一種新型鈮酸鋰光纖型調(diào)制器的性能分析

一種新型鈮酸鋰光纖型調(diào)制器的性能分析

隨著光光裕濫向快速和可持續(xù)的方向發(fā)展，光調(diào)制器作為光光系統(tǒng)的主要設備之一受到了廣泛的關(guān)注。目前，til-libo3波電調(diào)制器的制作工藝復雜，成本高。因此，高速帶寬調(diào)制器的開發(fā)仍然是世界各國的研究熱點。在設計電氣調(diào)制器時，需要考慮波形和微波速度的適應，以及波形源的抗逆和電極的特性以及低半波的驅(qū)動電壓。分析表明，抑制波容羅曼波制器的調(diào)解帶寬主要限于抑制海洋鉻酸鹽溶液中的波形和微波信號的速度。由于色散噪聲.m，波中斷時間為2.14，微波的等效折射為4.22。因此，獲得速度組合的有效方法之一是減小微波的等效折射率。為了實現(xiàn)匹配，請采用多種結(jié)構(gòu)：k.kaw等人采用屏蔽電極結(jié)構(gòu)，w.k.buns等人采用脊柱導管結(jié)構(gòu)，h.haga等人在兩個電極之間雕刻間隙結(jié)構(gòu)。例如，厚電和厚西銀停車層。雖然調(diào)制器的相位速度適應性得到了改善，但并未完全解決云提羅液制造裝置本身的局限性問題。本文提出一個全新光調(diào)制器設計方案——鈮酸鋰晶體光纖型行波調(diào)制器.利用LiNbO3晶體光纖作為光傳輸通道,將具有LiNbO3光電效應的晶體光纖作為光的傳輸媒質(zhì),用低介電常數(shù)的Si2N2O材料作襯底,其余為空氣.高介電常數(shù)的LiNbO3材料在整個調(diào)制器中比重很少,僅僅在晶體光纖中有鈮酸鋰材料,這樣就能很好地減小微波等效折射率,使光波與微波速率盡可能在很寬的頻率范圍內(nèi)匹配,以提高調(diào)制帶寬.利用有限元法(finiteelementmethod)對光纖型行波調(diào)制器性能進行理論分析,從理論上論證了該光纖型行波調(diào)制器的優(yōu)越性能.1行波調(diào)制器參數(shù)本文中光纖型行波調(diào)制器電極采用對稱共面帶線電極SCPS(Symmetriccoplanarstrips),光纖型行波調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.調(diào)制器的3dB帶寬公式為Δf?L=2cπ(Nm?N0)Δf?L=2cπ(Νm-Ν0)(1)式(1)中,c為光速,Nm為微波的等效折射率,N0為光波的折射率.調(diào)制器帶寬的影響取決于Nm-N0,即微波和光波的速率失配問題.因此,在設計中應盡量減小Nm-N0.在行波電光調(diào)制器中,傳輸?shù)碾姶挪闇蔜EM波,根據(jù)傳輸線理論Nm=(CC0)12Νm=(CC0)12(2)式(2)中C為填充介質(zhì)時單位電極長度的分布電容,C0為自由空間單位電極長度的分布電容.行波調(diào)制器的特性阻抗可近似計算如下:Z=1cC0C√Ζ=1cC0C(3)行波調(diào)制器的半波驅(qū)動電壓Vπ也是調(diào)制器的一個重要參數(shù)指標,它可以表示如下:Vπ=gλ2n2γ33ΓLVπ=gλ2n2γ33ΓL(4)式(4)中g(shù)為兩電極間距,γ33為電光系數(shù)(30.8×10-12m/V),n鈮酸鋰光波導的等效折射率,L為電極長度,Γ為電光重疊積分因子由如下公式給出Γ=gV∫∫E2op(x,y)Eel(x,y)dxdy∫∫E2op(x,y)dxdyΓ=gV∫∫Eop2(x,y)Eel(x,y)dxdy∫∫Eop2(x,y)dxdy(5)式(5)中V為外加電壓,Eel(x,y)為外加電場,Eop(x,y)為光場分布.2不同緩沖層厚度對微波等效轉(zhuǎn)化率和特性阻抗的影響對行波調(diào)制器性能的分析最后集中到電極單位長度電容計算,目前對電極單位長度電容計算已有不少方法,本文采用有限元法來對光纖型行波調(diào)制器分布電容進行計算,進而得到調(diào)制器的微波等效折射率和特性阻抗.W=∫Sε|?φ|2dS(6)C=2W/U2(7)式(6)(7)中W為電場儲能,ε為介質(zhì)的介電常數(shù),C為電極單位長度電容,U為外加電壓.在充分考慮了不同緩沖層厚度d,電極厚度t,電極寬度w,電極間距g的情況下,對SCPS電極光纖型調(diào)制器的微波等效折射率和電極特性阻抗進行有限元建模計算.得到對稱共面帶線電極(SCPS)調(diào)制器電場等位線如圖2.當給定緩沖層厚度d=0.2μm和電極厚度t=4μm,此時電極寬度(w)從6μm變化到10μm,電極間距(g)從5μm變化到10μm,得到微波等效折射率與特性阻抗和電極間與電極寬度變化關(guān)系如圖3.可見在w取相同數(shù)值時,微波等效折射率隨電極間距增大而減小,特性阻抗隨著電極間距增大而增大.當g取相同數(shù)值時,微波等效折射率隨著電極寬度的增大而減小,特性阻抗隨著電極寬度的增大而減小.取電極寬度w=6μm和電極間距g=5μm,此時緩沖層厚度(d)從0.2μm變化到1.0μm,電極厚度(t)從0.1μm變化到8μm,計算結(jié)果如圖4.當電極厚度(t)取相同的數(shù)值時,微波等效折射率隨著電極厚度增加而減小,特性阻抗也隨著電極厚度的增加而減小.當d取相同數(shù)值時,微波等效折射率隨著緩存層厚度的增加而減小,特性阻抗隨著緩存層厚度的增加而增大.3行波調(diào)制器結(jié)構(gòu)參數(shù)上述計算分析表明,SCPS電極形式光纖型調(diào)制器的微波等效折射率Nm和特性阻抗Z都隨緩沖層厚度d,電極厚度t,中間電極寬度w,電極間距g改變而變化.微波速率與光速的匹配和傳輸線特性阻抗與微波源阻抗匹配是一對矛盾體.因而行波調(diào)制器的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值要綜合考慮微波速率與光速的匹配,傳輸線特性阻抗與微波源阻抗匹配,調(diào)制器的半波驅(qū)動電壓Vπ,和調(diào)制器帶寬Δf3dB.對于工作波長在λ=1.55μm時,電光重疊積分因子Γ=0.5,可得到光纖型行波調(diào)制器結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標如表1所示.該光纖型行波調(diào)制器比較容易解決微波速率與光波速率匹配和阻抗匹配,而且該調(diào)制器的半波驅(qū)動電壓Vπ很小,如果選取調(diào)制長度L=1cm時,則半波驅(qū)動電壓Vπ<2.56V,調(diào)制帶寬Δf=95.49GHz,特性阻抗Z=55.3Ω.4nb3微波調(diào)制器本文利用有限元法對新型鈮酸鋰光纖型行波調(diào)制器