（光学工程专业论文）新型LiNbOlt3gt波导光开关的研究.pdf

中文摘要 全光网是当前光网络的发展趋势，光互联的实现主要依赖于光开关、光滤 波器、光放大器等关键光电子器件和密集波分复用等系统技术的进展。光开关是 实现光交换的关键元器件，被广泛应用于光层的路由选择、波长选择、光交叉互 连以及自愈保护等方面。而光波导开关是一种利用集成光波导技术实现的光开 关，具有开关时间短，体积小，易于大规模集成等优点，是目前光开关发展的一 个重要方向。 无论是m - z 干涉型光波导开关还是定向耦合式光波导开关，二者的工作机 理都是利用一次电光效应，改变光在介质中的折射率，从而实现相位匹配，达到 控制光路的目的，其发展目标都是朝蓍高集成度、低驱动功率、低损耗方向发展。 本文首先介绍了电光开关的工作原理，并用耦合模理论对定向耦合型单电极 和双电极的结构进行了分析比较。同时，在阐述了定向耦合光波导开关的工作原 理及主要研究方法的基础上，提出了一种新型的定向耦合器结构的光波导开关。 它以弯曲耦合波导取代传统的平行波导，使波导中部的耦合系数减小，这样可获 得较小的电压与电极作用长度的乘积，并有利于实现器件的高度集成。 利用f d - b p m 法，对新型光开关进行了仿真计算。计算中，为了减小波导 的传输损耗，输入与输出部分的分支波导设计为余弦型：同时采用补偿法，减小 了开关的串音。仿真结果表明，在相同的尺寸条件下，弯曲结构的驱动电压比平 行结构减小了5 0 ，传播损耗商0 3 6 d b ，达到了低驱动，低损耗的设计目的。 利用文中所设计的新型定向耦合型光开关，设计了4 x 4 光开关的模型，通过调节 开关电压，做到了4 x 4 选择输出；同时该模型用作4 x 4 星型耦合器，可得到较 好的3 d b 输出。 关键词：定向耦合；电光开关；集总电极：f d b p m r e s e a r c ho nn o v e l l i n b 0 3 w a v e g u i d eo p t i c a ls w i t c h a b s t r a c t t h et r e n do f o p t i c a ln e t w o r ki sa l lo p t i c a ln e t ( a o n ) t h e n e tc o r m e c t i o nm a i n l v d e p e n d so nt h ek e yo p t o e l e c t r o n i cc o m p o n e n t ss u c ha s o p t i c a ls w i t c h ，f i l t e ra n d a m p l i f i e ra n ds oo n ，a n di t sd e v e l o p m e n tl i e so nt h ee v o l u t i o no f t e c h n o l o g yo f t h e c o m p o n e n t sa n dd w d mm o s t l y o p t i c a ls w i t c hi st h ei m p o r t a n te l e m e n ti no p t i c e x c h a n g e ，a n db ew i d e l ya p p l i e di no p t i c a lr o u t e ，w a v e l e n g t hs e l e c t i o n ，o x ca n ds e l f p m t e c t t h ef o r e g r o u n do f s w i t c hi sw i d e l y t h em o s td i r e c t i o ni st od e v e l o p h i g h l y i n t e g r a t ec i r c u i t ，t o wd r i v ev o l t a g ea n dl o wl o s sw a v e g u i d es w i t c h c u r r e n tm - zi n t e r f e r o m e t e ra n dd i r e c tc o u p l e ra r eb e t t e re l e c t r o o p t i c a ls w i t c ho n w a v e g u i d ei nw o r k t h e ya l lu t i l i z et h ef i r s te l e c t r o o p t i c a le f f e c t ( p o c k e le f f e c t ) t o c h a n g e t h ei n d e xo fl i g h t - w a v ei nm e d i u mt o a c h i e v e p h a s e m a t c ho fl i g h t p r o p a g a t i o n t oc o n t r o ll i