系统的研究.pdf

浙江大学硕士论文摘要 摘要 光梳状滤波器作为一类特殊的波长选择光滤波器，在光纤通信网络中的应用 非常广泛，包括：多波长光纤激光器的构建，密集波分复用系统中的复用与解复 用以及光电测量等。本论文研究的是基于透明铁电陶瓷的高速可调梳状滤波器， 中心波长和通道隔离度的快速动态可调使得动态光网络系统中信道的移动切换 和信号快速调节修饰等方面的动作更加简单有效。 本论文提出了一种中心波长和通道隔离度分别高速可调光梳状滤波器的工 作原理和结构方案。分析了光梳状器光路各组件之间的匹配关系，以此完善滤波 器的主要性能，并在此基础上具体完成了可调光梳状滤波器的研制。理论上量化 分析了晶体和波片的角度误差对隔离度的影响，并提出通过控制电光晶体上的驱 动电压来补偿角度误差带来的影响，提高梳状滤波器的通道隔离度。 本论文设计了可调光梳状滤波器的驱动控制系统来克服温度对滤波器中心 波长和通道隔离度的影响。该控制系统中，控制芯片对表征滤波器状态的探测光 信号进行分析处理，进而控制驱动电压保持中心波长和隔离度的稳定性。 最后，实验验证了驱动控制系统的可行性，很好地实现了梳状滤波器中心波 长的温度稳定性。与传统的光梳状滤波器相比，本可调光梳状滤波器具有结构简 单、响应速度快、偏振无关、插入损耗小、性能稳定可靠等特点。 关键词：可调光梳状滤波器，透明铁电陶瓷，驱动控制系统，u s b 通信 l i 浙江丈学硕上论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a ss p e c i a lw a v e l e n g t hs e l e c t i v ef i l t e r s ，o p t i c a lc o m bf i l t e rh a v ew i d ea p p l i c a t i o n s i no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，f r o mm u l t i w a v e l e n g t hl a s e rs o u r c e sa n dw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) t op h o t o e l e c t r i cm e a s u r e m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o u r r e s e a r c hi so nt u n a b l ec o m bf i l t e rb a s e do nt r a n s p a r e n tf e r r o e l e c t r i cc e r a m i c w i t h c e n t r a lw a v e l e n g t ha n dc h a n n e li s o l a t i o nt u n a b l ec o m bf i l t e r s ，c h a n n e ls h i f ta n ds i g n a l p r o c e s s i n gw i l lb em u c hm o r es i m p l ea n de f f i c i e n ti nd y n a m i co p t i c a ln e t w o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an o v e lc e n t r a lw a v e l e n g t ha n di s o l a t i o nt u n a b l ef i b e r - o p t i c c o m bf i l t e ri sp r o p o s e d p a r a m e t e r so ft h ec o m p o n e n t su s e di nt h ec o m bf i l t e r s t r u c t u r ea r ec a l c u l a t e da n dd e s i g n e dt o g e tb e r e rp e r f o r m a n c e a c c o r d i n g t o t h e o r e t i c a la n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，t h ec h a n n e li s o l a t i o nc a nb ei m p r o v e dt or e a c ha m a x i m u mb ya p p l y i n gav o l t a g et oe l e c t r o - o p t i cc r y s t a lt oc o m p e n s a t ef o rt h e a l i g n m e n te r r o r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed e s i g nac o n t r o ls y s t e m ，i nw