基于128°Y-X切割LiNbO3的声光调制器的制作分析

基于128°Y-X切割LiNbO3的声光调制器的制作分析
基于128°Y-X切割LiNbO3的声光调制器的制作分析

Analysis of integrated acousto-optic modulators fabricated on128-deg-rotated Y-cut X-propagation LiNbO3

Juntao Wang

Qun Han

Jiping Ning

Weiyi Zhang

Yang He

Analysis of integrated acousto-optic modulators fabricated on128-deg-rotated Y-cut

X-propagation LiNbO3

Juntao Wang

Qun Han

Jiping Ning

Weiyi Zhang

Yang He

Tianjin University

College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,and

Optoelectronic Information Science and Technology Laboratory

The State Ministry of Education 300072,Tianjin,China

E-mail:wangjuntao_tju@https://www.360docs.net/doc/b49976615.html, Abstract.The efficiency of integrated acousto-optic(AO)modulators with different optical penetration depths fabricated on128-deg-rotated Y-cut X-propagation lithium niobate(128-deg Y X-LiNbO3)is analyzed theore-

tically for the first time by determining the overlap integral between the optical and acoustic field distribution.The results show that the smaller the optical penetration depth is,the higher the optimum surface-acoustic-wave(SAW)frequency and diffraction efficiency and the larger the band-width will https://www.360docs.net/doc/b49976615.html,pared with TM-polarized light,TE-polarized light offers better performance for modulation.However,for a well-concentrated opti-cal waveguide,TM-polarized light is attractive for AO modulators,which employ a single SAW.?2012Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE).[DOI:10.1117/1.OE.51.7.074602]

Subject terms:guided-wave acousto-optic devices;surface acoustic wave; 128-deg-rotated Y-cut X-propagation lithium niobate;overlap integral.

Paper120670received May9,2012;revised manuscript received Jun.19,2012; accepted for publication Jun.21,2012;published online Jul.18,2012.

1Introduction

Integrated acousto-optic(AO)modulators have been inves-tigated over many years and used to perform a number of

signal-processing functions including modulation,beam

deflection,tuneable filtering,and spectrum analysis.1 These functions are implemented in devices based on AO

interactions in GaAs,LiNbO3,and quartz,https://www.360docs.net/doc/b49976615.html,pared

with other materials,LiNbO3is more widely used due to

its high electro-mechanical coupling factor,low acoustic transmission loss,and stable physical and chemical proper-

ties.For each application,it is important to obtain detailed

knowledge of overall AO efficiency and bandwidth.Thus a rigorous computation of the basis of AO interaction in

LiNbO3waveguide is necessary.In previous research, Helmut investigated the efficiency of AO interaction in ZY-LiNbO3waveguide theoretically by calculating overlap integral between the acoustic and optical fields.A reasonable

agreement between the calculated results and the measured

results was obtained.2Similarly,the AO interaction in YZ-and XZ-LiNbO3have also been studied,and the results were proved to be useful for the development of guided-wave AO modulators.3,4But,as the substrate of guided-wave AO devices,the ZY-,YZ-,and XZ-LiNbO3have a smaller electro-mechanical coupling constant and a lower surface-acoustic-wave(SAW)velocity when compared with 128-deg YX-LiNbO3,which has been used extensively in guided-wave AO devices.5,6There have been no reports about the investigation on the efficiency of integrated AO modulators fabricated on128-deg YX-LiNbO3,to the best of our knowledge.

In this paper,the propagation characteristics of SAW in

128-deg YX-LiNbO3are theoretically investigated.On the base of propagation characteristics,the efficiency of guided-wave AO modulators fabricated on128-deg YX-LiNbO3

with different optical penetration depths is discussed for

the first time by determining the overlap integral.The results show that there is a peak value of diffraction efficiency,

which is dependent on the optical penetration depth.

