MachZehnder电光调制器的光学偏置研究

电子科技大学

硕士学位论文

Mach-Zehnder电光调制器的光学偏置研究

姓名：黄成功

申请学位级别：硕士

专业：光学工程

指导教师：陈福深

20070401

第一章绪论

现宽带调制，最大的优势在于它的电光系数比较高。因此铌酸锂器件已经被广泛应用，并且还有很大的发展空间，对于这类应用，它是最有发展前途的介质材料，因此当前实用光纤通信系统中都选用铌酸锂电光调制器。宽带铌酸锂电光调制器是目前高速、长距离的光纤通信系统中不可或缺的关键组件。Ｍａｃｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ铌酸锂电光调制器的结构如图１．２．１所示。

１．３集成光波导传感器

图１．２－１Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ铌酸锂电光调制器

高速电光调制器用途广泛。高速Ｍ－Ｚ铌酸锂调制器除用于高速据率的光纤传输系统外，还可制备成集成光波导传感器测量微弱的微波电场。集成光波导传感器及相应系统结构如图１．３－１所示。

集成光波导传感器的研究是集成光学技术的一个重要领域。它为光学传感器开辟了新的发展方向。它解决了传统传感器暴露出的体积大、稳定性差、光束的对准和准值困难等问题。器件中的介质光波导直接成为感应和传递信息的媒质。在被检测信号的调制下，使波导中的光强度或相位随着信号相应的变化。在众多传感器中，集成光波导传感器具有以下优点：（１）与基于电信号探测的传感器相比，集成光波导传感器基于光信号探测，可以避免外界电磁场的干扰，有更好的稳定性和可靠性，有利于在恶劣环境下使用；（２）通过灵活选择波导材料和优化设计结构以获得更高的灵敏度；（３）通过单片集成，可实现多信道同时测量以及系统微型化和多功能化，并降低功耗；（４）通过与微机械、微电子技术相结合，可提供新的传感应用和集成潜力；（５）通过集成工艺实现规模化生产，可降低成本【１１１【Ｉ２】Ｉｌ

３１。集成光波导传感器有利于实现多功能集成、紧凑封装和批量生产，以

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及拥有小型轻量、稳定可靠、低耗高效等其他结构传感器无法比拟的优势，是新～代传感器系统的重要组成部分。

图Ｉ．３－１集成光波导传感器及其系统图示

凭借集成光波导传感器的众多优势，其应用领域也会更加广泛。目前在精确检测甚高场和高压电场传输线以及快速感应高功率微波源系统中具有可喜的应用前景。

目前，国际上众多国家正在对用于不同用途的集成光波导传感器进行研制，其中包括压力、电磁场、流量、加速度、角速度和生物化学传感器等。我国的众多科研院校机构也开展了各种类型的集成光波导传感器的研究工作，并取得进展【１４】【１５】【１５ｊ。１９９４年．中国科学院长春物理研究所研制出了～种用于检铡汽车点火的啊扩散ＬｉＮｂ０３光波导电场传感器【＂】。在此基础上，中科院长春光机与物理所于２００１年又研制出了高性能的集成光波导电场传感器。它的研制成功，可成为火箭发射系统、电力部门高压绝缘漏电、局部高压放电、空间电位分布、大气电磁场分布等方面的检测手段１１３ｌ。

在不久的将来，随着新原理、新材料和新工艺的进步，集成光波导传感器将会灵敏度更高、带宽更大而且同时还具有多功能、智能化、集成化特点，适应当

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第二章ＭａｃｈｏＺｅｈｎｄｅｒ铌酸锂电光调制器的基本原理及偏置由于铌酸锂晶体ｚ轴方向的电光系数力３是ＬｉＮｂ０３的电光张量矩阵中取值最大的元素（Ｙ３３＝３０．９×１０＂１０ｅｒａ／Ｖ）。当外加电场为ｚ方向时，在ｚ轴方向的折射率变化最大１９】。这对于提高相位变化即调制深度十分有益．要获得最大的折射率变化，在正确选择调制器的波导和电极结构的同时，还要正确选择ＬｉＮｂ０３晶体基片的取向，常用某方向的“切”表示【２阳。如ｚ切，则表示晶体的ｚ轴垂直于晶体的光滑表面即能形成波导和覆盖电极的那一面，其余ｘ切和ｙ切可类推。在铌酸锂电光调制器的设计中，我们必须正确选择合适的晶体取向以获得最大的电光系数物。通常晶体的取向采用ｘ切、ｚ切结构，如图２．２．１所示。

