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高速铌酸锂波导电光调制器关键技术研究

甘小勇  
【摘要】:高速电光调制器是大容量光纤传输网络和高速光电信息处理系统中的关键器件,由于我国对高速电光调制器核心技术掌握得非常少,所以研究开发具有自主知识产权的高速电光调制器产品,有利于我国光电子产业的长远发展。因此本文选取铌酸锂电光调制器为研究对象,在介绍国内外发展与应用动态的基础上就铌酸锂高速电光调制器设计和制作的关键技术进行了研究。 在对光波导结构参数的设计中,针对传统的Crank-Nicholson二维差分束传播法(FD-BPM)在计算精度和计算效率上的不足,引入非均匀网格的Generalized-Douglas格式的FD-BPM对Mach-Zehnder (M-Z)结构光波导进行了模拟分析,获得了光波导的优化参数;为了克服截断误差对精度的影响,用三维级数展开的束传播法(SEM-BPM)法进一步分析了三维M-Z波导结构的Y分支形状对波导性能的影响,分析结果表明余弦形状的Y分支结构优于上升反正弦结构的Y分支,且SEM-BPM模拟结果与解析计算结果吻合较好,证明了SEM-BPM法的准确性。 电极结构是设计电光调制器的另一个关键技术,本论文利用美国特拉华大学提供的一个免费的保角变换(SC)工具包编写程序对电极结构进行了完整的模拟分析。分析表明,采用厚金电极、脊波导结构、低折射率的缓冲层以及衬底上开槽等方法可以在不同程度上改善调制器的性能,但它们对调制带宽、阻抗匹配和导体损耗的影响是不同的,在实际设计时应该综合考虑;另外分析表明在单驱动条件下,采用x切晶体比z切晶体可获得更好的调制性能。 除了速度匹配外影响高速调制的另一重要因素是传输损耗,因此为了进一步研究提高调制器的调制带宽的方法,本论文用一种改进的时域有限差分法(FDTD)即Conformal FDTD法讨论了不同电极结构下导体损耗、介质损耗和辐射损耗与调制频率的关系,分析表明随着调制速率越来越高,介质损耗和辐射损耗的影响越来越大,甚至会超过导体损耗的影响,由于电极的各结构参数对各种损耗都有影响,因此可以通过进一步优化电极结构参数来提高调制带宽。 在高速调制时,外调制器的啁啾对光传输系统的带宽是很明显的,因此本文 WP=9 分析了Mach-Zehnder结构电光强度调制器啁啾参数的影响因素,分析表明调制器的Y分支的不对称、外加电信号的不对称,电极的相对位置以及电光重叠积分因子都对啁啾有影响;另一方面,可以充分利用负啁啾或可调的啁啾来改善系统的色散特性,降低系统的比特误码率。 结合电光调制和传输线理论,本论文还对电光调制器的速度失配和传输损耗对输出光脉冲的影响作了定量分析,表明速度失配会使光脉冲峰值下降、使脉冲宽度增加,而损耗只使脉冲峰值下降,但脉冲不展宽;另一方面对频域响应的研究表明传输损耗和电极长度对频率响应影响很大,由于多种影响因素的综合结果,调制器各参数与带宽以及所需最大功率功率之间的关系不是简单的单调关系。 由于脊结构对电光调制器的各性能参数都有积极的影响,因此本文对脊结构光波导的制作工艺进行了实验研究,提出了用简单的退火质子交换和湿法刻蚀的方法制作自对齐的脊结构波导,实验结果证明,在晶片质量很好的条件下,用这种方法可以得到较好的脊波导,但要得到很厚的脊波导,还必须对实验工艺作进一步的改进。


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