h i c ht h ed r i v i n g - v o l t a g ec a nb e a d j u s t e dt oc o m p e n s a t et h ee f f e c to fw o r k i n gt e m p e r a t u r e i no u r c o n t r o ls y s t e m ，t h e d e t e c t e dl i g h tw a v es i g n a lc o n t a i n si n f o r m a t i o na b o u tt h ec h a n g ei nt h et r a n s i e n t s p e c t r a lt r a n s m i s s i o no ff i l t e r , a n dc o n t r o l l e rc h i pi su s e dt oa d j u s tt h ed r i v i n g - v o l t a g e t om a i n t a i ns p e c t r a lt r a n s m i s s i o ns t a b l ea c c o r d i n gt ot h el i g h tw a v es i g n a l f i n a l l y , e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e dc o n t r o l s y s t e mp e r f o r m s w e l l c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o m bf i l t e r s ，t h et u n a b l ec o m bf i l t e rh a v et h ef e a t u r e so f l o wi n s e r t i o nl o s s ，l a r g e d y n a m i cr a n g e ，h i g ht u n i n gs p e e d ，c o m p a c t ，s t e a d y p e r f o r m a n c e ，a n dp o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v i t y k e y w o r d s ：t u n a b l eo p t i c a lc o m bf i l t e r s ，t r a n s p a r e n t f e r r o e l e c t r i cc e r a m i c ， d r i v i n gc o n t r o ls y s t e m ，u s bc o m m u n i c a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘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谢意。 虢秘 签字同期：p 7 。年弓月r ， ，、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿叁茔 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和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 色 导师签名： 签字日期： 祈p 年弓月c | f i 签字同期：加j 口年弓月i 口同 7 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 首先要向我的导师金晓峰教授表示衷心的感谢，本论文是在恩师的悉心指导 下完成的。从最初选定课题为我提供相关文献资料，指导我搜集资料，为我研究 中遇到的问题解惑，到后来指导我的实验、专利申请、文章投稿等，都给了我极 大的帮助。金老师严谨的治学作风，渊博的学识，亲切随和的师者风范，都让我 十分敬仰。金老师不仅在学习中给了我很多有用的指导和鼓励，更在生活其它方 面给予无私的帮助，激励我不断前进。祝愿老师身体健康，家庭幸福，万事如意。 由衷感谢章献民、池灏、郑史烈、谢银芳老师在学习和生活等方面入微的指 导和帮助。还要感谢美国波士顿应用技术公司邹英寅老师的合作，对我课题的开 展和深入提供了可靠的支持。 非常感谢和我一起参与项目研究的周志军同学，他总能帮我解决一些实际操 作过程中特别是光路的搭建与调试方面遇到的问题，对我的项目进展帮助颇多。 感谢实验室师兄弟师姐妹们给予的帮助和鼓励，你们坚实的专业知识和乐于 助人的态度给了我很多帮助，使我解决了遇到的很多问题；和你们在一起的日子 很开心，谢谢你们! 还要感谢我所有的同学朋友给我的关心、帮助和鼓励! 最后更要特别感谢我的父母，在我成长的二十余载，你们给了我太多太多。 再多的言语也无法表达我的感恩，谨以此文献给你们! 并以此文纪念我的硕士研 究生求学生涯。 