图２．２．１为典型的ＬｉＮｂ０３光波导相位调制。图２．２．１（ａ）ｅＦ，选择的是Ｘ切ｙ方向传播的ＬｉＮｂ０３基片，电极位于光波导两侧，水平方向电场对波导产生调制作用，光波导传播模是ＴＥ模。图２．２．１（协中，选择ｚ切ＬｉＮｂ０３基片，光传输模是ＴＭ模，电极直接覆盖在波导上面，电场的垂直分量对波导产生调制作用。由于波导上金属电极会带来波导中的光波损耗。因此，在电极与波导之间必须使用隔离层。Ｊ切基片中由于波导位于两电极之间，可以不需要缓冲层，但为了实现宽带调制，石切调制器一般都会加Ｓｉ０２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。

２．２．３电光调制器的基本原理

圈２．２－２Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｔｌｄｅｒ铌酸锂电光调制器

Ｍａｅｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ铌酸锂电光调制器的基本结构如图２．２．２所示。从图中可看出，

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第三章非对称Ｍ．ｚ结构光学偏置

器、光开关、无问距定向耦合器等器件的重要组成部分，而且还可单独用于功分器或模式分离器。在Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ结构电光调制器中，Ｙ分支波导是３ｄＢ功分单元和耦合器单元，主要用于光功率的分离和两束相干光的干涉【９】。

在Ｙ分支波导结构中，如果两输出分支波导不对称，Ｙ分支输入波导中的导模传输将遵循“传播常数最接近”的原则口６１，只转换到传播常数与之最接近的那个波导。当输出分支波导宽度改变时，模式转换关系及转换后的模式阶数可能会改变。非对称Ｙ分支表现为一个光模式分离器或是模式混合。只有Ｙ分支两输出分支波导在结构上完全对称，Ｙ分支输入波导中的导模才会以两个相同模数、等功率的导模转换到丽输出分支波导中去，此时分支波导成为一个３ｄＢ功率分离器。由此在Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ结构电光调制器设计中，Ｙ分支严格要求对称。

本论文中，采用啊扩散ＬｉＮｂ０３制备波导，Ｙ分支波导的分支角一般要求小于３０。才能取得较好的波导低损耗与单模传输模式。直接转向型Ｙ分支波导要求分支角必须小于ｌｏ，才能避免大的辐射损耗【３７１，但角度过小会增加分支的长度将导致Ｍａｔｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ结构电光调制器尺寸增加，另一方面Ｙ分支角太小将令器件制作困难。

图３．２－１（ａ）直接转向型对称分支波导（ｂ）Ｓ弯曲型分支波导常用的对称型Ｙ分支从过渡区的类型上可以分为直接转向型Ｙ分支和Ｓ弯曲型Ｙ分支。如图３．２．１所示，直接转向型Ｙ分支与ｓ弯曲型Ｙ分支波导分支角相同、分叉距离相同的条件下，Ｓ弯曲型分支波导比直接转换型分支波导短。而且Ｓ弯曲型波导的损耗小于直接转向型，因此在实际的Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ设计中，常采用ｓ弯曲型分支波导。为便于说明路径改变实现光学初始偏置，本设计采用直接转向型Ｙ分支波导。根据对Ｍａｔｈ．Ｚｅｈｎｄｅｒ结构电光调制器中分支角的仿真计算与分析，本设计将采用直接转向型对称分支波导。