g h t w a v eo u t p u tf r o mw h i c ho n eo f b o t h w a v e g u i d e i s i nt h i sa r t i c l e ，i te x p l a i n st h et h e o r yo fd i r e c tc o u p l e rw a v e g u i d e o p t i c a ls w i t c h ， a n di n t r o d u c e st h ew a yo fr e s e a r c ho ni t i t p u t sf o r w a r dan e ws t r u c t u r eo f d i r e c t c o u p l e r w h i c hi st ot a k e p l a c et h ep a r a l l e lw a v e g u i d e w i t hb e n d t h a tc h a n g em a d ei s w a n tt og e tas m a l l e r v o l t a g ea n dl e n g t ho f e l e c t r o d ep r o d u c t ，v l i tn e e d sal o n gl t o g e tal o w e rv o l t a g ei ng e n e r a lt h a tw i l lm a k et h em e a s u r e m e n to fs w i t c hb i g g e ra n di s n o t g o o d i nh i g h - s p e e dm o d u l a t i o n t h i sn o v e ls w i t c he a nb e g o o d i nb o t l l f i n a l l y , t h e r ei sas i m u l a t i o no fo p t i c a ls w i t c hb yu s i n gf d b p m t oc o m p a r e t h e s er e s u l t s ，n o v e lo p t i c a lw a v e g u i d es w i t c hi sw i d eb a n d ，l o wl o s sa n dl o wd r i v ea n d c a nb eu s e di 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 n s y s t e m i ta l s oc a l lb eu s e dt om a k e 4 x 4o p t i c a ls w i t c ha n d4 x 43 d b c o u p l e rw i t h5c o m p o n e n t sw h i c hh a v eas a t i s f i e d r e s u l t k e y w o r d s ：d i r e c tc o u p l e r e l e c t r o o p t i c a ls w i t c h ，l u m p e de l e c t r o d e ，f d - b p m i i 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名出生日期：文哗厂月，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：趁生导师签名： 日期：莎蟾年j ，月，日 电子科技大学硕士论文 1 1 引言 第一章绪论 随着光通信技术的飞速发展，d w d m 技术的广泛应用，光纤不仅在骨干网 上得到广泛应用，目前正在向城域网、接入网部分延伸，并逐步深入千家万户 ( f t l h ) 。光开关能够在光域直接实现网络中光路自愈保护、路由选择等功能， 克服光电光转换的电子瓶颈，充分体现光网络大容量、高速度传输与交换的特 点。它可广泛应用于光网络保护、光信号上下话路复用解复用( o a d m ) 、光交 叉连接器( o x c ) ，光通信系统器件的测试，光纤网络的通道监控与测试等，日 渐成为光网络中信息交换的基础元件。 按光开关的工作机理分类【l 】： l i n b 0 3 集成光学光开关由于l i n b 0 3 晶体具有很大的电光作用系数【2 】 ( 7 3 3 = 3 0 8 x 1 0 1 2 v i n ) 和极快的电光响应时间( 1 0 d 9 s ) 而具有明摄的优点：l i n b 0 3 光开关可以提供纳秒级的开关速度，基于l i n b 0 3 介质的电光开关具有很低的串 扰和低的插入损耗，并且l i n b 0 3 光开关制作工艺较为成熟。 硅基波导光开关主要利用波导的热光、磁光效应来改变波导性质，从而实现 开关动作。目前比较有代表性的是硅基热光开关、高速二氧化硅波导光开关阵列、 密集波导光栅阵列a w g 、有机聚合物波导光开关等类别。 