铌酸锂光开关的驱动电路的研究
铌酸锂晶体的研究与分析---精品管理资料
摘要本文基于新型线性电光效应耦合波理论,通过设定超晶格周期极化铌酸锂晶体倒格矢参数,从而弥补双折射时o光和e光折射率不同造成的相位失配.计算有效电光系数,推倒耦合波方程的解析解。
并利用matlab进行线性仿真,研究温度,波长,外加电场和晶体占空比变化时对于电光效应中的转换效率的影响。
仿真的数值结果表明:随着温度与相位匹配时对应的温度的差值的增大,相位失配量将增加,从而导致转换效率呈峰值逐渐降低的波动形式趋于零,当温度满足相位匹配时转换效率最高;此外晶体极化周期数量的增加,将使得转换效率的波动更加剧烈,其值也降低的更快,波动次数也将增多。
改变波长的情况基本类似于温度,仅在波动细节上有细微差距。
而电场对转换效率的影响则是成正比的线性关系。
此外我们所取的占空比约等于0.25和0.75时将可以使转换效率取到最大值.关键词铌酸锂;电光效应;耦合波;转换效率AbstractBased on the new wave coupling theory of linear electro—optic effect。
By setting thecrystal,we compensate for the grating wave vector parameters of periodically poled LiNbO3phase-matched which is caused by different index of refraction of the o-ray and e—ray when birefringence happens。
We can calculate the effective electro-optic coefficient of the system . Through the analytical solution of the wave coupling equations,use matlab to do linear simulation,and study on the influence of the conversion efficiency in the electro—optical effect when temperature, wavelength,electric field intensity and crystal duty cycle change.Numerical simulation results show that,with the increasing difference made by temperature which corresponds to the temperature and phase matching, the amount of phase mismatch will increase.it results in an increase of phase mismatch,thus causing the conversion efficiency to assume the fluctuating form tending to zero which the peak value reduces gradually;when the temperature satisfies phase match,conversion efficiency is the highest. In addition when the number of the crystal polarization cycle increases,the fluctuation of the conversion efficiency will be more violent,the value will also reduce faster and the number of fluctuations will increase. The situation of the wave length is similar with the temperature。
铌酸锂晶体的电光效应研究
铌酸锂晶体的电光效应研究
随着锂电源技术的发展,铌酸锂(LiNiO2)晶体受到了越来越多的关注。
本文
研究了铌酸锂晶体的电光效应。
电光效应即受到电场环境(如外加电压)下激发光谱移动的变化之后,材料表面光谱发生变化的过程。
本文实验表明,当外加的电压发生变化时,铌酸锂晶体的激发光谱也会发生变化。
研究发现,外加电压会对晶体光谱强度产生影响,激发光谱会出现陷入状态。
实验表明,当电压变化较大时,激发峰位会发生移动,证实了晶体的电光效应性质。
同时,该实验还正确地预测了晶体在外加电压情况下对具有不同量子数各向异性激发 raman 光谱发生变化的程度,以及不同外加电压情况下折射率及表面电耦合常数的变化情况。
总之,本文的结果表明,采用电光效应的方法可以很好地揭示铌酸锂晶体的光学性质。
因此,电光效应可以作为未来研究材料性质和开发新型传感器的有效手段。
铌酸锂 电光效应
铌酸锂电光效应
铌酸锂(LiNbO3)是一种重要的电光材料,具有优异的电光效应。
一、铌酸锂的电光效应
铌酸锂的电光效应是指当铌酸锂受到外加电场作用时,其光学性质发生变化的现象。
具体来说,当外加电场作用于铌酸锂时,会导致铌酸锂的折射率发生变化,从而改变了通过铌酸锂的光线路径。
这种现象被称为“电光效应”。
二、铌酸锂电光效应的应用
1. 光调制器
铌酸锂的电光效应被广泛应用于光调制器中。
光调制器是用于改变光信号的强度或相位的关键元件。
在铌酸锂调制器中,通过在铌酸锂晶体上施加电信号,可以改变通过铌酸锂的光线路径,从而实现对光信号的调制。
2. 光开关
除了光调制器,铌酸锂的电光效应还可以用于实现光开关。
光开关是用于在多个
光路之间切换的关键元件。
通过在铌酸锂晶体上施加电信号,可以在多个光路之间切换光的路径,从而实现对光的开关控制。
3. 光学通信
在光学通信领域,铌酸锂的电光效应也被广泛应用于实现光信号的调制和解调。
在调制过程中,铌酸锂调制器可以将电信号转换为光信号,而在解调过程中,铌酸锂晶体可以将光信号转换为电信号。
通过这种方式,可以实现高速和高精度的光学通信。
铌酸锂的电光效应在光学通信等领域中具有广泛的应用前景。
随着技术的不断发展,人们对铌酸锂的电光效应将会有更深入的了解和应用。
利用铌酸锂晶体进行激光电光调制的研究
利用铌酸锂晶体进行激光电光调制的研究引言激光是一种光频电磁波,具有良好的相干性,可用来作为传递信息的载波。
激光具有很高的频率(约13151010Hz ),可供利用的频带很宽,故传递信息的容量很大。
再有,光具有极短的波长和极快的传递速度,加上光波的独立传播特性,可以借助光学系统把一个面上的二维信息以很高的分辨率瞬间传递到另一个面上,为二位并行光信息处理提供条件。
所以激光是传递信息的一种很理想的光源。
当给晶体或液体加上电场后,该晶体或液体的折射率发生变化,这种现象成为电光效应。
电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用,它有很短的响应时间(可以跟上频率为1010Hz 的电场变化),可以在高速摄影中作快门或在光速测量中作光束斩波器等。
在激光出现以后,电光效应的研究和应用得到迅速的发展,电光器件被广泛应用在激光通讯、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。
要用激光作为信息的载体,就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。
需要将语言信息加与激光,由激光“携带”信息通过一定的传输通道送到接收器,再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。
这种将信息加在与激光的过程称之为调制,到达目的地后,经光电转换从中分离出原信号的过程称之为解调。
其中激光称为载波,起控制作用的信号称之为调制信号。
激光调制按性质分,可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式,但常采用强度调制。
强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号,使输出的激光辐射强度按照调制信号的规律变化。
激光之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。
一 研究目的1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法2.利用实验装置测量晶体的半波电压,计算晶体的电光系数3. 观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象。