The smaller the optical penetration depth is,the higher

the optimum SAW frequency and diffraction efficiency

and the larger the bandwidth will be.Furthermore,compared

with TM polarization,TE polarization offers a higher diffrac-

tion efficiency and a larger bandwidth of several hundred

megahertz.But TM polarization is attractive for AO devices

with a well-concentrated optical waveguide in128-deg YX-LiNbO3when they employ a single SAW.

2Theoretical Model

2.1SAW Field in128-deg Y X-LiNbO3

The analysis of SAW has been given by many authors.Here

we follow the pattern of Campbell and Jones.7

A simplified schematic diagram of guided wave AO inter-

action is shown in Fig.1.The substrate is128deg YX-LiNbO3,and the SAW and the optical wave propagate in the x1-and x2-direction,respectively.In the following

analysis,the SAW field is assumed to be uniform in the

x2-direction and has a decaying field in the x3-direction. Based on the acoustic field theory and the quasi-static approximation of Maxwell’s equations,a set of coupled differential equations for the particle displacement u i, I?1;2;3and the electrical potentialφ?u4can be obtained.The traveling wave solutions can be expressed as:

u i?

X4

m?1

βi m exp??jγm kx3 exp?jeωt?kx1T

i?1:::4;x3≥0;(1)

0091-3286/2012/$25.00?2012SPIE

Optical Engineering51(7),074602(July2012)

where βm i are the amplitude coefficients,γm

are the complex decay coefficients,and k is the SAW vector.

The mechanical displacements are accompanied by an electrostatic field on the piezoelectric crystal given by:

E i ???u

4?x i

;

i ?1;2;3:(2)

Similarly,the elastic deformations caused by mechanical displacement field can be given by the strain displacement relation:

S ij ?12 ?u i ?x j t?u j

?x i ;i;j ?1;2;3;(3)where S ij is the strain component along the x i direction on a surface of an infinitesimal volume whose normal is parallel to the x j direction.

The coupled differential equations under free surface boundary conditions were solved using numerical method in MATLAB.In the calculation,material constants from Kushibiki et al.8have been used.It should be noted that material constants must be transformed with respect to the coordinate system defined in Fig.1before being substituted.The phase velocity of SAW was evaluated to be 3978.55m ∕s ,and the difference is only 0.35m ∕s compared with Kovacs ’s 3978.2m ∕s ,9which is measured by scanning the crystal surface with a laser beam along several parallel lines and applying the angular spectrum of wave theory.Because the agreement between the phase velocities is good,it is reasonable to believe that our analysis is correct.The relative particle displacement and relative electric field of the 128-deg YX -LiNbO 3as a function of normalized depth into crystal on the free-surface boundary condition also can be obtained,which are shown in Figs.2and 3,respectively.From these figures we can see that the relative particle displacement and relative electric field are concen-trated near the crystal surface within one or two wavelengths.The u 3and the E 1are dominant compared with others.2.2SAW-Induced Effective Refractive Index Change It is well known that the SAW changes the effectiveindexof the guided mode by three distinct phenomena:the AO effect,the electro-optic (EO)effect,and the optical waveguide thickness perturbation effect.2,3Since the effective refractive index change caused by waveguide interface perturbations tends to cancel each other in the typical single mode arrangement,it will be ignored in the following discussion.The change of

optical indicatrix ΔB ij ?Δe1∕n 2Tij due to AO and EO effects is given by:

ΔB ij ?p E ijkm S km tr s ijk E k ;

i;j;k;m ?1;2;3;(4)

where p E ijkm and r S

ijk are the strain optic tensor at constant electric field and EO tensor at constant strain,respectively,S km and E k are strain and electric field components of the SAW,respectively.

The strain and electric field components of the SAW have already been calculated in Sec.2.Substituting the SAW fields together with the known AO and EO constants of LiNbO 3(Ref.10)into Eq.(4),the frequency/depth depended change of optical indicatrix ΔB v can be obtained,where the contracted index v counts from one to six using the standard subscript contraction.It should be noted that the AO and EO constants of LiNbO 3must also be transformed carefully with respect to the coordinate system defined in Fig.1before being

substituted.

