利用脉冲调制测量LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度

激光与光电子学进展５０，０１１４０１（２０１３）Ｌａｓｅｒ　＆Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ○Ｃ２０１３《中国激光》杂志社基于ＬｉＮｂＯ３晶体电光调Ｑ的Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ激光器输出特性分析闫　光１　冯国英１　杨火木１　阴　明１　姚　轲１　赵　鸿２　周寿桓１，２１四川大学电子信息学院，川成都６１００６４２华北光电技术研究所，北京（）１０００１５摘要　搭建了以布儒斯特角切割ＬｉＮｂＯ３晶体作为电光调Ｑ元件的Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ激光器，测量了静态时腔内ＬｉＮｂＯ３晶体的放置角度对激光器输出能量以及偏振特性的影响。

研究发现，当ＬｉＮｂＯ３晶体以布儒斯特角放置时，Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ激光器效率最高，输出激光的ｐ分量最大，线偏振特性最好，这对电光调Ｑ是有利的。

电光调Ｑ时，测量了不同抽运电压下的输出能量、脉冲宽度及脉冲波形，当重复频率为２Ｈｚ时、脉冲能量为２５ｍＪ，最小脉宽达２６５ｎｓ，脉冲峰值功率达９４．３ｋＷ，脉冲波形呈光滑的近高斯分布。

关键词　激光器；Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ激光器；ＬｉＮｂＯ３晶体；电光调Ｑ；布儒斯特角中图分类号　ＴＮ２４８．１ 文献标识码　Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５０．０１１４０１Ｏｕｔｐｕｔ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ　Ｌａｓｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎＥｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃａｌ　ＱＳｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ＬｉＮｂＯ３ＣｒｙｓｔａｌＹａｎ　Ｇｕａｎｇ１　Ｆｅｎｇ　Ｇｕｏｙｉｎｇ１　Ｙａｎｇ　Ｈｕｏｍｕ１　Ｙｉｎ　Ｍｉｎｇ１　Ｙａｏ　Ｋｅ１Ｚｈａｏ　Ｈｏｎｇ２　Ｚｈｏｕ　Ｓｈｏｕｈｕａｎ１，２１　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００６４，Ｃｈｉｎａ２　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１５，烄烆烌烎ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ　Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ　ｌａｓｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｑｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ＬｉＮｂＯ３ｗｉｔｈ　Ｂｒｅｗｓｔｅｒ　ａｎｇｌｅ　ｃｕｔ　ｅｎｄｓ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｇｌｅ　ｂｙ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ＬｉＮｂＯ３ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｓ　ｐｌａｃｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｔｆｒｅｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｒｅｇｉｍｅ　ｉｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ＬｉＮｂＯ３ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｓ　ｐｌａｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅＢｒｅｗｓｔｅｒ　ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｗｉｌｌ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｓｔ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｂｅａｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｐｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｌｉｎｅａｒ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｑｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧｌａｓｅｒ．Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｅｎｅｒｇｙ，ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ　Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ　ｌａｓｅｒ　ａｔ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｌａｍｐ　ｖｏｌｔａｇｅｓ　ａｔ　Ｑｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｒｅｇｉｍｅ　ａｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｕｌｓｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　２５　ｍＪ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　２６５　ｎｓ　ａｔｔｈｅ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　２　Ｈｚ　ａｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅａｋ　ｐｏｗｅｒ　ｉｓ　ｕｐ　ｔｏ　９４．３　ｋＷ．Ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｎｅａｒｌｙｓｍｏｏｔｈ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｌａｓｅｒｓ；Ｃｒ，Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ　ｌａｓｅｒ；ＬｉＮｂＯ３ｃｒｙｓｔａｌ；ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ　Ｑｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；Ｂｒｅｗｓｔｅｒ　ａｎｇｌｅＯＣＩＳ　ｃｏｄｅｓ　１４０．３０７０；３１０．５４４８；２６０．１１８０ 收稿日期：２０１２－０９－１５；收到修改稿日期：２０１２－０９－２１；网络出版日期：２０１２－１１－１０基金项目：国家自然科学基金（６０８９０２００，１０９７６０１７）和固体激光技术国家级重点实验室基金资助课题。