章飞 2 0 10 年2 月于浙江大学 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 光纤作为一种通信媒质，以其巨大的带宽资源、低损耗和不受电磁干扰等特 性越来越受到人们的青睐。光纤通信网是由纵横交错的光纤链路、大量高速的光 子器件、光电子器件和复杂的多功能集成模块构建的信息高速公路【l 】。光纤通信 技术的飞速发展，特别是密集波分复用( d w d m ) 技术的出现大大缓解了日益增长 的通信流量所带来的压力。光子滤波器是d w d m 光网中不可或缺的光子器件， 而光学梳状滤波器作为一类特殊的光滤波器，对构建波分复用、多波长激光器以 及光电测量等方面的重要性日益突出，有着广泛的应用前景。 1 2 光梳状滤波器的主要应用 光梳状滤波器作为一种重要的多波长选择器件，除广泛应用于波分复用外， 在多波长激光器的构建和光电测量系统中也有着十分重要的作用。下面介绍光梳 状滤波器的几个重要应用。 1 2 1d w d m 动态网络构建 密集波分复用( d w d m ) 技术是利用光纤通信巨大的带宽资源以及损耗很小 的特性，采用多个光波长作为载波，使得各个载波信道在光纤内同时传输。光梳 状滤波器作为一种高效的波长选择滤波器，将不同波长的信号光在频率域分开以 实现分波，逆向则实现合波功能，从而可以有效应用于d w d m 网络的波分复用 与解复用1 2 】。光梳状滤波器可以将一路输入的多波长光信号分成奇偶互补的两路 光信号，使每一路光信号中的信道间隔增倍，从而降低其后面级联的光波分复用 器件对信道间隔的要求【3 1 。典型应用如图1 1 所示，一个通道间隔为5 0 g h z 的梳 状滤波器把间隔为2 5 g h z 的信号分成两路间隔为5 0 g h z 的信号；而通道间隔为 1 0 0 g h z 的梳状滤波器把间隔为5 0 g h z 的信号分成两路间隔为1 0 0 g h z 的光信 号。梳状滤波器为功能互易器件，逆向则实现合波功能，即把4 路通道间隔为 1 0 0 g h z 的光信号合成一路2 5 g h z 的信号，这使信道容量提高了4 倍。由以上可 新大学顿士学位论文 第一章绪论 知，使用光学杭状毖波器可以方便、经济地对现有的d w d m 系统容量进行升级， 成倍地提高现有光通信系统的信息传送能力，已经成为现代光圈络通信系统中的 一粪关键器件，为光纤通讯的发晨展示了更为广阔的前景 岫l 一 围li 两圾光梳状滤波器构建的波分复用通信网络，增加t 系统通信容量4 i 1 2 2 多溲长教光器 在波分复用( w d m 】系统中，多波长激光器可以同时为多个信道提供所需光 源，使光发射端的成本大大降低，近年来已成为激光器研究的一个热点问题。多 波长激光器可t ! x h 3 半导体激光器阵列组合来实现，也可以用掺稀土元素的光纤激 光器来实现嘲对于在光纤通信系统中的应用来说，光纤激光器有着很多独特优 点，已然成为多波长激光器研究的重点 多波长光纤激光器首先要求其增益介质能够实现在宽频带上的激光增益，这 是实现宽频带上多波长光纤激光器的基础；其次采用不同的装置实现对多个波长 的选择性振荡激射，这是实现多波长光纤澈光器的关键 6 1 ，而光梳状滤波器可有 效实现多波长激光器高效稳定工作。如下图12 ( a ) 所示为环形多波长光纤激光器 的基本结构，泵浦光( p u m p ) 经w d m 耦台进入增益介质, 精( d r o p e d f i b e r ，常用 掺铒光纤e d f ) ，由于增益介质光纤的增益特性，产生激光，而增益介质光纡的 输出端又接到w d m ，形成环形谐振腔其中梳状滤波器选择几个波长同时在腔 内振荡，从而实现多波长激光的输出，如图1 , 2 m 所示 口血血山岳盘 一 一 一怎 浙江大学硕上学位论文 第章绪论 ( a ) ( b ) 图1 2 ( a ) 基于梳状滤波器的环形多波长光纤激光器结构6 1 ，( b ) 多波长激光器的输出7 】 1 2 3 光电测量 光梳状滤波器在光电测量系统中的应用也正变得越来越广泛。例如利用飞秒 激光器( f e m t o s e c o n dp u l s el a s e r , f s p l ) 和光梳状滤波器搭建的系统用来评测光纤 网络的色散效应，如下图1 3 所示。该测量系统基于波长和时间的映射关系 ( w a v e l e n g t h - t o t i m em a p p i n g ) - - 次测量即可给出结果，优于传统的光纤色散测量 方法。另外，利用光梳状滤波器还可以用来探测微波信号频率【9 1 。 图1 3 用于测量光纤色散效应的实验系统( 待测光纤f u t ：f i b e ru n d e r t e s t ；光电探测器p d ： p h o t o d e t e c t o r ；采样示波器o s c ：s a m p l i n go s c i l l o s c o p e ) 1 8 1 1 3 光梳状滤波器的研究现状 随着光通信技术及相关领域的不断发展，光梳状滤波器技术也呈现多元化的 发展趋势。现在比较常用的光学梳状滤波器的实现方案有：晶体双折射、阵列波 导光栅( a w g ) 和全光纤马赫曾德( m z ) 干涉仪等。 