（电磁场与微波技术专业论文）基于透明铁电陶瓷高速光开关的设计与实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 光开关主要用来实现光路的通断和切换。它是构成光分插复用器以及光交叉 连接器的关键器件之一，在光通信光网络中有着广泛的应用。本论文研究的是基 于透明铁电陶瓷电光效应的高速光纤光开关，它的主要特点是响应速度很快，插 入损耗较低，串扰也较小。 本论文提出了一种具有反馈控制结构的透明铁电陶瓷光开关，并具体分析了 反馈监控系统的电路部分和算法设计。该结构光开关通过反馈监控透明铁电陶瓷 的状态来修正透明铁电陶瓷上所加驱动电压的大小，以达到减小光开关串扰，提 高光开关性能的效果。 本论文分别设计了1 2 和2 x 2 光开关的光路方案，并从理论上分析它的工 作原理和改进措施。它是一种空间光路光开关，主要包括实现光分束合束的双折 射晶体和偏振分束镜以及控制光偏振态的透明铁电陶瓷。对于组成光开关光路的 各主要元件进行理论计算分析和设计，使之达到光路设计的要求。本论文还提出 了研制光开关的各步工作和相关光路调试实验，并设计光开关封装。 最后，本论文还对研制完成的光开关样品进行其主要性能测试实验设计和研 究，并对光开关输出光功率和透明铁电陶瓷上所加电压关系进行实验测量研究。 实验结果表明，本论文所设计的光开关具有开关速度快、偏振无关、插入损耗小、 串扰小等特点。 关键词：光开关，透明铁电陶瓷，电光效应，反馈控制 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c hi sad e v i c ew h i c h c a l ls w i t c ho rm a k eo n o f fl i g h tr o u t e i ti sak e y c o m p o n e n to fo p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x e r s ( o a d m ) a n do p t i c a lc r o s sc o n n e c t o r s ( o x c ) ，s oi th a sb e e nw i d e l yu s e di no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，o u rr e s e a r c hi so no p t i c a ls w i t c hb a s e do nt r a n s p a r e n tf e r r o e l e c t f i c c e r a m i c sw i t he l e c t r o o p t i ce f f e c t ；t h i sk i n do fo p t i c a ls w i t c hh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sh i g hs w i t c h i n gs p e e d ，l o wi n s e r t i o nl o s sa n dl o wc r o s s t a l k i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an o v e lo p t i c a ls w i t c hw i t hf e e d b a c kc o n t r o ls t r u c t u r ei s p r o p o s e d ；t h ef e e d b a c kc o n t r o lc i r c u i ta n da l g o r i t h ma r ed e s i g n e da n dd i s c u s s e d t h e o p t i c a ls w i t c hc a na d j u s tt h ed r i v i n g - v o l t a g ea p p l i e do nt h et r a n s p a r e n tf e r r o e l e c t r i c c e r a m i c sa c c o r d i n gt ot h ef e e d b a c ks i g n a lo ft h ec o n t r o ls t r u c t u r e ；t h e r e f o r ei tc a n d e c r e a s ec r o s s t a l ka n dh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es t r u c t u r e so f1 2a n d2x2o p t i c a ls w i t c hu s i n g t r a n s p a r e n tf e r r o e l e c t r i c c e r a m i c sa r ep r o p o s e da n da n a l y z e d p a r a m e t e r so ft