Fig.1Geometry of guided wave AO

interaction.

Fig.2Relative displacement of 128-deg Y X -LiNbO 3propagation on the free

surface.

Fig.3Relative electric field of 128-deg Y X -LiNbO 3propagation on the free surface.

The normalized overlap integral factor j U av eωx 3Tj ?j ΔB v eωx 3T∕j ΔB v max jj versus normalized depth into the crystal are shown in Fig.4(a)and 4(b)for 128-deg YX -LiNbO 3with TE (v ?1)and TM (v ?3)polariza-tion,respectively,where j ΔB v max j is the maximum of j ΔB v j .As shown in Fig.4,the different contributions from AO effect and EO effect are plotted separately.From the figure it can be seen that compared with the EO contribution,the AO contribution is dominant.

2.3Modulation Efficiency and Overlap Integral The AO diffraction efficiency of guided optical wave,perfectly phase matched to the SAW,is given by the well-known formula:11

η?sin 2"πλcos θF ????????????????????????????1

2M eP s ∕Λ2TL r #

;(5)

where M 2is the AO figure of merit,P s is the input acoustic

power,θis the Bragg angle,λand Λare the optical and acoustical wavelength,respectively,L is the acoustic beam-width and F is the overlap integral between optical and SAW fields.The overlap integral F ,which has a value varying from 0to 1depending on the field distribution of the optical and acoustic waves,is a complication that occurs only for guided-wave structures.It can be seen that the diffraction efficiency is a strong function of j F j ????ωp ,where ωis the angular frequency of SAW.

The frequency dependent overlap integral,taking a value in the range from 0to 1,can be written as

j F eωTj ? R ∞0j U r ex 3Tj 2U av eωx 3Td x 3R ∞0j U r ex 3Tj 2

d x 3

;v ?1;3:(6)For the bulk-wave case,it should be U r ?U av ?1,

F ?1.

The normalized intensity j U r j 2?j E 0∕E ref j 2of the guided mode of a Ti ∶LiNbO 3waveguide can be approximated by a Hermite-Gaussian function in depth:12

j U r ex 3Tj 2?8<:????????

28x 32

p ?????

?πσ3

p exp h ?2ex 3σT2i ;x 3>00;x 3≤0;(7)where σis the transverse width parameter.

3Numerical Results

Substituting Eqs.(4)and (7)into Eq.(6),the overlap integral with different optical penetration depths can be evaluated for the 128-deg YX -LiNbO 3.The overlap integral as a function of the SAW frequency for five different penetration depths (d ?2,4,6,8,10μm)were calculated and shown in Figs.5and 6for TE (v ?1)and TM (v ?3)polarization,respectively.Here the optical penetration depth d ,defined as the 1∕e 2value of maximum intensity and related to σby d ≈1.5σ(Ref.12).

From these two figures it can be seen there is a peak value of the diffraction efficiency dependent on the optical pene-tration depth.The smaller the optical penetration depth is,the higher the optimum SAW frequency and diffraction efficiency and the larger the bandwidth will be compared with TM polarization,TE polarization offers a higher diffrac-tion efficiency and a larger bandwidth of several hundred megahertz.However,128-deg YX -LiNbO 3with TM polar-ization offers better performance on modulation for a well-concentrated optical waveguide when the device is driven by low SAW frequency.Except for the bandwidth limited by the overlap integral,the bandwidth of AO devices is also determined by SAW transducer bandwidth and AO Bragg bandwidth imposed by phase-matching

condition.

Fig.4Normalized overlap integral factors versus x 3∕Λin 128°Y X -LiNbO 3:(a)TE polarization,(b)TM

polarization.