新大学碗学位* 文 第一 绪论 pr i m a r ya w g ( n 2 i o 、 “”1 杀 s e c o n d a wa w g s 图l4 串联的a w g 滤波器结构，其中插入的图片为主a w g 输出到于 a w g ( b p # k ，k = l ，1 0 ) 玻诺 阵列波导光栅( 拥y w a v e g u i d eg r a t i n g ，a w o ) 是由长度不同的几个通道波导 构成，输入输出波导群和两个扇形平面波导一起集成在村底上【”j 。连接平面 波导的a w g 由规则波导组成，相邻波导的长度相差为固定值，因而产生的相秽 将随波长而变动。透过波导后，在输出扇形波导中传输的光是相互干涉的，对于 在某指定端口输入的多波长信号被分解到不同的输出端口输出，以实现多波长复 合信号的分接。一般来说，a w g 插入损耗较大，偏振相关损耗大，温度稳定性 差，但体积小，成本低，容易实现大规模信道的复用与解复用。如图l4 所示， 两级串联的大规模a w g 滤波器结构，第一级为产生1 0 路通道宽度为1 t h z 的主 a w g ，而第二级为1 0 个通道宽度为1 0 g h z 的1 6 0 路的a w g ，这样就可以得到 了超过1 0 0 0 个通道的梳状滤波器结构。 垒光纤马赫一曾德干涉仪( m z l ) 光梳状滤波器，调节干涉臂的臂长差来控制输 出的波谱圈。m z i 梳状滤波器的结构单元如图15 ( a ) 所示，采用图k s ( b ) 所 示的耦合器结构能移降低器件的分束比对波导参数的敏感性，从而可以降低对器 件参量误差的苛刻要求。垒光纤m z i 杭状滤波器有旺下特点：便于和光纤熔接， 插入损耗小，偏振无关性好，制作工艺比较简单，而且非平衡m z i 的双干涉臂 的长度能够精确控制，使得f s r 能够很好的满足应用需求，但由于其温度稳定 性鞍差，在实际应用中温度控制使得成本显著提高。 j，j一。，矗。 竺登 、n = = “”m筋吣 。”脚；堇 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 b ) 图1 5m z i 梳状滤波器的结构单元1 2 1 晶体双折射型光梳状滤波器的基本原理就是晶体的双折射效应和偏振光干 涉，它的经典结构是：起偏器、双折射延迟晶体和检偏器。晶体双折射型是各大 公司( j d s u ，o p l i n k 等) 普遍采用的制作方法，器件结构紧凑、稳定性好，通常采 用双折射延迟晶体【钒钇酸( v v 0 4 ) 或红金石( t i 0 2 ) 】作为延迟单元【1 4 】。 以上传统的梳状滤波器技术在插入损耗和隔离度等基本性能方面都能较好 地满足设计要求。然而这些梳状滤波器的中心波长和通道隔离度都是固定不变 的，在很大程度上限制了其在动态d w d m 网络系统中的应用。而高速可调梳状 滤波器使得动态d w d m 系统中信道的切换移动和信号的快速调节修饰等方面的 动作更加简单、快速和有效。在未来的光通信网络中，可调光子器件的动态响应 速度变得越来越重要，例如：利用包交换时分多址技术的计算机网络，要求响应 速度能够达到亚微秒级。因此，与传统的光梳状滤波器相比，高速可调光梳状滤 波器有着更多的应用空间和市场潜力，已经成为人们研究的热点。 1 4 可调光梳状滤波器 一般来说作为比较理想的可调光滤波器，需要满足几个条件：高速的动态响 应、大的动态范围、低的功率消耗、低的插入损耗和低廉的成本【l5 1 。由于强调 可调光滤波器在动态网络中的广泛应用，近年来已经有人提出多种可调梳状滤波 器方案。光器件的可调性一般都基于以下几种方案：机械调节，液晶调节和利用 电光晶体的电光效应调节等。 基于机械调节的动态梳状滤波器的响应速度是一个严重的缺陷，它们所能达 到的调节速度一般在毫秒量级，不能满足现代高速动态通信网络的要求【l 酬。用 浙大学碗学位* 文第一章镕论 g i r e s - t o u r n o i si n t e r f e r o m e t e r ( ( m ) 替代m i e h e l s o n 干涉仪的一个全反射镜是 m g t l 滤波器的基础结构，如图16 所示为有5 个反射镜的m r - g t i ，而液晶 ( l i q u i dc r y s t a ll c ) 作为电光控制单元嵌入到g t l 腔中，即可实现中心波长的动 态调节。基于液晶的可调滤波器，它的优点是：控制电压【匕较低( 一般小于1 0 v ) ， 操作也比较方便，但是稳定性差和较低的响应速度( 一般为镘秒量级) 成为它广 泛应用的瓶颈。 i m l 1 l s p l m r 1 p 0 n2 d c c t e d t o r 田l6 利用蘸晶控制延迟的m i r - g t i l 4 i 由以上可知，基于机械和液晶的调节方式都不能很好的满足其在高速动态网 络中的应用，而基于电光晶体的可调梳状滤波器的响应速度一般来说是最快的， 可达到亚微秒甚至纳秒量级。铌酸锂l i n 0 3 是一种比较传统的电光晶体，基于它 的可调滤波器也很常见的。如下圈l7 ( a ) 所示，控制线偏振光经电光晶体l i n e 3 产生的延迟和玻璃( g l a s s ) 产生的相差来调节梳状滤波器的中心波长。