h e c o m p o n e n t su s e di nt h es t r u c t u r e sa r ec a l c u l a t e da n dd e s i g n e dt oa c c o r dw i mo u r r e q u i r e m e n t s e x p e r i m e n t sa b o u tt h en o v e lo p t i c a ls w i t c h e sa r ep r o p o s e d a n d e n c a p s u l a t i o n so f t h es w i t c h e sa r ed e s i g n e d f i n a l l y , e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dt o t e s tt h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o v e l o p t i c a ls w i t c h e sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i c a lp o w e ro fo p t i c a ls w i t c ha n d t h ev o l t a g ea p p l i 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 si sd i s c u s s e di nd e t a i l t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h en o v e lo p t i c a ls w i t c hp r o p o s e dh a v et h e f e a t u r e so fh i g hs w i t c h i n gs p e e d ，p o l a r i z a t i o ni n s e n s i t i v i t y , l o wi n s e r t i o nl o s sa n dl o w c r o s s t a l k k e y w o r d s ：o p t i c a ls w i t c h ，t 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 s ，e l e c t r o - o p t i ce f f e c t ， f e e d b a c kc o n t r o l 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着互联网业务的迅猛增长，人们迫切需要更高传输速率和更大容量等高性 能的宽带网络f 1 1 。全光网络由于省去了光电及电光的转换过程【2 1 ，具有更高的速 率、稳定性以及灵活性，已成为网络发展的趋势。而光分插复用( o a d m ) 以及 光交叉连接( o x c ) 都是全光网络中的关键技术孓5 1 。作为构成o a d m 及o x c 设 备的关键器件之一的光开关1 6 ，它的重要性日益突出，并有着越来越重要的应 用。 1 2 光开关的主要应用 光开关是光网络中一种重要的无源器件，可实现光路的切换，有着广泛的应 用，并可组成其他重要的器件，实现更多的功能。下面介绍光开关的几个主要应 用m 2 1 。 1 2 1 光开关用于o a d m 设备 图1 1 为基于复用解复用器和光开关i 拘o a d m 1 3 小1 的结构示意图。o a d m 的 功能是从传输线路上有选择地分出( d r o p ) 通往本地的光信号，同时插入( a d d ) 本 地用户发往另一结点的光信号，而不影响其他波长信道的传输。 浙江大学硕士学位论文 光开关 1 2 2 光开关用于o x c 设备 图1 1o a d m 结构示意图 o x c 设备的功能是将一个波分复用系统( w d m ) 输出的波长插入到另一个 w d m 系统中。o x c 主要用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。图 1 2 所示为一个带有m 个n x n 开关阵列的o x c 的基本结构，它可以实现无阻 塞输入与输出的任意波长的连接。 图1 2 光开关阵列应用于o x c 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 光开关用于网络的自我保护 图1 3 所示为1x 2 光开关用于网络自我保护的示意，通常现在的光纤链路都 有备用的路由链路，当工作中的主通道出现光纤断开或设备故障，利用一个lx 2 光开关就可以把信号切换到备用的链路中，而不影响网络的正常工作。 光纤 图1 3l x 2 光开关用于网络的自我保护 1 2 4 光开关用于网络的监视功能 出 光开关应用于网络的监视如图1 4 所示，在远端光纤测试点，用一个1x n 的光开关把多根光纤和监测设备连接起来，通过光开关的光路切换，可以实现对 多路光纤的实时监测。 