（电磁场与微波技术专业论文）光可变增益倾斜滤波器及其在微波光子学中应用的研究.pdf

浙江大学硬士学位论文 摘要 微波光子学结合了微波通信在移动无线方面的优点与光纤通信的体积小、容 量大、损耗低、抗电磁干扰能力强等一系列优势，成为一门应用广泛的热门研究 学科。可变光元件是微波光子学系统的重要组成部分，它能够使微波光子学系统 构造简单、易于重构、方便调谐及应用灵活。本文对光可变增益倾斜滤波器 ( v a r i a b l eg a i n t i l tf i l t e r ，v g t f ) 及其在微波光子滤波器和r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) 中的应用进行了理论与实验研究。 本文首先对透明铁电陶瓷材料的o p t o c e r a m i c v g t f 进行了研究，在对其性 能充分了解的基础上设计了一个基于u s b 接口的控制电路用来通过计算机实时 控制v g t f 。 本文还对v g t f 在微波光子学中的两个方面做了理论与应用研究，包括v g t f 在微波光子滤波器和r o f 系统中应用的研究。 在微波光子滤波器的应用方面，本文在对微波光子滤波器进行了理论研究的 基础上，根据三抽头微波光子滤波器的原理结合v g t f 的特性设计并实验证实了 一个基于v g t f 的动态可重构微波光子滤波器，采用不同长度色散介质的可调谐 微波光子滤波器也得到了理论与实验验证。 在r o f 系统中应用方面，根据两抽头微波光子滤波器理论，设计并实验验证 了一个基于v g t f 的r o f 系统频率响应平坦度改善结构，此结构对于不同的系统 其平坦度和工作频段均可动态调谐，实验结果表明在工作频段内其平坦度有所优 化。 在本文的最后还提出了两种基于v g t f 的可重构微波光子滤波器结构，并分 析了其实现的可能性及存在问题。 关键词：微波光子学，v g t f ，微波光子滤波器，r o f ，可重构，可调谐滤波器 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o w a v ep h o t o n i c sc o m b i n e st h e a d v a n t a g e s o fm o b i l ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dt h ep e r f e c tp e r f o r m a n c eo fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns u c ha sl o w c o s t ，s m a l li ns i z e ，w i d e b a n d w i d t hc a p a b i l i t ya n di m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( e m i ) i th a sa t t r a c t e di n t e n s i v er e s e a r c hi n t e r e s t ，a n do f f e r sw i d e a p p l i c a t i o n si nm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rs e n s i n g , c o m m u n i c a t i o n sa n ds i g n a l p r o c e s s i n g v a r i a b l eo p t i c a ld e v i c e sw h i c h c a r lm a k et h ed e s i g na n dr e c o n i i g u r a b i l i t y m o r ec o n v e n i e n c ea r ev e r yi m p o r t a n ti nm i c r o w a v e p h o t o n i c ss y s t e m s i nt h i st h e t i s ，au n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s s ) b a s e dr e a l - t i m ec o n t r o lc i r c u i tf o rt h e v a r i a b l eg a i nf l i tf i l t e r ( v o t e ) i sd e s i g n e d t h e ns o m et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s u l t so nm i c r o w a v ep h o t o n i c su s i n gv g t fa r ep r o p o s e d i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s p a r e n te l e