微机械光开关是采用微电子机械系统m e m s 技术制作，体积小、易大规模 集成，且低插损、低偏报敏感性和高消光比，极可能在光网络中成为光开关的最 佳选择。 液晶( l i q u d c r y s m l ) 光开关是根据其偏振特性来完成交换的。典型的液晶器件 包括无源和有源部分。液晶光开关理论上的网络重构性可能比较好，僵是目前最 大端口数为8 0 ，因此液晶被认为更适合用于较小的交换系统中。 热光技术( t h e m m l o p t i c s ) 主要用来制造小的光开关。现在主要有两种类型的 热光开关，数字光开关( d o s ) 和干涉式光开关。 干涉式光开关结构紧凑，但由予对光波长敏感，需要进行温度控制。数字光 开关性能更稳定，只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。最简单的器 件是i x 2 开关，叫做y 型分路器。对y 型的一个分支加热时，材料的折射率就 会发生改变，将阻止光沿着这个分支传输。数字光开关可以用硅和高分子聚合物 制作，后者功耗小，但插损大。 第一章绪论 全息光开关通过全息( h o l o g r a m s ) 反射在晶体内部生成布拉格光栅，当加电 时，布拉格光栅把光反射到输出端口，反之，光就直接通过晶体。利用这种技术 可以很容易地组成上千端口的光交换系统。并且它的开关速度非常快，只需几个 n s 就可以把一个波长交换到另一个波长。由于没有可移动器件，可靠性比较好。 尽管光机械开关是最成熟的技术、性能优良、设计配置简单、成本较低、对 环境要求不高，获得广泛的应用。但体积庞大、开关速度慢、可靠性不理想、矩 阵规模小，不适于大规模o x c 应用。而热光开关和电光开关开关速度快，达毫 秒和亚毫秒级，结构紧凑，但插入损耗和串音大。从总趋势看，光开关正从光机 械开关向热光开关和电光开关方向发展。随之其开关速度也从1 0 0 m s 减少到5 m s 乃至数百微秒量级，结构变得紧凑，开关矩阵规模得到扩大，但性能不够理想， 矩阵规模仍不够大。目前研究的重点主要集中在采用g a a s 和i n p 材料的半导体 光开关和聚合物光开关及综合利用了微光子、微电子、半导体微细加工技术、微 机械技术的微机电光开关。今后光开关研究的方向是改善其性能，并将光开关集 成以便增大光开关阵列的规模。 1 2 国内外研究动态 光开关是大容量光通信的重要技术。如果这种元件能让光信号原封不动地在 通路上前进、转向，那么从理论上讲，信息就可以以光速进行处理。然而现行的 光开关在传输信息时，到通路的分歧点需要把光信号转换成电信号，靠半导体回 路改变信号的前进方向，医此通信速度无论如何超不过半导体。随着信息鄹络的 发展，光开关成了网络中继装置的基本重要零件，世界各国生产厂家都在积极研 究开发各种光开关。目前开发中的光开关主要有微小镜面折射式和加热发泡折光 式，但总的来看，新型光开关尚未问世。 日本三菱电机公司成功地开发出一种无须把光信号转换为电信号的新型光 开关，其成本只需蟊前其它光开关的l 3 ，每秒可传输数百兆比特的信息量，特 别适合用在信息传输的中继装置上。三菱电机的新型光开关为3 厘米见方的薄膜 体，分为3 层，上下两层是聚合体薄膜，中间夹着一层其它树脂，树脂上横竖各 有3 2 条波导通道，使这层膜成为格状。在横竖波导通道相交处的4 5 度角上切入 一个切口。当用压电元件从下向上挤压切口时，切口就裂开，波导通道就被切断， 光信号就转向9 0 度延另外波导通道前进，再遇到压电元件断开的通道时又转向 9 0 度。 美国哈佛大学一个科研小组研究用激光把波导管“烧进”或“写入”玻璃块 内，形成传输全部光纤线路的玻璃光电开关。光纤可以同时传输许多路电话及其 2 电子科技大学硕士论文 它数据流。为了在电话局使数据改道，必须分解和处理数据流。因为不是任何电 路都可以做这种光学工作，因此必须将信号转换成电脉冲，然后再转换回光信号。 该科研小组利用玻璃块内部形成的波导管有可能解决这个问题。研究人员在玻璃 块内制造了交叉的3 个波导管。当将光线入射到一个波导管时，它能渗透到相交 的另外两个波导管中，这样就得到了3 个输出信号。现在该科研小组正计划制造 一个分解不同光波波长的器件，阻分离数据流，正在试验生产拥有9 6 条或更多 光通路的玻璃块。 1 3 本文的主要工作 本论文在阐述了定向耦合光波导开关的工作原理及主要研究方法的基础上， 提出了一种新型的定向耦合器结构的光波导开关。它以弯曲耦合波导取代传统的 平行波导，使波导中部的耦合系数减小，从而实现了一种具有低驱动电压和小器 件尺寸的光波导开关。这样可获得较小的电压与电极作用长度的乘积。由于电光 开关电压与电极作用长度乘积的值一般是由器件结构所决定的，通常情况下要得 到较低的工作电压，电极的长度需设计的较长，从而使得光开关器件总的尺寸较 大，不利于实现器件的高度集成。而采用本文提出的弯曲耦合波导定向耦合器结 构，可以很好的实现二者的兼顾。 本文首先给出了电光调制器的集总电极和行波电极模型。