然而l i n 0 3 强烈的电滞效应损害了滤波器的稳定性，而且较低的电光系数所导致太的操作电 压( 将到达1 0 0 0 伏) ，使得动态调节范围受到限制并增加了操作的复杂性，如图 17 ( b ) 所示，影响其应用前景 _ 蚕时 h 删m i舶m o i h m m g i 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 b i r e f r i n g e n tc r y s t a l 1 5 4 8 8 1 5 4 9 01 5 4 9 2 1 5 4 9 415 4 9 615 4 9 815 5 0 015 5 0 215 5 0 41 5 1 w a v e l e n g t h ( | i m ) 图1 7 ( a ) 基于l i n 0 3 的中心波长可调的光梳状滤波器的结构单元，( b ) 动态调节响应【1 7 1 还有一种基于半导体光放器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ，s o a ) 的光控 可调光梳状滤波器，如图1 8 所示，控制光的强度变化可以调制s o a 中的双折 射效应，并且滤波器中心波长的移动随着控制光的功率增强而增大直至饱和【1 8 】。 我们知道s o a 对于双折射的变化响应有着几十纳秒甚至更快的响应速度1 9 】，但 是它结构复杂、成本高和性能不稳定都不利于实际应用。 图1 8 基于s o a 的光控s a g n a c 光梳状滤波器结构1 8 i 以上可调梳状滤波器的实施方案，有着诸多限制，不利于广泛应用。亚微秒 甚至纳秒级的响应速度、整个通道范围内的动态调节和滤波器性能的稳定性( 特 别是温度稳定性) 将是我们所研究的基于透明铁电陶瓷的高速可调光梳状滤波器 的主要方向。 1 5 本论文主要研究的内容 光纤通信作为宽带网络发展的一个主流方向，相关技术和应用基础研究具有 现实意义。密集波分复用光网络应用中的光子器件是现实应用中的关键部分。光 梳状滤波器作为一类特殊的光子滤波器，在很多方面具有无法替代的应用价值。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 随着网络系统的发展，对于可调滤波器的性能要求越来越高：更低的插损、更高 的通道隔离度、更小的通道宽度和更快的动态响应速度等。 本论文所研究的高速可调光梳状滤波器，要求在较低的插入损耗和较高的通 道隔离度的基础上实现中心波长和通道隔离的高速动态可调，且在环境温度变化 下实现性能的稳定可靠。本论文主要研究的内容包括：介绍电光效应原理和透明 铁电陶瓷( p l z t 和p m n p t ) f f 应用特性，注重分析了一些不稳定因素，并用实 验验证了透明铁电陶瓷的二次电光效应；分析设计双折射晶体型光梳状滤波器， 并在此基础上利用透明铁电陶瓷的电光效应实现中心波长和通道隔离度的分别 高速动态可调，另外还分析了角度误差对通道隔离度的影响并进行误差补偿；讨 论光梳状滤波器的光路搭建和调试，对基本性能进行优化，主要考虑以下几个方 面：插损、隔离度和响应速度，最后对光梳状滤波器的基本性能进行了测试；设 计利用电光探测器p i n f e t 对滤波器状态的监测来反馈控制补偿透明铁电陶瓷 的驱动电压，实现整个器件的温度稳定性等，并对整个滤波器和控制系统进行温 度稳定性测试和实验研究。最后对本文进行总结，并对将来需要做的工作进行展 望。 浙江大学硕士学位论文第二章透明铁电陶瓷及实验研究 第二章透明铁电陶瓷及实验研究 施加外电场使各向同性介质变成各向异性介质，从而产生双折射的现象称 之为电光效应【2 0 1 。透明铁电陶瓷是一类高效的电光晶体材料，越来越广泛地应 用于光电器件中。本文所研究的高速可调光梳状滤波器，就是利用透明铁电陶瓷 的电光效应实现的。 2 1 电致双折射效应 2 1 1 光在各向异性介质中的传输 日常生活中，我们常见的是光波在各向同性介质中传播，如空气、水、玻璃 等。相比之下光波在异向介质中的传播有着巨大的差异，光学各向异性介质的典 型代表是某些单晶体，如方解石、石英晶体、红宝石等。各向异性晶体( 以下简 称晶体) 的一个特点就是具有双折射，同一束光入射将在晶体内产生的两束折射 光，其中一束光遵从折射定律；而另一束光一般情况下不遵循折射定律。前者我 们称为寻常光( o r d i n a r yl i g h t ，简称0 光) ，后者称为非寻常光( e x t r a o r d i n a r yl i g h t ， 简称e 光) 【2 ，如图2 1 所示。 图2 1 晶体的双折射现象瞄i 单轴晶体的0 光折射率n o 为一常数，与方向无关；而e 光在不同方向上的 传播速度并不相同，即不同方向上e 光折射率也不同。当e 光沿垂直于晶体光轴 方向传播时，e 光的折射率记为i l e 。一般将n o 、n e 称为晶体的主折射率。 将单轴晶体沿其光轴方向切制而成的具有一定厚度的平行平板被称为波晶 片( 简称波片) 。正入射波片的水平光束，在波晶片内分为0 光和e 光，且他们的 9 浙江火学硕士学位论文第二章透明铁电陶瓷及实验研究 传播方向不变，由于0 光和e 光的折射率差异导致相应的传播速度不同，从而引 入偏振光之问的相差。 波片可以用来改变偏振光的状态，是用途广泛的一种晶体元件。已知波晶片 的厚度为d ，则0 光和e 光通过波晶片的光程分别为i l o d 和n e d 。