光纤陀螺系统中的铌酸锂调制器的分析与设计

【摘要】： 铌酸锂调制器被广泛应用在光通信系统，光纤陀螺等系统中，是这些系统的核心器件之一。特别是干涉型光纤陀螺(I-FOG)系统中，高性能的铌酸锂调制器一直是人们期望的。由于在军事和一些其它方面的原因，在我国对这个重要器件的需求尤甚。 本文详细地论述了光纤陀螺系统中铌酸锂光调制器的分析和设计。这些都是围绕调制器的性能参数来研究的，它们包括：半波电压，单模特性，偏振特性(TE和TM模之间的输出功率比值)，损耗，带宽及分支比等。 本文首先分析了所采用的基本方案：对X切Y传铌酸锂进行退火质子交换工艺来制作波导。由于质子交换工艺本身的特性，可以使得偏振特性很容易实现。本文从Maxwell方程的角度讨论了准TM／TE偏振的实现。 有限元法被广泛应用于电磁场的研究中。本论文首次采用了矢量有限元方法来研究质子交换铌酸锂光波导的单模特性和半波电压。本文首先推导了对于时谐场普遍问题的变分方程，进而对X切Y传的铌酸锂波导进行研究。有限元是将微分方程转化为变分问题后进行数值求解的数值方法，本文详尽地给出了有限元的实现过程。在电磁场有限元分析中两个重要问题是边界条件和伪解的处理。本文对各向异性波导的电磁分析的有限元法实现中如何把边界条件加入和除去伪解进行了详细地分析。结合前人的结果，本文提出了在针对本项研究课题的解决方法：根据一定的折射率分布模型，结合实际的工艺条件，选择合理的参数作为分布模型中的参数，然后做矢量有限元分析。通过这种分析，获得了能够达到性能指标的结构和工艺参数，同时也指出了我们分析中的一些不足。 调制器的损耗包括耦合损耗，Y分支结构损耗，电极吸收损耗及材料的散射损耗等等。我们对这其中的最主要因素耦合损耗和Y分支结构损耗进行了详细地分析。对于耦合损耗，指出了在不改变前面结构参数(因为它们的设计是根据半波电压和单模要求设定的)情况下，实现小耦合损耗的方法。对Y分支结构，我们利用BPM法研究。由于铌酸锂材料是一种各向异性材料，必须采用各向异性FD-BPM法分析。本文结合已有的软件对S弯曲结构进行了分析模拟，也得到了达到性能指标的分析结果。 对于光纤陀螺系统的应用，带宽要求是很容易实现的。本文简单地分析了实 现带宽要求的主要因素，并应用近似公式对带宽作出了估计且表明带宽要求是可 以实现的。另外，分支比是由版图和光刻工艺实现的，所以没有进行详细讨论。 本文还分析了一些测试结果并和设计结果做了比较。结果表明设计基本上是 合理的，但还有一些结果还有待验证。本文最后指出了上述分析设计方法上的不 足，简单地讨论了将来改进的方法，为进一步制作一个能够产品化的器件指明了 方向。