Fig.5Overlap integral for 128-deg Y X -LiNbO 3and TE polarization.

Because the absolute AO Bragg bandwidth is inversely pro-portional to the frequency of SAW,the modulator that employs a single inter digital transducer will have a smaller AO Bragg bandwidth and thus a smaller device bandwidth when the driving SAW frequency is higher.So TM polariza-tion is attractive for AO devices with a well-concentrated optical waveguide in128-deg YX-LiNbO3when they employ a single SAW.

4Conclusion

We have theoretically investigated efficiency of guided-wave AO devices fabricated on128-deg YX-LiNbO3for the first time.The SAW field and overlap integral under different optical penetration depths in128-deg YX-LiNbO3were cal-culated for TE-and TM-polarized light.Basis on the results, high diffraction efficiency and large bandwidth can be ob-tained by designing the optical penetration depth and SAW https://www.360docs.net/doc/b49976615.html,pared with TM-polarized light,128-deg YX-LiNbO3with TE-polarized light offers better perfor-mance for modulation.However,TM polarization is attractive for AO devices with a well-concentrated optical waveguide in 128-deg YX-LiNbO3when they employ a single SAW.

Acknowledgments

This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.61107035). References

1.C.S.Tsai,“Integrated acousto-optic and magneto-optic Bragg cell mod-

ulators and their applications,”Opt.Eng.38(7),1136–1142(1999).

2.C.H.von Helmolt,“Integrated optic strip waveguide phase modulator

driven by a SAW,”J.Lightwave Technol.5(2),218–228(1987).

3.C.H.von Helmolt and C.Schaffer,“Efficiency of guided wave acousto-

optic interaction for selected cuts in LiNbO3,”https://www.360docs.net/doc/b49976615.html,mun.8(2), 49–56(1987).

4.G.F.Fan et al.,“Overlap integral in integrated acousto-optic,”Opt.Eng.

45(6),064601(2006).

5.S.Sakio et al.,“Improvement of diffraction properties in waveguide-type

acousto-optic modulator driven by surface acoustic wave,”Jpn.J.Appl.

Phys.46(2),669–674(2007).

6.S.Sakio et al.,“Surface-acoustic-wave-driven acousto-optic modulator

with wide wavelength range for visible laser light,”Jpn.J.Appl.Phys.

48,07GE02(2009).

7.J.J.Campbell and W.R.Jones,“A method for estimating optimal crys-

tal cuts and propagation directions for excitation of piezoelectric surface waves,”IEEE Trans.Sonics Ultrason.SU-15,209–217(1968).

8.J.Kushibiki et al.,“Accurate measurements of the acoustical physical

constants of LiNbO3and LiTaO3single crystals,”IEEE Trans.Ultra-son.Ferroelectr.Freq.Control.46,1315–1323(1999).

9.G.Kovacs et al.,“Improved material constants for LiNbO3and

LiTaO3,”Proc.IEEE Ultrasonics Symp.1,435–438(1990).

10.M.Jazbinsek and M.Zgonik,“Material tensor parameters of LiNbO3

relevant for electro-and elasto-optics,”Appl.Phys.B74,407–414 (2002).

11.E.G.Lean,J.M.White,and C.D.W.Wilkinson,“Thin-film acousto-

optic devices,”Proc.IEEE64,779–788(1976).

12.D.Marcuse,“Optimal electrode design for integrated optics modula-

tors,”IEEE J.Quantum Electron.QE-18,393–398

(1982).

Juntao Wang received his BS in electronic

science and technology from Tianjin Univer-

sity,Tianjin,China,in2007,and his MS in

photoelectronics also from Tianjin University

in2009.He is currently working toward his

PhD in photoelectronics at Tianjin University.

He is engaged in research on integrated

acousto-optic

interactions.