二 实验仪器铌酸锂晶体,电光调制电源,半导体激光器,偏振器,四分之一波片,接收放大器,双踪示波器 激光光源:半导体激光器, 激光波长:650~680nm , 激光功率:0~2.5mW 连续可调, 偏置电压:±0~400V 连续可调, 调制方式: 横向调制; 调制晶体:铌酸锂晶体 50mm ×6mm ×1.7mm ; 调制波形:1KHz 正弦波或其他波形;三 实验原理某些晶体(固体或液体)在外加电场中,随着电场强度E 的改变,晶体的折射率会发生改变,这种现象称为电光效应。
钽酸锂电光调Q晶体开关的制备研究
㊀第48卷第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀Vol.48㊀No.5㊀2019年5月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALS㊀㊀㊀㊀㊀Mayꎬ2019钽酸锂电光调Q晶体开关的制备研究李清连1ꎬ2ꎬ3ꎬ商继芳4ꎬ吴㊀婧1ꎬ2ꎬ3ꎬ张㊀玲1ꎬ2ꎬ3ꎬ孙㊀军1ꎬ2ꎬ3(1.南开大学物理科学学院ꎬ天津㊀300071ꎻ2.南开大学教育部弱光非线性光子学重点实验室ꎬ天津㊀300457ꎻ3.山西大学极端光学协同创新中心ꎬ太原㊀030006ꎻ4.河南工程学院理学院ꎬ郑州㊀451191)摘要:制备了双晶体匹配的钽酸锂电光调Q开关ꎮ首先理论分析了两匹配晶体通光方向尺寸偏差㊁轴向角偏差等对自然双折射补偿的影响ꎬ估算了消光比为100ʒ1时各加工参数应满足的指标要求ꎮ在此基础上ꎬ以平晶为基准面来保证晶向精度㊁同盘抛光来保证晶体尺寸ꎬ制备了满足条件的钽酸锂双晶匹配调Q开关ꎮ用锥光干涉的方法检测了匹配后晶体的光学均匀性ꎬ并在激光系统中测试了其调Q性能ꎮ结果表明匹配较好的LT调Q开关能够满足实际光学应用的需求ꎮ关键词:钽酸锂晶体ꎻ调Q开关ꎻ双晶体ꎻ自然双折射中图分类号:O77㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1000 ̄985X(2019)05 ̄0812 ̄05FabricationofLithiumTantalateCrystalsElectro ̄opticQ ̄switchLIQing ̄lian1ꎬ2ꎬ3ꎬSHANGJi ̄fang4ꎬWUJing1ꎬ2ꎬ3ꎬZHANGLing1ꎬ2ꎬ3ꎬSUNJun1ꎬ2ꎬ3(1.SchoolofPhysicsꎬNankaiUniversityꎬTianjin300071Chinaꎻ2.MOEKeyLaboratoryofWeak ̄LightNonlinearPhotonicsꎬNankaiUniversityꎬTianjin300457ꎬChinaꎻ3.CollaborativeInnovationCenterofExtremeOpticsꎬShanxiUniversityꎬTaiyuan030006ꎬChinaꎻ4.CollegeofScienceꎬHenanInstituteofEngineeringꎬZhengzhou451191ꎬChina)㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(61575099)㊀㊀作者简介:李清连(1988 ̄)ꎬ女ꎬ甘肃省人ꎬ博士ꎬ助理研究员ꎮE ̄mail:qinglianli@mail.nankai.edu.cn㊀㊀通讯作者:孙㊀军ꎬ研究员ꎮE ̄mail:sunjun@nankai.edu.cnAbstract:TheLiTaO3(LT)electro ̄opticQ ̄switchwhichcomposedoftwoLTcrystalswasfabricated.Theeffectofsizedeviationandaxialangledeviationofthedoublecrystalsoncompensatingnaturalbirefringencewereanalyzedtheoretically.Andthoseparameterswerecalculatedwhentheextinctionratiois100ʒ1.DoubleLTcrystalsmatchedQ ̄switcheswerefabricatedꎬthinkingthequasi ̄opticalflatasreferenceplanetoguaranteetheaccuracyofaxialangleꎬandthetwosampleswerepolishedasawholetoguaranteetheaccuracyofdimensionaldeviation.TheopticalhomogeneityofthematchedcrystalswasmeasuredbyconoscopicinterferenceꎬandtheLTQ ̄switchingperformancewastestedinlasersystem.TheresultshowthatthewellmatchedLTQ ̄switchescanmeettherequirementsinopticalapplications.Keywords:lithiumtantalatecrystalꎻQ ̄switchꎻdoublecrystalꎻnaturalbirefringence1㊀引㊀㊀言纳秒激光器具有峰值功率高的优点ꎬ被广泛应用于激光测距㊁红外对抗㊁目标指示等军工领域以及激光雕刻㊁激光加工㊁激光医疗等民用领域[1 ̄4]ꎮ绝大多数纳秒脉冲激光都是利用电光调Q的技术获得的ꎬ而其核心材料是电光调Q晶体ꎮ在国防和民用领域得到实用化的电光调Q晶体有磷酸二氘钾(KD∗PꎬKD2PO4)晶体㊁铌酸锂(LNꎬLiNbO3)晶体㊁磷酸氧钛铷(RTPꎬRbTiOPO4)晶体ꎮKD∗P晶体的光损伤阈值较高ꎬ晶体成本较低ꎬ是实用化的电光调Q晶体之一ꎮ但该晶体易潮解ꎬ须配有特殊的防潮密封装置ꎬ这就会导致器件的插入损耗增加ꎮ同时KD∗P电光调Q为纵向调制ꎬ电场方向与通光方向一致ꎬ电场不易均匀ꎬ影响激光系统的动静比ꎮ此外ꎬKD∗P晶体低温下无法使用ꎬ必须配备加热系统[5 ̄8]ꎮLN晶体性能稳定且不潮解ꎬ电光系数高ꎬ晶体容易制备ꎬ但其损伤阈值较低ꎬ难以满足高功率激光输㊀第5期李清连等:钽酸锂电光调Q晶体开关的制备研究813㊀出的需求[9 ̄12]ꎮRTP晶体在电光调Q方面也得到了一定的应用ꎬ晶体性能稳定㊁损伤阈值高ꎬ是目前高重频电光调Q开关优选材料之一ꎮ但RTP晶体生长困难ꎬ晶体价格过于昂贵ꎬ使其在民用领域广泛应用受到很大的阻碍[13 ̄14]ꎮ钽酸锂(LTꎬLiTaO3)晶体与LN晶体结构类似㊁性能类似㊁制备技术类似ꎬ晶体性能稳定不潮解ꎬ易获得大尺寸晶体ꎬ更重要的是其损伤阈值比LN晶体高[15 ̄18]ꎬ是一种具有应用前景的电光调Q晶体ꎮ但是LT晶体在沿C轴通光时对应的电光系数γ22很小ꎬ仅为0.1pm/Vꎬ因此不能像LN晶体一样采用沿X方向加电㊁Z轴方向通光的配置方式ꎮ当沿X或Y方向通光时ꎬ对应的有效电光系数较大ꎬ但同时也会引入由自然双折射导致的相位延迟ꎬ而且受温度影响较大ꎬ严重影响调Q开关的性能ꎮ为了实现LT ̄Q开关的电光调制ꎬ需要采用双晶体匹配的方法补偿自然双折射引入的相位延迟ꎬ这也就对两块匹配晶体自身的质量及加工质量也提出了较高的要求ꎮ目前尚没有关于LT电光调Q开关研制和应用的报道ꎮ本文工作中ꎬ从LT双晶匹配实现电光调Q的原理出发ꎬ首先分析了晶体通光方向晶向角㊁尺寸偏差等对补偿自然双折射引起相位延迟的影响ꎬ然后以调Q开关达到100ʒ1的消光比为目标ꎬ估算了晶体通光方向晶向角精度及尺寸偏差的加工要求ꎮ通过改变晶体粘接方法㊁采用同盘抛光制备了LT电光调Q晶体ꎮ采用锥光干涉的方法表征了LT调Q开关匹配后的光学质量ꎬ并通过上机测试ꎬ表征了其调Q性能ꎮ2㊀理论分析2.1㊀钽酸锂电光调Q开关的工作原理首先对LT电光调Q开关的工作原理进行说明ꎬLT晶体的电光系数矩阵为[18]:0-γ22γ130γ22γ1300γ330γ510γ5100-γ2200éëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúú㊀㊀当沿晶体Z方向施加电场E时ꎬ晶体折射率椭球方程在电场的影响下为:(1n20+γ13E)(x2+y2)+(1n20+γ13E)z2=1(1)其中no和ne分别为晶体的寻常光折射率和异寻常光折射率ꎮ将上式数学近似后ꎬ可将LT晶体电致折射率nx和nz表述为:nx=ny=n0-12n3oγ13E(2)nz=ne-12n3eγ33E(3)双晶匹配LT电光调Q开关的工作示意图如图1所示ꎮ沿Z轴加电场㊁沿X轴方向通光ꎬ两块晶体的Z轴互相垂直ꎬ外加电压极性相反ꎮ激光的偏振方向和晶体Z轴成45ʎꎮ由折射率椭球理论和电光效应理论ꎬ可以求出激光通过两块晶体后总的相位差δ为δ=2πλ[(no1-ne1)l1-(no2-ne2)l2]+πλ(n3e1γc1l1d1+n3e2γc2l2d2)U(4)式中ꎬl1㊁l2分别为两块晶体通光方向的长度ꎬ即X方向或Y方向的长度ꎬd1㊁d2为两块晶体施加电场方向的厚度ꎬ即晶体Z方向的长度ꎬno1㊁ne1和no2㊁ne2分别为激光通过两块晶体时的寻常光折射率和异常光折射率ꎬλ为入射激光的波长ꎬγc1㊁γc2为二者的有效电光系数ꎬ其满足关系式γci=γ33-n2en3eγ13(i=1ꎬ2)(5)由公式(4)可以看出ꎬ只有当两块匹配晶体完全相同时ꎬ即d1=d2=dꎬl1=l2=lꎬno1=ne1=noꎬno2=ne2=814㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第48卷图1㊀LT双晶体匹配电光调Q开关示意图Fig.1㊀SchematicdiagramofLTdouble ̄crystalmatchedelectro ̄opticQ ̄switchneꎬ才能够完全消除自然双折射引起的相位延迟ꎬ此时ꎬ由公式(4)可以求得对应的半波电压如公式(6)所示ꎮU=λd2n3e(γ33-n2en3eγ13)l=λd2n3eγcl(6)2.2㊀晶体通光方向晶向角偏差、尺寸偏差对匹配效果的影响在实际应用中ꎬ受加工精度的影响ꎬ两块匹配晶体通光方向的晶向角及长度一般都存一定的偏差ꎬ由公式(4)可以看出ꎬ这个偏差将导致激光通过两块晶体后由于自然双折射而引入额外的相位延迟ꎬ进而影响调Q效果ꎮ当加压式调Q时ꎬLT电光调Q开关和1/4波片均置于偏振镜和全反镜之间ꎬ当调Q晶体加上1/4波电压后ꎬ调Q系统的透过率T可表示为T=1-sin2δ2(7)调Q开关的消光比为最大和最小透过率的比值ꎬ如果两晶体中自然双折射引起的相位差没有完全补偿ꎬ则将影响调Q系统的透过率ꎬ进而影响消光比[19]ꎮ设晶体通光方向的长度l为10mmꎬ加电方向长度d为9mmꎬ根据式(4)和(7)ꎬ结合折射率椭球理论ꎬ将LT晶体的no㊁ne及γc等参数代入公式可以算出ꎬ要达到100ʒ1的消光比ꎬ入射光通光方向与X轴轴向偏差不能超过1.3ʎꎬ两晶体之间的长度差必须控制在5.6μm以内ꎮ要达到更高的消光比ꎬ要求更高ꎮ对于轴向角偏差1.3ʎ而言ꎬ是指晶体晶向偏差㊁装配偏差等的总合ꎬ所以为了降低装配难度ꎬ必须提高晶体加工后的晶向角精度ꎮ以上分析是以单量变化来讨论的ꎬ一般实际应用中ꎬ这些影响因素是同时存在的ꎬ因此在实际加工中为了保证匹配效果ꎬ必须使两匹配晶体的加工精度尽可能的高ꎮ3㊀调Q晶体的加工3.1㊀晶体选材实验所用的LT晶体是采用提拉法从固液同成分共熔配比的熔体中直接生长㊁并经过单畴化处理的C轴晶体ꎮ虽然熔体为同成分配比ꎬ但实际上由于同成分点选择的不同㊁晶体生长过程Li挥发㊁组分过冷等因素ꎬ使长出来的晶体首尾组分存在偏差ꎬ进而严重影响了晶体纵向的光学均匀性ꎮ此外晶体径向组分也存在一定的偏差ꎮ由于晶体光学均匀性对组分均匀性非常敏感ꎬ为了保证两块匹配晶体的光学均匀性一致ꎬ便于配对ꎬ晶体取样时ꎬ同一对调Q晶体选自同一晶体的同一纵向位置ꎬ而且二者的径向位置分布对称ꎮ图2为样品取样示意图ꎬ其中1和4配对ꎬ2和3配对ꎮ图2㊀LT晶体取样示意图Fig.2㊀SamplingschematicdiagramofLTcrystal㊀㊀综合晶体的光学质量㊁光斑大小及半波电压等因素ꎬ实验中定LT调Q晶体的尺寸为10mmˑ9mmˑ9mm(xˑyˑz)ꎬ通光方向沿X轴方向ꎮ3.2㊀晶体加工由以上分析可知ꎬ为了满足配对条件ꎬ要求配对晶体通光方向的尺寸偏差小于5.6μmꎬ晶向角偏差越小越好(小于1.3ʎ)ꎮ实际应用中ꎬ一般对调Q晶体要求其通光方向两端面的平行度优于10ᵡꎬ平面度优于λ/8@632.8nmꎮ当组盘后整个抛光面的直径为50mm时ꎬ整盘晶体两㊀第5期李清连等:钽酸锂电光调Q晶体开关的制备研究815㊀光学表面间的长度差小于2μmꎬ当两匹配晶体相邻时偏差更小ꎮ当抛光面的平面度为λ/8@632.8nmꎬ考虑到正反两面的面型差ꎬ其引入两块晶体间的尺寸偏差不足0.2μmꎬ该值远小于理论计算值5.6μmꎮ因此认为将匹配晶体组盘抛光完全可以满足两块匹配晶体对尺寸偏差的要求ꎮ组盘时ꎬ以平面平晶为靠板来保证匹配晶体通光方向晶向角的精度ꎮ假设上盘时基面与平晶平面间的平面度偏差为一个光圈(约0.3μm)ꎬ该平面度引入晶体粘接基面晶向角的偏差约为0.1ᶄꎮ而准平晶面型(0.1μm)引入的角度偏差更小ꎬ可忽略ꎮ因此认为该方法可满足双折射匹配对晶体晶向角偏差的要求ꎮ组盘后对晶体通光面进行研磨抛光ꎮ加工完成后分别采用X射线定向仪㊁激光平面干涉仪㊁微分干涉显微镜等对加工的轴向角偏差㊁平面度㊁平行度㊁光洁度等指标进行检测ꎬ结果表明ꎬ晶体轴向角偏差为ʃ2ᶄꎬ平面度优于λ/8@632.8nmꎬ平行度为8ᵡꎬ光洁度达到10/5ꎮ4㊀结果与讨论4.1㊀双晶体匹配锥光干涉图采用锥光干涉的方法表征两晶体匹配后的效果[20]ꎬ进一步判断晶体加工指标是否满足要求ꎮ图3为不同晶体匹配后的结果ꎮ其中左图为严格按照要求选料㊁加工出来的晶体的匹配图ꎬ图中十字正交ꎬ干涉环清晰且分布对称ꎬ证明二者匹配较好ꎬ能够补偿自然双折射引起的相位延迟ꎮ右图中两晶体的加工指标满足上述理论要求ꎬ但是晶体为随机选料ꎬ从图中可以看出ꎬ十字不正交ꎬ证明这两块晶体匹配较差ꎬ不能完全补偿自然双折射引起的相位延迟ꎮ分析原因ꎬ可能是匹配晶体光学均匀性较差或二者光学均匀性差别较大ꎬ进而对匹配效果产生了较大的影响ꎬ进而也说明了双晶匹配的LT调Q开光对晶体的光学质量要求较高ꎮ图3㊀LT调Q双晶匹配锥光干涉图Fig.3㊀ConoscopicinterferencepatternsofLTdouble ̄crystalmatchedQ ̄switched图4㊀激光输出光斑Fig.4㊀Laserspots4.2㊀激光器上机实验在脉冲氙灯泵浦的NdꎬCeʒYAG激光系统中ꎬ对LT电光调Q开关的性能进行了研究ꎮ谐振腔为平平816㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第48卷腔ꎬNdꎬCeʒYAG激光棒直径为5mmꎬ长为80mmꎬ氙灯和NdꎬCeʒYAG激光棒均放置在椭圆镀银的聚光腔内ꎮ激光输出波长为1064nmꎬ脉宽为7nsꎮ双晶匹配的LT调Q开关两通光面均镀有1064nm单点增透膜ꎬ剩余反射率小于0.5%ꎬZ方向镀有金电极ꎮ采用加压式工作ꎬ重复频率为1Hzꎮ㊀㊀实验中发现激光器静态输出能量约为190mJꎬ当给晶体加上四分之一波电压后开关无法完全关断ꎬ匹配后锥光干涉图较好的LT调Q开关只漏2mJꎬ而锥光干涉图较差的LT调Q开关漏光约10mJꎬ说明LT调Q开关没有实现完全的相位匹配ꎮ图4中的左图是匹配较好的LT调Q开关工作后打出的激光光斑ꎬ光斑分布均匀对称ꎬ且形状规则ꎮ右图是匹配较差LT调Q开关工作后打出的激光光斑ꎬ光斑形状畸变严重ꎮ上述实验初步证明匹配较好的LT调Q开关可以满足实际应用需求ꎮ5㊀结㊀㊀论当沿LT晶体Z轴方向加电㊁沿X或Y方向通光进行电光应用时可以利用其较大的电光系数ꎬ但是自然双折射会引入额外的相位延迟ꎬ文中采用双晶匹配的方法来补偿自然双折射引起的相位差ꎮ从LT双晶匹配调Q开关工作的原理出发ꎬ以X轴为通光方向ꎬ估算当单块晶体通光方向长度为10mm时ꎬ若要调Q开关消光比达到100ʒ1时ꎬ要求整个开关通光方向与X轴轴向偏差不能超过1.3ʎꎬ两晶体的长度偏差必须控制在5.6μm以内ꎮ然后通过对称取样来保证匹配晶体的光学质量差ꎬ通过以准平晶为基准面组盘㊁同盘抛光的方法保证晶体的加工质量ꎬ进而制备了双晶匹配LT调Q开关ꎮ最后又采用锥光干涉的方法表征了匹配后晶体的光学性能ꎬ通过上机实验ꎬ从输出激光能量及光斑质量角度分析了LT调Q开关的性能ꎬ认为匹配较好的LT调Q开关能够满足实际应用的需求ꎮ参考文献[1]张㊀鑫ꎬ陈玉华.各类型激光器在激光清洗技术应用中的发展现状及展望[J].信息技术ꎬ2008ꎬ32(9):117 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一种基于铌酸锂波导的电光开关及其制作方法[发明专利]
专利名称:一种基于铌酸锂波导的电光开关及其制作方法专利类型:发明专利
发明人:卢惠辉,陈哲,张欣悦,尚菊梅,董江莉,关贺元,李克,刘丽玲,丘文涛
申请号:CN202010947193.7
申请日:20200910
公开号:CN112014983A
公开日:
20201201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明涉及电光调制,高速光通信技术领域,更具体地,涉及一种基于铌酸锂波导的电光开关及其制作方法。
用于解决传统电光开关消光比大、开关频率低、带宽受限的问题。
