不依赖于偏振的集成光学X型TiLiNbO3波导耦合器的研制

不依赖于偏振的集成光学X型TiLiNbO3波导耦合器的研制 天津大学 硕士学位论文不依赖于偏振的集成光学X型Ti:LiNbOlt3gt波导耦合器的研制 姓名:谢海宴 申请学位级别:硕士 专业:光学 指导教师:胡鸿璋 20030101 中 文摘要 光耦合器(;,,,,,,)就是?类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。,型耦合器又称为,×,耦合器，它具有体积小、易于集成、机械及环境稳定性好等显著优点，是实际的光通讯网络中不可缺少的关键器件，有着广阔的应用前景。本文设计并制作,一种新型的不依赖于偏振的集成光学,型,,:,,,,,，波导耦合器，分为三种器件:模分离器(,,,, ,,,,,,,,)、反射镜(,,,,,;,,,)和,,,耦合器(,,,, ,,,,,,,)。本研究得到了国家自然科学基金的资助，同时也是本课题组与深圳华为有限公司进行合作的项目“集成光学声光可调谐滤波器(,,,,)”的重要组成部分。 在实际分析和使用这三种耦合器时，离不开光波导与光纤的耦合。所以在第一章中，首先采用具有很高精度的光束传播法,,,,)计算了”扩散,,妯,，波导中的模场分布，并对波导与单模光纤的耦合效率作了理论分?觥,疚牡牡诙略擞盟,缮胬砺巯昃〉胤治隽耍婉詈器的工作原理，并采用,,,法理论计算了耦合器的模场特性，确定了器件的各个结构和工艺参数，讨论了三者各自的性能测试 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，对实际制作的模分离器和等价结构的反射镜样品进行测量，结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明与理论值符合得很好，能满足实际,,,网络的使用 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。在第三章中，我们以,,,和,,,法为基础，提出了一种对,型耦合器的结构参数和工艺参数进行自动优化的方法，大大简化了理论计算的过程，并根据该自动优化流程很容易地确定了各种参数对这三种耦合器性能的影响。模分离器和反射镜的一个重要应用就是用于集成光学不依赖于偏振的声光可调谐滤波器但，(,,,,)中，所以在第四章中介绍了分别使用了模分离器和反射镜的单级和多级不依赖于偏振的,,,,的结构，并对其滤波特性作了理论模拟。测试实际制作的单级,,,,的结果表明，其主要性能指标达到或超出了国内外同类器件的水平。最后，文章对波导耦合器进行了总结，并展望了其未来。关键词:耦合器不依赖于偏振模分离器 反射镜 ,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,;, , ,,,,;, ,, ,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,;,, ,,,,,,, ;,,,,, ,,;, ,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,;,,, ;,,,,,,, ,,,,;,,,, ,,, ,—,,,, ;,,,,,, ,, ,,,,;,,,,, ,×, ;,,,,,, ，, ,, ,,,, ,,,,,，,,,, ,, ,, ,,,,,,,,,,，,,, ,,, , ,,,, ,,;,,,,;,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,?, , ,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,;,, ;,,,,,,;,,,,, ,,,,,,,，, ,,,, ,,,,, , ,,, ,,,, ,, ，,,,,,,,,, ,,,,;,, ,,,,,,,,,,,,—,,,,,,,,,,,, ,??,,,,,,,,,,,,,, ;,,,,,, ,, ,,:,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,，,,,;, ,,;,,,,, ,,,,,,,,,,,,，,,,,,;,,, ,,, , ,, ,,,,,,, ，, ,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,,,,,, ,;,,,;, ,,,,,,,, ;,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,( , ,,,, ,,, ,,,,;,, ,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,?,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ;,,;,,,,,, 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光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件。