则由波晶片产生 的0 光相对于e 光的相位差表示为： 8 c = 车( 一吃) d ( 2 1 ) 实际应用中，选择波片的厚度，使得相差8 0 是7 1 的奇数倍8 c = ( 2 聊+ 1 ) 刀( 其 中m 取任意整数) ，称为半波片( 或称五2 波片) ；相位差8 c 是i t 2 的奇数倍 8 c = ( 2 小+ 1 ) 鲁时，则称为1 4 波片( 或称兄4 波片) 。半波片和1 1 4 波片可以简 单低成本地用来调节光的偏振态，在光器件光路的搭建中有着广泛的应用。 2 1 2 电光效应 利用人工方法，例如外加应力、电场、磁场可使某些各向同性介质变成各向 异性介质，从而产生双折射，称之为人工双折射【2 3 1 。在各向异性的电解质上施 加外电场e 后，压电效应将使品格发生畸变，介质的折射率1 1 _ 也随之变化，这 种由于外电场引起的晶体折射率变化现象，称为电光效应。与e 的关系可由下 列级数展开式给出： n = n o + a e + b e 2 + ( 2 2 ) 其中由以引起的称为一次电光效应，由b e e 引起的称为二次电光效应。 1 8 7 5 年苏格兰物理学家克尔( j k e r r ) 发现了第一种电光效应，即克尔效应2 4 1 。 克尔效应中，外加电场方向相当于电光材料在外电场作用下所形成的各向异性晶 体的光轴方向，并可以得到： a n = n o 一亿= r a e 2( 2 3 ) 式中九为光在真空中的波长，r 为介质的克尔常数( 大多数情况下r 为负值) ，e 为外电场强度。由于电光效应中折射率之差正比于电场强度的平方，常称二次电 光效应。本论文所研究的透明铁电陶瓷即是具有二次电光效应的一类电光晶体材 料。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章透明铁电陶瓷及实验研究 如图2 2 所示为一个克尔盒结构，两偏振片p o l a r i z e r 和a n a l y z e r 的光轴取向 分别与电场方向成+ 4 5 0 。不外加电压时，光无法通过a n a l y z e r 。外加电场时，光 经具有克尔效应的材料后，由克尔效应所引起的两偏振方向互相垂直的线偏振光 间的相位差为： 眨= 等( 训三= 丁2 n r l 矿2 ( 2 - 4 )l口 其中l 是光在克尔盒中经过的路程，d 是克尔盒两平板电极之间的距离。由于6 c 随外加电压v 的改变而变化，故可以认为克尔效应材料单元相当于一个相差可 变的波片。 图2 2 克尔盒及其电控双折射示意图【2 5 1 特殊情况下，当8 c = - 兀时，克尔效应材料单元相当于一个半波片，它使得通 过偏振片p o l a r i z e r 的线偏振光的偏振方向转动9 0 0 ，透过偏振片a n a l y z e r 的光强 达到最大，恰如图2 2 中的状态此时所需加的外电压称为半波电压，记作v 兀， 由( 2 5 ) 式可知： 奇 ( 2 - 5 ) 由上式可见，半波电压受电光晶体的尺寸大小和电光系数决定，电光系数r 越 大，所需的半波电压就越小。 另一种电光效应，l8 9 3 年由德国物理学家泡克耳斯( f p o c k e l s ) 发现了一次电 光效应，即泡克耳斯效应2 6 1 ，研究了它只存在于没有对称中心的晶体中，如k d p 和l i n b 0 3 等。在这种电光效应中，介质折射率的变化与外电场强度成正比，由 此称一次电光效应或线性电光效应： 浙江大学硕士学位论文第二章透明铁电陶瓷及实验研究 a n = n o 一心= 绣旭( 2 - 6 ) 式中n o 是未加电场时晶体中o 光折射率，r 为介质的电光系数，e 为外电场强度。 一次电光效应和二次电光效应都有着广泛的应用，例如l i n b 0 3 在调制器、 光开关和可调滤波器等光电器件中的应用。相对而言，二次电光效应由于新材料 特别是透明铁电陶瓷的出现，高性能的电光器件不断涌现，应用也越来越普遍。 2 2 透明铁电陶瓷 2 2 1 透明铁电陶瓷材料 透明铁电陶瓷材料，主要包括掺镧的镐钛酸铅p l z t 和铌镁酸铅钛酸铅 p m n p t ，被普遍接受的化学表达式分别为：尸6 l 刊。0 0 三q 门0 。( z 0 ，。巧刮。o o ) h ，。o o q 1 2 7 1 和p b ( m g l ，3 n b 2 ，3 ) q p b t i q 2 9 】。 对于p l z t 透明铁电陶瓷，l a 的浓度x ( 摩尔百分数) 可在2 3 0 之间改变，镐 钛比值( y z ) 范围则从1 0 0 0 到0 1 0 0 之间连续变化。由于p l z t 组份的变化，其 电光效应表现为多样性，适当地选择合适组分可满足实际应用的需求，不同组份 的p l z t 标记往往用 x y z ”来表示。 一般来说，铁电压电陶瓷的电光效应是一次电光效应和二次电光效应之和。 在众多具有电光效应的p l z t 陶瓷系列中，根据组成与相结构不同，可分为三大 类：线性电光效应，记忆效应，二次电光效应。如图2 3 给出了，具有不同电光 效应的p l z t 的电滞回线和电控双折射变化的情况。 