c t r o - o p t i c c e r a m i cm a t e r i a lo p t o c e r a m i c v g t fi ss t u d i e da n dau n i v e r s a ls e r i a lb u sc u s b ) b a s e dr e a l - t i m ec o n t r o lc i r c u i tf o r t h ev g t fi sd e s i g n e d i nt h es e c o n dp a r t , s o m et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nm i c r o w a v e p h o t o n i cf i l t e ri sd o n e a n dar e c o n f i g u r a b l em i c r o w a v ep h o t o n i ct r a n s v e r s a lf i l t e r u s i n gt h ev g t fi sa c h i e v e d a l s ot h et u n a b i l i t yo ft h ef i l t e rh a sb e e nr e a l i z e db y m e a n 8o f 吲n gt u n a b l ed i s p e r s i v em e d i u m i nt h et h i r dp a r t ，t h ea p p l i c a t i o no fv g t fi nar a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) l i n ki s s t u d i e d ad y n a m i ct u n a b l eg a i n - f l a t t e n i n gs c h e m eo f r o f s y s t e mf r e q u e n c yr e s p o n s e i sp r o p o s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eg a i nf l u c t u a t i o nh a sb e e ns i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e d a l s ot h em e t h o dt oc h a n g ef i e q u e n c yr a n g eo f t h eg a i n - f l a t t e n i n gs y s t e mi s a e h i e v e d k e yw o r d s ：m i c r o w a v ep h o t o n i e s ；v g t f ；m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r ；, r a d i oo v e r f i b e r ；r e e o n f i g u r a b l ef i l t e r ；t u n a b l ef i l t e r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 微波光子学结合了微波通信的能够与移动手提设备互联、传输成本低、频 率利用率高和光纤通信的体积小巧、损耗低、抗电磁干扰能力强、带宽大等一 系列优点，成为近年来的热门研究学科【l l 。 为了能够灵活的设计、构建微波光子学系统，并满足不同的应用，可调谐 光元件是必不可少的，也是研究的热点。其中光可变增益倾斜滤波器( v g t f ) 在一定波长范围内具有可调谐的线性或者近似线性的增益斜率，这种与波长相 关的增益倾斜特性能在微波光子学中对不同波长的光功率进行修正，从而具有 广泛的应用前景【甜。在许多应用领域需要利用计算机对信号进行实时的控制与 处理，因此本文研究的基于u s b 接n 3 1 的v g t f 控制电路的研究具有重要的意义。 微波光子滤波器【4 l 和r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) 1 5 , 6 1 是微波光子学的两个研 究热点，微波光子滤波器可以通过直接在光域对信号进行一系列的处理后而使 微波信号性能有所优化。对微波光子滤波器的研究主要集中在它的可调谐性和 可重构性，r o f 系统的一个重要性能指标就是其频率响应的平坦度。 本文将v g t f 所特有的优势巧妙地应用到了可重构微波光子滤波器的设计 和r o f 系统性能的改善上，具有较强的创新意义，使得相关理论得到进一步的 发展和补充。 1 2 光可变增益倾斜滤波器( v g t f ) 光可变增益倾斜滤波器，能够对一定波长范围内的输出光谱进行增益调节， 被广泛地应用在光纤通信领域i 刀。