LiNbO3電光調(diào)制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作_圖文

1、電光調(diào)制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作張青云（天津消防器材總廠天津）摘要：鈮酸鋰晶體有良好的光聲和電光性質(zhì)，因而基于鈮酸鋰的集成光學(xué)器件已引起人們廣泛關(guān)注。利用作為介質(zhì)材料，設(shè)計(jì)干涉型強(qiáng)度調(diào)制器。選用低損耗的質(zhì)子交換光工藝技術(shù)制備光波導(dǎo)。對(duì)質(zhì)子交換鈮酸鋰光波導(dǎo)的制作工藝、波導(dǎo)特性及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。對(duì)電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：晶體；干涉型強(qiáng)度調(diào)制器；電光調(diào)制器；光波導(dǎo)中圖分類號(hào)：，文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）。（，）：（）】：；光通信在近十年來(lái)得到的飛速發(fā)展使各種無(wú)源和有源光器件得到了廣泛的研究和應(yīng)用。電光調(diào)制器是人們研究得最多也運(yùn)用得最多的光調(diào)制器，他利用晶體的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的調(diào)制，晶體由于其

2、良好的光學(xué)性能和低的生長(zhǎng)成本在光纖通信、光纖延遲線、電場(chǎng)傳感、光控相控陣?yán)走_(dá)、光纖陀螺慣性技術(shù)、核爆模擬系統(tǒng)中進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理與傳輸廣泛的應(yīng)用¨“。本文研究的，。電光調(diào)制器是利用馬赫一曾德?tīng)柛缮鎯x（型干涉儀）調(diào)制光信號(hào)，采用質(zhì)子交換工藝制作出條波導(dǎo)，并在條波導(dǎo)上制備相應(yīng)的調(diào)制電極，采用行波電極結(jié)構(gòu)，他比傳統(tǒng)的集總型平面波導(dǎo)調(diào)制器具有更高的工作帶寬。這種調(diào)制器與其他調(diào)制器相比，制備工藝簡(jiǎn)單和電極結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)度調(diào)制器波導(dǎo)設(shè)計(jì)與制作工藝技術(shù)為了得到最佳調(diào)制效率，首先要選定器件的基本結(jié)構(gòu)。單晶具有很強(qiáng)的電光效應(yīng)，作為聲光材料使用時(shí)也具有較大的品質(zhì)因素和較大的機(jī)電耦合系數(shù)，而且易于制

3、成低損耗的薄膜波導(dǎo)，所以被廣泛用作波導(dǎo)型光學(xué)無(wú)源器件的襯底材料口。圖為典型的干涉儀型強(qiáng)度調(diào)制器。收藕日期：一制作“。波導(dǎo)較為成熟的工藝有種，一種是鈦擴(kuò)散法；另一種是質(zhì)子交換法“。選擇用質(zhì)子交換法的原因在于與已非常成熟的鈦擴(kuò)散技術(shù)相比，質(zhì)子交換技術(shù)不但簡(jiǎn)便、快捷，而且用他制備的。波導(dǎo)具有較小的波導(dǎo)損耗、較強(qiáng)的抗光折變能力、較大的異常光折射率增量。圖干涉儀型強(qiáng)度調(diào)制器用質(zhì)子交換法制作。波導(dǎo)的具體工藝過(guò)程為：在。晶片上沉積一層適當(dāng)厚度的：作為掩模；光刻刻出波導(dǎo)窗口，其余部分被掩模遮擋；清洗晶片；熔融交換源；把。晶片裝入夾具，預(yù)熱；當(dāng)交換源到達(dá)設(shè)定溫度，把夾具連同晶片一起放入交換源進(jìn)行交換；按設(shè)定的時(shí)