此种电光开关自上而下的结构为:渐变阵列电极、缓冲层和基底;所述渐变阵列电极为一组底边呈规律性变化的等腰三角形微结构阵列电极单元;所述基底为块状铌酸锂或者铌酸锂薄膜集成波导,所述铌酸锂薄膜集成波导为单晶铌酸锂与衬底的结合,所述块状铌酸锂或单晶铌酸锂内部包裹有质子交换铌酸锂波导;所述质子交换铌酸锂波导形成波导区,所述波导区呈Y字形,所述波导区包括输入端、渐变区和输出端,所述波导区之外的区域为非波导区。
通过上述技术方案,以实现低损耗、稳定性强、驱动电压低、调制带宽大的技术效果。
申请人:暨南大学
地址:510632 广东省广州市天河区黄埔大道西601号
国籍:CN
代理机构:广州润禾知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人:郑永泉
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铌酸锂多通道光开关
铌酸锂多通道光开关铌酸锂多通道光开关是一种基于铌酸锂材料制备的光学器件,用于实现多通道光信号的开关控制。
铌酸锂具有优异的光学性能和热稳定性,因此被广泛应用于光学器件中。
铌酸锂多通道光开关的工作原理是基于铌酸锂晶体的光学非线性效应。
当光信号通过铌酸锂晶体时,晶体中的光学非线性效应会引起光信号的相位和幅度的变化。
通过适当的设计和调控,可以实现光信号的调制和切换。
多通道光开关通常由铌酸锂晶体和光纤耦合器等光学元件组成。
光信号首先通过光纤耦合器输入到铌酸锂晶体中,然后通过调制器控制晶体的光学非线性效应。
调制器可以根据输入的控制信号来调整晶体的光学性质,从而实现光信号的调制和切换。
铌酸锂多通道光开关具有多种优点。
首先,它可以实现高速的光信号调制和切换,适用于光通信和光网络等高速数据传输领域。
其次,它具有较低的损耗和较高的光学品质因子,可以提供高质量的光信号传输。
此外,铌酸锂材料的热稳定性较好,可以在高温环境下工作。
在实际应用中,铌酸锂多通道光开关被广泛应用于光纤通信系统、光传感器网络和光子计算等领域。
例如,在光纤通信系统中,多通道光开关可以实现光信号的多路复用和解复用,提高光纤传输的带宽和效率。
在光传感器网络中,多通道光开关可以实现对多个传感器节点的光信号采集和控制。
在光子计算中,多通道光开关可以实现光信号的快速切换和处理,提高光子计算的速度和精度。
然而,铌酸锂多通道光开关也存在一些挑战和限制。
首先,制备铌酸锂晶体需要高纯度的材料和复杂的工艺,制造成本较高。
其次,铌酸锂晶体对于光信号的调制和切换有一定的限制,不能实现任意波长和幅度的调节。
此外,铌酸锂材料的热稳定性有限,不能在极端高温环境下工作。
为了克服这些限制,研究人员正在不断改进铌酸锂多通道光开关的设计和制备技术。
他们致力于提高材料的纯度和晶体的制备工艺,以降低制造成本。
同时,他们还在探索新的材料和结构,以提高光学性能和热稳定性。
总的来说,铌酸锂多通道光开关是一种重要的光学器件,可以实现多通道光信号的调制和切换。
低驱动电压的铌酸锂电光开关研究
低驱动电压的铌酸锂电光开关研究付博;张大勇;骆永全;罗飞;沈志学【摘要】为了降低电光开关的驱动电压,采用将铌酸锂晶体置于法布里-珀罗腔内的方法进行了实验研究,得到了电光开关透过特性随驱动电压的变化关系.结果表明,与采用正交偏振片的电光开关相比,法布里-珀罗电光开关的驱动电压大幅降低,由约2.1kV下降到约580V,产生光脉冲的上升沿明显缩短,由284μs减少至128μs.理论计算了法布里-珀罗电光开关透过特性随驱动电压的变化关系,计算结果与实验结果符合得较好.%In order to reduce the driving voltage of an electro-optical switch, a LiNbO3 crystal was placed in a Fabry-Perot cavity and the transmissive characteristics of this Fabry-Perot electro-optical switch was investigated experimentally. The results showed that the driving voltage of the Fabry-Perot electro-optical switch was - 580 V, which was much lower than the half-wave voltage of an electro-optical switch used as orthogonal polarizer, ~2. lkV. Moreover, the rising time of the Fabry-Perot electro-optical switch, 128(is, was shorter than that of a switch used as orthogonal polarizer, 284μs. Theoretical analysis of transmitted characteristic dependence on driving voltage was performed, and the results were in accordance with the experimental results.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】光学器件;电光开关;法布里-珀罗;铌酸锂【作者】付博;张大勇;骆永全;罗飞;沈志学【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,绵阳621900【正文语种】中文【中图分类】TN29Key words:optical devices; electro-optic switch; Fabry-Perot; lithium niobate电光开关具有开关时间短、重复频率高、输出脉宽窄、同步性能好、工作稳定等诸多优点,是目前激光器上应用最为广泛的一类调Q开关[1-7]。
铌酸锂调制器 驱动电压和偏置电压
铌酸锂调制器的驱动电压和偏置电压1. 引言铌酸锂(LiNbO3)是一种重要的功能材料,具有优异的光学、电学和声学性能。
其中,铌酸锂调制器是一种基于铌酸锂晶体的光电器件,用于光通信、光传感和光学信息处理等领域。
在铌酸锂调制器中,驱动电压和偏置电压是调节设备性能的重要参数。
本文将深入探讨铌酸锂调制器的驱动电压和偏置电压对其工作性能的影响。
2. 铌酸锂调制器概述铌酸锂调制器是一种利用材料的非线性光学效应来实现光强度或相位的调节的设备。
它由一个光波导结构和一个施加电场的铌酸锂晶体组成。
当施加电场时,铌酸锂晶体会发生折射率变化,从而改变通过波导结构传输的光信号。
3. 驱动电压与偏置电压在铌酸锂调制器中,驱动电压和偏置电压是调节设备性能的关键参数。
驱动电压是用于控制光强度或相位的电压信号,而偏置电压则用于将设备工作在工作点附近,以确保其稳定性和线性性。
3.1 驱动电压驱动电压是通过施加在铌酸锂晶体上的电场来控制光强度或相位的。
在光通信中,通过改变驱动电压可以实现光信号的调制、开关和解复用等功能。
驱动电压与输出光强度或相位之间存在一定的非线性关系。
3.2 偏置电压偏置电压是为了将铌酸锂调制器工作在其线性范围内而施加的恒定直流电场。
通过适当选择偏置电压,可以使得设备在最佳工作点附近,以获得最佳的线性度和响应速度。
偏置电压对设备的稳定性和灵敏度有着重要影响。
4. 驱动电压与偏置电压对设备性能的影响驱动电压和偏置电压是铌酸锂调制器性能的关键参数,它们对设备的工作特性和性能有着直接影响。
4.1 驱动电压的影响驱动电压的大小决定了光强度或相位的调节范围。
当驱动电压较小时,设备的调节范围有限,可能无法满足特定应用需求。
而当驱动电压过大时,可能会导致设备非线性失真、功耗增加和响应速度下降等问题。
4.2 偏置电压的影响偏置电压对设备的线性度和稳定性有着重要影响。
适当选择偏置电压可以使设备在其线性范围内工作,从而获得更好的信号质量和抗干扰能力。
驱动光子学革命的晶体——铌酸锂
驱动光⼦学⾰命的晶体——铌酸锂随着“新基建”的提出,5G已逐步进驻我们的⽣活,云计算、虚拟现实、数据通信与⾼清视频等业务也随之在不断地发展,带动核铌酸锂调制器(LiNbO3)。
⼼光⽹络向超⾼速和超远距离传输升级。
⽽在这个过程中,有⼀个核⼼器件是必不可少的——那就是铌酸锂调制器铌酸锂晶体的电光效应并结合光电⼦集成⼯艺制作⽽成,能够将电⼦数据转换为光⼦信息,是实现电光据悉,铌酸锂调制器利⽤铌酸锂晶体转换的核⼼元件。
具体它有何出众之处,⾸先要从其原材料铌酸锂晶体的电光效应及应⽤开始了解。
关于铌酸锂晶体铌酸锂是铌、锂、氧的化合物,是⼀种⾃发极化⼤(室温时0.70C/m2)的负性晶体,是⽬前发现的居⾥温度最⾼(1210℃)的铁电体。