传统的实现光可变增益倾斜滤波器的方法主 要有几种旧，第一种方法是通过一个可交光衰减器( v o a ) 来控制输入到掺铒光 纤放大器( e d f a ) 的泵浦功率，从而控制e d f a 的输出光谱特性达到增益倾斜可 调的目的；第二种方法是通过分别控制加载在多个声光可调谐滤波器( a t o f ) 上的高频电信号频率来实现一定谱宽度的增益倾斜滤波特性；第三种方法是在 基于波导光栅路由器( w g r ) 的m a c h - - z e n h d e r 干涉仪结构中引入热光相移器， 通过改变相移来改变干涉仪的透射率从而实现可变增益倾斜滤波限l 。然而这 浙江大学硕士学位论文 些方法都是在某一特定的波长范围实现可调谐的倾斜特性，不能实现波长范围 的变化。本文区别于现有研究的独特之处在于，采用的基于o p t o c e r a m i c 透明 铁电陶瓷的光可变增益倾斜滤波器( v g t f ) 能够实现波长范围和倾斜增益的数 字控制可调谐“2 1 ，其光谱传输特性具有正弦函数的特性，它能够在很宽的波长 范围内，对不同波长的光信号强度进行不同幅度的衰减，并且在某些特定波长 范围内具有线性或者近似线性的增益斜率，同时该线性波长范围与增益斜率均 可分别调节。因此，v g t f 在微波光子学中有着广泛的应用前景。 透明铁电陶瓷是一类具有透光性的多晶铁电陶瓷材料【1 3 1 。问世于2 0 世纪 7 0 年代，具有很强的电光效应，其折射率会随外加电场的变化而变化。透明铁 电陶瓷根据成分可分为含铅和不含铅两大类。含铅透明铁电陶瓷有锆钛酸铅镧 口l z d ，锆钛酸铅铋( p b z t ) 、铪钛酸铅镧( p l h t ) 等；不含铅透明铁电陶瓷有铌 酸钠钡、铌酸钾钠等。其中对锆钛酸铅镧p l z t 的研究最为广泛。p l z t ，分子 式为p b l 删z r y t i l o l - x s 4 0 3 ，成分比例为x y 1 - y 。透明铁电陶瓷的透光率随组成 不同而变化。当x = o 0 8 o 1 2 、y = 0 6 5 时，透光率最高。p l z t 陶瓷的光学性质 随外电场和组成的变化呈现出电光记忆效应，一次电光系数可达1 0 2 6 1 2 x 1 0 1 0 m f v ，要比单晶的电光系数大一个数量级。其主要原料为高纯氧化铅、 氧化镧、氧化锆和二氧化钛。一般采用通入氧气进行热压烧结方法制取。近年 来采用常压通入氧气烧结的方法制造透明铁电陶瓷亦已获得成功。氧气的存在 可加速致密化，有利于提高透光性能。但是，p l z t 的饱和极化电压很高，要 加很高的偏置电压才能得到大的电光效应，此外p l z t 的电回滞较大，而且介 电常数受温度影响很大。 本文采用的光可变增益滤波器( v g t f ) 的制作材料是由热压法制备的 o p t o c e r a m i c 系列的透明铁电光陶瓷材料p b ( m g l 肫3 ) 0 3 p b t i 0 3 ，简单记做 p m n p t 。p m n p t 是多晶结构，这减少了在器件设计和处理时对晶相定位的麻 烦，同时也使材料在结构上更为均匀，从而减少了与偏振相关的损耗。电回滞 线是铁电体材料中普遍存在的现象，它使基于铁电体材料的元器件位相偏压关 系不固定，响应实际应用效果，因此应尽可能地减少电回滞效应。实验中用的 v g t f 能够在低的电场下就达到极化饱和，电回滞效应很弱，在0 到7 0 0 c 时候 升降偏压过程中，在相同电压值时，其电极化差别不大，显示出典型的驰豫铁 2 浙江大学硕士学位论文 电体特性。p m n p t 在常温下的电光系数比p l z t 高2 到5 倍同时在很大的波 长范围内都有很好的透明性。透明铁电陶瓷材料的另外一个重要特性是其快速 的响应速度，由于它的电光效应是由离子或者电子的移动实现的，因此比靠分 子移动的液晶的响应速度快很多，实验中用到的v g t f 响应速度小于l 微秒。 基于透明铁电陶瓷材料的光可交增益倾斜滤波器( v g t f ) 是由两片 p m n - p t 组合而成的。其传输特性曲线是个正弦曲线，所以又称光正弦滤波器， 我们可以通过精确控制加在两个波片上的电压来分别控制传输曲线的幅度a 和 相位p ，从而达到增益可调谐的目的，此外由于p m n - p t 的温度漂移特性影响， 我们要想较好的控制v g t f 就得采取补偿温措施。v g t f 的详细结构与控制方 法会在相关章节进行介绍。 喜 警 叠 董 堇 一 o 孵 - 哇 f 嶝 - - t - 2 阳 蕾一 卫p ， 卜- a zp 2 - - a - - a 3 总 图1 1v g t f 外加电压不同时的传输特性 图1 1 显示了当加在v g t f 两个波片上的电压不同时对应传输特性幅度与 相位变化，从而得到了不同的传输特性。从图中可以看出，v g t f 有几个主要 特点：第一，工作波长范围可调节；第二，幅度可调节，即在特性波长范围内 的倾斜率可以调节；第三，对于固定的波片传输特性的自由频谱范围固定。根 据v g t f 的这些特性我们可以将它应用到许多方面，比如用在对掺铒光纤放大 器( e d f a ) 动态增益平坦范围的补偿、微波光予滤波器的可重构性和r o f 系 统频率响应的改善等。 1 3v g t f 在微波光子学中的应用 2 0 世纪7 0 年代高速基带信号的光纤传输得以实现，近年来，随着交互式 通信、宽带无线接入、多媒体服务在无线网络中的应用以及对带宽要求的不断 增加和3 g 技术的不断成熟，对通信容量的要求越来越高1 1 4 ，恬i 。