由于电光开关不需 要做到调制器的超高带宽，故选用集总电极进行分析设计。同时，利用耦合模理 论对定向耦合型单电极和双电极的结构进行了分析比较。由于双电极结构可以不 考虑制造工艺所带来的误差，能较方便的通过调整工作电压得到所需要的工作状 态，所以本文选用了反转芦型定向耦合光开关。采用准静态保角变换法对等效 单位分布电容进行了计算，并用有限差分光束传播法( f d - b p 旧对器件进行仿真， 同时考虑光开关的工作带宽、驱动电压、耦合长度以及插入损耗之间的关系，得 到了优化后的光开关主要参数。 同时，为减小波导的传输损耗，输入与输出部分的分支波导设计为余弦型， 若只考虑电极作用长度的耦合区的波导耦合时因为耦合区两端的弯曲波导在无 限接近时也有耦合效应产生，所以光波在实际由输入端进入耦合区之前已经一部 分光从输入波导耦合入另一波导：在波导输出端也会有一部分光耦合到相邻波导 中，由此造成较高的串音。对此可采用补偿法，先仅考虑两端的耦合效应，计算 对输入光的相位改变，并增加耦合区的长度，使总的相位改变为h ，即保持原 来的传播状态不变。 本文最后对f d b p m 的仿真结果进行了分析，比较了弯曲结构与平行结构 第一章绪论 的计算结果，利用文中所设计的新型定向耦合型光开关，设计了4 x 4 光开关的模 型。同时，该模型用作4 x 4 星型耦合器，可得到较好的3 d b 输出。 4 电子科技大学硕士论文 第二章l i n b 0 3 电光开关原理 电光开关本质上是一种调制器，其工作原理与电光调制器的原理基本上是一 样的。本章首先描述了l i n b 0 3 电光调制器的基本原理及l i n b 0 3 晶体的电光特 性。并介绍了两种调制器的结构形式及其发展。 2 1 l i n b 0 3 电光调制器原理 2 1 1 电光效应 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 2 1 。电场引起折射率变化的方式通常 可以分为两类：一类是电场直接引起介质光学折射率( 介电常数) 的变化，这就 是通常所说的电光效应，包括普克耳斯效应和克尔效应；另一类是电场间接引起 折射率的变化，包括弗朗兹一凯尔迪什效应和等离子体色散效应。我们考虑的是 直接电光效应，若折射率随外加电场的振幅线性的变化，则称这种效应为线性电 光效应或者普克耳斯效应，若折射率的变化与外加电场的振幅的二次方或高阶偶 次方成正比，则称这种效应为克尔效应。 当无外加电场时，各向异性晶体的标准折射率椭球方程表示为【j j ( 2 1 ) 式中， l x 、 t y 、月：分别是椭球的三个轴长度，称为主轴折射率。对于l i n b 0 3 晶体，= 唧= 啪，n z = n 。，n o 是寻常光折射率，n 。是非常光折射率，折射率椭球 方程可以写成 言+ 专+ 言= ， 在晶体主轴系统中，外电场加到晶体上，引起的折射率变化3 1 表示为 ( 吉) = 窑日+ j 刍3 善3 瞥b ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 上式中，第一项表示线性电光效应，称为线性电光系数，电光张量。第二项表 示非线性电光效应，即克尔效应，目a 1 称为克尔常数。电光效应是由于外加电场 使电荷重新分布引起的，取决于外加电场与束缚带电粒子的原子电场之比。在电 l = 矿一砖 + ，一砖 十 扩一t 第二章l i n b 0 3 电光开关原理 光效应的多数实际应用中，由于外加电场与原子内电场之比是很小的，因此与线 性效应相比，二次效应也很弱。具有对称中心并显示线性电光效应的晶体，y u 岛。，所以存在线性效应时，常可忽略二次效应。 对于线性电光效应，外加电场引起的折射率的线性变化，就可以简化为f 3 1 ( 击) ，：杰巧e ，上 i t l ( 2 4 ) 其中y i j 为电光张量各分量，e k 为外加电场，k = l 、2 、3 分别代表x 、y 、z 方向的 外加的电场。上式可用矩阵表示为 c 刍 ( 吉) ： 审， 审 c c 。 一3 y 2 3 y 3 3 “3 以3 岵) l - c 籼 畔) 2 _ 峙k c 知叫知 ( ) 4 _ ( 扣= 岵k c ，叫知叫扣 ( ) 6 = ( 吉k = ( ) 2 l 6 ( 2 5 ) n 以“以心 唧 卿 螂 恸 鲫 蚺 弘 p 弘 电子科技大学硕士论文 c 畔) ： c 审。 峙， 醇) 6 0 一y 2 2 ，1 3 0 扎2h 3 0 0 y ” 0 几2 0 “2 00 - 7 2 2 00 ( 2 7 ) 电极上加电场时，由于折射率的变化，标准形式的折射翠椭球主轴7 l 司和折 射率的大小都会发生变化，由于坐标原点保持不变，所以该椭球无平移，只是发 生坐标旋转的位置变化。 砖) 一2 + ( ) ：y 2 + ( 专) 俨2 + 2 ( 吉) ：，妒+ 2 ( ) ，船+ 2 ( 吉) ，：叫2 1 ( 2 - 8 ) 如果外加电场平行于光轴，则& = 目= 0 ，舻e ( 1 1 - ( 嘉) 2 2 = 乃 ，( 2 - 9 ) ( 寺) 3 3 _ 扎3 e ( 2 - 1 0 ) 折射率椭球方程变为 言+ 专+ 言+ e x 2 + e + e 夕一 c z 。