(a)3英⼨光学级名义纯同成分铌酸锂晶体;(b)掺铁铌酸锂晶体光电效应多,具有包括压电效应、电光效应、⾮线性光学效应、光折变效铌酸锂晶体有两个特点尤其引⼈关注,⼀是铌酸锂晶体光电效应多性能可调控性强,这是由铌酸锂晶体的晶格结构和应、光⽣伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能;⼆是铌酸锂晶体的性能可调控性强丰富的缺陷结构所导致,铌酸锂晶体的诸多性能可以通过晶体组分、元素掺杂、价态控制等进⾏⼤幅度调控。
另外铌酸锂晶体的物理化学性能相当稳定,易于加⼯,光透过范围宽,具有较⼤的双折射,⽽且容易制备⾼质量的光波导,所以长距离通信中有着⽆可⽐拟的优势——不仅具有很⼩的啁啾(chirp)效应、⾼调制带宽、良好消光光调制器在长距离通信中基于铌酸锂晶体的光调制器⽐,⽽且稳定性相当优越,是⾼速器件中佼佼者,因此被⼴泛应⽤于⾼速⾼带宽的长距离通信中。
在美国国防部的⼀项关于铌酸锂的报告中曾经有过这样⼀段对铌酸锂的评价:如果电⼦⾰命的中⼼是以使其成为可能的硅材料命在美国国防部的⼀项关于铌酸锂的报告中曾经有过这样⼀段对铌酸锂的评价:如果电⼦⾰命的中⼼是以使其成为可能的硅材料命名的,那么光⼦学⾰命的发源地则很可能就是以铌酸锂命名。
实验六铌酸锂晶体横向电光调制实验
实验六铌酸锂晶体横向电光调制实验实验六铌酸锂晶体横向电光调制实验一、实验目的:1、了解电光调制的基本原理及铌酸锂晶体横向调制的基本机构。
2、掌握铌酸锂电光调制器的调试方法并测量和计算晶体的特性参数。
二、实验仪器: 晶体电光调制器,电光调制电源,He-Ne激光器,双线示波器和万用表等。
三、实验原理:1、激光调制激光调制,就是以激光作载波,将要传输的信号加载于激光辐射的过程。
分为内调制和外调制。
内调制是加载调制信号在激光振荡器的过程中进行的,按调制信号的规律改变振荡参数,从而改变激光的输出特性并实现调制。
外调制是指加载调制信号在激光形成之后进行,其方法是在激光器谐振腔外的电路上放置调制器,调制器上加调制信号电压,使调制器的物理特性(如电光调制效应等)发生相应的变化,当激光通过时即得到调制。
其中强度调制是激光是使激光载波的电矢量平方比例于调制信号。
因为对光的调制比较容易实现,而且光接受器通常都是根据它所接收的光辐射功率而产生相应的电信号的,因此,强度调制是各种激光调制方法中用的比较多的一种。
电光强度调制器是利用某些晶体的电光效应,在晶体上加调制信号电压后,通过晶体的激光束的振幅或相位就随着信号电压而变化。
2、铌酸锂晶体的一次电光效应给晶体外加电场时,晶体的折射率将发生变化,这种现象成为电光效应。
外电场E引起的折射率变化关系式为:2???????? (1) n,n,aE,bE,0n其中a、b为常数,是E=0时的折射率。
由一次项引起的折射率变aE038化的效应,称为一次电光效应或电光效应,也称普朗克(Pokell)效应。
一次2电光效应只存在于二十类无对称中心的晶体中。
由二次项引起的折射率变bE 化的效应,称为二次电光效应也称平方电光效应或克尔(Kerr)效应,二次电光效应则可能存在于任何物质中。
一般一次电光效应要比二次电光效应显著的多。
电光效应在工程技术中有着广泛的应用。
通常用折射率椭球的变化来分析。
晶体在未加电场时的折射率椭球方程为:222xyz (2) ,,,1222nnnxyz式中n、n、n分别为三个主轴x、y、z上的主折射率。
铌酸锂实验
铌酸锂实验:
实验步骤:
1、打开激光灯,调节激光管使激光束和晶体调节台表面平行,同时使激光束通过各光学器件中心。
调节起偏器和检偏器正交,且分别平行于X轴和Y轴。
2、打开实验仪器的电源,调节检偏器的角度是电流示数达到最大值,记为I0。
调节检偏器角度是电流示数为零,将铌酸锂晶体放置在起偏器和检偏器中间并保证激光束通过晶体中心位置。
3、打开高压电源,调节电压值,记录下电压从0V到750V时的电流值,每隔50V记录一次。
4、将数据记录在表格中,并作出I0--I/I0的折线图。
5、关闭实验仪器,根据公式求出消光比。
实验数据:
实验心得:。
低损耗铌酸锂光子芯片原理与器件研究
低损耗铌酸锂光子芯片原理与器件研究Lithium niobate (LiNbO3) is a well-known crystal material with excellent properties for various electro-optic applications. 锂铌酸盐(LiNbO3)是一种具有出色性能的晶体材料,适用于各种电光应用。
One of the key advantages of lithium niobate is its low optical loss, making it an ideal material for photonic devices. 锂铌酸盐的一个关键优势是其低光学损耗,这使其成为光子器件的理想材料之一。
The low optical loss of lithium niobate is attributed to its high optical damage threshold and high transmission in the near-infrared region. 锂铌酸盐的低光学损耗归因于其高光学损伤门槛和近红外区域的高透射率。
These properties make lithium niobate an excellent candidate for the development of low-loss photonic devices, including modulators, switches, and frequency converters. 这些性质使得锂铌酸盐成为开发低损耗光子器件的优秀候选材料,包括调制器、开关和频率转换器。
In recent years, there has been increasing interest in the research and development of low-loss lithium niobate photonic devices for applications in telecommunications, optical computing, and quantum information processing. 近年来,人们对用于电信、光计算和量子信息处理等领域的低损耗锂铌酸盐光子器件的研究和开发越来越感兴趣。
低应力铌酸锂电光调Q开关的研究
低应力铌酸锂电光调Q开关的研究
王富章;陈彬;孙军;窦飞飞;张玲;胡永钊;许京军
【期刊名称】《人工晶体学报》
【年(卷),期】2013(42)7
【摘要】本文分析了铌酸锂晶体应力,按照来源包括热应力、缺陷应力、加工应力和晶体受到的外力等。
对铌酸锂晶体热处理时固溶体脱溶问题的初步分析,采用合适的工艺对晶体毛坯进行了去应力热处理;在调Q开关制作时开发了弹性装配技术取代传统的硬性夹持方案,消除了夹持应力对电光调Q开关的影响。
制备的铌酸锂电光调Q开关得到了实际应用,有效提高了激光器工作的温度稳定性。
【总页数】5页(P1315-1318)
【关键词】铌酸锂;调Q开关;应力
【作者】王富章;陈彬;孙军;窦飞飞;张玲;胡永钊;许京军
【作者单位】中国电子科技集团公司第二十七研究所;郑州铁路职业技术学院;南开大学物理学院
【正文语种】中文
【中图分类】O78
【相关文献】
1.低驱动电压的铌酸锂电光开关研究 [J], 付博;张大勇;骆永全;罗飞;沈志学
2.基于周期性极化铌酸锂晶体的电光开关 [J], 陈险峰;刘坤;石剑虹
3.基于铌酸锂晶体预偏置的电光调Q技术研究 [J], 顾海栋;张翔;王秋实
4.低半波电压铌酸锂薄膜电光调制器仿真与分析 [J], 王生水;魏朝阳;姜晨;高睿;万欣
5.系列铌酸锂晶体在电光调Q激光系统中的激光损伤性能研究 [J], 李清连;孙军;吴婧;张玲;许京军
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基于铌酸锂制作光弹调制器用压电驱动器