ix 2 光开关 图1 4 光开关用于网络的监视 1 2 5 光开关用于光纤通信器件测试 用具有多个输入输出端口的光开关，将被测元器件和测试仪表连接起来，然 浙江大学硕士学位论文 后利用光开关的光路切换，可实现多种光器件的多个参数的测试，这样可以提高 测试的效率，简化测试。 由上述光开关应用可以看出，光开关在全光网络中有着重要的作用，光开关 的性能是决定网络性能的关键之一。随着信息传输网络的发展，组成o a d m 、 o x c 等光网络设备的核心器件之一的光开关，越来越需要更高的性能【1 5 1 。 1 3 国内外光开关研究现状 随着人们对光开关的研究的不断深入，光开关的类型也呈现多元化发展的趋 势。按照不同的划分标准，可以分为不同类型的光开关。目前，光开关按照工作 媒质划分，有自由空间光开关【1 6 l 和波导光开关；如按工作原理划分，又可分为 机械式1 1 7 】和非机械式两大类，其中机械式光开关靠光纤或光学元件移动，使光 路断或开，非机械式光开关则依靠电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效应 等使光路发生改变，完成开关功能。另外，根据光开关的输入输出端口数的不同， 光开关可以划分为l 1 ，1x 2 i 9 1 ，lx n ，2 2 【2 2 1 ，2x n ，m x n 等多种类型。 人们研究光开关的主要特性参数【2 3 】有：插入损耗、开关速度、工作波长、消 光比、串扰、偏振相关损耗、隔离度、回波损耗、开关寿命等。一般来讲，自由 空间光开关的损耗比波导器件的损耗更低，非机械式的光开关比机械式光开关响 应速度更快一些。目前研究较多的新型光开关主要有：微电子机械( m e m s ) 光 开关、液晶光开关、喷墨气泡光开关、热光效应光开关、磁光开关、全息光栅开 关等。下面就这几种类型光开关的原理和性能作简单介绍： 1 3 1 微电子机械( m e m s ) 光开关 基于微镜反射的m e m s 光开关1 2 4 1 ，是在硅片上利用微加工技术制作出大量的 微镜矩阵，通过静电的作用使微镜发生转动，从而实现光传输方向的改变。图 1 5 为二维m e m s 结构示意图，在没有电压输入时，输入光经过微镜的反射进入 反射面的出射光纤中，是光开关的反射状态；输入电压后，微镜发生转动，输入 光直接进入前方的出射光纤中，实现开关的直通状态。微电子机械( m e m s ) 光 开关可以利用i c t 艺成批加工技术生产，成本较低，具有一定的优势，但开关速 4 浙江大学硕士学位论文 度一般只在毫秒级。 1 3 2 液晶光开关 图1 5 二维m e m s 结构示意图 液晶光开关1 2 ”刀主要是通过液晶的电光效应，即通过电场改变液晶分子的排 列方向来改变光的偏振态从而实现光路切换。图1 6 为液晶单元工作原理示意图， 在不加外电场时，液晶分子基本上平行于两边的平行平板，而在加电场时，液晶 分子的取向趋于平行于电场方向。一般，液晶光开关包括对光偏振态的分束合束 部分，以及液晶单元。通过对液晶上加电压和不加电压实现光偏振态的不同改变， 并利用液晶光开关的其他部分实现不同偏振态光的光路改变，从而实现开关功 能。液晶光开关的网络重构性可能较好，但开关时间较长，一般在毫秒量级。 t t t 输出光 p t tt 输入光 童通状态 ? 而ii “：- ， 输入光t tt 关断状态 图1 6 液晶工作原理示意图 5 ell 浙江大学硕士学位论文 1 3 3 磁光开关 磁光开关 2 8 - 2 9 1 利用磁光晶体的磁致旋光效应( 即法拉第效应) 来改变光偏振 态，从而实现开关功能。它的工作原理跟液晶光开关有类似的地方，都是通过改 变光偏振态实现光路转换，不同的是磁光开关是通过在磁光晶体上加不同的磁场 实现对光偏振态的改变。磁光开关的开关速度一般在微秒量级。 1 3 4 喷墨气泡光开关 喷墨气泡光开关【3 1 1 由多个交叉的硅波导和位于交叉点的刻痕组成，刻痕里 填充折射率匹配的液体，在缺省条件下实现光路的直通连接。当需要交换时，一 个热敏硅片会在液体中产生一个小气泡，这时入射波导中的光被气泡全反射至交 换的输出波导。图1 7 给出- j a g i l e n t 喷墨气泡光开关的示意图。喷墨气泡光开关 具有小的极化损耗、较好的可扩展性，但它也有诸如如何很好地控制光开关状态 以及其内部材料和液体的生存问题。 1 3 5 热光效应光开关 图1 7 喷墨气泡光开关示意图 热光效应光开关3 2 。3 3 1 利用材料的热光效应实现对光路的改变。例如图1 8 所 示的一个y 型1 2 热光开关，在硅基底上生成波导，并在波导分支表面沉积t i 或c r 形成微加热器。对y 型的一个分支加热，则该波导的折射率发生改变，并阻 止光沿此分支传输。目前热光开关主要用于制造小型光开关，如1x 2 、2 2 光开 关等。 6 浙江大学硕士学位论文 输 1 3 6 全息光栅开关 薄膜加热器 图1 8 y 型热光开关示意图 1 2 全息光栅开关【3 4 j 通过全息反射技术，在晶体内部生成电子供能的布拉格光 栅。没有电压输入时，光直接通过晶体；而在加电压时，则晶体中形成的布拉格 光栅会把光反射到输出端口，实现光路转换功能。