， 由于y 1 3 很小，y 1 3 e z ( 矗) 图2 1 调制器基本结构 图2 - 1 所示就是典型的波导相位调制，采用l i n b 0 3 光波导。可近似认为波 导内的电场强度1 e i v g ，g 是两个电极之间的宽度，矿是外加电压。在晶体主 轴系统中，外加电场引起的折射率的线性变化，根据式( 2 4 ) ，可得 ( 知= 善3 巨( 2 - 1 7 ) 电子科技大学硕士论文 或者是 ( a n ) ，：一要杰弓 ( 2 - 1 8 ) j = l 这里i - l ，2 ，6 且y 是一个6 3 的电光张量矩阵，将l i n b 0 3 电光张量矩阵 代入上式， 肾一譬f 一麓e i2 5 i e 儿1 e y 式中，n 取值不是寻常光的折射率n o ，就是非寻常光的折射率，具体由坐标轴 在主轴系统中的取向决定。如在外加电场为z 方向时，z 方向上电光效应感生的 折射率变化为 4 k f l 3 3 = - - 手乃，e ( 2 - 2 。) 图2 1 ( a ) 中，选择的是x 切y 方向传播的l i n b 0 3 基片，电极置于光波导的 两侧，水平方向的电场对调制产生作用，光波导传播模是t e 模。在图2 - l ( b ) 中， 选择z 切l i n b 0 3 基片，光传输模是t m 模，电极的一片直接覆盖在波导的上面， 电场的垂直分量对调制产生作用。由于电极直接在波导的上面，必须使用s i 0 2 作为隔离层位于电极与波导之间，以减少由于金属电极吸收带来的光波损耗。x 切中由于波导在两个电极中间，可以不需要缓冲层，但是为了实现宽带调制，x 切调制器一般都会加s i 0 2 缓冲层来满足微波信号和光波信号的速度匹配，以实 现宽带调制。图2 - 1 中的两种情况均能保证获得最大的铌酸锂电光系数”3 。 2 2l i n b 0 3 电光调制器结构 l i n b 0 3 调制器的基本构件，一般有两种类型：m z 干涉仪式和定向耦台器 型。 2 2 1m - z 干涉仪式 9 )9l二( 1，llj 疋髟t!以心儿 第二章l n 、i b 0 3 电光开关原理 ( a ) m - z 干涉仪式( b ) 定向耦合器 图2 - 2l i n b o ，调制器基本构件 m z 干涉仪中，光进入到相互独立的两个光路中，电极上的外加电场，通过 电光效应改变了两柬光的相对速度，当两束光在出口处汇聚时，产生干涉。m z 干涉仪式强度调制器，如图2 - 2 ( a ) 所示。从图中可以看出，输入光波经过一段路 程后在一个y 分支处，被分成相等的两部分，每部分分别通过光波导的两个支 路，然后在第二个y 分支处会合形成一个光波。由于两个支路存在差别，所以 两个支路中的光波间出现相位差是必然的。 2 2 2 定向耦合器型 定向耦合器型强度调制器，如 图2 - 2 ( b ) 所示，它由两个平行且距 离很小的两个光波导组成，一个波 导的光能够横向耦合到另一个波导 内，电极电场的作用是改变波导的 传播特性和促进两波导间的横向光 耦台。在光的一个耦合周期的长度 内，当电极上无电压时，一个波导 内传播的光完全耦合到另一个波导 传播，最终导致原波导无光输出， 所有的光均耦合到另一个波导输 0 e s v 隧 r 茁 彝 接 霉 a 牛= a f l 图2 - 3 强度调带4 器直流特性 出。当电极上有电压时，进入一个波导内的光，耦合后将完全再返回原波导传播 和输出。这种方式既可作为强度调制，又可作为光开关。第二光波导输出的直流 特性是 s i n ：( 宴) ，= k 面l ( 2 2 1 ) 式中，p = ( ，冗) 2 + l ：卢是两个波导间的传播相位常数差；l 是两波导平行 1 0 电子科技大学硕士论文 时横向耦合的长度。定向耦合器式强度调制的直流特性曲线如图2 3 所示。 分析研究m z 调制器要比定向耦台式容易的多，因为前者使用的数学模型 要简单的多。定向耦合器要获得完全的开光作用，耦合波导段的长度的准确性要 求很严，这使实际制作增加了难度。如果两种器件的电极设计成完全相同的几何 结构，定向耦合器需要1 7 倍于m - z 调制器所需的电压，才能获得相同的输入输 出特性1 3 1 。 2 3 l i n b 0 3 调制器电极结构分析 早在激光器诞生不久，人们就开始了电光调制器的研究。最初的调制方案为 体结构调制器，即在晶体的纵向两端面直接连光纤，横向两面加交流偏压使电光 晶体的折射率改变来实现电信号对光信号的调制。体调制的诞生使人们看到了电 光外调制的可行性，但是体调制器在系统中的插入损耗和所需的调制电压都很 大，在光纤通信系统中无法得到广泛的应用。 2 3 1 集总参数式光波导调制器 随着低损耗光纤的迅速发展，光波导调制器取代l 箜迥制器。其实现方案是 利用某种工艺技术使晶体中的某一部份形成相对高的折射率区域，即介质波导， 光纤通过介质光波导的两端对接，因而大大降低了光损耗。