4、間交換后把夾具取出；清洗夾具并取出晶片。這就完成了質(zhì)子交換的過(guò)程口。通過(guò)質(zhì)子交換，“波導(dǎo)區(qū)的與交換劑中的交換，使得交換區(qū)的折射率高于周?chē)r底萬(wàn)方數(shù)據(jù)材料的折射率，合理設(shè)計(jì)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以形成光波導(dǎo)。質(zhì)子交換過(guò)程可用下列平衡方程描述：。（。），。，。（。；）。質(zhì)子交換制作波導(dǎo)的交換源有苯甲酸或亞磷酸，但最常用的是苯甲酸，因?yàn)樗悬c(diǎn)高（），在液體時(shí)穩(wěn)定性好、低毒、低成本。但是用純質(zhì)子源制備的“。波導(dǎo)仍存在著一些嚴(yán)重的問(wèn)題，如電光系數(shù)下降，傳輸損耗仍偏高、折射率分布不穩(wěn)定。如采用合適的緩沖質(zhì)子源（如在苯甲酸中加入適量的苯甲酸鋰）或?qū)粨Q后的波導(dǎo)進(jìn)行退火處理（簡(jiǎn)稱波導(dǎo)），上述問(wèn)題就有可能得到解決。退火是

5、把清潔的交換后的。晶片放入石英夾具上，推入石英管道進(jìn)行高溫加熱（），并使之處在有氧的氛圍中持續(xù)一定的時(shí)間（），然后把夾具緩慢地拉出來(lái)。通過(guò)退火工藝重新分布波導(dǎo)中分布，從而改變波導(dǎo)區(qū)折射率分布，并降低波導(dǎo)損耗。強(qiáng)度調(diào)制器電極設(shè)計(jì)與制作工藝技術(shù)由于。晶體的電光系數(shù)中以。最大，為了得到最佳的電光調(diào)制效率，設(shè)計(jì)。調(diào)制器電極結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)是充分利用口。因?yàn)橘|(zhì)子交換源通常對(duì)切材料的表面有腐蝕，導(dǎo)致表面粗糙，引起散射損耗，所以采用切了傳。晶體作為波導(dǎo)襯底¨。其波導(dǎo)與電極的設(shè)置采用圖所示方式?？жビ営?！夕卜！，協(xié)÷：圖最佳的切傳“。電板結(jié)構(gòu)這時(shí)電力線沿圖中坐標(biāo)系的方向，即可以充分利用這個(gè)

6、電光系數(shù)，從而達(dá)到最好的調(diào)制效率。另外，在切割“。的情況下，將電極設(shè)置在波導(dǎo)的上方，其目的是為了使電力線穿過(guò)“的時(shí)候能盡可能的平行于光軸方向。在平面電極的情況下，電場(chǎng)集中于電極的邊緣部分。為了更有效地利用這種邊緣電場(chǎng)，可以將電極的邊緣故意地往波導(dǎo)內(nèi)側(cè)稍做移動(dòng)。實(shí)際上用切割。晶體的一個(gè)好處是鈦的橫向擴(kuò)散少。另外，在切割的模中，器件即使含有彎曲部分和分支部分，其偏光方向還經(jīng)常保持不變，因此切割。晶體比較適合作襯底使用。從圖中看到，在使用切割“。晶體作襯底的情況下，為了避免直接鍍覆金屬所引起的傳輸損耗增加，必須使用緩沖層。作為緩沖層，采用的是折射率比“的折射率充分低的透明電介質(zhì)薄膜。具體地講。是采用

7、等離子化學(xué)氣相沉積工藝技術(shù)（即通常所說(shuō)的）制備（）。緩沖層?；瘜W(xué)氣相沉積法是以某種氣體為原料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，在襯底上淀積薄膜的一種方法?；瘜W(xué)反應(yīng)的條件隨著材料種類的不同，有低溫、高溫、常壓和低壓等。圖鬈切割圖干涉儀的行波電極作用區(qū)與波導(dǎo)平行，引出端按微波技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。制作這種控制電極的要點(diǎn)是緩沖層以及電極用的光掩模與波導(dǎo)之間的位置重合精度要高。電極的位置如果橫向偏離，開(kāi)關(guān)的特性將會(huì)發(fā)生顯著變化。二者位置重合靠的是預(yù)先在波導(dǎo)和光掩模上設(shè)置的定位標(biāo)記，但是以該標(biāo)記為基準(zhǔn)進(jìn)行的位置重合只是大致上的重合；最終通過(guò)觀察波導(dǎo)與電極的邊緣進(jìn)行微調(diào)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與電極圖形重合?？捎酶g法或剝離法制作。光纖與波導(dǎo)