这些器件中的光学部分通常为三种结构:微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。,,,,年美国贝尔实验室的,,,,,,,,首先提出集成光学器件的设想。什么是集成光学,它是指各种光器件和光波导器件的集成技术，即采用各种半导体工艺，在某种基片上制作出光器件和光波导器件，简称,，,〔”。具体地?担褪窃谝桓鱿感〉幕鲜迪止夥?洹?馓讲狻?怦詈稀?夥种А?獠ǚ指从谩?饴瞬ā?饪氐纫恢趾图钢止δ埽源锏器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。 历经三十年的研究开发，特别是近十几年，光通信向高速率、大容量的方向发展，对于光集成器件的需求越来越迫切;同时，随着半导体制作技术的飞速发展，光集成器件不断涌现，有些器件己逐步成熟，开始从实验室走向实用化。可以预期，光集成器件将在光通信、光交换、光传感等领域大量使用，新的集成度更高的器件将逐渐取代现有的分立元件，并且有一些平面集成光波导器件已经达到了商用化的水平【,,。 光纤通信与超大规模集成技术同为当今信息化社会的支柱性产业，两者协调发展将成为人类文明进步的必要条件。光纤通信实用化以来，人们在孜孜不倦地追求系统的完美与光学元器件的技术进步。就光纤通信的发展趋势而言，首先是超高速大容量和长距离化，其次是扩展应用领域，向着两点通信网络化发展。特别是近来光纤通信的传输速率与信息量正以惊人速度增长，为提高系统性能相加快普及步伐，光波导器件己成为光纤通信系统不可缺少的关键部件〔,,。目前，光波导技术及相应的集成光学器件和光电集成回路，己成为发达国家优先发展的领域,,,。 绪(, ,,,,,,光波导器件 光波导是光波的传播所规定的通道，是光集成的核心，大部分集成光学器件，如光调制器、广开关、光功率分配器、光耦合器、波分复用器、光滤波器、偏振分束器、微透镜等等，都是以光波导为基础的。各种光集 天津大学硕士学位论文 绪论成的结构，都是围绕光波导而展开的。 光集成中的光波导是用溅射、镀膜、扩散、光刻或离子注入等半导体工艺在某种衬底上(如,,,,,,、,,单晶、玻璃等)加工出适合于某种波长的光传输的通道。这种波导可以与器件或光纤相连接。波导的折射率是可以控制的，利用电光、声光、磁光、热光效应可以调节折射率的变化，从而实现对入射光的相位、强度、偏振、方向、波长的控制。可见，光集成是离不开光波导的，只有设计制作出合格的光波导，才能集成出各种各样的光器件。 ,,,,,,是制作光波导比较成熟的一种材料。用这种材料可以制作出相位调制器、强度调铝,器、耦合器、波分复用器等器件,,。它的主要优点有: ,(播损耗较低，一般为,(,,,(,,,,,,。 ,。模式 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 与单模光纤能很好地匹配，光纤与波导耦合损耗晟低已达 ,(,,,,。 ， ,(驱动电压较低，调制器和光开关的驱动电压最低己达,(,,,。 ,(调制带宽较宽，一般可达几个,,,，采用行波电极可达,,,,,。 ,(集成度较高，已能构成几百个元件的开关阵列。 ,(工艺比较成熟，已经可以批量生产。 综上，,,?危猓埃尘迨且恢直冉铣墒斓牟牧希屑玫难沟纭?绻夂筒ǖ夹灾省,瞬荒茏龉庠春吞讲器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。有关器件性能已达到实用水平的报道颇多。另外，实验已证实了系统的适用性和有效性，单元器件或小规模集成器件也开始用于实用装置。 在铌酸锂晶体上利用高温下扩散钛条或者通过煺火质子交换(,,,)制成光波导，限制光波在其内传播，形成了集成光学器件的基础。由于质子交换方式能够增加,光的折射率，降低。光折射率，因此在利用这种方法制成的光波导内部传播的光只能是,光，而钛扩散方式制成的光波导同时增加晶体内部。光、,光的折射率，并且具有低损耗、易与声波耦合等特点，因此器件多采用钛扩散方法制作光波导。 绪(, 本器件研制的意义 光耦合器的研究、发展已经经历了近二十年，到今天基本形成了已熔融拉锥型器件为主，波导型器件逐渐发展起来的局面。在光无源器件的应 , 天津大学硕士学位论文 绪论用中，光耦合器业已成为仅次于光连接器的最重要的一类器件。 简单地说，光耦合器(;,,,,,,)就是一类能使传输中的光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行再分配的器件。