同时为了加强电信号 对光的作用，将电极改成共面结构，调制信号加在电极上，从而能够以较小的信 号驱动功率实现对光的调制，这就是集总参数电极调制器，如图2 - 4 所示。 图2 - 4 集总参数式光波导调制器示意图 这种电极的长度与电信号波长相比很小，电极上的并联电阻是用来匹配驱动 信号源，通常是5 0 n 。集总参数电极的调制带宽直接由电极的r c 时间常数确定 ，= 击 ( 2 2 2 ) 。兀r c 其中c 为电极间电容，r 为负载电阻，即调制带宽与电极间电容成反比。减小电 第二章l i n b 0 3 电光开关原理 极间距可以实现较低的驱动功率，但同时极间电容增大，调制带宽就会相应的减 小。在这种情况调制带宽一般比较低，不超过2 g h z 。为了克服电极间电容对调 制带宽的限制，实现宽带调制，我们可以采用行波电极调制器。 2 3 2 行波电极光波导调制器 行波电极和集总参数电极的区别在于电极馈电方式和终断负载的不同，行波 调制器的电极处于分布参量状态，所以必须使终端负载和输入信号源的阻抗等于 电极的特性阻抗。行波电极调制器结构如图2 5 所示。 行波电极实际上就是一种传输线结构，以电极作为共面微带传输线，让光波 与微波沿共面电极的同一方向传播，而传输线相对于集总参数电极能够得到更高 频率的传输，进而提高带宽。这种情况下，传输速度已不取决于过渡过程时间， 图2 - 5采用行波电极的电光波导相位调制器 而取决于光波和微波传播的时间差。因为l i n b 0 3 是铁电体材料，在微波中的相 对介电常数要比在光波中的介电常数大得多。对于z 切l i n b 0 3 ，工作波长是 1 3 儿m 时，光波的折射率n o = 2 1 4 6 ，工作波长是1 5 i _ m a 时，n o = 2 1 3 8a 微波折射 蜜【4 】”0 虬= ( 2 2 3 ) 其中e 。= 4 3 ，c z = 2 8 分别是l i n b 0 3 材料x 方向和2 方向的相对介电常数。从上 式可得。= 4 2 2 5 ，相当于n o 的两倍。调制带宽，可以表示为【5 】 ，尝 ! ：纽 ( 2 2 4 ) 7 札一0 ) 其中c f f 是微波的有效折射率，上为电光相互作用长度。当微波和光波速度相 等时，c 厅= n o ，调制带宽理论上趋于无限宽。所以在l i n b 0 3 中，需要加快微波 2 电子科技大学硕士论文 速度以得到速度匹配，实现宽带调制。 2 4 定向耦合器工作原理 将光能耦合进波导或从波导耦合出光能，或者将光能从一波导耦合到另一波 导，这种功能是由光耦合器来完成的。几乎所有的光耦合器都可划分为上述两类 形式，它们是构成集成光路的基本器件。从本质上讲，光耦合器主要起光波模场 q 孓圭 夕丝 。 虬乡乍聚“虬二f = = 鞑“ 变换的作用。上述第一类耦合器主要完成自由空间与波导之间光波模场的变换任 务；而第二类耦合器则主要完成波导间光波模场的变换任务。本文主要介绍属于 第二类的波导间的耦合。 耦合模理论1 l 两条邻近波导因消逝场的作用，波导中场的分布将由于受到模间耦合而受到 微扰，在弱耦合的情况下，可以把各波导中的场视为幅度沿z 向变化的两个导波 场的叠加，即 e = 4 ( z ) 巨+ 4 ( z ) 岛 ( 2 - 2 5 a ) h = a i ( z ) h i + 4 ( z ) 皿 ( 2 2 5 - b ) 式中，蜀，朋，最，飓分别为两波导中未经微扰的场分布，a k z ) 和a 2 ( z ) 表示相 应场的幅值。显然，由于模间耦合的存在，波导中场的幅值在传播方向上不同点 处有不同的值。 将式( 2 2 5 ) 代入麦克斯韦方程，可得 单：一i k ，a 2e x p i c f l l 一岛) ： o z ( 2 2 6 ) 娑：一f 坞4e x p 一f ( 届一屈) z 】 o z 第二章l i n b 0 3 电光开关原理 式中，祸合系数量i ，飓分别为( ) 、 ( 2 2 7 一a ) = 嘶恐嬲豢 江z ，七， 其中e ：为z 向单位矢量- 蜀、h p 分别表示其频率和传播常数芦与e l 、h 1 符号相反 的场。 式( 2 2 6 ) 为耦合模方程的普遍形式。耦合系数k 1 ( 局) 描述了两波导中的 模场相互间作用对另一波导传输模场影响的大小。耦合系数是耦合模方程的一个 关键参量，在不同的耦合过程中，由于引起耦合的机制、器件结构材料等的不同， 它可能是实数，也可能是虚数，而与传输距离= 无关。 考虑到理想波导的本征模应包括导模( 分立谱) 和辐射模( 连续谱) 两类沿 正反方向传输的所有模式，所以，藕合模方程组更一般的表示式可写为 掣；琏卅- ) e x p 妇屁- q f l , ) ( 2 - 2 8 ) 根据波的传播方向，对于正向波和反向波，上标p ，q 分别取“+ ”和“”， 相应系数p ，q 取为“+ 1 ”和“- 1 ”。下标甜，v 表示不同阶的模阶数。若以n 表 示器件( 微扰波导系统) 的折射率分布，表示与之对应的理想波导系统的折射 率分布，v 为第v 阶本征模的理想波导折射率分布，则对于各向同性介质波导， 其1 1 阶模与v 阶模相互作用的耦合系数为 砖m = 一f 等j ( 矿一碡) 【e e + 等2 e 汀e 譬】蛐 ( 2 - 2 9 ) 式中，p 为模场携带的功率。 