LiNbO3晶体电光调制中半波电压测量方法研究刘红文;何彦霄;韩睿;孙尚鹏;刘通;苏培宇【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)014【摘要】在基于一次电光效应的光学电压传感器中，电光晶体的半波电压是影响传感器输入输出特性的关键参数之一。

通过对电光调制原理的深入分析，选用LiNbO3晶体搭建半波电压测量平台，针对关键参数半波电压进行了测量。

对试验所选用的LiNbO3晶体的半波电压进行了理论计算，并与实际结果进行对比；分析影响LiNbO3晶体半波电压的因素，并指出在实际工程应用中应考虑的问题。

%In sensors based on linear electro-optic effect, half-wave voltage of the electro-optic crystal is one of the key parameters to influence the input and output of sensors. With analysis of the principle of electro-optic mod-ulation, lithium niobate crystal is chosen to be a part of the half-wave voltage measurement system. Measurement of half-wave voltage is finished, theoretical calculation is done, and comparison of the calculation results and the ex-perimental results is completed. Factors influencing the half-wave voltage are analyzed, problems that should be taken care of in engineering application are mentioned.【总页数】5页(P190-194)【作者】刘红文;何彦霄;韩睿;孙尚鹏;刘通;苏培宇【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院1，昆明650217;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TM225【相关文献】1.晶体电光调制实验中半波电压的测定 [J], 张国林;邵长金;孙为2.电光调制中半波电压测量方法的研究 [J], 孙鉴;牟海维;刘世清;李玉洋;张雨3.电光调制特性及其晶体半波电压信频测量方法研究 [J], 张莉4.电光调制特性及其晶体半波电压信频测量方法研究 [J], 张莉5.电光调制晶体半波电压倍频测量方法的讨论 [J], 郭明磊;韩新风;章毛连因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

利用脉冲调制测量LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度获取高峰峰值的激光脉冲是激光致声的关键，而提高系统中LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度可提高峰峰值。

文章在阐述了LiNiO3电光强度调制器的原理后，对其调制深度进行了研究。

提出了利用脉冲调制测量调制深度的方法：拟合脉冲调制电压高电平对应的输出光功率与加载的调制电压的函数关系，通过测量输出光功率，可得到调制深度；并搭建了实验系统，测量了电光调制器的调制深度。

结果表明，利用脉冲调制能够测量LiNiO3波导电光强度调制器的调制深度，提出的提高调制深度的方法为激光致声研究中高峰峰值激光脉冲的获取提供了解决方案。

标签：光电子学；激光致声；电光调制器；调制电压；调制深度1 概述激光致声属于声、光交叉学科领域，与传统声源相比，利用激光致声现象产生的声波具有以下独特的优势：能够覆盖广阔的水域，使设备与水隔绝，可远距離传输，机动灵活，可用于各种恶劣环境等，因此，近年来，这项技术备受关注。

但由于通过热膨胀机制激发声波的转换效率很低，以致激发声波的强度太小，使得这项技术在很多应用领域受到了限制。

因此，得到峰峰值较高的脉冲激光是解决这一问题的有效途径，也是这项技术研究中重点关注的问题。

获得激光脉冲的方法有很多，使用锁模和调Q脉冲激光器都能获得高功率激光输出，但由于其重复频率太高，而无法在激光致声中获得广泛应用。

对连续光进行脉冲调制，再对脉冲光进行放大，成为目前激光致声应用中获得较高功率激光脉冲的一种有效方法。

LiNiO3波导电光调制器具有光谱工作范围宽、驱动电压低、插入损耗小、消光比高、啁啾可以为零或可调、可靠性高和易于大规模生产等优点，成为目前应用最为广泛的脉冲调制器件。