该技术光开关易于实现大规模 的光交换系统，且开关速度快、可靠性高，但它只能交换一个波长，且功耗较大。 表1 1 为几种光开关的几个主要性甜3 5 j 对比，可以看出目前几种主要类型光 开关的性能指标各有优缺点，分别适合不同场合不同要求的应用，我们所研究的 基于透明铁电陶瓷的光开关，是一种电光开关，它具有很快的开关速度。 表1 1 几种光开关性能对比 淤 插入损 在1 5 5 t m 处 耗 串扰开关速度功率损耗 的透明度 机械式光开关 0 5 l d b - 5 0 d b 很好 5 1 5 m s 小( 自锁) 电光( l i n b 0 3 ) 2 4 d b 2 5 d b 好 n s 相当小 热光开关( 聚合物) 1 2 d b - 2 5 d b 好 l m s 相当小 喷墨气泡 4 5 d b1 0 m s 液体光栅 1 d b 1 0 0 p s 半导体( g a a s , i n g a a s p ) 2 4 d b - 4 0 d b 还可以 n s 相当大 全息光开关 4 d bn s 液晶光开关 l 一2 d b - 2 5 d b好1 0 m s小 微电子机械( m e m s ) l 2 d b 5 0 d b好 l m s小 7 浙江大学硕士学位论文 1 4 本论文主要研究的内容 随着光网络光通信的发展，光开关作为构成全光网络中的一个重要器件，有 着越来越重要的应用，且对于高速、低插损、低串扰等不同更高性能的光开关的 需求增大，不同特性的光开关需要适应不同的应用场合。 本论文所研究的基于透明铁电陶瓷的高速光开关，要求具有较低的插入损 耗，较低的串扰等特性，且要达到很高的开关速度。本论文主要研究的内容包括： 反馈控制驱动模块设计，1x 2 及2 x 2 光开关全新光路方案设计和分析，组成光 开关光路各主要元件的理论计算分析和设计，光开关系统搭建调试，光开关样品 实验测试研究等。 本论文共分五章：第一章绪论，简单介绍了光开关在光传输通信系统中的几 个主要应用和目前研究较热的几种光开关原理和特性；第二章介绍电光效应原理 和透明铁电陶瓷的特性；第三章重点介绍本论文所设计的光开关的反馈控制部分 和1x 2 和2 2 光开光的光路方案的工作原理以及光开关各组成部分的数值计算 分析和设计；第四章主要讨论光开关的研制步骤，光开关性能测试研究，以及光 开关输出光功率和透明铁电陶瓷上所加电压关系的实验测量研究；第五章对本文 进行总结，并对将来需要做的工作进行展望。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章电光效应和透明铁电陶瓷 利用外加电场产生人工双折射的效应称为电光效应3 6 1 。透明铁电陶瓷【3 7 1 就 是这样一类具有电光效应的材料，它的折射率随外加电场的变化而改变。本论文 所研究光开关，就是根据透明铁电陶瓷的电光效应来设计的。 2 1 电光效应 2 1 1 光在晶体中的传播 当一束光入射到各向异性晶体表面时，一般情况下，在晶体内将产生两束折 射光，这种现象称为双折射。实验发现，同一束光入射在晶体内产生的两束折射 光，其中一束光遵循折射定律，而另一束光一般情况下不遵循折射定律，其折射 线一般不在入射面内，且当两种介质一定时，s i n i 。s i n e 随入射角改变而改变。 前者被称为寻常光( 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 y l i g h t ，简称e 光) 【3 s 】。图2 1 所示为一束光正入射到方解石表面出现的双折射现象 示意图，可见0 光沿原入射方向在方解石内继续传播，而e 光一般会偏离原入射方 向，且e 光的传播方向取决于入射光方向和晶体的取向。 图2 1 双折射0 光和e 光示意图 晶体中存在一个特殊方向，沿该方向传播的光不发生双折射，这一特殊方向 被称为晶体的光轴。而晶体的主截面定义为包括晶体光轴并与晶体表面垂直的平 面。晶体中的0 光线与晶体光轴构成的平面称为0 光主平面；e 光线与晶体光轴 构成的平面称为e 光主平面。o 光主平面和e 光主平面一般不重合，但当入射线 在晶体主截面内时，o 光主平面和e 光主平面都与晶体主截面重合。为分析方便 起见，我们一般取入射线在晶体主截面内。 9 浙江大学硕士学位论文 研究0 光和e 光的偏振态表明，o 光光矢量的振动方向垂直于。光主平面， 而e 光光矢量的振动方向在e 光主平面内。 单轴晶体的。光折射率n o = c o o 为一常数，和方向无关；而e 光在不同方向 上的传播速率不同，所以不同方向上e 光折射率也不同。当e 光沿着垂直于晶体 光轴方向传播时，e 光的折射率记为吃，有= c o , 。一般将、以称为晶体的 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。图2 2 所示为波晶片的示意图，一束正入射的平行光，在波晶片c 内分为0 光和e 光，且他们的传播方向不变，但0 光和e 光的传播速度和相应折射率不同。 o 图2 2 波晶片示意图 c ab i 工二il ol - l r tttl i 光轴 卜叫 嘞 z 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n o da nn e d 。 