光纤具有体积 浙江大学硕士学位论文 小、重量轻、低损耗、抗电磁干扰、超高带宽( 4 0 t h z ) 、价格经济、工作功 率低、组网方便、接入简单等许多优点，从而在通信系统中得到广泛应用。微 波光子技术结合了微波通信的发射方向任意、易于构建和重构、能够与移动和 手提设备互联、传输成本低、频率利用率高和光纤通信的上述优点，同时有效 的避免了高频微波信号传输时损耗大的缺陷，因此成为了近年来研究的热剧“。 目前，微波光予学的研究方向很岁1 7 1 ，有光子技术实现微波、毫米波的分 配与传送；r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) 系统链路；光控相阵天线；微波光子学在测 量技术中的应用；光控微波器件与电路；快速电信号的光致产生与控制；超短 光脉冲技术在毫米波中的应用；高速光调制与检波；微波光子器件的研究；光 子微波信号的外差与混频；光子微波信号处理等等。 图1 2 是一个传统的电域上的微波信号处理框图。传统的方法是将由天线 接收到的信号直接送入微波处理电路，其中通常是先通过一个混频电路将高频 微波信号下变频到较低频率的信号再进行处理。这种方法缺点是动态范围低， 可重构性差，受电子信号处理速度瓶颈的限制，且系统损耗随微波信号频率升 高会增大。 天线 图1 2 传统电域上的微波信号处理框图 图1 3 是一个光子微波信号处理的框图。这种方法是将待处理的微波信号 先调制到光信号上，然后在光域通过集成光子元件或者电路来直接处理调制到 光上的微波信号。虽然这种方法由于光源、调制器、集成光子器件和光电探测 器等光子元件的引入增加了系统的复杂度，但是由于光子信号处理可以带来极 大的好处：第一，因为普通单模光纤在1 5 5 0 n m 工作波长附近的损耗只有 o 2 d b k m ，所以基于光纤延迟线的光子微波信号处理可以很大程度上降低系统 的损耗，并且这个损耗与微波信号的频率没有关系；第二，光信号的引入可以 使采样频率高达1 0 0 g h z ，而传统电的方法只能达到几个g h z ；第三，可以通 过引入波分复用( w d m ) 技术实现信号的平行信号处理；第四，很好地抵抗电 4 浙江大学硕士学位论文 磁干扰的能力；第五，低廉的成本。 碰v - 微波信号一一一 一一 信号输出 图1 3 光子微波信号处理框图 基于光纤的微波光子滤波器是光子微波信号处理技术中的一个重要内容， 这种技术具有上述光子微波信号处理的所有优点，在宽带无线接入技术、超宽 带r a d i oo w g l f i b e r 系统、雷达系统、相控阵天线和许多微波光子信号处理系统 中都有着重要应用，因而微波光子滤波器的研究具有很重要的意义。微波光子 滤波器能够在光域上实现传统全电子的微波滤波器的射频和微波信号的滤波功 能。与传统全电子的微波滤波器相比，微波光子滤波器具有损耗与频率无关， 体积小巧，重量轻，损耗低，抗电磁干扰能力强，动态范围大，较好的可调谐 能力，较大的时间带宽积的优点。由于光纤微波光子滤波器能够直接在光域上 处理宽带的微波和射频信号的能力，避免了中间的光电和电光的转换过程，光 纤微波光子滤波器能够达到的处理速度和带宽能力远远超过了目前电域上微波 滤波器的最高水平。 微波光子滤波器的原理是基于离散时间信号处理理论，与电滤波器类似， 如果采样抽头的个数是有限的，那么可以得到基于有限脉冲响应的递归微波光 子滤波器；相反，如果采样抽头个数是无限的则可以得到基于无限脉冲响应的 非递归微波光子滤波器。构成微波光子滤波器的主要参数有：采样抽头数、采 样周期、和抽头权值。通过各种光子学的方法改变这几个参数可以得到具有特 定应用要求和特殊性质的微波光子滤波器，比如改变抽头数可以改变滤波器的 q 值；改变采样周期可以实现滤波器自由频谱范围( f s r ) 的可调谐；改变抽 头权值能够实现可重构的滤波器。 由于v g t f 在很宽的波长范围内，对不同波长的光信号强度具有不同的衰 浙江大学硕士学位论文 减量，而且能都实现数字化的精确控制，这就为实现可重构的微波光子滤波器 提供很好的条件，因此可以通过设计一个利用多波长光源和v g t f 的系统结构， 从而实现计算机控制的动态可重构微波光子滤波器；此外还可以根据两抽头的 微波光子滤波器理论实现r o f 系统频率响应的改善。 1 4 本文的主要工作 透明铁电陶瓷材料自从2 0 世纪7 0 年代问世以来，由于其加工工艺简单、 制作成本低、形状可控性强，而且具有良好的透明性、极快的响应速度和很高 的电光效应。因此在光调制技术、显示技术、激光技术、光存储技术、光电子 技术中得到了广泛的应用。美国波士顿应用科技公司的基于o p t o c e r a m i c 系列 透明铁电光陶瓷材料的光可变增益倾斜滤波器( v g t f ) ，继承了透明铁电陶瓷 材料的特点，同时又在此基础上有所改进。 本文在研究了o p t o c e r a m i c v g t f 的材料特性的基础上，通过理论和实验 分析了v g t f 的传输特性，并设计调试了一个基于u s b 接口的控制电路，该电 路能够实现在指定的波长范围内，输入要求的斜率自动送出控制电压，并通过 温度传感器采回的数据进行温度补偿。