光耦合器的主要指标有插入损耗、附加损耗、分光比、方向性、均匀性、偏振相关损耗与隔离度等。 波导型光耦合器是指利用平面介质光波导工艺制作的一类光耦合器件。其关键技术不仅包括波导结构的制作，还必须考虑到器件与传输线路的耦合。因此从技术及工艺角度来讲，更为复杂。但由于器件本身具有明显的优越性，使这种制作方法逐渐发展成为制作光耦合器的一种重要方法。 我们所研制的,,扩散,,,,,,波导型光耦合器的优点，归纳起来，有下列几方面: ,(体积小，重量轻，易于集成。这是这种器件最重要的优点之一。一般来讲，波导型器件的尺寸仅为相应光纤型器件的几分之,或更小，而且可以非常方便地与其它光电元器件集成在一起，组成功能器件。这是符合未来集成光学的发展趋势的。 ,(机械及环境稳定性好。耦合器的这种特性与耦合波导的结构密切相关，一般来讲，熔锥型器件的锥区是一段须保护的部分，尽管经过保护的器件已能满足实际应用的要求，但比较而言，波导器件的机械及环境稳定性更具有优势，可以用于一些有特殊要求的情况。 ,(耦合分光比易于精确控制，在母板定形后，可以进行大批量生产。 ,(易于制成小型化的宽带耦合器件。 绪(, 本文的主要内容 本文的主要内容是研制集成光学不依赖于偏振,型,,扩散,,,,,,波导耦合器，该工作是国家自然科学基金资助项目和与深圳华为公司合作项目“集成光学声光可调谐滤波器”的重要组成部分，其中涉及到光学、电子学、声学等学科的理论以及相关的制作工艺等诸多问题。,型耦合器又称为,×,耦合器，它具有体积小，易于集成，机械和环境稳定性好等许多显著的优点，是实际的光通讯网络中不可缺少的关键器件，有着广阔的应用前景。鉴于集成光学波导器件的快速发展以及波分复用网络的应用需求，本文设计并制作了一种新型的集成光学不依赖于偏振的,型波导耦合器，分为三种器件:模分离器(,,,, ,,,,,,,,)、反射镜(,,,,,;,,,和,,,耦合器(,,, ,,,,,,,)。具体的工作包括: 天津大学硕士学位论文 绪论 一(理论方面 ,(研究了钛扩散波导中的折射率分布，采用具有很高精度的光束传播法,,,,)计算了波导中的光场分布; ,(对波导 和单模光纤的耦合效率作了详细的理论分析; ,(利用双模干涉理论详细介绍了三种,型波导耦台器的工作原理、器件的设计、结构和工艺参数的优化等; ,(模分离器和反射镜的一个重要应用就是用于集成光学不依赖于偏振的声光可调谐滤波器(,，(,,,,)中，所以文中介绍了分别使用了模分离器和反射镜的单级和多级不依赖于偏振的,,,,的结构，并对其滤波特性作了理论模拟。 二(实验方面 ,(设计了激光耦入波导的耦合系统，以提高激光耦入波导的耦合效率: ,(完成了集成光学模分离器的研制，其主要指标能够满足实际使用的要求; ,(完成了集成光学不依赖于偏振的反射镜研制的大部分工作: ,(制作了含有模分离器的不依赖于偏振的单级,,,,样品，并测试了它的滤波特性，其主要性能指标达到或超出了国内外同类器件的水平。 , 天津大学硕士学位论文 第一章 第一章单模光纤与钛扩散,,,,,,波导器件的耦合 ,(, 耦合的总插入损耗 绪论中已经指出，用,,,,,,单模波导组成的各种波导器件在光纤通信系统、光信号处理系统中是重要的元件。各种集成光学波导器件，从实验室走向实用化的关键是实现光波导与单模光纤的有效耦合，耦合效率的高低直接影响到各种集成光学产品的性能【,,。所以我们对波导和单模光纤之间的耦合情况进行了详细的理论分析和实验验证。 一个理想的耦合应该是效率高，能获得尽量大的出纤功率，以利于扩展系统的传输距离和提高系统的信噪比;也要做到反射小，能尽可能减少耦合反射光对集成光学器件工作特性的影响。 按照波导与光纤之间是否存在光学元件，可将耦合方式分为两种，即直接耦合和间接耦合。与后者相比，前者具有结构简单、耦合效率高等优点【”，因而受到国内外众多学者的极大关注。 对于直接耦合，如果光纤与波导之间是理想的对准，耦合的总插入损耗就包括菲涅耳反射(两端面多次反射)损耗、传输损耗和光纤与波导间的模场失配损耗降】。 菲涅耳反射损耗一般可以通过使用折射率匹配液或在波导端面镀上,层抗反射层而消减。 对于,,,,,,波导器件，其传输损耗较低，一般为, ,,,(,,,,;,。而我们所研制的集成光学,型耦合器(包括模分离器、反射镜以及,,,耦合器)体积都不大，长度,,;,。 所以，在总插入损耗中，模场失配损耗是个主要因素，因为波导中的光束能量向光纤的转移是通过波导模场和光纤中模场的匹配来完成的。 波导与光纤的模场失配包括两方面的内容: ,(波导与光纤固有的模场分布的失配: ,(另外是波导与光纤在耦合时不对准所造成的模场分布失配。 前者是由于波导模场分布不对称所致，对耦合效率影响较小;后者是由于波导与光纤不对准，使它们的模场分布失去最佳重叠，对耦合效率的影响是严重的。 