Qun Han received the BS degree in physics

from Liaocheng Teacher's College(now

Liaocheng University),Shandong,China,in

2000,the MS degree in optics from Nankai

University,Tianjin,China,in2003,and the

PhD degree in physical electronics from

Tianjin University,Tianjin,China,in2006.He

is now an associate professor at the College

of Precision Instrument and Opto-electronics

Engineering,Tianjin University,China.His

current research interests are mainly focused on fiber sensors,fiber lasers and amplifiers.He is the author or co-author of more than50scientific papers and3

patents.

Jiping Ning received her PhD from Tianjin

University and is a PhD adviser.She has

been involved in photoelectronic technology.

In particular,she has been contributed to the

development of fiber lasers and amplifiers,

both pulsed and cw,including an all-solid-

state laser operating in the visible and near-

infrared wavelength regions,since1986. Biographies and photographs of the other authors are not

available. Fig.6Overlap integral for128-deg Y X-LiNbO3and TM polarization.

铌酸锂将主导40G调制器

铌酸锂将主导40G调制器市场 40Gb/s传送系统面世伊始所遭遇的众多技术问题现在都已经得到解决。其中推动DWDM 网络向40Gb/s传送速率升级的关键因素之一便是光信号产生技术的进步。 调制器是产生光信号的关键器件。在TDM和WDM系统的发射机中,从连续波(CW)激光器发出的光载波信号进入调制器,高速数据流将迭加到光载波信号上从而完成调制。 近些年来,由于铌酸锂(LiNbO3)波导的低损耗、高电光效率等特性,铌酸锂在2.5Gb/s 及更高速率的光调制器中得到越来越广泛的使用。基于马赫-曾德(MZ)波导结构的LiNbO3行波调制器已经成为现有系统中使用最广泛的调制器。 LiNbO3调制器通常分为X切和Z切两种规格,各有优缺点。前者的主要优点在于工作时无啁啾产生,因而发送机设计比较简单;后者的主要优点是驱动电压较低、带宽较大。传统观点认为,与Z切调制器相比,X切调制器由于带宽和电光系数的限制,不适用于10Gb/s以上的调制。 即便如此,CorningOTI(现为Avanex)的调制器研究组仍然提出了用于40Gb/s传送系统的X切调制器设计技术方案。通过多个高比特率传送系统的实验,我们发现,与其它基于LiNbO3的技术相比,单驱动的X切LiNbO3MZ调制器能够在更高比特速率上支持性能更高、成本更低的传送技术方案。X切调制器已经通过了包括Mintera公司在内众多系统实验室的40Gb/s传送实验的验证。 在去年三月的OFC2003上,Mintera公司的10,000km、40Gb/sDWDM传送演示系统使用的就是X切调制器。Mintera公司评价说,单驱动的X切LiNbO3MZ调制器适用于需要

铌酸锂的性质及应用

铌酸锂的性质及应用 一、晶体基本介绍 铌酸锂(LINbO3,LN)晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料,具有良好的热稳定性和化学稳定性,可以利用提拉法生长出大尺寸晶体,而且易于加工,成本低,是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。目前,已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用,被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂(PeriodieallyPoledLiNbO3,PPLN),可以最大程度地利用其有效非线性系数,广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程,在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景,因而成为非常流行的非线性光学材料。 二、基本化学性质 铌酸锂晶体简称LN,属三方晶系,钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构,AB03型晶体结构的一种类型。其原子堆积为ABAB堆积,并形成畸变的氧八面体空隙,1/3被A离子占据,1/3被B离子占据,余下1/3则为空位。此类结构的主要特点是:A和B两种阳离子的离子半径相近,且比氧离子半径小得多。分子式为LiNbO3,分子量为147.8456。相对密度4.30,晶格常数a=0.5147 nm,c=1.3856 nm,熔点1240℃,莫氏硬度5,折射率n0=2.797,ne=2.208(λ=600 nm),界电常数ε=44,ε=29.5,ε=84,ε=30,一次电光系数γ13=γ23=10×10m/V,