所以，由波晶片产生的0 光相对于e 光的相位差为： 疋= 蜕一墩= 等( 一) d ( 2 - 1 ) 式中旯为真空中的波长。选择波晶片的厚度，使得对于波长为旯的单色光， 0 光相对于e 光的光程差和相位差分别为： = ( 一以) d = ( 2 m + 1 ) 妻( 2 - 2 ) 磊一2 z n 、 n 。一) d = ( 2 m + 1 ) 万( 2 - 3 ) 即相位差名是万的奇数倍，则这种波晶片称为二分之一波片( 或称a 2 波 浙江大学硕士学位论文 片) 。图2 3 ( a ) 、( b ) 所示分别为入射光的初始偏振态和经过纠2 片后的偏振态。 可以看出，线偏振光经过州2 片后仍为线偏振光，只是偏振方向相对e 轴( 即光 轴) 转过2 口角，即和原线偏振光偏振态关于光轴对称。 00 j 疋 。 。 jl 弋， 秒。 0 7 图2 3 线偏振光经过2 2 波片的偏振态变化示意图 2 1 2 电光效应 e 电光效应的实质是在外电场作用下，导致构成物质的分子产生极化现象，使 分子的介电张量发生变化，从而引起介质的折射率发生变化3 9 1 。 早在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。克尔效应中，电光材料在外电场作用下所形成的各向异性晶体的光轴与 外电场方向相同。且有： a n = n o 一= r 2 e 2 ( 2 4 ) 其中尺为介质的电光系数，e 为外电场强度。由于克尔效应中折射率之差正 比于电场强度的平方，故称为二次电光效应。本论文所研究透明铁电陶瓷即是具 有二次电光效应( 克尔效应) 的一类电光材料。 浙江大学硕士学位论文 外接电压 图2 4 克尔盒示意图 光经过具有克尔效应的材料后，由克尔效应所引起的两偏振方向相垂直的线 偏振光间的相位差为： 万：，r t n _ 3re2(2-5) d = 一 或写成：万：车( n o - n o ) f ：2 万r f v 2 h 2 ( 2 - 6 ) 图2 4 所示为一个克尔盒示意图。上式( 2 5 ) 、( 2 - 6 ) q hr 是电光系数，刀是 材料固有的光折射率，五是真空中光的波长，r 是光在克尔盒中经过的路程，h 是 克尔盒两平板电极之间的间隔。由于引箍e 而变化，故克尔效应材料单元相当于 一个相差可变的波片。 当万= 万时，克尔效应材料单元相当于一个州2 波片，此时所需加的外电压y 称为半波电压，常记做v 2 2 或圪。由式( 2 - 5 ) n 式( 2 6 ) 可以分别推出： ，2 = a n 3 0 ，( 2 - 7 ) 奶心2 奇 倍8 ) 其中五是光在真空中的波长，广是适应于所考虑的具体器件的电光系数( 或 电光系数的组合) 。由上式可见，电光系数( ，或r ) 越大，半波电压越小。 另一种电光效应是1 8 9 3 年由德国物理学家泡克耳斯( e p o c k e l s ) 首先发现 的泡克耳斯效应，它只存在于没有对称中心的晶体之中，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，故称为一次电光效 1 2 浙江大学硕士学位论文 应或线性电光效应，有： = 口一”p = 0 3 r e 其中，为介质的电光系数，e 为外电场强度。 2 2 透明铁电陶瓷 ( 2 - 9 ) 本节介绍的是由美国波士顿应用科技公司研制的o p t o c e r a m i c 系列透明铁 电陶瓷材料，包括掺镧的锆钛酸铅( l e a dl a n t h a n u mz i r c o n a t et i t a n a t e ) 缩写为 p l z t ， 化学式为p b l - x i o o l 幻l o o ( z r y l o o t i l - y , o o ) 1 蚺0 0 0 3 和p m n p t ( ( p b ( m g l 3 n b 2 3 ) 0 3 一p b t i 0 3 ) 4 q 。 传统的电光材料，如k d p 和l i n b 0 3 晶体1 4 2 1 ，都有电光系数较小，半波电压 高、温度相关性高等其他缺点。i f i j o p t o c e r a m i c 系列透明铁电陶瓷则具有电光 效应高，响应速度快( 纳秒量级) ，透光性能好，陶瓷耐久性和成本低等特点。该 材料可用于制造很多类型的光器件：可变光衰减器，偏振控制器【4 3 1 ，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。 o p t o c e r a m i c 系列透明铁电陶瓷中之前应用较多的p l z t ，它的电光效应比 l i n b 0 3 高得多，有着其他一些优势，但它具有较严重的场感应、偏振相关散射 损耗以及高迟滞效应等缺点。o p t o c e r a m i c 系列透明铁电陶瓷中最新开发的 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 b 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 b 0 3 晶体，在0 到7 0 。