实验数据显示得到了很好的效果。同时 编写了一个计算机控制界面，该界面具有温度监视、输入指定斜率得到电压和 步进电压增加减功能。 本文还对微波光子滤波器的理论和实现方法上做了理论与实验的研究，通 过对大量的国内外文献的调研后，提出一种结构简单的可重构微波光子滤波器 系统，该系统是基于v g t f 的并且可以通过计算机实时控制，文中通过实验证 实了该结构能够很好的实现可重构的微波光子滤波器。 鉴于v g t f 波长相关的增益可变特性，本文设计了一个新颖的利用v g t f 同时基于两抽头微波光子滤波器原理的系统，该系统可以实现r a d i oo v e rf i b e r 系统频率响应的平坦化，而且平坦度与平坦频率范围均可动态调谐。实验结果 表明该系统可以使r o f 链路在工作频段内的系统频率响应平坦度有很好的优 化。 。 本文还提出了两种基于y g t f 的可重构微波光子滤波器结构，分析了其实现 的可能性及存在问题 文章最后对工作的现状做了总结并对以后的研究方向提出了展望。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章o p t o c e r a m i c v g t f 及其控制电路设计 2 1 透明铁电陶瓷材料 2 1 1 透明铁电陶瓷的电光效应 透明铁电陶瓷，是一类具有透光性的多晶铁电陶瓷材料，具有很好的透明 性和很强的电光效应，其折射率会随外加电场的变化而变化。 电光效应指某些物质在外加电场作用下显示出光学各向异性的双折射效 应。当各向异性介质在外电场作用下要改变原有的双折射性厨1 8 1 ，称为泡克尔 斯效应( 一次电光效应) ；当各向同性介质在外电场作用下变为各向异性而产生 双折射，称为克尔效应( 二次电光效应) 。 光在各向异性介质中传播时，由于口= 岛易，光在介质的传播规律将受到 介质的介电常数占分布的影响，因而折射率的分布受到制约。而介电常数占又 是一个易受各种外因变化的物理量，因外加电场作用引起折射率变化称为电光 效应。介质的折射率与外加电场的关系可以表示为： n = r 6 + 西+ 6 e 2 + 2 1 其中，e 是电场强度：n o 是e = 0 时候的折射率；a 、b 是常数。若只考虑一 次和二次电光效应，则由电场的作用引起的折射率的变化为： 血= 口_ e + b e 22 2 其中，电场一次项引起的变化即线性电光效应，也称泡尔斯效应( p o c k e l s ) ， 一般发生于无对称中心晶体中；由电场二次项引起的变化即二次电光效应，也 称克尔效应( k e r r ) ，在无对称中心晶体中，一次效应比二次效应显著得多。 根据光的电磁理论，光在介质中传播的速度与介质的折射率有关为： c ：( 肛) ，捍：( ；，毒为介电常数，是对称的二阶张量，则白：白， d 与e 的关系为： p = 毛目( f ，_ ，= l ，2 ，3 ) 2 3 7 浙江大学硕士学位论文 在各向同性的介质中，蜀。= = 岛= s ，d 与e 成线性关系，所以光在其 中的传播速度保持不变。在各向异性的介质中，由于各方向的折射率不同，所 以各偏振态的光传播速度也不同，产生了双折射现象，通常用折射率椭球来描 述折射率与光的传播、振动方向的关系。 图2 1 折射率椭球 在主轴坐标系中，折射率椭球方程为： 委+ 善+ 委：1 2 4 孑+ 每+ 孑：1 2 4 式2 4 中托为折射率椭球三个主轴方向的折射率，称为主折射率。折射率椭球的 取向和形状受晶体对称性的影响。在单轴晶体中，啊= 恐= ，坞刮屯为一个旋转 椭球。以o p 为光波的法线，过原点0 作一个和o p 垂直的平面，与椭球相截得 到一个椭圆，其长轴和短轴方向为沿西芦传播的光的两个偏振方向，长轴和短轴 的大小分别代表沿这两个方向振动的线偏振光的折射率啊和玛，则它们的传播速 度分别为c o 胁和c o ，1 2 。当晶体外加电场后，折射率椭球的方程变为： 要+ 善+ - 2 譬- - + 喜y ：+ ；m + ；- - - - t - 川， 2 s 雨+ 茗+ 吨+ 虿少外虿弘抖碗户1 2 。5 由式2 5 可以看出射率椭球的形状、大小、方位均发生了变化。式2 5 中较 式2 4 中多出的项是由外加电场引起的。折射率与电场的关系为： 8 浙扛大学硕士学位论文 雨1 一虿1 = 乃，巨+ ：e + 乃，e 虿1 一虿1 2 托- e + 勉弓+ 如臣 丢一吉：托e + 儿：e + 乃，e 虿一虿2 乃1 段+ 儿2 q + 乃，也 虿1 2 巨+ 髟+ e 虿1 2 e + 如易+ 臣 虿1 = e + b + e 2 6 式2 6 中r , jo = 1 , 2 ，3 ，”6 ，j = l ，2 ，3 ) 即为电光系数，是三阶张量，最多有 1 8 个分量。对于不同对称性的晶体，以的分量会有所减少。由式2 6 可以看出 外加电场对晶体折射率变化的影响。 2 1 2o p t o c e r a m i c o 电光陶瓷材料的性质 o p t o c e r a m i c 是一系列的多晶结构透明铁电光陶瓷材料。铁电陶瓷又称压 电陶瓷，由于主要成分是铁电体而得名。铁电陶瓷是由几种氧化物或碳酸盐在 烧结过程中发生固相反应而形成，其制造工艺与普通的电子陶瓷相似。