利用LiNiO3波导电光强度调制器调制得到脉冲光时，脉冲光的峰峰值与调制深度有关，提高调制深度可提高光脉冲的峰峰值。

在实验中通过信号发生器加载调制电压，由于阻抗不匹配等原因，加载到电光调制器上的调制电压与信号发生器输出的电压并不相同，调制深度即调制电压必须通过实验测量。

LiNbO3电光调制器行波电极微波等效折射率的测量
LiNbO3电光调制器行波电极微波等效折射率的测量
作者：廖焕霖;王凌霄;吴伯瑜;高悦广;罗淑云;彭吉虎;沈嘉;宋琼
作者机构：清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北
京,100084;清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北
京,100084;清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北
京,100084;清华大学电子工程系,北京,100084;清华大学电子工程系,北
京,100084
来源：电子与信息学报
ISSN：1009-5896
年：2003
卷：025
期：002
页码：284-288
页数：5
中图分类：TN256
正文语种：chi
关键词：微波等效折射率,LiNbO3电光调制器,行波CPW电极
摘要：LiNbO3电光调制器的设计中,行波电极的微波等效折射率是一个重要的参数.该文通过自行设计的微波探针架及探针,采用差值的方法,在微波网络分析仪上对样品CPW电极的微波等效折射率进行了测量.分析了实测值与理论计算值的偏差,给出了修正因子,研究了微波等效折射率随频率变化的色散现象,并对这种测量方法进行了误差分析,提出了减小误差的方法.。

集成光波导宽带LiNbO_,3_电光调制器研究电子科技大学硕士学位论文集成光波导宽带LiNbO,3电光调制器研究姓名:崔海娟申请学位级别:硕士专业:光学工程指导教师:陈福深208>030501中文摘要随着多媒体技术、计算机网络和无线业务的发展,使得高速电光调制器的需求大大增加。

在高速光调制中,直接调制引起的啁啾噪声难以克服,光外调制器在大容量光纤传输系统中,扮演着越来越重要的角色,成为当前的研究热点。

目前,实用化的光外调制器主要有:.波导型调制器和电吸收型半导体调制器。

采用行波电极的.型外调制器调制速率高,波长的啁啾噪声理论上为零,几乎不受光纤色散的限制,已成为高速长距离光纤传输系统必不可少的器件。

本文首先详细的阐述了电光调制器的基本原理和类型,就研究调制器的方法作了介绍,特别是对本文采用的研究方法一施瓦兹保角变换的基本原理作了具体的分析。

然后,用一般的椭圆积分计算了普通共面波导型调制器的有效折射率、特征阻抗和导体损耗系数。

通过计算发现,采用厚电极和厚缓冲层结构,在实现速度匹配的情况下,可以大大减小导体损耗,但是由于阻抗不能同时满足匹配,调制带宽受到限制。

由于实际的电极横截面形状是梯形而非理想的矩形结构,研究梯形电极中间电极角度和地电极角度对调制器特征参量影响是十分有必要的。

通过计算发现,随着中间电极角度和地电极角度增加,有效折射率、特征阻抗同时减小,导体损耗系数也随之减小。

但最终特征阻抗与信号源阻抗相差较大,因此,要实现宽带调制,还需调整中间电极和地电极的高度。

脊型结构光调制器是近年来研究的热点,由于脊型结构初始平面多边形比较复杂,保角变换过程中的超椭圆积分计算比较繁琐,但又无法用一般的椭圆积分进行计算。

一般文献中计算脊型结构特征参量,采用的都是准静态有限元法,而本文采用保角变换工具箱进行计算,并且首次采用保角变换和有限元法相结合的方法,对脊型结构特征参量进行计算。

通过分析脊深和其它尺寸参数对调制器特征参量的影响,可以看出随着脊深的增加,有效折射率减小,特征阻抗增加,导体损耗减小。

LiNbO3晶体电光调制中半波电压测量方法研究刘红文;何彦霄;韩睿;孙尚鹏;刘通;苏培宇【摘要】在基于一次电光效应的光学电压传感器中，电光晶体的半波电压是影响传感器输入输出特性的关键参数之一。