基于铌酸锂制作光弹调制器用压电驱动器王志斌;李克武;张瑞;王立福;王国梁【摘要】基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时,存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法.考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构,从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性,并确定其切型为zyw/35°切.基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真,确定了晶片体积和谐振频率,设计了LiNbO3压电驱动器.对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试,并和SiO2压电驱动器进行了比较.将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM,用671 nm激光进行了光弹调制实验.实验结果表明:实现相同位移时,SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍,且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者.驱动电压为3.76 V时,671 nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7 μm.得到的结果表明:基于LiNbO3压电驱动器的PEM 易于驱动控制,调制性能优于基于SiO2驱动器的PEM.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)001【总页数】7页(P63-69)【关键词】压电驱动器;光弹调制器;铌酸锂晶体;谐振【作者】王志斌;李克武;张瑞;王立福;王国梁【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN384;TN7611 引言光弹调制器(Photoelastic Modulator,PEM)是一种基于光弹效应的人工双折射[1]光机电器件,具有高速、高分辨率、高灵敏度、高偏振精度、抗振性好的光谱测量优势,在国防、安全生产、环境监测等方面具有很好的应用前景[2-4]。
基于铌酸锂波导的电光调谐ROADM设计的开题报告
基于铌酸锂波导的电光调谐ROADM设计的开题报告一、选题背景随着现代通信技术的发展,数据通信量不断增加,为满足传输网络的高速度、高容量和高可靠性的要求,光网络技术应运而生,成为当前和未来通信网络的主流技术之一。
路由器和光开关器作为光网络的核心组成部分,电光调谐ROADM(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer,电光可重构增益分布器和波分复用器)成为了新一代光网络的关键组件。
基于铌酸锂(LiNbO3)波导的电光调谐ROADM已经成为了一种成熟的解决方案,在高速光通信系统中发挥着重要的作用。
二、研究目的本文的研究目的是设计基于铌酸锂波导的电光调谐ROADM。
铌酸锂是一种高效的非线性光学材料,它的特殊晶体结构和高度偏振光属性使得它非常适合光电二极管驱动的电光调制器和光开关器的制造。
基于铌酸锂波导的电光调谐ROADM结构简单、调节范围大、调节速度快,能够高效地完成各种光网络的控制和管理。
三、研究内容本文主要研究内容包括:1. 铌酸锂波导的制备工艺和特性分析:利用光刻、离子注入等新工艺制备铌酸锂波导,并对其光学特性进行测试,了解铌酸锂波导的特点和优势。
2. 电光调制器特性分析:利用铌酸锂波导制备出电光调制器,测试其调制性能和响应时间,并和其他材料制作的光调制器进行比较分析。
3. 光开关器的制作和特性分析:利用铌酸锂波导制备光开关器,并测试其开关性能和灵敏度。
4. 电光调谐ROADM的设计和实现:以铌酸锂波导为基础,搭建光网通信系统,设计光路和调度策略,实现电光调谐ROADM的功能。
四、研究意义通过对基于铌酸锂波导的电光调谐ROADM的研究和实现,可以有效提高光通信系统的灵活性和可控性,满足现代通信网络对高容量、高速度、高可靠性的要求。
并且,本文的研究成果可以帮助推动铌酸锂光电器件技术的进一步发展,为光网络技术的发展贡献力量。
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Design of Driving Circuit of Lithium NiobateSwitchWeimin Wang Huifeng BaiSchool of Telecommunication EngineeringBeijing University of Posts & Telecommunications,Beijing, PRC 100876baihuifeng@ wwmfly@AbstractDesign of the driving circuit of lithium niobate optical switch is proposed. Introducethe function and framework of the circuit. Some key electronic characteristics whichdefine the performance of the circuit are solved in this design such as the operatingvoltage, the switching speed. The design also provides steady high voltageperformance and protective measures. The experimental results show the maximumRepetition Rate of this circuit is 20 kHz. The output voltage is between 338 to 418V..Keywords:driving circuit; high- voltage; lithium niobate switch; matrix1IntroductionB Lithium niobate switch is seen as key elements for the development of OBS network [1] and other broadband communication for its high switching speed. The bottleneck for its progress is not only in optical dimension, but also in the electrical driving circuit. The major trouble of the driving circuit is high voltage and high switching speed. The driving voltage of lithium niobate switch is around 350V to 420V [2], therefore, there must be a driving circuit, which can work safely at this situation. The difficulty of the driving circuit is not only the high driving voltage, but also the large transient current for driving the lithium niobate switch which is a capacitive load to this circuit. If the driving circuit can’t sustain such transient current, the rising edge of the control signal turns bad and the switching speed turns down. The other trouble is the stability of the circuit. For the high voltage and large current, there must be a steady circuit. We designed a circuit which can drive three switches independent at the same time. It overcame the difficulties that mentioned before, and can work steady at a high switching speed. 2Architecture of the Driving CircuitFig. 1 Configuration of a 4×4 non-blocking switch matrixFig. 