（光学工程专业论文）集成光波导电光模数转换器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 数字信号在信号处理中具有很多优越性，包括重复编程方便、易于保存和非 线性度可自行确定、能实现长期不失真存储等，这使得数字信号处理技术正加速 应用于以前被认为仅有模拟系统能够处理的领域。模数转换器作为将模拟电压信 号转换成数字信号的二进制信号的关键器件，其重要性不言而喻。实现高精度、 高转换速率的模数转换器成为现在模数转换领域的研究重点。 本论文首先概述了波导电光模数转换器的工作原理及发展概况，阐述了波导 电光模数转换器相对于电子模数转换器的优点、研究意义和应用前景，指出集成 光学波导电光模数转换器是电光模数转换器技术很有前景的方向之一。 其次，本文分析了铌酸锂光学技术实现的m z 调制器结构为核心的高速模数 转换器的原理，分析了电极加倍型光学模数转换器的原理和结构参数。 第三，本文分析了电光模数转换器的性能参数，研究了光渡越时间对模数转 换器的影响，m z 电极加倍型模数转换器使用脉冲光源的原因以及脉冲抖动、取 样脉冲光源的宽度对模数转换器性能的影响；并且重点分析了波导参数对模数转 换器传输损耗的影响。 第四，根据m z 型波导电光模数转换器损耗的分析结果，本文首先设计了不 同的波导芯片结构，确定光波导图形，用数字函数表达计算其弯曲半径并进而计 算弯曲损耗，得到最合理的m z 型波导结构。其次，设定不同的半波电压，分析 研究模数转换精度与半波电压的关系。然后根据得到的波导结构和半波电压，计 算波导电光模数转换器的调制带宽，对设计结构进行了一定的优化，得到合理结 论，即设计计算出一个合理的2 位和4 位m z 结构模数转换器结构，且该结构模 数转换器的半波电压和带宽都在合理的范围内。最后进行了二位模数转换器的光 路部分仿真。 综上所述，本文设计了m z 型波导电光模数转换器的方案，并根据半波电压 和调制带宽等参数对波导结构进行了优化设计，得到了合理结果。其结果验证了 方案的可行性。 关键词：电光模数转换器，m a e h - z e h n d e r 调制器，光波导，铌酸锂( l i n b 0 3 ) a b s 卫r a c t a b s t r a c t d i g i t a ls i g n a lh a sm a n ya d v a n t a g e si ns i g n a lp r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gt h ed u p l i c a t i o n o fp r o g r a m m i n gc o n v e n i e n t , d y n a m i cr a n g ea n dn o n - l i n e a r i t ym a k et h e i ro w n d e t e r m i n a t i o n , l o n g t e r ms t o r a g ew i t h o md i s t o r t i o n , w h i c hm a k i n gd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yg r a d u a l l yr e p l a c e st h ea n a l o gs y s t e m a n da st h ec o r ed e v i c eo f c o n v e r t i n ga n a l o gs i g n a l st od i g i t a ls i g n a l s ，a d c ( a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r s ) i sv e r y i m p o r t a n t t ot h es y s t e m t h i sp a p e rf i r s ts u m m a r i z e dt h ee l e c t r o o p t i ca d ( a n a l o g d i g i t a l ) c o n v e r t e r p r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n to v e r v i e w , d e s c r i b e dt h ea d v a n t a g e so fe l e c t r o o p t i ca d c o n v e r t e rc o m p a r e dw i t l le l e c t r i c - a dc o n v e r t e r , r e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s t h e nt h ep a p e rp o i