8、的耦合技術(shù)光纖和波導(dǎo)的耦合損耗是由于以下幾個(gè)因素決定的：耦合界面的反射（費(fèi)涅耳反射）；光纖和波導(dǎo)間的對(duì)準(zhǔn)，端面的間隙控制；光纖和波導(dǎo)問(wèn)的模式不匹配。對(duì)費(fèi)涅耳反射損耗，一般可以通過(guò)使用折射率匹配液或在波導(dǎo)端面鍍上一層抗反射膜來(lái)減小。光纖與波導(dǎo)間的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，可以通過(guò)提高光纖和波導(dǎo)在波導(dǎo)寬度方向和深度方向的對(duì)準(zhǔn)精度來(lái)解決。最主要的損耗因素是光纖和波導(dǎo)間的模式匹配。橫向偏移對(duì)耦合效率的影響大于端面間隙的影響，且隨著波導(dǎo)寬度的增加，橫向偏移的影響漸??；耦合效率隨端面間隙的增大呈指數(shù)衰減，并且隨著波導(dǎo)寬度的增加，衰減漸緩。典型的“。質(zhì)子交換光波導(dǎo)的輸出光斑為橢圓形，大小視波導(dǎo)的具體尺寸而定；而標(biāo)準(zhǔn)的單模光

9、纖輸出的光斑為圓形，取決于光纖的模場(chǎng)直徑大小。要減小波導(dǎo)一光纖之間的模場(chǎng)失配損耗，可以設(shè)計(jì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)使其模場(chǎng)分布與單模光纖模場(chǎng)分布相匹配。在減小模場(chǎng)失配損耗方面，人們對(duì)改進(jìn)波導(dǎo)一光纖之間的耦合技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，提出了多種結(jié)構(gòu)并得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這些方法主要是在波導(dǎo)的輸入、輸出端或者在光纖的輸入、輸出端做一些改進(jìn)，或者在兩者之間加微透鏡使兩者的光場(chǎng)相匹配以降低損耗。本文采用光纖波導(dǎo)的端面耦合方式，即在與波導(dǎo)光】卜萬(wàn)方數(shù)據(jù)行進(jìn)方向垂直的波導(dǎo)端面上，射入其場(chǎng)分布狀態(tài)接近導(dǎo)模場(chǎng)分布的光波。這種集中于端面的耦合又稱為端射法或者正面耦合法。將透鏡聚光后的光束從端面射入波導(dǎo)，端面采用垂直研磨或者垂直解理劈

10、開(kāi)制作而成，具有無(wú)缺陷的良好狀態(tài)。減小了光纖波導(dǎo)界面的反射損耗，再通過(guò)精密光纖波導(dǎo)耦合臺(tái)提高光纖波導(dǎo)的對(duì)準(zhǔn)精度，提高耦合效率，達(dá)到降低耦合附加損耗的目的。光纖與波導(dǎo)間的連接如圖所示。波導(dǎo)層圖光纖與波導(dǎo)間的連接為了得到高效率，仍然需要在盡力減小器件間隔的同時(shí)盡量匹配入射光波的分布和導(dǎo)模的分布。對(duì)于菲涅耳反射產(chǎn)生的損耗，可以通過(guò)制作防反射層和用適當(dāng)介質(zhì)填充間隔的方法使之降低。結(jié)語(yǔ)常用的。電光調(diào)制器利用馬赫一曾德?tīng)柛缮鎯x（型干涉儀）調(diào)制光信號(hào)，采用鈦擴(kuò)散或質(zhì)子交換工藝制作出條波導(dǎo)，并在條波導(dǎo)上制備相應(yīng)的調(diào)制電極，這種調(diào)制器與其他調(diào)制器相比，制備工藝簡(jiǎn)單和電極結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，并且這種調(diào)制器可采用行波電極