1 shows the configuration of a 4×4 non-blocking switch matrix [2]. The OSW, showed in thecloud, is a 1×2 lithium niobate switch. It is the load of the drive circuit, which is equivalent to a capacitance (75pF) [3]. Each Sub-board can achieve a 1×4 switch, which is composed of three OSW. MUX needs no electric operation, which is a passive optical component. To simplify the whole structure, every three OSWs, as showed in dotted line, used a same drive circuit. There were three parts in this circuit: Low-voltage Unit (LU), High-voltage driving Unit (HU) and Adjusting Unit (AU).Fig. 2 Function Block of Circuit2.1 The LULU achieved all logic mapping. It received routing signal from another board, and changes it into a control signal to operate HU. The disadvantage of this simple model is that there were no protections against logic errors. For the first reason, the MOSEFT, used in HU, can’t be working under high-voltage for a long time [4]. The second reason is that a wrong routing signal may lead to a wrong operation of the HU. As the structure of the system, at the most, there will be only two OSW working at the same time. When the wrong operation cause three working at the same time, it’s no only lead huge power dissipation, but also can damage the MOSEFT used in HU. To overcome this disadvantage, there is a protection. First, a counter added into the system. It starts to work, when a routing signal was received. When it counts to 200ns, no matter if there is routing signal or not, theLU will terminate to translate control signal and HU will be back into the initialization. So the MOSEFT can be protected against a over-time used. To overcome the second disadvantage, there need a truth table to detect which routing information is true and which operation should be prohibited. As there were four similar parts in the system, there may be need four different truth table. But, if there four different departments were designed, there may not only increase the logic resource, but also lead to a potential risk, that there were four similar but different parts, it is difficult to distinguish and if one of them can’t work, the others can’t substitute it for the diversity of the truth table. Boolean can be used to overcome the question. To use Boolean, the routing signal must be designed elaborately, so the Boolean operation of routing signal can be used to predigest the logic.B VDSS (V) R DS(ON) (ohm) I D(ON)C ISS (pF)C RSS (pF)DEVICE TN2540 TP2540 Min400-400Typ Max8.0 12.020.0 30.0Min0.3-0.2Typ Max95 12560 125Typ Max102510 25BV DSS = Drain-to-Source Breakdown Voltage C IN = Input Capacitance of whole HUC ISS = Input Capacitance of MOS C RSS = Reverse Transfer CapacitanceI D(ON)=ON-State :Drain Current R DS(ON)= Static Drain-to-Source ON-State ResistanceTable 1 Electrical Characteristics of TN2540 and TP2540[4]2.2 The HUThe HU is the part that work under a high voltage and switch at a high speed. As the diversity of the OSW, the work voltage of HU is around 420V to 330V. And to satisfy the Burst-length, the switching speed –raising edge of control signal —must be restricted less then 100ns[5]. The circuit, showed in Fig.3, can implement this function. It is the output stage of all this system and consists of low threshold DMOS discrete transistors TP2540N3 and TN2540N3 [4]. These devices have a breakdown voltage rating of 400V minimum. Output voltage swings can switch from 0V to 400V. Input capacitance is increased due to Miller effect, C IN = C ISS + C RSS (G FS* R L). Low C RSS & C ISS capacitance, high output current, low on-resistance and 400V breakdown voltage are requiredparameters for the output transistors. The TP2450N3 and TN2450N3 are ideally suited these requirement. Their parameters are listed in Table 1.During power up and power down conditions, it is possible for transient voltages greater than 20V to appear across the gate-to-source on the output transistors. Maximum gate-to-source voltage, V GS , is rated at ±20V . 