c ps c a l e ：2 0 l c c m 2 es c a l e ：2 0 k v c l l l 图2 3 不同组份p l z t 陶瓷的电滞回线和电控双折射特性【2 8 i 显驻轭盅甄溉 浙江大学硕士学位论文第二章透明铁电陶瓷及实验研究 传统的电光材料，如k d p 和l i n 0 3 晶体f 3 0 l ，都有电光系数较小，半波电压 高，温度灵敏度高等缺点。而透明铁电陶瓷则具有电光效应高，响应速度快( 达 到纳秒量级) ，透光性能好，陶瓷耐久性和成本低等一系列优点1 3 。该透明铁电 陶瓷材料可用于制造很多类型的光子器件，包括可变衰减器，偏振控制器，正弦 滤波器，动态增益平坦滤波器，可调光滤波器以及q s w i t c h e s 等。 透明铁电陶瓷中之前应用较多的p l z t 材料，它的电光效应比l i n 0 3 高得多， 但也存在着明显的缺陷，它具有较严重的场感应、偏振相关散射损耗以及高延迟 效应等。透明铁电陶瓷中新近开发的p m n p t 在很大程度上解决了上述问题。 常温条件下p m n p t 的电光效应大概是p l z t 的2 5 倍，是l i n 0 3 的1 0 0 倍， 即相同条件下它的半波电压要远小于l i n 0 3 晶体，在0 0 c 到7 0 0 c 温度范围 p m n p t 陶瓷的迟滞效应也得到很大的抑制，且多品的铁电陶瓷更容易用成熟的 热压技术制造，成本较低。 透明铁电陶瓷材料p m n p t 和p l z t 波片在透光率方面表现良好，在 5 0 0 n m 7 0 0 0 n m 宽波长范围内都具有良好的透光性( 约7 0 ) t 3 ，因此该材料适合 绝大多数的可见光到中红外的光学应用。 响应速度快是透明铁电陶瓷的又一个重要特性。利用透明铁电陶瓷材料制成 的光器件响应速度可以达到亚微妙级甚至更高。透明铁电陶瓷薄膜材料制成的一 种测试结构的开关速度大约是1 0 n s ；用同样的方式测得块状材料的开关速度小 于1 0 0 n s l 3 1 1 。值得注意的是，这只是一定程度上表征了透明铁电陶瓷的电光效应 速度，实验测量时受驱动电路开关速度的影响很大。在实际应用中，基于透明铁 电陶瓷的电光器件的响应速度受驱动电路的限制，驱动电路往往成为整个器件响 应速度的瓶颈。 2 2 1 电光效应的不稳定因素 透明铁电陶瓷已经向我们展示了在电光方面很多优良特性：电光效应高、响 应速度快( 纳秒量级) 、透光性能好等，但环境因素的变化( 特别是温度的变化) 或是本身材料性质将影响电光效应的很多方面，这将导致电光器件性能的下降， 进而影响实际应用。透明铁电陶瓷p l z t 和p m n p t 有着相似的电光特性，就现 阶段来说，p l z t 材料的应用更加广泛，下面着重介绍p l z t 电光晶体的一些不 浙江大学硕上学位论文 第二章透明铁电陶瓷及实验研究 稳定因素。 电滞特性是铁电体材料中普遍存在的一种特性，它的存在会使铁电体的电光 效应不稳定，影响器件性能，由此我们希望采用电滞效应较小的材料。图2 4 是 p l z t 和p m n p t 的电滞特性曲线。如图2 4 ( a ) 所示，p l z t 有着较为明显的电滞 特性。而由图2 4 ( b ) 可见，p m n p t 几乎没有明显的迟滞效应，具有这样特性的 材料称为驰豫型铁电体，这在制作光器件的应用中具有很大优势。 肖、 e c ) o 1 、- ， c q 丝 l 旦 o 1 3 - e l e c t r i cf i e l d ( v l l m ) c r e u q l 、一 c q c o 丛 l 旦 o i x e l e c t r i cf i e l d ( v g m ) ( a )( b ) 图2 4 ( a ) p l z t 的电滞特性，( b ) p m n p t 的电滞特性【3 1 l 另一方面，p l z t 的电滞特性也受温度的影响。当温度增加时，它的电滞特 性将明显的减弱，特别是材料处于8 0 * ( 2 左右环境温度下，几乎没有明显的电滞 效应，如图2 5 所示。 0 2 0 03 0 0z , ( y o5 0 0 01 0 02 3 0 0 | 耄5 0 0移 ，2 0 ( 33 钧搴钧5 0 0 a p p l i e dv o l t a g e ( v ) a p p l i e dv o l t a g e ( v ) a p p l i e dv o l t a g e ( v ) 图2 5 温度对电滞效应的影响3 2 】 温度变化对p l z t 响应速度的影响也是显著的，且响应速度随温度的降低而 显著减小。一种基于p l z t 的2 x 2 光开关结构3 3 1 ，其响应速度随着温度上升响应 黪 硌 毒 2 移 o 8 移 4 2 o d毋1em一西c西co；ooco凸 浙江大学硕上学位论文 第二章透明铁电陶瓷及实验研究 速度也随之增大。该光开关的下降时间低于上升时间，且当温度达到7 0 。c 时下降 和上升时间趋于一致。 半波电压对于光电器件来说是一项很重要的性能表征，而它又受电光晶体的 尺寸结构和本身材料特性( 电光系数) 决定。一般来说p l z t 的电光系数是常规单 晶体的数倍，但是它的温度相关性也比较大。温度对电光系数的影响，进而导致 半波电压随温度的大幅度变化，这对器件性能的损害是巨大的。