铌酸锂晶体电光调制器的性能测试_OK

铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试 铌酸锂(LiNbO3)晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一,它是很好的压电换能材料,铁电材料,电光材料,非线性光学材料及表面波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时,晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体部由于自发极化存在着固有电偶极矩,当对这种晶体施加电场时,外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向,因此,必然改变晶体的折射率,即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器,应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。 【实验目的】 1.了解晶体的电光效应及电光调制器的基本原理性能. 2. 掌握电光调制器的主要性能消光比和半波电压的测试方法 3. 观察电光调制现象 【实验仪器】 1.激光器及电源 2.电光调制器(铌酸锂) 3.电光调制器驱动源 4. 检流计 5.示波器 6.音频输出的装置 7.光具台及光学元件 【实验原理】 1.电光效应原理 某些晶体在外电场作用下,构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E 的改变发生相应的变化,因而某些原来各向同性的晶体,在电场作用下,显示出折射率的改变。这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率N 和外电场E 的关系如下: ΛΛ++=-2 20 211RE rE n n (1) 式中,0n 为晶体未加外电场时某一方向的折射率,r 是线性电光系数,R 是二次电光系数。通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应,又称泡克尔斯效应;把二次项引起的电光效应叫做二次电光效应,又称克尔效应。其中,泡克尔斯效应只在无对称中心的晶体中才有,而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心的晶体中,与泡克尔斯效应相比,克尔效应较小,通常可忽略。 目前普遍采用线性电光效应做电光调制器,这样就不再考虑(1)式中电场E 的二次项和高次项。因此(1)式为:

实验一 声光调制实验

实验一 声光调制实验 早在本世纪30年代就开始了声光衍射的实验研究。60年代激光器的问世为声光衍射现象的研究提供了良好的光源,促进了声光效应理论和应用研究的迅速发展。声光效应为控制激光束的频率、方向和强度提供了一个有效的手段。利用声光效应制成的声光器件,如声光调制器、声光偏转器和可调谐滤光器等,在激光技术、光信号处理和集成光通讯技术等方面有着重要应用。声光效应已广泛应用于声学、光学和光电子学。近年来,随着声光技术的不断发展,人们已广泛地开始采用声光器件在激光腔内进行锁膜或作为连续器件的Q 开关。由于声光器件具有输入电压低驱动功率小、温度稳定性好、能承受较大光功率、光学系统简单、响应时间快、控制方便等优点,加之新一代的优质声光材料的发现,使声光器件具有良好的发展前景,它将不断地满足工业、科学、军事等方面的需求。 一、实验目的 1、掌握声光调制的基本原理。 2、了解声光器件的工作原理。 3、了解布拉格声光衍射和拉曼—奈斯声光衍射的区别。 4、观察布拉格声光衍射现象。 二、实验原理 (一)声光调制的物理基础 1、弹光效应 若有一超声波通过某种均匀介质,介质材料在外力作用下发生形变,分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移,将引起介质内部密度的起伏或周期性变化,密度大的地方折射率大,密度小的地方折射率小,即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物质。 2、声光栅 当声波通过介质传播时,介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的相位。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长λs ,这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时,有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的,而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。 当超声波传播到声光晶体时,它由一端传向另一端。到达另一端时,如果遇到吸声物质,超声波将被吸声物质吸收,而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用,则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造,也就是行波形式的光栅。 当超声波传播到声光晶体时,它由一端传向另一端。如果遇见反声物质,超声波将被反声物质反射,在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用,在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造,也就是驻波形式的光栅。 首先考虑行波的情况,设平面纵声波在介质中沿x 方向传播,声波扰动介质中的质点位移可写成 ()x k t u u s s -=ωcos 01 (1) μ0是质点振动的振幅,ωs 是声波频率,k s 是声波波矢量的模。相应的应变场是 ()x k t k u x u S s s s -=??-=ωsin 01 (2) 对各向同性介质,折射率分布为

