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准共线耦合的集成声光可调谐波长滤波器的研究

林航友  
【摘要】:集成光学声光可调谐滤波器具有可调谐范围大、带宽窄、同时多波长选择和 可作为增益平衡器等特点,该器件在光通信和光网络方面将得到广泛的应用,并 具有巨大的经济价值。本文围绕集成声光可调谐波长滤波器中的关键技术,对光 波导设计、偏振无关、侧瓣抑制、拓宽调谐范围等技术进行理论与试验研究,完 成了一套集成光学声光可调谐滤波器,其性能处于国际领先水平,为了进一步提 高该器件性能,在宽带声光耦合叉指换能器、集成光学反射镜、Si包层偏振模转 换器等分立器件做了相关研究。论文的主要创新点为以下几个方面: 一、 光波导设计 1.首次采用调和 Airy 函数的 WKB 法对 Ti:LiNbO3 平板波导进行了理论研 究。并首次证明了波导的截止相移为一常数,即π /6,这一理论结果可为单模光 波导的设计提供准确的归一化频率范围和准确的工艺参数。 2.理论上,首次提出了一组具有新特性的矢量有限元基函数。该函数在单 元边界权重为零,同时旋度不为常数,弥补了以往矢量有限元线性基函数的两点 缺失特性。同时,在单元中心点仍然保持了散度为零的特性,由于该基函数具有 相互正交特性,使运算效率明显提高。 二、侧瓣抑制方法与消除多普勒频移 1. 为了克服采用声定向耦合器的 IAOTF 的几个缺点:驱动功率高、实际的 侧瓣抑制水平差、结构复杂等,首次提出了准共线声波导(模转换器)的基本思 想,由于声波的强度分布呈类似 Hamming 函数的分布,使得模转换特性曲线的 侧瓣大大降低、结构和制作工艺简单、滤出带宽更窄,因而该结构比其它类型的 声光滤波器更具优势。从理论上导出了光波导与薄膜声波导之间的优化夹角,并 首次从理论上研究了薄膜波导对光波导有效折射率的影响。实验上,制作了该结 构的模转换器,将侧瓣抑制到-13.2dB,带宽 1.46 nm,接近理论值-13.4dB 和 1.44 nm,目前在国际同类器件的性能上处于领先水平。 2.为了进一步压低侧瓣和消除多普勒频移,首次提出了采用集成光学反射 镜来实现 IAOTF 的级联概念,并制作了集成光学反射镜。 三、拓宽调谐范围和提高滤出光波偏振态的纯度 1. 首次提出了一种新型的宽带声光表面波叉指换能器 (SAW-IDT), 该换能 器应用双梯形倾斜电极,可对单梯形倾斜电极 IDT 通带的高频成分进行补偿,使 通带更宽更平直,并无需外补偿网络,该器件可望作为 1.15~1.65 红外频谱分 析仪的分光器件。 2. 由于定向模分离器具有频率特性,模分离比在整个调谐频谱范围内不为 常数,为了克服这个缺点,首次采用了 Si 薄膜包层的偏振模分离器设计思想, 并实际制作了该器件,其模分离比为 34dB,由于该器件结构简单,只需在原模分 离器的输出端口镀上一层 Si 膜,没有特殊的附加工艺过程,就可进一步改善 IAOTF 的性能。


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