通过对电光调制原理的深入分析，选用LiNbO3晶体搭建半波电压测量平台，针对关键参数半波电压进行了测量。

对试验所选用的LiNbO3晶体的半波电压进行了理论计算，并与实际结果进行对比；分析影响LiNbO3晶体半波电压的因素，并指出在实际工程应用中应考虑的问题。

%In sensors based on linear electro-optic effect, half-wave voltage of the electro-optic crystal is one of the key parameters to influence the input and output of sensors. With analysis of the principle of electro-optic mod-ulation, lithium niobate crystal is chosen to be a part of the half-wave voltage measurement system. Measurement of half-wave voltage is finished, theoretical calculation is done, and comparison of the calculation results and the ex-perimental results is completed. Factors influencing the half-wave voltage are analyzed, problems that should be taken care of in engineering application are mentioned.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)014【总页数】5页(P190-194)【关键词】铌酸锂晶体;电光调制;半波电压测量【作者】刘红文;何彦霄;韩睿;孙尚鹏;刘通;苏培宇【作者单位】云南电网有限责任公司电力科学研究院1，昆明650217;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室2，重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TM225电工技术电网过电压对输电线路和变电站绝缘均会造成不良影响，因此，在电力系统中，对电网过电压的监测显得尤为重要。

第38卷　第8期2005年8月天　津　大　学　学　报Journa l of T i a n ji n Un i versityVol.38　No.8Aug.2005L i Nb O3光纤型行波光调制器的有限元分析3鲍振武,周洪娟,李九生(天津大学电子信息工程学院,天津300072)摘　要:提出一种光调制器———L i N b O3光纤型行波光调制器,在结构上与传统的L i N b O3波导型调制器不同,它用L i N b O3光纤代替L i N b O3波导传输光载波,衬底则由低介电常数的Si O2取代高介电常数的L i N b O3.采用有限元法对厚的对称电极进行分析,得到调制器微波等效折射率以及等效特征阻抗随电极宽度、厚度、两电极间距以及缓冲层厚度4个参数的变化规律.分析结果表明,与传统L i N b O3波导型调制器相比,L i N b O3光纤型行波光调制器在相速匹配方面表现出极大优越性,若仅考虑相速匹配,理论上可得到高达300GHz・m的带宽长度积,远大于传统的波导型调制器的1～10GHz・m的限制,彻底解决了一般L i N b O3波导型行波光调制器在相速匹配方面的困难,极大地提高了调制带宽,具有很大的应用前景.关键词:L i N b O3晶体光纤;L i N b O3行波光调制器;微波相速;特征阻抗;调制带宽;有限元法中图分类号:T N25 文献标志码:A 文章编号:049322137(2005)0820730205F i n ite Elem en t M ethod Ana lysis of a Novel Traveli n g2W ave O pti ca lM odul a tor Ba sed on L i Nb O3F i bersBAO Zhen2wu,ZHOU Hong2juan,L I J iu2sheng(School of Electr onic I nfor mati on Engineering,Tianjin University,Tianjin300072,China)Abstract:A novel op tical modulat or,namely L i NbO3fiber ty pe traveling2wave modulator is p r oposed.D iffer2ent fr om the current L i Nb O3waveguide modulat or on the constructi on,the L i NbO3fiber in the novel op ticalmodulator was used t o rep lace L i N bO3waveguide as op tical trans m ission line,and Si O2with low