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《天津大学》 2013年
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声表面波驱动布拉格型波导声光调制器的研究

王俊涛  
【摘要】:布拉格型波导声光调制器具有体积小、驱动功率低、开关速度快、设计灵活方便、便于集成等优点,在光频域反射测量、调Q光纤激光器和光通信等领域中都有很好的应用前景。 本论文首先对LiNbO3和LiTaO3中的波导声光互作用进行了系统的理论研究,为高效波导声光器件的设计提供了理论基础。同时,针对一种新型的波导声光调制器进行了实验研究和理论设计。论文的主要工作和创新点如下: 1、首次对LiNbO3中的波导声光互作用进行了系统的理论研究,分析了LiNbO3的切割方向、光波导参数、声表面波频率和传播方向、导光波波长和模式等因素对波导声光互作用的影响。研究发现在128°旋转Y切X传LiNbO3(128°YX-LiNbO3)中用200MHz的声表面波调制光场分布集中的TM模导光波时波导声光互作用的效率最高,因此128°YX-LiNbO3是波导声光调制器的最佳衬底材料之一。另外,XZ-LiNbO3拥有很大的波导声光互作用带宽且对导光波偏振状态不敏感,可以作为波导声光偏转器的衬底材料。 2、对AlN/128°YX-LiNbO3结构中的波导声光互作用进行了理论研究,研究发现AlN薄膜材料可以提高128°YX-LiNbO3中波导声光互作用的温度稳定性和调制速率。当导光波为光场分布分散的TM模时,AlN薄膜还可以大幅度提升波导声光互作用的效率。 3、提出将LiTaO3作为高功率波导声光互作用的衬底材料,从理论上研究了LiTaO3中的波导声光互作用效率,发现在X切136°旋转Y传LiTaO3(X136°Y-LiTaO3)中调制光场分布集中的TE模导光波时的效率最高。 4、对1.06μm的新型波导声光调制器进行了初步的实验研究,得到了6dB的插入损耗和4.3%的衍射效率。在实验研究的基础上对调制器的设计参数进行了改进。改进后的调制器在理论上的衍射效率达到82.8%,插入损耗降低到3dB。研究了不同边界条件锥形波导在调制器中的应用,其中指数凸型锥形波导的应用很好的解决了调制器尺寸和衍射效率之间的矛盾。 5、在理论上对1.55μm的新型波导声光调制器进行了设计,调制器的开关速率为几十ns,衍射效率为80.8%。研究了调制器在多波长同时运转下的情况,当使用质子交换光波导时,调制器在C、L和S波段的衍射效率在79.5%~80.8%之间。论文还提出了网格型、梳型和改进梳型三种N×N波导声光开关的设计思路。
【关键词】:波导声光互作用 波导声光调制器 衍射效率 128°YX-LiNbO3
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN761
【目录】:
  • 中文摘要3-4
  • ABSTRACT4-8
  • 第一章 绪论8-21
  • 1.1 引言8
  • 1.2 光波导调制技术概述8-9
  • 1.3 波导声光调制器的研究意义9-15
  • 1.3.1 光频域反射测量技术9-11
  • 1.3.2 调 Q 光纤激光器11-14
  • 1.3.3 波导型声光开关14-15
  • 1.4 布拉格型波导声光器件的国内外研究现状15-17
  • 1.5 本论文的主要内容及创新点17-21
  • 第二章 布拉格型波导声光调制器的基本原理21-40
  • 2.1 声表面波21-24
  • 2.2 光波导24-31
  • 2.2.1 光波导中的导波24-25
  • 2.2.2 单模扩散光波导的传输特性25-31
  • 2.3 表面波声光效应31-36
  • 2.3.1 表面波声光效应耦合波方程31-34
  • 2.3.2 波导光的调制34-36
  • 2.4 布拉格型波导声光器件的特性参数36-40
  • 2.4.1 导光波的偏转角36
  • 2.4.2 波导声光器件的衍射效率36-37
  • 2.4.3 波导声光器件的带宽37-38
  • 2.4.4 波导声光器件的响应时间38-40
  • 第三章 波导声光互作用的研究40-86
  • 3.1 声光材料40-41
  • 3.2 LiNbO_3中的声表面波41-48
  • 3.2.1 声表面波传输理论41-43
  • 3.2.2 欧拉坐标变换43-44
  • 3.2.3 LiNbO_3中声表面波的传输特性44-48
  • 3.3 128°YX-LiNbO_3中的波导声光互作用48-61
  • 3.3.1 128°YX-LiNbO_3中声表面波的场分布48-50
  • 3.3.2 单模光波导的声光互作用50-55
  • 3.3.3 不同类型单模扩散光波导的声光互作用55-58
  • 3.3.4 多模光波导的声光互作用58-60
  • 3.3.5 导光波波长对声光互作用的影响60-61
  • 3.3.6 小结61
  • 3.4 AlN/128°YX-LiNbO_3中的波导声光互作用61-72
  • 3.4.1 AlN/128°YX-LiNbO_3中声表面波的传输特性62-67
  • 3.4.2 重叠积分67-68
  • 3.4.3 波导声光互作用效率68-71
  • 3.4.4 小结71-72
  • 3.5 LiNbO_3中的波导声光互作用72-78
  • 3.5.1 不同切割和传播方向下的声表面波场分布72-73
  • 3.5.2 不同切割和传播方向下的波导声光互作用效率73-75
  • 3.5.3 X 传 LiNbO_3中漏声表面波的波导声光互作用效率75-77
  • 3.5.4 小结77-78
  • 3.6 LiTaO_3中的波导声光互作用78-86
  • 3.6.1 LiTaO_3中的声表面波78-83
  • 3.6.2 不同切割和传播方向下的波导声光互作用83-85
  • 3.6.3 小结85-86
  • 第四章 新型波导声光调制器的实验研究86-95
  • 4.1 新型波导声光调制器的结构86-87
  • 4.2 波导声光调制器的制作87-90
  • 4.2.1 衬底材料的准备87-88
  • 4.2.2 光波导的制作88-89
  • 4.2.3 叉指换能器的制作89
  • 4.2.4 调制器的封装89-90
  • 4.3 叉指换能器匹配网络的设计90-91
  • 4.4 调制器性能的测试91-93
  • 4.5 总结与展望93-95
  • 第五章 新型波导声光调制器的设计95-122
  • 5.1 导光波的衍射95-98
  • 5.1.1 多重平面波散射理论95-96
  • 5.1.2 结果与讨论96-98
  • 5.2 1.06 μm 新型波导声光调制器98-112
  • 5.2.1 光波导参数设计98-105
  • 5.2.2 调制器的布拉格带宽105-106
  • 5.2.3 锥形波导的优化106-111
  • 5.2.4 小结111-112
  • 5.3 1.55μm 新型波导声光调制器112-121
  • 5.3.1 光波导参数的设计112-114
  • 5.3.2 调制带宽的研究114-117
  • 5.3.3 2×4 调制器的研究117-119
  • 5.3.4 N×N 光开关的设计119-120
  • 5.3.5 小结120-121
  • 5.4 本章小结121-122
  • 参考文献122-130
  • 发表论文和科研情况说明130-131
  • 致谢131

【参考文献】
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