n t e do u t t h a t t h ei n t e g r a t e do p t i c a lw a v e g u i d ea d c o n v e r t e ri sap r o m i s i n ge l e c t r o - o p t i c a la d cb a s e do nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f e l e c t r o o p t i ca d c t h ep r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o ft h e e l e c t r o d e d o u b l e - t y p eo p t i c a la d c w a sa l s oa n a l y z e d t h e nt h i sp a p e ra n a l y z e dt h el i t h i u mn i o b a t e ( l i n b 0 3 ) o p t i c a lw a v e g u i d e e l e c t r o - o p t i c a la d c i nd e t a i l ，i n c l u d i n gi t sg e n e r a lp r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r e t h i r d l yt h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef a c t o r so ft h ea d ci n c l u d i n gl a s e rp u l s e ，l a s e r p u l s ew i d t h ，b e n dl o s sa n dl r a n s m i s s i o nl o s s m - ze l e c t r o o p t i c a lm o d u l a t o ra d c p r o g r a mw a st h eo v e r a l ld e s i g n ，t h ea u t h o rs i m u l a t e dt h et r a n s m i s s i o nl o s so ft h em - z s t r u c t u r a l w a v e g u i d ee l e c t r o o p t i c a l a dc o n v e r t e r t h er e s u l t ss h o wt h a t t h e t r a n s m i s s i o nl o s sm a i n l yc o m e sf r o mt h eb e n dl o s s ，l i n e a rl o s sa n dt r a n s m i s s i o nl o s so f yb r a n c h t h e r e f o r ea c c o r d i n gt ot h er e s u l to f s i m u l a t i o nt h ea u t h o rd e s i g n e ds e v e r a l d i f f e r e n tw a v e g u i d e ss t r u c t u r e sb yu s i n gb p mm e t h o da n de f f e c t i v ei n d e xm e t h o d a n d a f t e rc o m p a r i s o nw i t he a c ho t h e rt h em o s tr e a s o n a b l em zs t r u c t u r ew a sf o u n d t h e nb y c h o o s i n gd i f f e r e n th a l f - w a v ev o l t a g e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb i tn u m b e ra n d h a l f - w a v ev o l t a g eo fa dc o n v e r t e rw a ss i m u l a t e da n dd i s c u s s e d a f t e rt h ed i s c u s s i o n i i a b s t r a c t a b o u tt h eb a n d w i d t ho ft h e 加c o n v e n e r ，ar e a s o n a b l er e s u l tw a so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t