c 范围p m n p t 陶瓷的迟滞效应也得到很大的抑止，且多晶的 铁电陶瓷更容易由成熟的热压技术制造，成本较低。 如图2 5 所示为p l z t 和p m n p t 透明铁电陶瓷材料的x 光衍射曲线，由此 可见它是多晶，且它的唯一的晶体相位是没有二阶相位的钙钛矿结构，这是获得 透明铁电陶瓷的必要条件。由图中可见，p m n p t 和p l z t 拥有几乎相同的x 光衍射模，只是p m n p t 的所有尖峰往更大的衍射角度移动了一些，这表明 p m n p t 的晶格常数比p l z t 要略微小一些。透明铁电陶瓷材料由于是多晶结构， 它的结构均匀一致，从而没有偏振相关性，电场方向即为主光轴方向，这一特点 较之单晶材料的晶体方向性所引起的问题具有优势。 1 3 浙江大学硕士学位论文 笔 。 墨 图2 5p l z t 和p m n p t 透明铁电陶瓷材料的x 光衍射曲线 图2 6 所示为p m n p t 和p l z t 波片的透光率曲线。可见，透明铁电陶瓷材 料在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，因此此类材料适合绝大 多数的可见光到中红外的光学中的应用。 _ 、 零 、。， c q 讲 望 坊 c 国 声 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 6p m n p t 和p l z t 波片( 内部的曲线) 的透光率曲线 o p t o c e r a m i c 系列透明铁电陶瓷材料具有很高的响应速度，有研究测试出 o p t o c e r a m i c 系列透明铁电陶瓷薄膜材料制成的一种测试结构的响应速度可达 到1 0 n s ；而测得透明铁电陶瓷的一种块状结构材料的响应速度小于l o o n s 。由此 可见o p t o c e r a m i c 系列透明铁电陶瓷材料的响应速度很高，可用于制作对响应 1 4 浙江大学硕士学位论文 速度要求较高的器件。 电回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 光效应不固定，影响器件性能，因此我们希望采用电回滞效应较小的材料。图 2 7 ( a ) 、( b ) 分别是p l z t 和p m n p t 的电回滞特性曲线。由图可见，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被称为驰豫型铁电体，这在制作光 器件的应用中具有很大优势。从图中还可以看出，p m n p t 的极化强度更高，且 较容易达到极化饱和，说明它的电光系数较大。 e l e c t r i cf i e l d ( v u m ) ( a ) j 董 警 墓 羔 足 e l e c t r i cf i e l d ( v l i r a ) ( b ) 图2 7p l z t 和p m n p t 的电回滞特性 图2 8 ( a ) 、( b ) 所示分别是p l z t 和p m n p t 的介电常数的温度相关性。图2 8 ( a ) 所示为p l z t 在z r t i 的比例6 5 3 5 时，不同l a 含量的介电常数对温度的特性。 由图可见p l z t 介电常数的温度相关性很高，且它的介电常数随居里温度的下降 而下降，这些都会影响器件的特性。图2 8 ( b ) 所示为p m n p t 材料在不同频率下 ( 从0 1 到1 0 0 k h z ) 介电常数和介电损耗随温度变化的曲线。可见，p m n p t 材料频率越低介电常数越高，当测量频率上升时介电常数单调下降。p m n p t 的 居里温度较稳定，大约在2 0 和3 0 之间。 浙江大学硕士学位论文 - 掣略f 3 5 i p 9 辆5 幺 、k ，7 甜b 5 8 5一z ，o 矗s f 3 5 尹 、s f、 心瘩 警 萝 ， ( a )c o ) 图2 8p l z t 和p m n p t 的介电常数与温度的关系曲线 图2 9 所示为在1 5 5 0 n m 时p m n p t 和p l z t 在不同偏压下产生的相移，由 图可以清楚地看到，在所加外电场相同时，p m n p t 具有更大的相移，即具有更 高的电光系数，更小的半波电压。 f i e l d ( v u r n ) 图2 9 在1 5 5 0 r i m 时p m n p t 和p l z t 在不同偏压下产生的相移 由以上分析可以看出，o p t o c e r a m i c 系列透明铁电陶瓷具有优异的光学和 电光属性，但在实际的光器件制作应用中，p m n p t 具有比p l z t 更好的特性。 因此，本论文的光开关研究采用具有更大电光系数的驰豫型透明铁电陶瓷 p m n p t 。 1 6 芑是霉- o o 01忍尘里拿省毋葛芷 浙江大学硕士学位论文 2 3 透明铁电陶瓷制作的光开关 基于透明铁电陶瓷电光效应的光开关有波导型和空间光路型。图2 1 0 所示是 一个p l z t lx 2 波导光开关结构示意图。波导型透明铁电陶瓷光开关是在平面型 定向耦合器的基础上沉积适当结构的电极而制成。