dielectric con2stant rep laced the high dielectric constant L i N bO3as the substrate.The finite element method(FE M)was em2 p loyed t o analyze the sy mmetric electrodes of the modulat or.The variati on rule of the effective refractive indexof m icr owave and the effective characteristic i mpedance of modulator related t o four parameters including thewidth,the thickness of electr ode,the gap bet ween electrodes as well as the buffer layer thickness was obtainedfor further research.Analysis results showed that compared with the current L i N bO3waveguide modulat or,the effective refractive index of m icrowave trans m itted on the electr odes was tremendously decreased.A s a result,the velocity matching was easier t o i mp lement and the modulating bandwidth was greatly expanded.If only thefactor of phase velocity matching bet ween op tical wave and m icr owave was considered,a p roduct of bandwidthand modulating length as high as300GHz・m,which was much higher than that of the traditional waveguidemodulator,could be achieved.The p r oposed modulator has a great p ros pect of app lication in the future.Keywords:L i NbO3fibers;L i NbO3traveling2wave op tical modulat ors;m icro wave velocity;characteristic i m2 pedance;modulating bandwidth;finite element method(FE M) L i N b O3行波光调制器是解决超高速光信号传输的关键器件之一,长期以来大都采用在L i N bO3衬底上3 收稿日期:2004202219;修回日期:2004210214. 基金项目:天津大学优秀博士基金资助项目(TJ0225). 作者简介:鲍振武(1939— ),男,教授,baozhenwu@.扩散Ti 形成L i N b O 3波导的方法,由于L i N bO 3材料对光波和微波的介电常数相差很大,使得微波与光波的相速不匹配.为了改善匹配情况,前人已经采取了各种方法,其中比较典型的有:厚的电极、厚的缓冲层、脊形波导以及在电极之间刻蚀低折射率材料的槽等,但其效果都是有限的,相速匹配问题并未彻底解决. 1978年Noda 等人[1]验证镁离子内扩散源能降低铌酸锂的折射率后;Sudo 等人[2,3]利用Mg O 作为镁离子扩散源,实现了L i N b O 3晶体光纤,但它不适用于光调制器.笔者提出了一种光纤型L i N bO 3行波光调制器,截面形状为矩形的L i N b O 3晶体光纤,衬底采用了低折射率的Si O 2,从根本上改善了等效折射率的匹配条件,彻底解决了相速匹配的问题.利用有限元法对光纤型行波光调制器的性能进行理论分析,其中包括行波电场分布、特征阻抗和微波折射率的数值分析以及调制器带宽的数值分析等,从理论上论证了光纤型行波调制器的优越性能.1　调制器性能参数以及分析方法1.1　调制器的理论分析 行波型调制器基本结构如图1所示,调制器电极采用基本的对称共面微带线(sy mmetric cop lanar stri pe line,S 2CPS )电极结构.图1(a )、(b )分别为俯视图和横断面图.图1(a )为马赫・译德干涉仪(MZI )强度调制器,光沿Z 切Y 向的L i N b O 3矩形晶体光纤传输;图1(b )给出了调制器的断面结构,其中B 1、B 2为行波电极;B 3、B 4为Si O 2缓冲层;B 5、B 6为矩形L i N bO 3晶体光纤;B 7为Si O 2衬底.由于两L i N b O 3光纤的折射率随着外加电场的变化而变化,使两光纤中传输的光波产生相位差,调制器输出端的光强随着外加电场有规律地变化,实现了对光载波的调制. 