st h ep a r a m e t e r so ft h ea dc o n v e r t e rw a so p t i m i z e da n d ar e a s o n a b l ed e v i c ew a so b t a i n e d a tl a s t ，t h er e s u l t sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e s c h e m e k e y w o r d s ：o p t i c a lw a v e g u i d es e n s o r , s u b s p a c e ，l o c a l i z a t i o n , s e n s o ra r r a y , s e n s o r n e t w o r k s ，m zm o d u l a t o r i i i 图目录 图目录 图1 1 光时分复用a d c 原理图2 图1 2 光波分复用a d c 原理图3 图1 3 脉冲时域展宽a d c 原理图4 图1 4 光相位调制a d c 原理图5 图1 5 相位调制a d c 量化波形5 图2 1x 切l i n b 0 3 晶体切向与电场关系1 0 图2 2 铌酸锂电光波导相位调制器1 1 图2 3 铌酸锂电光波导强度调制器1 2 图2 - 4 强度调制相对输出光强戤与矽的关系1 3 图2 6 光强与的关系1 4 图2 7 集成光学四位模数转换器1 5 图2 8 四位a d 转换器光强随电压变化情况1 6 图2 - 9 四位格雷码a d 转换器光强随电压变化情况1 7 图3 1 渡越时间与调制信号最高频率的关系2 7 图3 2 输出光强与电压的关系( 连续光) 。2 8 图3 3 输出光强与电压的关系( 脉冲光) 2 8 图3 4 信号频率与光脉冲时间抖动的关系3 0 图3 4 同一脉冲宽度对四位m z 结构模数转换器不同位的调制深度影响3 2 图3 5 不同脉冲宽度对m z 结构模数转换器最低有效位的影响3 2 图3 6y 分支结构波导示意图3 3 图3 7y 分支波导结构等效模型3 4 图3 - 8 余弦函数型y 分支弯曲波导结构图。3 5 图3 - 9 分支高度为1 0 0l a m 时m z 调制器y 分支余弦弯曲损耗3 7 图3 1 0 分支高度为2 0 0 岬时m z 调制器y 分支余弦弯曲损耗3 7 图4 1 二位波导电光模数转换器波导结构图4 2 图4 2 最高位与次高位相等二位模数转换器电压与输出光强的关系4 2 图4 3 最高位与次高位相等四位模数转换器电压与输出光强的关系4 3 图4 4 四位波导电光模数转换器波导结构图4 6 v i 图目录 图4 5 四位波导电光模数转换器波导结构图4 6 图4 - 6 模数转换器精度与半波电压关系5 0 图4 7 二位集成波导电光模数转换器光路系统仿真5 5 图4 81 0 0k h z 仿真输出结果( 最高位) 5 6 图4 91 0 0k h z 仿真输出结果( 次高位) 5 6 图4 1 03 0 0k h z 仿真输出结果( 最高位) 5 6 图4 1 l3 0 0k h z 仿真输出结果( 次高位) 5 6 图4 1 25 0 0k h z 仿真输出结果( 最高位) 5 6 图4 135 0 0k h z 仿真输出结果( 次高位) 5 6 图4 1 4 采用脉冲光源的集成波导电光模数转换器光路系统5 7 图4 1510 0k h z 仿真输出结果( 最高位) 5 7 图4 1610 0k h z 仿真输出结果( 次高位) 5 8 图4 1 75 0 0k h z 仿真输出结果( 最高位) 5 8 图4 1 85 0 0k h z 仿真输出结果( 次高位) 5 9 v h 缩略语列表 o t d m b p m 同d b p m f f r f e b p m f p a b c a d c 缩略语列表 o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d o p t i c a lw a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g f i l l i t ed i f f e r e n c eb e a mp r o p a g a t i o n m e t h o d f a s tf o u r i e rt r a n s f e r f i n i t ee l e m e n tb e a m p r o p a g a t i o n m e t h o d f a b r y - p e r o t a b s o r b i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n a n a l o gt od 硒t a lc o n v e r t e r 光时分复用技术 光束传输算法 光波分复用技术 有限差分光束传输法 快速傅立叶变换 有限元光束传输法 法布里珀罗干涉仪 吸收边界条件 模数转换器 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。 