因此由可得两平行紧邻波导中，同向波问耦合系数k 的表达式： 小f l ( e a 考2 p 皂) ( h 丽唧( 刊 协3 0 ) + 1 + ) 式中p = ( 2 - n ；k o ) “2 ，h = ( n ? k o 一卢2 ) “2 当波导对光场限制良好时，有2 p ，此时得 淼0 一霹卷 电子科技大学硕士论文 2 5 电光开关的电极结构 ( 2 3 1 ) 标准定向耦合器具有两个明显的缺点。首先，标准的定向耦合器必须严格加 工制作工艺，以保证耦合段长度要非常精确地等于一个耦合长度的整数倍，从而 导致在无电压时1 0 0 的光波跨越即耦合。其次，在正常工作状态下，需要有足 够大的a 弘值。前者对于开关用途的器件是至关重要的，因为严格的长度对大 幅度削弱串音干扰十分有利，恰恰开关的两个状态都要求低串音干扰。后者对于 高速调制器有不利的影响，因为大数值的雎往往通过提高电压实现，而提高 电压会影响驱动电信号的速度，当然减小电极间距可以降低驱动电压1 1 h 针。 反向电极定向耦合器能够消除上述不利影响，耦合效率口只与d 的平方有关， 而庐届2 ，所以举为正为负都不会对”发生影响。于是，反向电极定向耦合器 的电压响应可以通过每段的传输矩阵相乘而得，丽不必考虑反向段的符号变化， 这是非常方便的。 1 0 0 能量交换的最短距离工椭= r d 2 k ，即定向耦合的耦合长度取决于耦合系 数k 。开关器件的最小耦合长度l = 3 州( 2 回。即a l = 3 7 【。当定向耦合器的 两个波导完全对称时，波导长度又满足k l = ( 2 q 十1 ) 7 【2 ，q 为整数，则两个波导 间可产生完全的功率转换。如果在两个波导上做一对表面电极，则构成电光波导 y 图2 7 单电极结构定向耦合光开关 定向耦合器，如图2 7 。当电极上施加电压后，两个波导内产生大小相等方向相 反的眈，使一个波导的传播常数增加，另一个减小，出现相位失配，导致波导 间功率转换水平改变，从而实现对光波的调制和开关功能。一对电极结构的器件 要求波导间的长度精确等于耦合长度( n 2 k ) ，且两个波导严格相同，这就给加 工带来了困难。为了克服这一困难，做成多电极结构，并且在相邻节电极上施加 第二章l i n b 0 3 电光开关原理 大小相等极性相反的电压，构成所谓交瞀燹化的口耦合器。 2 5 1 单节电极结构 根据上一节的耦合模理论，图2 - 7 中两个波导内的r 和s 波的耦合过程可用 振幅系数耦合模方程来描述，即 d r 肛d 曙= d s 淼鼍， 协s z ， i，如= 玎一万s k r ) 一 式中5 = 2 ，为相位失配量，随调制电压而变。k 为耦合系数，假定是常 数。( 2 。3 2 ) 式的解写成矩阵形式为 ( 硝丢咽4 ) f l s o 纠 协2s s ， 其中矩阵元素的脚标1 表示对应于一节电极结构、且相位失配量为+ 口的情况。 矩阵元素的表达式为 2 4 1 = c o s ( z 厨) + 高等咖。厨) ( 2 3 4 ) 马：熹s i n ( z 厮) ( 2 3 5 ) k 2 + 占2 。 。 对于z = l ，矩阵 毕( 去聋 协s s ， 称为单节电极定向耦合调制器的传输矩阵。当失配量为- 时，传输矩阵为 圻= ( 丢聋 协， 由式( 2 3 6 ) 和( 2 3 7 ) 容易证明两个矩阵的行列式的值等于1 ，说明器件光路 是可逆的。 对于定向耦合器，如果光从波导a 输入( r 0 s o = 0 ) ，从波导b 输出， 则称为交叉工作状态，用。表示；如果仍从波导a 输出，则称为直通工作状态， 用 表示。当失配量为时，欲获得交叉工作状态，必须满足a i = 0 ，这就要求 j巧20(2-38) i k l = ( 2 q + 1 ) x 2 电子科技大学硕士论文 因为艿= 口，2 ，以及耦合长度f _ 兀，2 x ，所以上式可写为 a a = ：o l t l 2 q + 1 c z 瑚， i=+ 。 于是，在l i i 一卢兀图上，交叉工作状态可用三f 轴上一系列孤立的点表示，如 图2 - 8 所示。欲获碍直通工作坟态，必须b 1 - 0 ，即 ( i z ) 2 + ( 占上) 2 = ( q n ) 2 ( 2 - 4 0 ) 或 ( 三，) 2 + ( 工) 2 = ( 2 9 ) 2 ( 2 4 1 ) 它表示直通状态是一组同心圆，圆心在原点，半径为2 口，见图2 - 8 。 如果a 1 和b 1 都不等于零，那么输入功率将在两个波导中分配，即 只= 瑶 c o s 2 ( 届万) + 南s i n 2 ( 厅万) 】( 2 蚴 晶= 霹南s i n 2 ( 三瓜万) ( 2 - 4 3 ) 由波导a 向波导b 的功率转换效率为 野：鲁：害豳2 ( 丽) ( 2 4 4 ) 野2 京。而i 州( 纠) 心。 波导长度给定后，转换效率同调制电压有关。这种不完全的功率转换，使定向耦 合器作为开关使用时，存在所谓的串话缺陷。