烧结出 来的陶瓷体是多晶体，其自发极化是紊乱取向的，没有压电性能。对这样的陶 瓷体施加强的直流电场进行极化处理，原来混乱取向的自发极化就沿电场方向 择优取向。去除电场后，陶瓷体仍然保留着一定的总体剩余极化，因此使陶瓷 体的极化特性发生变化，从而引起折射率的变化。与压电单晶材料相比，压电 陶瓷的特点是制造容易，可做成各种形状；可任意选择极化轴方向；易于改变 瓷料的组分而得到具有各种性能的瓷料；成本低，适于大量生产。但由于是多 晶材料，所以使用频率受到限制。目前最常用的压电陶瓷有透明铁电陶瓷、钛 酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、三元系压电陶瓷以及铌酸盐系陶瓷等。 透明铁电陶瓷，是一类具有透光性的多晶铁电陶瓷材料，具有很好的透明 性和很强的电光效应，其折射率会随外加电场的变化而变化。透明铁电陶瓷根 据成分可分为含铅和不含铅两大类。含铅透明铁电陶瓷有锆钛酸铅镧( p l z t ) 、 锆钛酸铅铋( p b z t ) 、铪钛酸铅镧( p l h t ) 等：不含铅透明铁电陶瓷有铌酸钠钡、 9 浙江大学硕士学位论文 铌酸钾钠等，其中对锆钛酸铅镧p l z t 的研究最为广泛。 本文采用的光可变增益滤波器( v g t f ) 的制作材料是由热压法制备的 o p t o c c r a m i c 系列的多晶结构透明铁电光陶瓷材料p b ( m 9 1 b 2 凸) 0 3 - p b t i 0 3 ，简 单记做( p m n p t ) 。p m n p t 在物质结构、工作温度、电光效应、电回滞特性、 响应速度和透明性等方面都表现有良好的特性。以下就p m n - p t 在这些方面的 特性加以说明。图2 2 是o p t o c e r a m i c 系列透明铁电光陶瓷材料的晶片。 图2 20 p t o c e r a m i c o 系列透明铁电光陶瓷材料 1 物质结构 透明电光陶瓷材料的绝缘和光学特性与晶体的晶粒大小有着很大的关系。 通过控制制造时热压的温度和时间可以控制晶粒的大小。由于透明电光陶瓷材 料的多晶特性是其结构均匀、偏振无关，在设计元器件的时候无需考虑晶轴方 向，方便了设计。图2 3 是本文中v g t f 的材料p m n - p t 的x 射线衍射样图， x 射线波长与晶体中的原子间距属于同一数量级，应用x 射线在晶态和非晶态 物质中的衍射和散射效应，所获得的衍射角2 0 和衍射强度i 构成的衍射谱记录 了试样物质的结构特征。图中可以看出p m n p t 具有典型的钙钛矿结构，并且 没有混杂的峰值出现，说明其满足光学级别的透明铁电陶瓷要求。 1 0 浙江大学硕士学位论文 图2 。3 试验中所用材料p m n p t 的x 射线衍射样图 2 工作温度 本文中v g t f 的材料p m n p t 有着常温附近的居里温度( o r 电常数峰值对 应的温度) 。而且在工作温度下其介电常数很大，可达到2 0 0 0 0 左右。图2 4 是 p m n - p t 的介电常数和介电损耗与温度和电压频率的关系。 t e m p e r a t u r el c 图2 4p i n - p t 介电常数与温度的关系 3 电光效应 试验中所用的p m n p t 材料具有二次电光效应( 克尔效应) 。相位延迟r 可 以用式2 7 来表示 r ：丝窭丝：2 7 a 则电光系数r = 恭 2 8 玎l 盯b aie一奄clrlo l o ” o 芒口瞻cou譬jlu量le5 浙江大学硕士学位论文 其中，工是光在材料中传播经过的距离，疗是材料的折射率，r 是电光系数， e 是电场强度，五是光波长。从式2 8 中我们可以计算出p m n p t 的电光系数， 最大电光系数可以达到2 8x1 0 - 2 。 4 电回滞特性 图2 5 是p m n p t 材料的电回滞特性曲线。从图中可以看出，p m n p t 材 料的电回滞曲线吻合的比较好，说明在电压增加和减小的时候引起电光效应比 较稳定。 e l e c t r i cf i e l d ( v u r n ) 图2 5p m i - p t 电回滞特性曲线 5 响应速度 p m n p t 材料的响应速度可以达到亚微秒级，因为在p m n p t 材料的中的 响应速度取决于其中的电子和离子的移动速度，这远远大于液晶材料中分子的 移动速度。图2 6 是测量的某厚度p m n p t 材料的响应速度，为l o o n s 。对于更 薄的晶片可以达到更快的速度。 6 透明性 图2 6 一定厚度的p i l l p t 材料的响应速度 1 2 矿p_。l。、ojco嚣e2_i街lom 浙江大学硕士学位论文 p m n p t 材料在很宽的波长范围内都有很好的透明性，图2 7 是一个 1 4 5 r a m 的p m n - p t 晶片的传输谱。从中可以看出在4 0 0 r i m 到1 8 0 0 n m 都有很 好的透明性，其中由于对于不同波长材料的折射率会有所变化，所以在材料与 空气的交界面会发生发射损耗。在1 5 5 0 , u m 附近损耗可以低于0 0 2 5 d b m m 。 