论文使用授权 工咖年石月湃日 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： 蜜二墅 导师签名： 日期：3 纠 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模数转换器的研究背景 在信号处理系统中，使用数字信号处理的优势是很明显的。数字信号便于存 储、传输、重复编程方便、可靠性高。而模数转换器作为将模拟信号转换成数字 信号的关键器件，具有重要的研究意义。目前，雷达、通信、秸号拦截、扩频通 信等领域的对于信号处理系统要求o s s ( g i g a s a m p l e s e c o n d ) 以上的高转换速率【l 】。 高速模数转换器的研究与设计成了人们关注的热点，人们尝试采用多种方法实现 高速模数转换：如传统的电子模数转换器 1 - 3 1 、超导材料模数转换器【4 】、光学模数 转换器【5 _ 1 3 j 等。 目前高速模数转换器主要是用硅材料做成的集成电路或混合电路。硅微电子器 件制作已经是比较成熟的技术，要在功能和其它参数上有很大改进已不大容易。 目前，采用集成电路或混合电路技术的模数转换器在高性能模数转换方面可达到 的最快采样速率为8 2g s s ，实现4 比特精度 2 1 ；在8 比特精度下，可以达到3g s s 的采样速率【2 】，这已经基本接近其理论极限。而超导材料受温度等多种条件的限制， 进展缓慢。在这一背景下，人们提出用集成光学器件实现光学模数转换的技术。 集成光学模数转换器的作用与电子模数转换器一样，也是将模拟电信号转换成数 字信号，输入的模拟电信号通过电光调制器调制到光上，并经过取样、量化、编 码等过程实现把模拟信号变成数字信号。光学模数转换技术的出现为高速、高精 度模数转换提供了可能。 1 2 电光模数转换器的国外发展动态 模数转换一般经过四个过程，即采样、保持、量化和编码输出，由乃奎斯特 采样定理知采样信号频率石与被采样信号最高频率詹( 包括噪声在内) 间必须满 足f 2 - 2 f n 关系，在工程中通常取启= ( 3 5 谵。量化和编码的快慢是决定模数转换速 度的关键因素，而量化和编码过程所用的时间又是保持时间的一部分。因此，要 提高模数转换的速度，可以从两个方面入手： 一、提高转换过程的速度即量化和编码的速度； 电子科技大学硕士学位论文 二、提高采样信号频率石，尽量缩短采样保持过程中所用的时间。 电光模数转换器的基本原理是以激光器发出的激光信号作为采样脉冲，高频 电信号通过电光效应调制到光脉冲上，由于电光效应，使得模拟调制电压与输出 调制光强间存在一定的关系，这一过程完成了模拟电信号的采样量化过程，再通 过光电探测器将调制光脉冲转换为已量化的电信号，传输到比较器电路上完成编 码过程。目前，比较成熟的光学模数转换方法可以归为以下二类。 1 2 1 基于分插复用思想实现模数转换 基于分插复用思想对电子模数转换能力进行扩充，采用这一思路的方案包括 光时分复用模数转换器、光波分复用模数转换器和光脉冲时域展宽模数转换器。 1 光时分复用模数转换器 利用光时分复用技术o t d m ( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的模数转换器 的原理如图1 1 所示，锁模激光器发出的高重复频率脉冲，经过电光调制器，在调 制器上，由于电光调制过程，模拟调制电压调制到光脉冲上，这一过程完成了对 调制电信号的采样，输出光通过一个光分配器( 通常为光开关等时分复用器) ，将不 同时序的调制光信号分配到不同的通道上，在各自通道中，经过光电探测器转变 为电信号，再由各通道中低速的电模数转换器对其进行模数转换( 图中仅给出了 一个通道) ，在逻辑分析器中完成量化编码输出，从而实现模数转换过程。 由于增加了光路部分和电模数转换器的数量，使得系统复杂度增加，以此为 代价提高了采样频率，保证了量化精度。 图1 1 光时分复用模数转换器原理图 2 第一章绪论 1 9 9 1 年j o h n a b e l l 等人1 1 4 15 】应用光时分复用模数转换原理，制作了一个2 8 b i t 精度，采样速率达到2g h z 的模数转换器。 2 0 01 年e j o u d a w l k i s 及j c t w i c h e l l 1 6 】等人在此基础上制作了采样速率达到 5 0 5m s s 采样速率，8 2b i t s 精度的模数转换器，其使用了8 个通道。 