设A 1、A 2分别为两光纤中传输的光幅度,φ1、φ2分为两光纤中的光相位延迟,则MZI 输出光功率为[4] P out =|A out |2=0.5[A 21+A 22+2A 1A 2cos (φ1-φ2)](1) 设φ1-φ2=Δφ,Δφ为外加电压时L i N bO 3光纤的电光效应引起的相位差.两根光纤中电场大小相等,方向相反,因此产生的相位变化等值反相,相位差为[4]Δφ=2kL ・Δn ・Γ(2)式中:k =2πλ-1;L 为电极长度;Γ为光交叠积分因子,对于光纤型调制器,可近似认为电场与光场充分作用;Δn 为L i N b O 3光纤中的光折射率变化.由L i N b O 3的电光效应得[4] Δn =0.5n 3l ・r 33|E |(3)式中:n l 为光折射率;r 33为L i N b O 3最大的电光系数;E =V /g,V 为外加电压,g 为电极间距.由式(1)～式(3)可得到随外加电压变化的输出光功率,实现光调制.(a )俯视图(b )横断面图图1　对称电极结构的光纤型行波光调制器F i g .1　Traveli n g 2wave opti ca l m odul a tor ba sed onL i Nb O 3f i bers w ith sy mm etr i c electrodes1.2　电极特征参量的分析 行波调制器的带宽受到3个因素的限制,即光波速度与微波速度之差、电极特征阻抗以及电极传播损耗.尤其是光波与微波之间的相速失配和微波电极衰减是影响行波电极调制器性能的两个关键因素,以下分析仅围绕相速匹配和阻抗匹配两因素进行. 假设实际电极的单位长度电容为C,而空气填充时电极单位长度电容为C 0,c 为真空中的光速,则可分别求出微波的有效折射率和电极的特征阻抗[5] n =CC -1(4) Z c =(c CC -10)(5) 分析中假设电极传播损耗为零,可得调制器在忽略损耗的情况下带宽[6]为 f =1.4c[π(n -n l )L ]-1(6)1.3　有限元分析方法 有限元法分析的原理主要是对整个调制器结构的・137・　2005年8月 鲍振武等:L i N b O 3光纤型行波光调制器的有限元分析拉普拉斯方程分解在各个小网格内进行细化迭代求解,具体如下所示[7]. 静态无源场的标量电位函数<(x,y )由拉普拉斯方程决定如下: Δ2<=0(7) 有限元法采用数值计算的原理来求解偏微分方程,通过合理的网格划分,将整个结构分成许多小单元,得到相应的节点,于是式(7)可转化成[7] K ・<=0(8)式中:<为n ×1阶节点势函数矩阵;K 为n ×n 阶系数矩阵. 通过求解各个节点的电位<i ,可得到整个区域的电场<.进而直接得到电场分布为 E =-Δ<(9)可通过能量法来求解电容,即 W =12CU 2=12∫ΩD ・E dΩ=12∫Ωε|Δ<|2dΩ(10)式中:ε为介质介电常数;U 为电容电压;Ω为积分域.2　数值结果分析 调制器结构的电场分析是一个开放边界问题,理论上零电压应取在无限远,这明显无法实现,只能将边界取得尽可能远.如果求解区域过小,将会引起相当大的误差,分析中将四周边界扩展到大于模型尺寸一个数量级的地方,即将模型放在中央,四周为近似无限大的空气,这样求解误差可以忽略.有限元分析方法关键是要把分析的结构进行网格划分,而且一般情况下分得越细,求解精度越高.有限元法的网格划分可分为两种:映射网格划分(mapped meshing )和自由网格划分(free meshing ).前者可通过设定网格的边长或指定边划分的网格数来进行人为的控制,一般用于需要精确控制的区域,而后者分为10个等级,级数越低表明网格划分得越细.采用四边形映射网格,对需要详细求解的调制器区域进行精细的网格划分,采用映射网格划分,网格边长大约1μm;对外围空气区域,采用自由网格划分,划分等级为4,如图2(a )所示,可见在两部分区域相交的部分将会出现不规则的四边形,图2(b )是对图2(a )中调制器区域网格的放大.当电极上施加5V 电压时,调制器及周围空气区域的等位线和调制器中的电场分布分别如图3(a )、(b )所示.・237・天 津 大 学 学 报 第38卷　第8期　 由于光纤型调制器的衬底为低折射率的Si O 2,所以与传统的波导型调制器不同,其微波等效折射率一般低于光波有效折射率,而特征阻抗值远高于50Ω,因此这里电极设计的目的在于增大微波折射率,降低特征阻抗.以下设计中,如图1(b )所示,电极厚度为d 1,缓冲层厚度为d 2,电极宽度为w,电极间距为g,矩形光纤边长d 3取15μm ,衬底厚度d 4取15μm ,衬底宽度d 5取31μm;边界的截断边长取500μm;光在L i N b O 3光纤中的折射率n l 取2.15;L i N b O 3介质的有效介电常数取34.7,Si O 2的有效介电常数为3.8. 通过有限元法求得的电容,利用式(4)和式(5)可求得各种条件下所对应的等效折射率和特性阻抗,结果如图4所示.图4(a )和(b )分别为不同电板厚度(d 1=6μm ,8μm ,10μm )下等效折射率n 、特性阻抗Z c 对电极间距g 和缓冲层厚度d 2的关系曲线.它们表明,随着g 和d 2的减小,n 增加而Z c 减小.图4(c )给出了电极间距(g =3μm ,3.5μm ,4μm )下,n 、Z c 对电极宽度w 的关系曲线.由图可见,随着w 减小,n 增加而Z c 减小.图4(d )给出了缓冲层厚度(d 2=0μm ,0.2μm ,0.4mm )下,n 、Z c 对d 1的关系曲线.