其主要原因是， 温度上升将增加分子活性，从而减弱了外电场引入的极化效应，直接结果是半波 电压的增加。如图2 6 ( a ) 所示，半波电压随着温度上升而单调递增，此时p l z t 的电光效应随之减弱，而且在3 0 0 k 3 8 0 k ( 印2 7 1 0 7 c ) 温度范围内半波电压的波 动范围达到了约1 8 0 伏。实验表明，控制环境温度不变，当大电场施加到p l z t 晶体上时，随着时间的推移电光效应将有一个微弱缓慢增加的过程直到最后稳定 下来，即称之为直流漂移现象( d ed r i f t ) 。如图2 6 ( b ) 所示，半波电压随时间而缓 慢的变化，在超过一个小时的时间后它才趋向最终电压值。 岁 200一+，。，一 2 9 03 1 03 3 03 5 03 7 0 t e m p e r a t u r e 【k 】 宝 量 器 2 皇 o 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 t i m e ( s ) ( a )( b ) 图2 6 ( a ) 温度对半波电压的影响，( b ) 半波电压随时问的增长而略有降低并慢慢趋于稳定3 4 i 以上我们重点分析了透明铁电陶瓷的一些不稳定因素：电滞特性、响应速度 和半波电压。这些都是实际应用中需要注意和解决的问题，本论文研究高速可调 光梳状滤波器就是在利用透明铁电陶瓷高效的电光效应，同时尽可能保持其性能 稳定。 2 3p l z t 电光效应实验研究 在这里我们将要通过对基于p l z t 的光开关实验来验证我们所使用的透明 铁电陶瓷p l z t 表现为二次电光效应，并求出其电光系数。 浙江大学硕二i ：学位论文第二章透明铁电陶瓷及实验研究 s i n g l e i n p u t c o l l i m a t o r w o c 2 r o o fp n s m w o c 3 图2 7 实验中所用的1 x 2 光开关结构示意图 如图2 7 所示，为我们实验中所要用到的1 x 2 光开关结构方案【3 5 1 。考虑分析 当p l z t 上施加电压时，由此引入的相差占对l x 2 光开关的输出两端口光功率分 配的影响。假设单光纤准直器的输入的光功率为1 ，利用琼斯矩阵( j o n e s ) 分析计 算可知，光开关的两输出端口的功率分配可分别表示为： ：要+ 昙c 。s 万( 2 - 7 ) ，2 ：昙一丢c 。s 万( 2 - 8 ) 由( 2 7 ) 和( 2 8 ) 求i i 和1 2 之间的比值， 丢= 琵= 黑c o s g = 2 = s p 9 ， 二= ! = 一= 一= 二= r f p 一一= l 一v l 厶 ! 一! c o s 万 1 一 s i n 2 鱼 。v7 由上式( 2 9 ) 可知： 万= 2 a r c c t 9 4 e( 2 1 0 ) 而6 的引入，是通过在p l z t 上施加电压产生的。保持开关的工作环境温度恒定， 暂时不考虑温度对p l z t 厚度，未加电场时的折射率和电光系数等的影响。我们 知道透明铁电陶瓷引入的相差是关于外加驱动电压v 的函数6 ( v ) ，结合( 2 1 0 ) 式可知：显然g 和电压v 某种对应关系。 调节驱动电压v ，可以用光功率计测出光开关两输出端1 ：3 的功率值i l 和1 2 ， 由式子( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 求得此时透明铁电陶瓷p l z t 所产生的相差6 ，实际测得电压 v 和6 之间的关系如下图2 8 所示。 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章透明铁电陶瓷及实验研究 舍 g 、- ， j l j j 罂 g 划 l b n j 山 图2 8 实验测得p l z t 在不同驱动电压v 下产生的相差 实验过程中，驱动电压较小时p l z t 产生的相差很小，由此引入的噪声很大， 这对实验结果的准确性影响很大。由此我们这里取驱动电压大于2 0 0 v 的实验数 据，对这些数据进行拟合，结果很好地符合二次电光效应： 万= 4 4 9 7 0 9 x1 0 。5 v 2 0 9 7 0 7 7 0 3 ( 2 11 ) 其中常数项0 9 7 0 7 7 0 3 的产生与光开关本身结构相关，研制过程中波片粘贴时的 角度偏差是导致该现象的主要因素。再则我们可以利用( 2 1 1 ) 式，光开关中的 p l z t 尺寸和相差关于外加电压的关系式，就可以求出透明铁电陶瓷的电光系数， 我们求出p l z t 的电光系数约为：r = 3 5 5 2 x 1 0 。1 6 m 2 v 2 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了光在晶体中的传播和两种电光效应：克尔效应和泡克耳斯效 应，并重点介绍了本论文所用透明铁电陶瓷的二次电光效应( 即克尔效应) 。然后 重点讨论了透明铁电陶瓷材料( p l z t 和p m n p t ) 的主要特性，并以p l z t 为主 分析了一些在实际应用中必须要考虑的不稳定因素。最后通过对基于p l z t 光开 关的实验分析验证了透明铁电陶瓷p l z