11、結(jié)構(gòu)，他比傳統(tǒng)的集總型平面波導(dǎo)調(diào)制器具有更高的工作帶寬。參考文獻(xiàn)張德龍，丁桂蘭，崔字明，等質(zhì)子交換光波導(dǎo)物理學(xué)進(jìn)展，（）：，（）吳丹丹，余衛(wèi)龍雙軸晶體電光調(diào)制器的最優(yōu)設(shè)計(jì)物理學(xué)報(bào)，（）：廖尉鈞，陳險(xiǎn)峰，曾祥龍，等退火質(zhì)子交換平面波導(dǎo)型電光調(diào)制器的研究光學(xué)學(xué)報(bào)，（）：，“（），（），：作者簡(jiǎn)介張青云女，年出生，河北蠡縣人，工程師，技術(shù)主管。年畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)在天津消防器材總廠新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部從事產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及研究工作。（上接第頁(yè)）可見(jiàn)，濾波后可以有效去除脈沖噪聲，減弱白噪聲的干擾。最后，驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)，插入串口通信節(jié)點(diǎn)與控制器連接。在實(shí)際測(cè)量中，出現(xiàn)探測(cè)器的暗電流，雜散光和對(duì)稱性的

12、問(wèn)題，所以在上位機(jī)控制程序中加入濾波模塊，用予去除脈沖噪聲和平滑白噪聲。加入了控制器模塊，采用模糊控制技術(shù)來(lái)解決溫度波動(dòng)帶來(lái)的傳感器波動(dòng)的問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)果基本符合要求，且具有良好的魯棒性和可靠性。結(jié)語(yǔ)本文詳細(xì)介紹了二元直寫(xiě)調(diào)焦系統(tǒng)的檢焦原理，以及如何采用實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)。借助使系統(tǒng)具有良好靈活性和可移植性，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集和處理。二元光學(xué)元件的激光直寫(xiě)設(shè)備是集精密機(jī)械、電控、數(shù)控、計(jì)算機(jī)及激光于一體的超精密光刻設(shè)備。在國(guó)防軍事、航天、醫(yī)療中將會(huì)有著更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)熊木地，肖文禮，邢忠寶激光直寫(xiě)設(shè)備調(diào)焦伺服控制系統(tǒng)的研究光學(xué)精密工程，（）：侯澍像差在臨界角方法探焦技術(shù)中的影響光學(xué)精密工程

13、，（）：張景和，廖江紅，劉偉，等二元光學(xué)元件激光直接寫(xiě)入設(shè)備的研制儀器儀表學(xué)報(bào)，（）：卡塔洛頗羅斯密集波分復(fù)用技術(shù)導(dǎo)論北京：人民郵電出版社，北京阿爾泰公司開(kāi)發(fā)資料楊樂(lè)平，李海濤，楊磊程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用版北京：電子工業(yè)出版社，馮曉國(guó)，孫連春臨界角法探焦靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究刀計(jì)量技術(shù)，（）：作者簡(jiǎn)介劉洋男，年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楣怆娦畔⑾到y(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理。熊木地男，年出生，博士后，副教授。主要從事光電儀器方面的研究工作。萬(wàn)方數(shù)據(jù) LiNbO3電光調(diào)制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制作作者：張青云， ZHANG Qingyun作者單位：天津消防器材總廠,天津,300380刊名：現(xiàn)代電子技術(shù)英文刊名：MODERN

14、 ELECTRONICS TECHNIQUE年，卷(期：2007，30(6被引用次數(shù)：0次參考文獻(xiàn)(6條1. 張德龍. 丁桂蘭. 崔宇明 質(zhì)子交換LiNbO3光波導(dǎo)期刊論文-物理學(xué)進(jìn)展 2001(012. Kawanishi T. Higuma K. Ichikawa J LiNbO3 High Speed Optical FSK Modulator 2004(113. 吳丹丹. 佘衛(wèi)龍 雙軸晶體電光調(diào)制器的最優(yōu)設(shè)計(jì)期刊論文-物理學(xué)報(bào) 2005(014. 廖尉鈞. 陳險(xiǎn)峰. 曾祥龍 退火質(zhì)子交換平面波導(dǎo)型電光調(diào)制器的研究期刊論文-光學(xué)學(xué)報(bào) 2003(075. Fu Yunliang. Yuan Yifang. Jin Guoliang Design of Electrodes for 10 GHz LiNbO3 Electro-opticModulators 期刊論文-Journal of Hainan Morma