2 光波分复用模数转换器 利用光波分复用技术o w d m ( o p t i c a lw 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 ) 的模数 转换器的原理如图1 2 所示，锁模激光器发出的高重复率的锁模激光脉冲作为采样 光脉冲进入电光调制器，高速的模拟电信号通过电光调制器，调制到光载波上， 光载波为具有不同波长的光脉冲序列，调制器输出光进入一个阵列波波导光栅， 该阵列波导光栅将传输的多个波长的采样光分别分配到平行的不同通道上，在各 通道上，通过低速的电子模数转换器完成与光时分复用类似的a d 转换过程。 器和低速屯a d c 图1 - 2 光波分复用模数转换器原理图 1 9 9 8 年，y a r i v 1 7 】等人在实验中首次验证了该方案的可行性，他们利用了1 0 个不同波长的超短光脉冲，试验最终结果虽然没有制作出完整的模数转换器，但 为后面的设计打下了基础。 19 9 9 年a s b h u s h a n 及f c o p p i n g e 等人在y a r i v 方案的基础上采用宽光谱光源 及光纤色散来产生连续的光载波【1 8 】，构成了真正意义上的电光a d c 。 3 脉冲时域展宽模数转换器 如图1 3 所示，是用脉冲时域展宽方法实现光学a d c 的结构框图。其原理是， 锁模激光器发出的锁模激光通过色散原件( 通常为光纤) 发生无失真色散，该光送入 调制器作为光载波，将模拟电压信号调制到光载波上，再通过色散原件，再次发 生无失真色散，然后通过光电探测器和放大器，送入电子模数转换器实现量化编 码输出。 电子科技大学硕士学1 1 ：) = 论文 1 9 9 8 年a s b h u s h a n 及e c o p p i n g e r 1 9 - 2 1 1 等人采用脉冲时域展宽方法，在实验 条件下验证了其模数转换的可行性。并从理论和实验中探讨了如何控制脉冲展宽 因子。通过实验，其实现了将采样速率提高的目的，试验中采样速率达到了 15 0 g s s 2 2 1 。虽然最终没有真正实现模数转换，但从一个方面验证了脉冲时域展宽 方法实现模数转换的可行性。 图1 3 脉冲时域展宽模数转换器原理图 1 2 2 基于线性电光效应 基于线性电光效应思想实现模数转换的方案包括：m z 调制器电极加倍模数 转换器和f p 干涉调制器结构模数转换器，在光域内实现模数转换的采样和编码。 以f p 结构为例，如图1 4 为光波导型f p ( f a b r y p e r o t ) 电光模数转换器原理图。 光波导型f p 电光模数转换器的原理是，脉冲激光器发出的激光脉冲输入至f p 光波导调制器，模拟调制电压加到调制器的电极上，通过电光效应，改变输入光 脉冲的相位，并通过f p 腔的干涉效应将模拟电信号调制为输出光脉冲的强度变化， 由于从上至下的相位调制器的电极长度是两倍增加，所以，从上至下的相位调制 器的相位调制量也存在一个两倍递增的关系，对波导的长度进行优化设计后可以 使得各个输出端口的光强如图1 5 所示，从而实现对输入模拟调制信号在光域的采 样与量化。在比较器的集成电路得到改进的情况下i 这种模数转换器的转换速率 可望达1 - - 2g s s 。光波导型f p 电光模数转换器的缺点是结构比较复杂，由此带 来制作工艺上的困难。 有别于前三个方案之处在于直接在光学领域将调制信号量化，且省去了定时 同步的麻烦。其突出的优点在于可以用集成波导器件( 如m - z 结构和f a b r y - - p e r o t 4 第一章绪论 结构的集成波导调制器) 在光学领域完成调制信号量化，利于系统小型化、器件 化。 图l _ 4 平衡桥式模数转换器原理图 图卜5 相位调制电光模数转换器量化波形 1 3 国内电光模数转换器的发展动态 器 国内在这方面研究较少，用集成光学手段实现模数转换的有：2 0 0 3 年杨亚培 【2 4 】利用相位编码光采样的原理研制出电压加倍的波导电光a d c ；2 0 0 6 年张谦述等 人提出了一种基于相位编码的光学模数转换器，其采用电压电极综合加倍方案【2 5 】。 5 l 0 l 0 l o l d 电子科技大学硕士学位论文 1 4 今后的发展趋势 电光模数转换器追求的目标是在高采样速率情况下提高模数转换器的位数； 它试图解决传统电子模数转换器采样速率低这一瓶颈问题。经过二十多年的发展， 已形成了形成了： 一、两大方向： ( 1 ) 电光混合的小系统，光采样在模数转换中起采样保持器的作用； ( 2 ) 光学模数转换器，在光路末端已完成模数转换，利于小型化集成化； 二、四条技术路线： ( 1 ) 基于分插复用思想实现模数转换，如o t d m 等； ( 2 ) 基于线性电光效应实现模数转换，如t a y l o r 方案等； ( 3 ) 光电效应采样模数转换器； ( 4 ) 非线性光学方法实现模数转换器。 其中，3 和4 方案是近年来提出的光学模数转换新思路，光电效应采样模数转 换器以减小采样一保持电路响应时间为目的 2 6 】，使用光学或光电方法对信号进行采 样，将现在成熟的锁模激光器技术与电子模数转换器制作工艺相结合，目的是克 服电子采样保持电路无法进一步提高速度对模数转换器的制约，同时也克服了电 光模数转换器在位数方面的不足。