通过施加外电场，改变波导的 折射率，从而实现光路的转换。 图2 1 0p l z t ix2 波导光开关示意图 而空间光路型的透明铁电陶瓷光开关，则是基于对光偏振态的控制来实现开 关功能。它一般包括光的分束合束以及透明铁电陶瓷对光偏振态的控制部分1 4 4 1 。 图2 1 1 为一个空间光路型的p l z t 2 x 2 光开关结构示意图。它通过p b s 实现光的 分束和光的合束，通过两块p l z t 改变光的偏振态。 2 4 本章小结 p 0 异了i ； 图2 1 1p l z t 2 x 2 空问光路光纤开关示意图 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。其中，重点介绍本论文所用透明铁电陶瓷所基于的二次电光效应( 即克尔效 1 7 浙江大学硕士学位论文 应) 。然后重点讨论了由波士顿应用科技公司研制开发的o p t o c e r a m i c 系列透明 铁电陶瓷材料( p l z t 和p m n p t ) 的主要特性。最后介绍了透明铁电陶瓷制作 光开关的主要类型和结构特点。 1 8 浙江大学硕士学位论文 第三章光开关设计及相关计算分析 3 1 透明铁电陶瓷光开关的反馈控制系统设计 在本论文设计的透明铁电陶瓷1 2 及2 x 2 光开关中，利用透明铁电陶瓷的 电光效应来控制光偏振态的改变，从而实现开关功能。理论上，可以对透明铁电 陶瓷不加电压和加半波电压( 常记为吒，：或圪) 来实现光开关的两个状态。然而 由于透明铁电陶瓷诸如温度相关性、电滞回特性等的影响，透明铁电陶瓷的半波 电压并不稳定，这样会引起光开关串扰的增加以及影响光开关的其他性能。在本 论文的设计中，提出通过对透明铁电陶瓷状态的反馈控制，来获得更准确的驱动 电压，以确保光开关更高的性能。 如图3 1 所示为实现透明铁电陶瓷驱动电压反馈控制的示意框图，透过透明 铁电陶瓷的光经过分束器( 如个4 9 6 的分束镜) ，大部分继续向前传输，而小 部分被分出，进入探测系统。在探测系统中，将分出的光用来分析光偏振态的改 变情况。如用一个p b s ( 偏振分束器) 分出s 偏振光和p 偏振光，分别用p d ( 光 探测器) 探测得到s 偏振光和p 偏振光光功率大小，并转换成电信号。根据需要 反馈的情况，得出一个修正信号。然后探测系统将这一修正电信号传送给伺服系 统。伺服系统再根据这一信号产生对驱动电路正确的控制信号，控制驱动电路的 状态。 输入光 图3 1 透明铁电陶瓷驱动电压的反馈控制示意 1 9 浙江大学硕士学位论文 在本论文实际工作的反馈控制电路部分主要包括p d 采样放大电路、a d 转 换、f p g a 反馈控制算法电路、d a 转化输出、高压产生电路，系统框图如图3 2 所示。光开关中分出的用于反馈控制的光经过p d 采样放大电路转换成合适的模 拟电压信号，由a d 转换后变为数字信号，送给f p g a 处理，经f p g a 中算法调 整后的数字信号由d a 转换为在0 5 v 范围内的合适的模拟电压信号，该信号送 到高压产生电路的输入信号端，经高压产生电路，o - - 5 v 电压信号被线性放大到 1 0 0 v 3 0 0 v ，高压产生电路输出的1 0 0 v 3 0 0 v 加在透明铁电陶瓷上，实现驱动 透明铁电陶瓷产生电光效应。 p d 采样f p g a 数高压产 放大电 - - a d c - 据处理 - - - - h d a c - j 生电路- - - ，- - - 一1 ，- _ 路 3 1 1 高压产生电路 图3 2 光开关反馈控制电路系统框图 由于本论文所用的透明铁电陶瓷的半波电压在2 9 0 v 左右，3 0 0 v 的高压输 出能够达到我们的要求。又因为我们的研究对光开关的响应速度要求较高，所以 高压产生电路的转换速度要求也很高，要求达到几百n s 。这样高速又高压的电 路功率很大，比较难以实现，在我们实际的研究中采用了上述对应肛5 v 输入电 压信号线性放大输出1 0 0 v - 3 0 0 v 的高压产生电路。 3 1 2p d 采样放大电路 在本论文的光开关设计中，希望p d 探测到的光功率有较大的动态可调节范 围，所以我们的p d 采样放大电路也希望有较大的动态调节范围，以便于后续电 路的处理。所以，这里对于p d 接收转换后的电流信号我们用对数放大器a d 8 3 0 4 进行转换放大。对数放大器可以将具有对数强度的光转换为线性强度输出且具有 很高的动态范围，这样可以使f p g a 免于进行复杂的对数运算。a d 8 3 0 4 可以直接 和p d 管连接，实现微弱光电流到电压的转换。它的电流监测范围为1 0 0 p a - 1 0 m a ， 其可检测光功率的动态范围可达8 0 d b 。 图3 3 为p d 采样放大电路设计图。图中u 1 为p d 的接插口，按照p d 的工作原 2 0 浙江大学硕士学位论文 理，p d 应该反接在电路中，b i p d 的负极接脚2 的v + ，p d 的正极接脚1 。a d 8 3 0 4 的v o u t 输出的放大倍数取决于电阻r 3 和r 4 ，这里，我们取坞= 1 0 k ，心= 1 5 k 。保 证a d 8 3 0 4 的v o l r r 输出在叫v 范围内，符合后面a d 的输入要求。 