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声表面波型声光波导调制器的研究

李楠  
【摘要】:随着声表面波技术以及集成光学技术的发展,利用声光相互作用原理研究制作成的声表面波型声光波导器件也越来越受人们重视。由于声表面波驱动的声光波导器件有着易于集成、体积小、驱动功率低、带宽大等优点,在调Q激光器、光信号处理、激光显示、光通信等领域有着很好的应用前景。声表面波型声光波导调制器作为声光器件的一种,作用在激光器谐振腔外可以调制入射导光波的频率、幅度、方向;作用在激光器谐振腔内可以作为一种声光Q开关,使激光器产生高峰值功率的脉冲输出。本文对以LiNbO3晶体为衬底的声表面波型声光波导调制器做了系统的理论研究和设计,最终制作成两个成品器件,并对其性能进行了测试,证明器件发生了声光布拉格衍射。论文的主要工作内容如下:1.选取LiNbO3晶体作为波导型声光调制器的衬底,从声表面波的Christoffel方程着手,通过求解分析晶体不同切型和传播方向的耦合波传输特性与耦合波各场分量的分布特性,从而得出一些较有价值的结论。首次提出了一种耦合波线性加权系数的求解方法。2.系统地研究了基于128°YX-LiNbO3声光波导器件的声光相互作用特性,计算并讨论了导光波在不同模式下的重叠积分因子、重叠积分、声功率P100。在理论上得出TM模式下驱动频率200MHz波导厚度3μm的最佳驱动声功率为1.05W。并仿真和分析了波导深度、声光作用区长度、驱动功率对衍射效率的影响。3.首先采用干涉理论对叉指换能器的参数进行了设计。然后利用有限元分析软件COMSOL对声表面波器件进行了多物理场建模仿真,对所设计的器件进行了谐响应分析和模态分析,精确模拟出谐振频率、声表面波振型、电势与应力分布,并对不同材料的质量加载效应进行了仿真分析。最终设计出一种谐振频率为190.7MHz的单端口叉指换能器。4.采用有效折射率法求解出Ti扩散光波导的有效折射率,并根据波导模式特征方程的推导与模拟,得出光波导的宽度与深度的初步设计。5.使用OptiBPM软件,基于光束传播法理论对光波导图形进行了设计、分析与参数优化,并分别对声光作用区长度1000μm与2000μm声光作用效果进行了分析。最后,通过仿真结果给出了理论上的最佳设计方案。6.对加工制作完成的两个芯片进行了半封装与阻抗匹配,分别测得它们的驱动频率为203MHz与189.5MHz。对体波与声表面波驻波的产生做了理论上的分析,并在实验上较好地抑制了它们的输出。设计实验测试了器件的衍射效率,证明了理论设计上切实可行。最后较为全面地总结了实验上的不足并提出了可改进的措施。


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