由图可见,随着d 1的减小,n 及Z c 均增加.纵观图4(a )～图4(d )和优化计算可见,当d 1=8μm 、d 2=0μm 、g =6μm 、w =10μm 时,可得到等效折射率n =2.126,特性阻抗Z c =58.92Ω.实现了良好的相速匹配和阻抗匹配.这为调制器的优化设计提供了理论依据. 在假设损耗忽略不计的情况下,由式(6)可以得到带宽长度积随电极厚度、宽度、间距以及缓冲层厚度的变化,如图5(a )～图5(d )所示.可见,在d 2=0.4μm 、d 1=3.9μm 、g =6μm 和w =10μm 时可以得到接近300GHz ・m 的带宽长度积,当电光作用区长度为3c m 时,可得到近似10000GHz 的理论带宽,从而彻底解决了传统光波导调制器难以解决的相速匹配问题.当然实际中还要考虑到诸多因素的限制,像阻抗匹・337・　2005年8月 鲍振武等:L i N b O 3光纤型行波光调制器的有限元分析配、器件损耗的频率特性等.但相对来讲问题简单化了.3　结　语 提出了一种光纤型行波电极电光调制器,从理论上对其主要参数———微波等效折射率、特征阻抗以及调制带宽进行了分析,表明这种结构易于达到相速匹配,能得到很高的调制带宽.同时通过合理的选择参数也可达到很好的阻抗匹配.结果表明,在d 1=8μm 、d 2=0μm 、g =6μm 、ω=10μm 时,可得到等效折射率为2.126,特性阻抗为58.92Ω,实现了良好的相速匹配和阻抗匹配.分析中引入了有限元方法,在处理任意厚度的电极和缓冲层的光调制器中,显示其是一种有效的分析手段.参考文献:[1]　Noda J,Fuku ma M ,Sait o S .Effect of Mg diffusi on on Ti 2diffused L i N b O 3waveguides [J ].A ppl Phys,1978,49(6):3150—3154.[2]　Sudo S,Cordova 2Plaza A.Mg O L i N b O 3single 2crystal fiberwith magnesiu m i on indiffused cladding [J ].O pt L ett,1987(12):938—940.[3]　Que W enxiu,L i m Siakp iang,Zhang L iangying,et al .Evaluati on of m icr ostructure characteristics of lithiu m ni o 2bate single 2crystal fiber 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LiNbO3强度调制器的光脉冲整形应用赵灏;谢征;吕宏伟;徐明阳;欧阳竑n;刘芳【摘要】The optical pulse generation system (FD) needs to ouput optical pulse shaped preliminary. The electro-optic modulator can satisfy this application preferably. A method to shape optical pulse is designed according to the characteristic of LiNbO3 intensity modulator. One stage LiNbO3 intensity modulator is used in this application aad the ouput DC extinction ratio is better than 36dB.The shaped optical pulses at about nanosecood such as a square pulse and a concavity pulse and others are created. The contrast of concavity pulse is bettr than 1O0:1.%光脉冲产生系统(前端系统)需要输出初步整形的光脉冲,电光调制器可以较好地满足该需求.根据LiNbO3强度调制器特性,设计出一种整形方法,采用一级LiNbO3强度调制器进行输出光脉冲整形,可使输出直流消光比优于36dB,可生成纳秒级方波、凹型等整形光脉冲,凹型脉冲对比度优于100:1.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2011(000)007【总页数】3页(P1-3)【关键词】LiNbO3强度调制器;整形脉冲;自动偏置控制【作者】赵灏;谢征;吕宏伟;徐明阳;欧阳竑n;刘芳【作者单位】中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004;中国电子科技集团公司,第三十四研究所,广西,桂林,541004【正文语种】中文【中图分类】TN9150 引言光脉冲产生系统(前端系统)作为高功率激光驱动的惯性约束聚变驱动器的“种子光源”，是驱动器最核心的系统之一，其主要功能是为后续系统提供数路已初步整形，并具有一定能量、带宽、高信噪比和高光束质量的激光脉冲，它的性能参数决定了整个驱动器的多项关键参数[1]。