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集成光波导宽带LiNbO_3电光调制器研究

崔海娟  
【摘要】: 随着多媒体技术、计算机网络和无线业务的发展,使得高速电光调制器的需求大大增加。在高速光调制中,直接调制引起的啁啾噪声难以克服,光外调制器在大容量光纤传输系统中,扮演着越来越重要的角色,成为当前的研究热点。目前,实用化的光外调制器主要有:Mach-Zhnder(M-Z)波导型LiNbO3调制器和电吸收型半导体调制器。采用行波电极的M-Z型外调制器调制速率高,波长的啁啾噪声理论上为零,几乎不受光纤色散的限制,已成为高速长距离光纤传输系统必不可少的器件。 本文首先详细的阐述了电光调制器的基本原理和类型,就研究调制器的方法作了介绍,特别是对本文采用的研究方法―施瓦兹保角变换的基本原理作了具体的分析。然后,用一般的椭圆积分计算了普通共面波导型调制器的有效折射率、特征阻抗和导体损耗系数。通过计算发现,采用厚电极和厚缓冲层结构,在实现速度匹配的情况下,可以大大减小导体损耗,但是由于阻抗不能同时满足匹配,调制带宽受到限制。 由于实际的电极横截面形状是梯形而非理想的矩形结构,研究梯形电极中间电极角度和地电极角度对调制器特征参量影响是十分有必要的。通过计算发现,随着中间电极角度和地电极角度增加,有效折射率、特征阻抗同时减小,导体损耗系数也随之减小。但最终特征阻抗与信号源阻抗50Ω相差较大,因此,要实现宽带调制,还需调整中间电极和地电极的高度。 脊型结构光调制器是近年来研究的热点,由于脊型结构初始平面多边形比较复杂,保角变换过程中的超椭圆积分计算比较繁琐,但又无法用一般的椭圆积分进行计算。一般文献中计算脊型结构特征参量,采用的都是准静态有限元法,而本文采用保角变换工具箱进行计算,并且首次采用保角变换和有限元法相结合的方法,对脊型结构特征参量进行计算。通过分析脊深和其它尺寸参数对调制器特征参量的影响,可以看出随着脊深的增加,有效折射率减小,特征阻抗增加,导体损耗减小。对脊型调制器尺寸参数进行优化,在达到速度和阻抗匹配的同时,导体损耗也大大的减小,可以实现超宽带调制。最后,用有限元法分析了普通共面波导和脊型结构调制器中间电极周围的电场分布和电位分布,同时对两者进行比较分析,说明了脊型结构半波电压小于普通共面波导结构的原因,并且给出可以实现宽带调制的脊型结构参数。


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