非线性光学方法实现模数转换器的提出是基于 光学非线性现象衍生出的各种电子电路的可能性，这些电路的设计与制造有很多 的灵活性，为光学模数转换器的实现提供了一些可能。 1 5 论文工作 本文针对基于相位编码光采样的集成光学模数转换器新型方案进行了理论研 究和设计。该方案采用m z 结构，并利用铌酸锂电光晶体来实现，是一种基于线 性电光效应并结合了分插复用思想的光学模数转换器。作为一种光波导器件，研 究发现其主要传输损耗为波导弯曲损耗和直波导损耗。本文根据分析结果，设计 了不同的波导芯片结构，确定光波导图形，用数字函数表达计算其弯曲半径并进 而计算弯曲损耗，得到合理的m z 结构波导结构。然后设定不同的半波电压，分 析研究模数转换精度与半波电压的关系，以及模数转换器精度和调制带宽之间的 关系；根据合理的半波电压和调制带宽，对模数转换器波导结构进行了优化，得 到合理的模数转换器波导结构。并综合考虑半波电压和调制带宽对电极加倍型模 6 第一章绪论 数转换器波导结构进行了优化。最后进行了二位模数转换器的光路部分仿真。 综合各参数比较后我们发现，本文得到的二位模数转换器和四位模数转换器 的波导结构较为合理，可以实现。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章铌酸锂波导电光模数转换器的原理与结构 集成光学模数转换器的核心器件是m z 电光调制器，在本论文研究和设计的 光学模数转换器中，m z 调制器起到了采样和量化的作用，具有重要意义。波导 调制器的衬底材料和波导结构可以采用多种材料【3 2 1 ，其中包括硅( s i ) 、g a a s 、i n p 、 l i n b 0 3 材料等，与其它材料相比，铌酸锂( l i n b 0 3 ) 材料具有较大的电光系数，成 熟的光波导制作工艺，因而集成光学调制器的衬底及波导材料一般都采用l i n b 0 3 材料。本章将首先介绍铌酸锂电光调制原理和m z 结构铌酸锂调制器的基本原理， 并讨论本论文研究的光学模数转换器的原理与结构，然后分析了其主要参数和特 点；最后对波导设计中所用到的数值模拟方法( f d b p m ) 方法进行了介绍。 2 1 铌酸锂电光调制原理 m z 调制器的原理是利用晶体的电光效应2 剐，通过改变输入光波的相位，达 到调制输入光强的目的。 一阶线性电光效应对晶体折射率的影响最大【2 9 1 ，而其他更高次的电光效应对 折射率的影响相对较小，所以本文分析时只讨论线性电光效应的影响。 采用折射率椭球法 3 0 1 分析线性电光效应比较直观，这里也用该方法分析线形 电光效应，相比于无外加电场时的折射率椭球方程3 1 】【3 2 】，在有外加电场的条件下， 其各主轴发生相应的变化，可以表示为f 3 3 】： 1三 ( ) ，= 巧弓 ( 2 _ 1 ) “ = l 式中，) ，盯称为线性电光系数，对于l i n b 0 3 ，其电光系数矩阵可以表示为： 00 万3 00 乃3 00 r 3 3 儿l儿l 0 扮l 一托l 0 o00 ( 2 - 2 ) 这里为便于分析，只考虑特殊情况，也就是当外加电场的方向平行于光轴方向 的情况( 设光轴方向为z 方向) 则e 黾= o ，丘钮。在有电场的情况下折射率椭 8 第二章铌酸锂波导电光模数转换器的原理与结构 球的各半轴长度发生变化，而其主轴仍然是z ，y ，z 轴。两个折射率椭球方程比较 后可以得到： 寺。亍e ) 2 = 托，t c 2 嘞 嘻) 3 = 艿3 t ( 2 - 4 ) 毒) 4 = 咕) ，= 嘻) 6 = o c 2 哪 对2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 进行微分近似处理： d 已) = 一三砌 挖 ( 2 6 ) 幽= 一三刀，d ( 与 2 、，z 2 7 得到： = 一寺，z ；斯3 e ( 2 7 ) 血。= 一i i 3 九3 丘 ( 2 8 ) 再对2 - 8 进行近似处理，代入2 - 6 式后重新整理，得到下面的方程： 矗苦+ 痞苦+ 而z 砑2 = ， 协9 ， ( + ) 2( + ) 2( 他+ ，z 。) 2 方程2 - 9 仍然为折射率椭球方程，由以上的推导过程可知，当外电场作用于晶 体后，折射率椭球没有旋转，仍为单轴晶体，并且保持各向异性。如果这里通光 方向为垂直于电场传播方向，那么这种电光调制方式为横向电光调制。纵向电光 调制是指电场方向与通光方向一致。另外研究表明洲电光系数舫远比其它系数大， 因此外加电场的最大分量加在晶体的z 轴方向时可以充分利用胁，从而得到最大 的折射率变化量。因此为了利用最大的电光系数，我们使调制电场方向施加于z 方向。实用化的铌酸锂电光调制器为获得更大的调制深度，多采用横向调制的方 式，且电场方向多采用z 方向。 集成光波导调制器的工作原理是建立在线性电光效应基础上的。