3 1 3 其他硬件部分设计 图3 3p d 采样放大电路设计图 本论文选用f p g a 用来做光开关的反馈控制算法处理，它把p d 探测并经模数 转换的电压值作为目标函数值，通过反馈控制算法得到修正值，并把得到的修正 电压值送给数模转换器，经数模转换后作为高压产生电路的输入驱动电压。本论 文设计的光开关要求很高的响应速度，所以希望处理器的运行速度很快。综合考 虑，我们采用a l t e r a 公司开发i 拘i c y c l o n e t m 系列中的e p l c 6 t 1 4 4 ，它采用8 0 m h z 的晶振作为时钟驱动。 模数d 转换器和数模d a 转换器的主要性能参数都是转换精度和转换速 度。结合本设计的要求和实际情况，a d 转换器选择了l t c l 4 2 0 ，它是一款1 2 位 并行二进制输出，1 0 m s p s 转换速度的模数转换器。它的模块逻辑框图如图3 4 所 示，+ a i n 和a i n 是它的模拟信号输入端，d o 到d 11 是并行数据输出端，o f 是它的 溢出位。图3 5 所示为本论文的应用中采用的连接方式，即+ a i n 为a d c 的模拟信 号输入，连接a d 8 3 0 4 输出的v 电压，把该信号转换成1 2 位二进制数据输出。 2 1 浙江大学硕士学位论文 图3 4l t c l 4 2 0 的功能模块框图 科 4 觥 0 v 鲥 图3 5l t c l 4 2 0 的一种应用连接示意图 本论文的数模转换器选用了l t c l 6 6 8 ，如图3 6 所示为它的模块框图，它是 1 6 位并行二进制输入，5 0 m s p s 转换速度，双通道差分输出数模转换器。它的输 出为电流信号，我们还需要用运放将它输出的电流信号转换成电压信号。图3 7 所示为我们设计的反馈控制模块的焊接好的电路板实物照片。 蝴 啦 诋 臌 s 一 浙江大学硕士学位论文 二一一 l t c l 6 6 8 图3 6l t c l 6 6 8 的模块框图 3 1 4 反馈控制算法设计 图3 7 反馈控制电路板实物照片 er 、i t i a l 在光开关的反馈控制中，主要是对透明铁电陶瓷半波电压漂移的修正。而在 实际应用中，半波电压一般围绕在一个确定值的小范围内上下波动。因此，它的 2 3 浙江大学硕士学位论文 反馈控制并不需要复杂的算法处理。可以先由实验得到一个半波电压的经验值， 然后对光开关预设这个电压值，再通过判断分出的用于反馈控制的光功率大小， 调整驱动电压值就可以实现。具体的算法流程设计如图3 8 所示。影响该算法快 慢和效果的因素主要是实际半波电压值和我们预设半波电压之间的差距，以及 d a 数据更改的步长。通过实验验证，可以有效的改善该算法，使其更理想地工 作。 图3 8 反馈控制算法流程图 3 2 透明铁电陶瓷1x2 光开关的光路方案 本论文所设计光开关是基于透明铁电陶瓷的电光效应控制光偏振态的空间 光路结构的光开关。本论文设计的1x 2 光开关对于光的分束合束以及不同偏振 光的光路改变用双折射晶体来实现，而对于光偏振态的控制则用透明铁电陶瓷部 分实现。 3 2 1 初始的1x2 光开关的光路方案 图3 9 是本论文设计的一种lx 2 光开关光路方案的俯视结构示意图，它包 括单光纤准直器l 、双折射晶体2 、t 2 波片组3 、透明铁电陶瓷4 、i 2 波片组 5 、双折射晶体6 、t 2 波片组7 、双折射晶体8 、分束棱镜9 、屋脊棱镜1 0 、双 2 4 浙江大学硕士学位论文 光纤准直器1 1 和光电探测器1 2 。分束棱镜9 我们采用与输入光偏振态无关的输 入光9 6 透过，4 反射的分光镜。 图3 9l 2 光开关的俯视结构示意图 图3 1 0 表示的分别为光路截面上的2 2 波片组3 、7 所包含各波片和波片5 的位置及光轴示意图。如图，波片组3 为上下两块光轴方向不同的2 2 波片，其 中上面一片波片的光轴方向和水平方向夹角2 2 5 度，下面一片波片的光轴方向 和水平方向夹角6 7 5 度。波片5 为一片) , 2 波片，光轴方向和水平方向夹角6 7 5 度。波片组7 由左下和右上角两片光轴方向都是和水平方向夹角4 5 度的3 , 2 波 片组成。 目口 35 图3 10 波片组所包含各波片位置及光轴示意图 7 以下就它的工作过程从理论上进行分析。任意偏振态的光从单纤准直器入射 到双折射晶体2 ，进入双折射晶体2 后分为上下两束偏振方向相互垂直的线偏振 光，即寻常光( o 光) 和非寻常光( e 光) 。 光经过五2 波片组3 后，上面的横向线偏振光顺时针转4 5 度，而下面的竖 直线偏振光逆时针转4 5 度，上下两路线偏振光成为相同方向的4 5 度线偏振光。 在此1x 2 光开关的开关状态1 ，透明铁电陶瓷4 上不加电压，光经过透明铁 电陶瓷4 后偏振态不变。接着，上下两路线偏振光经过2 2 波片5 后都顺时针转 4 5 度，成为竖直偏振的线偏振光。再经过双折射晶体6 ，不发生偏移直接通过。 上 下 浙江大学硕士学位论文 然后光通过名2 波片组7 ，左下的竖直线偏振光旋转9 0 度成为横向线偏振光， 左上的光偏振态不变。接着经过双折射晶体8 后，重新合成任意偏振态光。光再