15V zener diodes are connected across the gate and source of the output transistors to protect against such transient voltages. These diodes will not be zenering during normal operation. Fig 4 shows the operate voltage (Repetition Rate is 20 KHz). In the test, we use fixed frequency square-wave to simulate the Burst. The test result showed that the highest Repetition Ratewas 20 KHz.Fig.3 The High-voltge driving Unit (HU) Fig.4. 50 usec Output Pulse2.3 The AUThe kernel element of AU is the positive voltage adjustable regulator. It is easy to use for the reliability. But the output voltage range (around 40V) of the regulator is too limited to suit the requirement of 300V to 400V for this circuit. So, there must be a new type of design to meet the requirement. Fig 5 showed the typical use of the regulator.Fig 5 The typical use of the regulatorFig 6 The Adjusting Unit circuit (AU)There is a norm voltage between Adjust Pin and the Output Pin and the Output V oltage is V OUT [6].⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+×=12125.1R R V OUT The adjustability is achievement for modulating the R 2. The Input–Output V oltage Differential must be limited between 1.5V and 25V . To content the high-voltage requirement, therefore, there is an expansion to the input circuit. As it is showed in Fig 6, a zener was added between B and D. It confirms that the voltage differential between B and D was kept in a constant value, no matter the input change out of the range or not. So it can confirm the Input–Output V oltage Differential constant. 7.01−=−DZ OUT IN V V V . V DZ1, here, is the Reverse V oltage of zener diode and its value is 6.3V . So, )(8.57.03.6V V V OUT IN =−=−. The voltage higher then (V OUT +5.8V) in input voltage was consumed on Q (a power transistor). For the minimum V OUT is 350V and the voltage at A is 600V , the transistor Q must endures a voltage V AC :)(2.244)8.5350(600V V AC =+−=So the power transistor used here is BU326. The Collector-Emitter Sustaining V oltage of BU326 is 400V . The new design of the output circuit is to add tree zeners to expend the output voltage range. The voltage on R4 is (V DZ2+V DZ3+V DZ4 +1.25V). So the new norm voltage is (V DZ2 +V DZ3+V DZ4 +1.25V). The Reverse V oltage of D2, D3 and D4 were 80V . So the V OUT can be expended to: )1(5.241)1)(25.1(465465432R R R R R R V V V V DZ DZ DZ OUT ++×=+++++= R5 is a rheostat from 0 t o10 kohm. The value of R4 and R6 is 30k and 12k. So the range of V OUT V is 338.1 to 418.6. Totally achieve the work requirement of lithium niobate optical switch.3 Experiment Results and ConclusionIn this paper, a whole set of driving circuit for lithium niobate optical switch is proposed. The layout of driving circuit is showed in Fig7. Compared with traditional circuit, it can increase the generality (for the huge adjustability of the high-voltage) and simplify the structure of the complete circuit. The result of the experiment shows that it can work safely for 3 hours and the float of the output voltage is less then 3V.Fig 7 The layout of driving circuit References[1] A. C. O'Donnell, N. J. Parsons, "1×16 lithium niobate optical switch matrix with integral TTL compatible drive electronics" Electronics Letters, vol. 27, Issue 25, pp.2367-2368, Dec. 1991[2]C. Qiao and M. Yoo, “Optical burst switching (OBS) – A new paradigm for an optical internet,” J. High Speed Networks, vol. 8, no. 1, pp. 69-84, 1999.[3] www. [4] [5] M. Yoo, M. Jeong, and C. Qiao, “A high speed protocol for bursty traffic in optical networks, in SPIE proceedings,” All Optical Communication Systems: Architecture, Control and Network issues, vol. 3230, pp.79-90, Nov. 1997.[6]N. R. Malik. Electronics Circuits — Analysis Simulation and Design. Prentice Hall, 1995。