波导调制器 根据不同的电极结构和光波导结构可分为波导相位调制器、波导强度调制器。集成 9 电子科技大学硕士学位论文 光波导相位调制器是最简单的集成光学器件。而集成光波导强度调制器是在相位 调制器的基础上发展起来的。在讨论这两种器件之前，先引入切向的概念。 在铌酸锂波导电光调制器的应用中，为了利用最大的电光系数，必须正确选 择l i n b 0 3 晶体基片的切向。所谓“切”表示晶体的轴垂直于波导光滑平面；例如， z 切，表示工轴垂直于晶体的光滑平面，同时，外加电场的最大分量应该加在晶体 的z 轴方向上，故x 切l i n b 0 3 晶体的切向与电场的关系如图2 1 所示，其余y 切、 z 切的情况可以此类推。 图2 1z 切l i n b 0 3 晶体切向与电场关系 若选择传播方向为y 坐标轴，晶体的厚度方向为x 轴，晶体的宽度为z 轴，且 设场在z 方向没有变化，通过对麦克斯韦方程及波动方程的分析可知，晶体中 的t e 模的非零场分量有三个场分量届，风，皿，且有： 也一丢髟，皿一去等 t m 模的非零的场分量为协，墩，毋， e 2 毒b 彤一毒誓 协 显然，对t e 模而言只需知道丘的值就可以利用波动方程求解出另外两个场 分量；同理，对于t m 模，只需求解知道凰的值，就能利用波动方程求解出其它 两个场分量。 ( 1 ) 相位调制器 相位调制器【3 2 1 是一种典型的电光波导调制器，其结构如图2 - 2 所示，相应的 调制电极相对于光波导位置如图2 - 1 所示。对于图2 - 2 所示的相位调制器，要计算 其工作状态下的相位变化，必须知道外加电压以和外加电场分布e 。但外加 1 0 第二章铌酸锂波导电光模数转换器的原理与结构 电场是时变的，不易处理。所以计算中常常将调制器电极作等效电容处理，这时 引入积分重叠因子几则对于t e 模而言，一相位变化却为： 妒叫舻易 式中g 是相邻两电极之间的间距，厂是一般所说场一模重叠积分因子，可以表示为： r = 罟肛阱以 五 积分区域是电光作用区域。由2 1 2 可以得到电压长度积可以写作： 兕= 擘生 矿托3 r ( 2 1 4 ) 其中p ( = 一伊万) ，具体取值由m z 的结构决定。 波 图2 - 2 铌酸锂电光波导相位调制器 ( 2 ) 、强度调制器 图2 3 所示为电光波导m z 强度调制器的结构图。强度调制器【3 2 】是在相位调 制器的基础上构成的。如图所示的强度调制器为m z 结构，两端有两个y 分支， 连接两个平行的支路，两支路上制作了两个相位调制器。本论文只讨论m z 干涉 式结构强度调制器。 电子科技大学硕士学位论文 v 调制光输珏! 电光材科村底 图2 - 3z 切铌酸锂电光波导强度调制器 输入偏振光的表达式为： a ( t ) = 如e x p ( j c o o t ) 经过第一个y 分支节点处，输入偏振光平均分成两部分， 输，每个平行波导中传输的光波表达式为： 4 ( f ) = 4 ( f ) = 了 1 2 0 c x o i 国r o f ) ( 2 1 5 ) 进入平行波导中传 经过第二个y 分支支点，两束光发生干涉，汇合为一束光， 以表示为【3 2 】： ( 2 - 1 6 ) 汇合光的光强可 a ( t ) - 去鲁 e x p j ( c o o t + 4 p 1 ) + e x p j ( c o o t + c p 2 二v二(2-17) 彳( f ) = a oe x p j ( r o o t + 华) c o s ( 争 二二 这里，锄表示输入调制器的初始光强，伊= 仍一仍，伊j 和即分别是在y 分支汇 合处上支路和下支路光波的相移，同时在式2 1 7 中，忽略了在两个支路中的光传 输损耗，也就是说假定衰减为零。相移9 可分为两部分，其中一部分为光路静态 相移，另一部分为与电光效应相关的可变相移，如果通过外加电压的作用，使得 个支路的相移恰好与另一个支路的相移等值异号，即j 斗优= 幻，我们称9 j 一伽 的结构为推挽分支光波导结构。这种结构可以最大限度地降低调制电压。为实现推 挽结构，调制器电极一般采用如图2 3 所示结构，这里共有三个电极，通常是中间 电极处于高电位，两边电极则是低电位，所以在两臂中分别产生等值异号的相位 变化。 1 2 第二章铌酸锂波导电光模数转换器的原理与结构 根据2 1 7 ，可以得到m z 调制器的相对输出光强( 厶) 随相位差的变化关 系。从图中可以看出，在o 5 万附近，输出相对光强与相位差之间有比较好的线性 关系。因此，为了实现线性调制，一般需要对m z 的两个臂施加相应的直流偏压， 使工作点位与耽上。在接收端，通过光探测器后输出的光电流的变化体现了光强 度的变化，即是加在电极上的电压信号。 图2 - 4 强度调制相对输出光强肌赢与却的关系 2 2m z 电光模数转换器的原理与结构 1 9 7 5 年泰勒( t a y l o r ) 提出用集成光学的m z 波导调制器阵列作为相位调制 器用于电光模数转换 7 】，由于当时理论分析其性能可以达到较高水平，而且可实现 集成，所以成为光学模数转换领域的新热点。 