串话定义为最大无用输出功率同最 小有用输出功率之比。 由图2 - 8 可知，对于单节电极的定向耦合开关，任意给定一个剧 值，总可 以通过调整电压实现直通工作状 态。但为了获得交叉工作状态，必 须使耦合器的长度精确等于耦合 长度的奇数倍，电压的调整不能补 偿制造误差。因此，对波导尺寸的 精确提出了极高的要求，否则会产 生严重串音。 2 5 2 双电极结构 将定向耦合器上的电极分成 a b l n 图2 - 8 定向耦合器的状态曲线 第二章l i n b 0 3 电光开关原理 相等长度的两节，且所加电压的大小相等极性相反，成为两节交变口耦合器 虬 图2 - 9 双电极结构耦合器 如图2 - 9 所示。假定两节之间不存在反射，那么利用传输矩阵可直接写出输出端 的振幅系数 ( s 灿j ： 他t s , 、j 嘶埘 ( 2 _ 4 s ) 式中 4 = 4 4 一研= 1 2 研( 2 - 4 6 ) 岛=24bj(2-47) a l 和b 1 仍由式( 2 - 3 4 ) 和( 2 - 3 5 ) 给出，但取z = l 2 。 欲获得交叉工作状态，必须4 2 = 0 ，即研= 1 2 。根据式( 2 - 3 5 ) 这个条件可写 成 斋s i n 2 专届万) = 吉蚓n 2 三 协。s ， i 呀8 m ( i 、k + ) 2 i 58 m 百 2 q 8 或 s i n 2 群) 2 + c 等) 2 】，= 扣耸筹铲， 沼。， 由这一条件的状态曲线如图2 - 8 所示，它是一曲线族，同纵坐标轴的交点 l i = i ，3 ，5 ，可利用解析几何证明此曲线族相切于过原点的4 5 。方向的直线 ( l i i = a f l l 7 c ) a 欲获得直通工作状态，必须有b 2 = o ，即a l = o 或b l = o 。由a l = o 得到 j华20(2-50) 【l i = 2 ( 2 q + 1 ) 皇三型莛盔兰堡主兰苎 它代表纵坐标轴上的孤立点上f _ 2 ，4 ，6 ，见图2 - 8 。由b 1 = o 得到 ( l 0 2 + ( 卢) 2 = ( 4 可) 2( 2 5 1 ) 它是以原点为圆心，以4 q 为半径的同心圆，如图2 - 8 所示。 由状态曲线可知，如果选择“f _ l 3 的任一值，那么只要调整电压，就可获 得所需的开关状态( 固或 ) 。当然选择三胆5 7 或9 1 l 等范围可达到同样目 的。因此，波导长度不必要求十分精确，而且两个波导的不对称性也可用调整电 压来补偿。 第三章电光开关的计算方法及设计 第三章电光开关的计算方法及设计 3 1波动方程 在弱导条件下，亥姆霍兹( h e l m h o l t z ) 方程为 v 2 玉t 2 茁：0( 3 1 ) 其中t ：k o 刀，岛为真空中的波数，k o ：孕，矗为光波在真空中的波长，n 为介 质的折射率，h = ，6 r 为光波在介质中的相对介电常数。 若考虑缓变包络近似，e 可以沿z 向分成缓变包络函数( 工，y ，z ) 部分和快变 振荡周期e x p ( 一i 芦2 ) 部分，i l l l e ( x ，y ，z ) = ( x ，y ，z ) e x p ( - i f l z ) ( 3 2 ) 式中，= 七o ，n e r r 为波导有效折射率。 将( 3 2 ) 式代入( 3 1 ) 式可得： v 2 妒一2 j 芦娑+ ( 碍刀：一声：) ：o ( 3 3 ) 式中，v 2 = 导+ 导+ 鲁 3 2 f d b p m 算法原理 考虑二维州模情况”0 卜”3 1 ，以2 q 。皿= o ，若2 0 ，( 3 - 3 ) 式可写为： 、 窘聊警+ 警删 们倒 ( 3 _ 4 ) 出4出良2 、”“ 。 如果包络函数随z 的变化足够缓慢，使得窘“o ，这个关系在庐等于常数或随 z 线性变化时是严格成立的。( 3 4 ) 式可变为 2 垆譬：鲁+ 七0 2 ( n 2 - - 喀) 庐 ( 3 _ 5 ) 。国苏2 电子科技大学硕士论文 型：篮三丝( 3 - 6 - a ) 冀：三 盘掣+ 丝1 + 1 苎1 + | 纽l + 1 ( 3 - 6 b ) 0 x 22 。 ( a x ) 2 ( 缸) 2 1 庐= 吉( + 霰) ( 3 - 6 - d ) 2 i 卢必i + 11 ：三【出型鲁纽+ 丛型i + 1 纽i + 1 】 a z2 。 ( 缸) 2( a x ) 2 。 + 去瑶【( 掣) ：一2j l i + - + 以) ( 3 7 ) 一粥+ 2 - k 0 2 ( h x ) 2 ( n w 一略】+ 掣 站，一烈。 “ ( 3 - 8 ) = 痧m ti 4 + 爵( 缸) 2 ( 以) 2 一略 + 掣 彤+ 碟+ 。 此式即为二维! 登磐的有限差分格式。考虑到稳定性，, - i m 扩展的近似方式 一燃+ z 瑚埘) 2 一略 + 等阻嬲 ：字h 卜2 。2 i 2 一n e ：f f + 踹+ 。广 2 t 第三章电光开关的计算方法及设计 ( b ) 稳定性是指计算过程中累计误差是无限增加还是可以控制。对于沿z 方向 折射率缓变的情