骗睁旧静r i 口抑r 帅 图2 7 厚度为1 4 5 m 的p m n p t 晶片的传输谱 2 20 p t o c e r a m i c 材料的v g t f 因为o p t o c e r a m i c 材料具有上述的结构均匀，可工作在常温下、电光效应 强、电回滞曲线差小、响应速度快和很好的透明性等优点。所以o p t o c e r a m i e 材料在高速动态光学元件的制作中得到了广泛的应用。基于o p t o c e r a m i c 材料 的光学元件有偏振控制器、可变衰减器、光可变增益倾斜滤波器、动态增益平 坦滤波器、q 开关等。本文所用的光可变增益倾斜滤波器( v g t f ) 就是基于 o p t o c e r a m i c 材料的。 2 。2 10 p t o c e r 锄i 扣材料的v g t f 特性 本文所用的光可变增益倾斜滤波器的实物如图2 8 所示。v g t f 有一根输入 光纤，一根输出光纤。背面有两对电极，用来加控制电压分别控制内部的两块 晶片。 图2 8v g t f 实物图 浙江大学硕士学位论文 图2 9 是v g t f 的内部结构示意图，输入光纤和输出光纤分别连接两个准 直器，内部有两块o p t o c e r a m i c 材料的晶片，每块晶片分别由一个电压控制， 一个晶片是控制v g t f 传输谱的幅度，另外一个晶片是控制传输谱的相位偏移。 图2 9v g r f 结构示意图 v g t f 的传输谱特性可以用式2 9 来表示： f ( 巧，k ，t o ) = l 一 s i n 2 【妒( k ) 】 l + c o s 肚口+ 臼( 巧) 】 2 9 其中，k 是一个系数，以k ) 和烈巧) 是分别由电压k 和k 决定的，用来控 制v g t f 传输函数的相位和幅度。从式2 9 的结构能够分析出v g t f 的传输函 数曲线具有正弦函数的特性，所以v g t f 又称为光正弦滤波器。 图2 1 0 是实验中测得的在某几组特定电压下得到的v o t f 传输特性曲线。 从中可以看出k 的变化导致曲线相位的偏移，k 的变化导致曲线幅度的变化。 图2 1 0 实验测得v g t f 传输特性曲线 2 2 2v g t f 应用 v g t f 的光谱传输特性在一定波长范围内具有线性或者近似线性的增益斜 率，单个v g t f 可以用来控制一定波长范围内的光谱倾斜度，多个v g t f 的组合 可以构成动态增益平坦滤波器( d g e f ) ，d g e f 可以应用在掺铒光纤放大器( e d f a ) 增益谱的平坦化。 1 4 cols一ecmjj口9z=mieoz 浙江大学硕士学位论文 由于现代通信技术对带宽要求的不断增加，w d m 技术得到广泛的关注， 在w d m 系统中，长距离的传输中会有光纤带来的损耗，掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 是长距离w d m 系统中必须的元件。然而，e d f a 的放大增益是波长 相关的，即在其工作波长范围内不是平坦的，图2 1 l 是e d f a 的增益与波长的 关系，从图中可以看出，在工作波长范围内增益波动比较大，这样通过多个 e d f a 级联后，整个w d m 系统各个信道之间输出光功率的不一致，以及光信 噪比的不均衡会对系统的性能有所影响。 争 1 1 - 帅t a m ) 图2 1 1e d f a 的增益波长相关性 目前，国内外有些方法可以解决e d f a 的增益平坦化问题，比如基于长周 期光纤光栅滤波器、基于声光可调滤波器等掣1 9 1 。 本文将v o t f 应用在动态控制微波光子滤波器的光抽头功率上，实现了动 态可重构微波光子滤波器和r o f 系统频率响应改善。 2 3v g t f 控制电路的设计 本文所用的v g t f 需要两路高压电信号来控制，同时需要很快的响应速度 以满足高速动态光学系统的应用。本文设计的控制电路是基于u s b 接口的计算 机控制电路。主要包括温度传感、模数和数模转换、u s b 接口数据传输、高 压电路部分。 2 3 。1 控制电路 1 系统框图： 浙江大学硕士学位论文 图2 1 2v g t f 控制电路系统框图 图2 1 2 是v g t f 控制电路的系统框图，其中u s b 控制芯片采用c y p r e s s 公 司的e z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 高速u s b 控制芯片。a d 和d a 转换部分采用美 国a n a l o gd e v i c e 公司的高速1 2 位a d u c s l 2 芯片。温度传感器采用的是美国 a n a l o gd e v i c e 公司的a d 5 9 0 温度传感器。高压板是电压放大倍数为1 0 0 的高 速电路板。 2 芯片参数： ( 1 ) u s b 控制芯片：为了能够满足高速的实时计算机控制以及方便的即插即用 原则，我们选择了基于u s b 2 0 的c y p r e s s 公司的e z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 高 速u s b 控制芯片。