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铌酸锂低半波电压调制器研究

李学鹏  
【摘要】:电光调制器在光通信、光传感与光信息处理领域具有重要的应用价值,是这些系统的关键器件之一。目前,电光调制器基本上都是使用无机晶体铌酸锂(LiNbO3,LN)材料制作,这是因为LN具有较大的电光系数,在较宽的波长范围(450 nm-4500 nm)内具有良好的光学透明性,以及具有成熟的波导制作工艺。在电光调制器的应用中,为了降低系统的功耗,提高器件的性能,以及方便地实现与系统的其他部分集成,通常要求电光调制器具有低的半波电压。因此,在电光调制器的研究领域,降低器件的半波电压是一个重要的研究方向。为了实现低的半波电压,对LN电光调制器而言,最有效的办法是使用较长的电极,从而增加电光作用区长度,但这不可避免地会增加器件的长度,不利于器件的制作与系统的集成。此外通过优化波导与电极的设计,如采用脊形光波导增大调制电场与光场的重叠积分也是降低半波电压的一种方法,但这将导致复杂的工艺,而且对半波电压的降低也十分有限。因此,本论文针对降低LN电光调制器的半波电压进行研究,探索了利用反射结构实现低半波电压的原理,并以x切y传的LN晶体为材料,通过退火质子交换的方式,研究了反射式LN电光调制器的制作工艺及相关测试技术。论文的主要工作及成果如下:1.研究了反射型LN低半波电压电光调制器的基本原理首先对LN相位调制器、马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,M-Z)干涉仪强度调制器的基本原理进行了分析,然后在此基础上讨论了降低LN调制器的半波电压的方法,并分析了反射型LN低半波电压电光调制器的基本原理。此外,通过对LN光波导的两个端面镀膜制作了波导型法布里-珀罗腔(Fabry–Pérot,F-P),并对其传输特性进行了研究。2.退火质子交换LN光波导的理论分析与制作工艺研究首先利用有效折射率法研究了LN光波导的设计,确定了单模LN光波导的参数;然后研究了基于退火质子交换制作LN光波导的工艺技术,经大量实验后得到了制作出合格的LN单模光波导的工艺条件;最后,进一步通过对波长为1538.3 nm时LN有效折射率的研究来优化实验参数,并重点研究了交换时间及退火时间对光波导的影响,最终得到了实现低损耗LN光波导的工艺条件。3.LN反射型电光调制器的设计、制作及测试根据反射型LN电光调制器的工作原理,设计了相应的器件结构参数;根据这些参数制作了相应的光刻掩模版;利用退火质子交换工艺制作了反射型LN相位调制器、强度调制器及LN光波导F-P腔;搭建了测试平台,分别测试了LN调制器的光学特性,电光调制特性及半波电压,其结果表明所设计的反射型LN电光调制器可实现4 V的半波电压,此外,对腔长800μm的LN光波导F-P腔的传输谱特性进行了测试。


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