天津大学硕士学位论文 第 。章 ,(, ,,:,,,,,，光波导的折射率及模场分布 后嚣要纛戮 蘸樾,剖史 划,弋陬相驴 。, ,严?栅, 光束传播法(,,,)是求解波导模场分布的一种有效的数值解法。它利用分离参数和离散傅立叶变换，能够达到很高的精度【,,】,,,】【,,】:离散傅立 天津大学硕士学位论文 第一章叶变换【, ,,在描述导模模场上有许多优点:求得的解不仅能够精确提供传导的光束在波导中随传导距离的能量衰减情况，而且解的傅立叶变换还准确地给出了传导光束的模式信息，这是有限元等其他解析方法所不具备的。特别在计算弯曲波导的损耗方面，不同于,,;,,,,,和,,,,,,发展的“速率法”等只考虑模的辐射，光束传播法充分考虑了模的辐射和模间的耦合，因此在计算存在波导的模式耦合的器件时，光束传播法有着重要的应用。 使用,,,法，我们选用计算 格点为,,×,,,，,,,, ,,,,,,,， 并且取传播距离为,,;,的情况 下，分别计算,,，,,模的模场 分布分别如的图,,,和图,(,所 示。其中，光波导的扩散条件如下: 扩散前钛条宽度为,,,,、厚度为 ,,,,,,,，扩散时间为,小时;光 波长九,,(,,,,,，正常光和非正 常光的折射率分别为,,,,(,,,,， 图,(, ,,:,,,,？单模 ，,,,,(,,,,。 光波导中的,,模的模场分布 (,),,模 (,)”,,,模 图,,, ,,，,,,”日,,,单模波导横截面上的模场分布 为简单起见，,,:,,,,,,波导模场?(,，,)的解析形式可近似地写成„“, ,，(,，,，),,(,),,) (,,,)其中， , 天津大学硕士学位论文 第 一章 ，(,),,,,,,〔一,,,,:】 (,—,) ,(,),,。,,,〔,, ,,,,】 (,(,)式中的,，、,，分别为场的强度降为?峰值的宽度和深度。 ,(, 耦合效率的理论分析 。篁和,(,(,耦合效率的计算 若采用如图,,,所示的装置进行波导与光纤的耦合，在不考虑端面反射的条件下，由光纤中模场分布和波导模场分布的重叠积分可计算出光 图,?,波导与光纤耦合的装置示意图纤一波导之间的耦合效率 疗:叵竺竺兰型～竺～ 打,—————,——————————————————————————,—————一 五;， , ,一), ,,,?(,),,埘，,瞰,),,出,,式中的,:(,,)是单模光纤的模场分布函数。一般地说，在实验研究中，‖:(,，,)的解析形式可近似地当作圆对称,,,,,函数，即四 ,,(,，,),,。,,,,,(,,，,,),,,〕 (,,,)这里我们定义,,,,,为模场峰值强度中心，口为强度降为咖峰值的宽度。对于单模光纤来说，口, ,,(,,。,(,(,(,模场失配对耦合效率的影响 把式(,—,)和(,,,)代入式(卜,)，在无失调准的情况下可算得耦合效率〔,,, ,,,,(,,, ， ,(翁 (,—,) , ，嗣，习,式中，,,而，占,孑。 天津大学硕士学位论文 第一章 从上式中可以得出，当,肠,,时的耦合效率达到极大值。因此在不影响波导单模性能及良好的传输特性的前提下，尽量使设计制作波导导模锥度的平均值与光纤模场匹配，即,,?,，,，,,是降低光纤一波导之问耦合损耗的关键。为了降低光纤一波导之间的对接损耗，应尽量使波导模场与光纤模场匹配。,(,(,(,数值孔径失配对耦合效率的影响 单模光纤的数值孔径可表示为 ,(,(,,,,臼。。,门,,,, (,,,)上式中，‰是光纤中形成全反射的光线在空气中的最大入射角;,为纤芯折射率;?,兰二竺为相对折射率差;而，,:则是包层折射率。,(,(的大 ,小一般为(,(,,,,(,,)?, ,,。 波导的数值孔径仍可用(,,,)式表示。然而， 对于,,扩散(渐变)波导，从表面向衬底深度渐变的折射率分布为: ？(,，,,),”,,,,,(,，,,) (,,,)其中， 抽(,，,),,,。,(,),(,) (,—,,)上式中，,和血。为常数，,(,)和,(,)是,,,，离子扩散浓度分布。因此，若用(,,,)式表示,,扩散波导的数值孔径，必须引入一定的修正量。 在一般情况下，波导和单模光纤底数值孔径是不等的(普遍是前者比后者大)，尤其是扩散波导，其数值孔径受到渐变折射率的制约。这样，波导和光纤的数值孔径有明显的差异，就是所谓数值孔径失配和折射率失配，势必影响两者的耦合。改善波导制作工艺，优化波导参数，实现波导和单模光纤数值孔径的最大吻合，可以提高耦合效率。,(,(,(,几何尺寸的差异对耦合效率的影响 从直观的几何光学来看，波导与单模光纤进行端 对端的连接，如果两者的口径尺寸有差异，必然对耦合效率产生影响，差异越大， 影响越严重。对于一个给定的工作波长，为了获得最大的耦合效率，要优化波导? 凸庀说募负纬叽纾ぜ谱畲蟮鸟詈闲士纱铮梗矗ァ,比唬谥票覆ǖ佳?〔问?