2 2 1 电极加倍型模数转换器方案的原理 前面讨论过，调制器的输出光波可以表示为2 。1 7 式，则实际的调制器输出光 强可以写作： = & c o s 2 ( a r p 2 + 沙2 ) ( 2 1 8 ) 式中，缈为两分支光路之间的静态相位差；9 为e h = b # l , j n 模拟电压y 引起的两臂 之间的附加光相位差，妒可以表示为： 妒2 m = k l 陆警 ( 2 1 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 式中，五为光波长，三为电极的长度，陈为半波电压，九是波导中电场感生的折 射率增量： ，z = 一n 3 7 3 v f( 2 _ 2 0 ) g 式中，力为光波导折射率，啪为晶体电光张量系数，厂为电光重叠积分因子， k 为一常数。半波电压是强度调制器的重要参数，用表示，表示调制器相位刚好 变化一个万的时候，加在电极上的电压值，由公式表示为： 匕= 希 ( 2 _ 2 1 ) 哳2 3 乃3 儿 “ 由式2 一1 8 和式2 1 9 可以看出，当外加模拟电压每变化一个珞的时候，被调 制的光强，完成一次极小值与极大值之间的转变，其归一化光强与相位变化之间的 关系如图2 6 所示。 耳 2 3 锥 ：! 附加光相位差却 ： 图2 - 6 输出光强与k 的关系 图2 7 所示为一个应用4 个m z 型波导电光调制器阵列组成的4 位电极加倍 型模数转换器。每个调制器均为推挽结构，各调制器电极包括信号电极和直流偏 置电极。信号电极长度由上至下依次加倍，由公式表示为： 厶= 2 ”1 厶，刀= 1 ，2 ，3 ，4 ( 2 - 2 2 ) 1 4 第二章铌酸锂波导电光模数转换器的原理与结构 模拟信号输入 、 比较器 参考激光输入 图2 - 7 四位集成光学模数转换器 并行 数字 这里，厶为最短调制器信号电极的长度，因为半波电压与电极长度成反比，所 以对不同的调制器，式2 1 9 可写成： 纯= k l v = 2 - 1 刀矿匕 ( 2 - 2 3 ) 由上式可知，在相同外加模拟电压下，每个调制器产生的相移锄是不同的，由 于电极长度依次加倍，相邻两调制器下面的相移是上面的2 倍。当输入的线偏振 光而并行地经过每个调制器后，各输出端输出的经模拟信号调制后的光强i n ( n = l ， 2 ，3 ，4 ) 被各自通道上的光电探测器接收完成光电转换变为电信号，并经过电压放 大后，形成与各自调制后的光强厶相对应的、随模拟信号电压y 变化( 瞄而 呈余弦变化的输出电压，并加在末端的各位电压比较器的输入端上。另有一平行 通道，传输着光强i t - - i d 2 的光波送至同样的探测器完成光电转换和放大器的放大 后，形成作为比较阈值的固定参考电压形，加在上述各电压比较器的公共输入端 上。这样，各位比较器的输出电压可能大于圪或小于圪，其幅值就非常自然地被 分别量化为“高”或“低”电平，并对应二进制数字信号的“1 ”或“0 ”，如图2 7 的由上 到下空白或黑色区域表示。例如，在图2 7 中，当净矿时，通过四位模数变换的 结果为0 1 0 1 。 综上所述，集成光学模数转换的实质在于使用多个调制器，依次成倍增加相 同的调制电极，从而产生的倍增的相移，使同一模拟电压被多个调制器取样量化 成不同的二进制数字信号，从而通过这些二迸制数字的组合编码来完成模拟信号 的数字转换。所以，并行采用的调制器越多，编码位数也就越多，量化的精度也 1 5 电子科技大学硕士学位论文 随之提高。同时，集成光学模数转换与电子模数转换不同的是，它不需要专门的 取样过程，它的取样是通过电光调制过程自动实现的。而且，其采样速率实际是 输入光脉冲的重复频率。因为模拟信号的采样过程是通过电光效应改变光脉冲的 相位来实现的。所以采样是需要一段时间实现的，这段时间定义为渡越时间出， 可以用出来表征采样速率。电极加倍型模数转换器的调制器数量越多，电极长度 越长，采样速率就相应降低。所以，为提高电光a d c 的采样速率将限制量化编码 位数，也就是调制器的数量。当然，受制于当前集成光学调制器制作工艺的水平， 调制器数量不可能大量增加。 v - v i ul口z口i口l口1口iu1 v 1 i 图2 - 8 四位模数转换器光强随电压变化情况 经过输入放大器的模拟信号电压矿同时加到4 个信号电极上，电极长度最小的 调制器( 最大) 为模数转换器最高有效位( m s b ) ，电极长度最长的调制器( 攻 最小) 为模数转换器最低有效位( l s b ) 。直流偏置电极的作用是在调制器上加载 直流偏压，完成固定相位移动，并且消除各位之间的静态相位不平衡，从而将各 位调制器的输出置于格雷编码方式。 1 6 第二章铌酸锂波导电光模数转换器的原理与结构 输 出 光 强 格雷编码0 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 0 0 1 1 00 1 1 10 1 0 10 1 0 0 1 1 0 0