该芯片工作在高速模式下的时候，数据传输速率可以达到 4 8 0 m b i t s 。e 乙u s bf x 2 是一个集成了u s b 2 0 收发机、串行接口引擎( s i e ) 、 加强的8 0 5 1 微处理器以及一个可编程的外围设备接口。 1 6 浙江大学硕士学位论文 图2 1 3e z - u s bf ) 【2 控制芯片的框图 图2 1 3 是采用的芯片框图。e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片的工作电压是3 3 v ； 外部时钟是2 4 m h z ；有4 0 个通用i o 口；内有一个8 0 5 1 微处理器内核j 可工 作在1 2 m h z ，2 4 m h z 或者4 8 m h z ，内有一个8 k 字节的内部r a m 存放8 0 5 1 的程序；有4 个可编程的端点寄存器；可选的8 1 6 位外部数据总线；一个通用 可编程接口( g p i f ) ，这个接口可以通过对波形描述符和寄存器的编程来实现 对芯片输入和输出信号的处理；集成的i 2 c 兼容总线控制器；四个集成的f i f o 。 ( 2 ) a d 和d a 转换：图2 1 4 是本文控制电路采用的a n a l o gd e v i c e 公司的高 速1 2 位a d u c g l 2 芯片框图。a d u c 9 1 2 工作电压是5 v ；外部时钟频率是1 2 m h z ； 有8 个通道的1 2 位高精度a d 转换和2 个1 2 位的d a 转换通道；8 k 字节的电 可擦除片内程序存储器，6 4 0 字节的电可擦除片内数据存储器，2 5 6 字节的片内 r a m ，1 6 m 字节外部数据地址空间和6 4 k 字节的外部程序地址空间；两个优 先级的9 个中断源。 浙江大学硕士学位论文 图2 1 4a 1 ) u c 8 1 2 框图 ( 3 ) 温度传感：a n a l o gd e v i c e 公司的a d 5 9 0 温度传感器。a d 5 9 0 是两端口集 成电路温度传感器，输出电流信号正比于绝对温度。工作电压可以为4 v 到3 0 v 之间任意，具有高阻抗特性，输出电流信号与温度关系为1 口a k 。在2 5 0 c ( 2 9 8 。2 k ) 的时候其校准的输出电流为2 9 8 2 9 a 。 3 工作过程： 该控制电路的工作过程为：温度传感器实时采集光器件v g t f 的温度信号， 并转换为电流信号，通过电阻及运算放大器转换为我们所需要的与温度相对应 的电压信号，此电压信号通过a d 模块转换为1 2 位的数字信号，通过u s b 控 制芯片传送到计算机上，进行数据处理，并在控制界面实时显示温度。图2 1 5 是封装在盒子中的电路板和v g t f ，图2 1 6 是封装后的v g t f 控制电路照片。 1 8 浙江大学硕士学位论文 图2 1 5v g t f 电路板实物图 图2 1 6 封装后v g t f 控制电路照片 当用户在控制界面输入想要得到的某一斜率时候，程序首先通过计算机查 表，找到在该温度下，该斜率对应的两路低压电压信号的数字信号，这两路1 2 位的数字信号通过u s b 控制芯片传送到d a 转换芯片，转换为两路低压模拟信 号并送到高压板的输入端，高压板再将放大后得到的两路高压电信号加到 v g t f 上，从而控制v g t f 的传输特性，得到想要的曲线斜率。图2 1 7 是v g t f 传输特性实验测试系统，计算机通过u s b 接口连接到v g t f 上，控制v g t f 的传输特性。a s e 宽带光源发出光直接输入到v g t f 的输入光纤，v g t f 输出 光纤连接到光谱仪上分析v g t f 的传输特性。 1 9 浙江大学硕上学位论文 图2 1 7 实验测试系统 2 3 2v g t f 性能参数 实验中的v g t f 主要参数如表2 1 所示 表2 1v g t f 的参数 特性参数 插入损耗1 d b 偏振态相关损耗 o 3 d b 波长相关损耗 o 3 d b 动态范围 1 5 d b 响应时间1 0 p s 回波损耗5 5 d b 相位调节范围 2 万 我们采用图2 1 8 的方法来测试v g t f 控制电路的工作特性。 浙江大学硕士学位论文 圈2 培测试系统框图 图2 1 9 是v g t f 在测试中通过改变控制电压而得到的光谱，其中横坐标范 围是1 5 2 5 n m 到1 6 2 0 r i m ，纵坐标单位是d b 。 4 ：毒蚺m 。，；。； s 蕾 0 ，p 忡廿。毒 弋= 7 _ 二篓 一l 。一- j 。 一一一一一| 一、耐一j 3 一蕊i 一w j = | ? i m 二” + 5 - - ? * 2 ； 控制电压v , = o v ，v z = 9 6 v控制电压v 。= o v ，v 。= 1 0 3 v 、啬n m - - - 。i _ 一”醯i 一二二，、崔 蜘t 晴”m _1 4 - m _ 控制电压v , = 6 0 v ，v 2 = l o o v控制电压v 。= 1 2 0 v ，v z = l o o v 图2 1 9 测试v g t f 控制电压与传输特性关系 2 3 3 操作界面 控制电路的计算机操作界面如图2 2 0 所示。其中，s e l