铌酸锂晶体电光调制器的性能考试OK

铌酸锂晶体电光调制器的性能测试---OK

————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:

铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试 铌酸锂(LiNbO3)晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一,它是很好的压电换能材料,铁电材料,电光材料,非线性光学材料及表面波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时,晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体内部由于自发极化存在着固有电偶极矩,当对这种晶体施加电场时,外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向,因此,必然改变晶体的折射率,即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器,应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。 【实验目的】 1.了解晶体的电光效应及电光调制器的基本原理性能. 2. 掌握电光调制器的主要性能消光比和半波电压的测试方法 3. 观察电光调制现象 【实验仪器】 1.激光器及电源 2.电光调制器(铌酸锂) 3.电光调制器驱动源 4. 检流计 5.示波器 6.音频输出的装置 7.光具台及光学元件 【实验原理】 1.电光效应原理 某些晶体在外电场作用下,构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E 的改变发生相应的变化,因而某些原来各向同性的晶体,在电场作用下,显示出折射率的改变。这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率N 和外电场E 的关系如下: ++=-2 20 211RE rE n n (1) 式中,0n 为晶体未加外电场时某一方向的折射率,r 是线性电光系数,R 是二次电光系数。通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应,又称泡克尔斯效应;把二次项引起的电光效应叫做二次电光效应,又称克尔效应。其中,泡克尔斯效应只在无对称中心的晶体中才有,而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心的晶体中,与泡克尔斯效应相比,克尔效应较小,通常可忽略。 目前普遍采用线性电光效应做电光调制器,这样就不再考虑(1)式中电场E 的二次项和高次项。因此(1)式为:

2 相位调制器的结构

2 相位调制器的结构 2.1 “lxl”形式的光相位调制器 传统的光学相位调制器 (体相位调制器或波导相位调制器),只有一条基本的光路,仅考虑单频光通过一个相位调制器的基本结构,即如图3所示的形式,我们称之为“lxl”形式的光相位调制器。 图3 相位调制器的基本结构图 当光信号通过相位调制器之后,输出光场的表达式为公式为: () () 0+2+=A =A m j t jf t j f t jf t LW LW out E e e ωπ (4) 本论文中,假设f(t)是单频正弦波信号,即: ()()() 00sin 2sin RF RF m m f t A f t A t π?ω?=+=+ (5) 2.1.1 体相位调制器 我们知道单轴晶体妮酸铿晶体 (3LiNbO ) 以及与之同类型的 3L iT aO 、3 BaTaO 酸铿等晶体,属于同一类晶体点群。它们光学均匀性好,不潮解,因此在光电子技术中经常使用。并且此类晶体在被施加外加电场之后,其折射率椭球就会发生“变形”。 以妮酸铿电光材料为例,将该晶体用于相位调制器,可以有以下几种基本的应用方式: 情况1:入射光沿 1 x 方向入射 精况1.l :入射光沿3x 方向偏振 情况1.2:入射光沿 2 x 方向偏振 情况2:入射光沿3x 方向入射 这里只讨论情况1.1,如下图(图4)所示:

图4 体相位调制器的基本结构图 如果入射光是万方向的线偏振光,外加电场信号V(t),则在该方向上的折射率变为: ' 3 23333 12 e e n n n n E γ==- (7) 光通过该调制器后的相位变化为: ()3 23312z e e V t n l n n l c c d ω ω?γ? ?= = - ??? (8) 体相位调制器是一种电光调制器,具有较大体积的分离器件。为了使通过的光波受到调制,需要改变晶体的光学性质,而这需要给整个晶体施加外加相当高的电压。 2.1.2 波导相位调制器 光波导相位调制器件可以把光波限制在微米量级的波导区中,并使其沿一定的方向传播。 光波导相位调制器是通过使用电光材料(如 lithium niobate(LN), lithium tantalate(LT),gallium arsenide(GaAs)等等)的电光特性以及一定的光波导结构,来实现光的相位调制的。 光波导相位调制器能使介质的介电张量(折射率)产生微小的变化,从而使两传播模式之间有一定的相位差,并且由于外场的作用导致波导中本征模传播特性的变化以及两不同模式之间的藕合。 以 3 LiNbO 晶体为例子,实际应用中常见的光波导相位调制器结构如下图(图5)所示:

电光调制器工作点控制课程设计论文

基于锁相放大器的电光调制器工作点放大 摘要: 关键词: 引言:基于光时域反射(OTDR)技术的分布式光纤传感系统不仅具有无电磁辐射、抗干扰能力强、化学稳定性好等优点,而且其传感元件仅为光纤,单端测量即可同时获得被测量在时间和空间上的分布状况,空间分辨率可以达到米量级。相对于传统的电传感仪器,具有其自身独特的优势。 其中电光调制器EOM产生的光脉冲具有更快的上升沿,可以获得更高的空间分辨率,其消光比通常也比较高,可以达到30~40dB,且调制过程中无啁啾效应。由于基于光时域反射技术的分布式光纤传感系统常常需要达到米量级的空间分辨率,所以常采用EOM作为探测光脉冲的发生器。然而EOM的工作点在长期工作时易发生漂移现象,从而引起探测光脉冲消光比的波动,降低传感系统的信噪比。因此需要采用自动控制装置对EOM工作点进行锁定。本文在分析EOM调制特性及传统EOM工作点锁定方法局限性的基础上,提出一种基于所想放大器反馈的EOM工作点控制方法,以期实现消光比高、稳定性好的光脉冲输出,降低EOM 工作点漂移对基于光时域反射技术的分布式光纤传感系统性能的影响。 2 基于EOM的脉冲光调制原理 2.1 EOM的工作点选取 EOM 是利用某些晶体的电光效应对光信号进行调制的器件。对一个典型的铌酸锂MZ 电光调制器来说,它的传递函数可以用公式(1)来描述[1]: p=1 ?[1+cos?( π ?Vbias+VRF+ψoffset] 其中,p是归一化的输出光功率,Vbias与VRF分别是给EOM加的直流偏置电压和射频调制电压;Vπ是EOM的半波电压,ψoffset是初始的偏移相位。 为EOM输出特性曲线漂移示意图,EOM光功率-电压传递函数曲线如图1中实线所示

浅议铌酸锂电光调制器的应用差异

浅议铌酸锂电光调制器的应用差异目前市面上常见的10G调制带宽的铌酸锂调制器按结构可大致分为2种, 分别是相位调制器和强度调制器. 其中强度调制器的细分种类又更多, 按应用类型划分其中用于数字光通信的可以分为固定啁啾和零啁啾的类型; 而用于光载微波通信的又有模拟强度调制器;在传感领域为了获得极窄和极高的消光比光脉冲, 又有专门工作于脉冲模式下的调制器. 一般我们在对调制器进行选型, 主要考虑应用场景(模拟or数字系统), 调制速率, 调制格式, 半波电压, 啁啾特性, ON/OFF消光比等. 因诺尔可提供远比Thorlabs更为丰富类型的铌酸锂调制器, 欢迎联系咨询. 以下是Thorlabs对数字光通信的强度调制器的关于固定啁啾和零啁啾详细描述,最后是相位调制器的细节阐述. 10 GHz强度调制器,固定啁啾 Parameter Value Operating Rangea1525 –1605 nm Optical Loss 4.0 dB (Typical) Bit Rate Frequency9.953 Gb/s Electro-optic Bandwidth(-3 dB)10 GHz PRBSb Optical Extinction Ratio13 dB 该调制器设计用于1550 nm窗口。将该调制器使用于另一波长下(例如,可见光)会导致损耗临时增大,而且不在保修范围内。例如,由更短的波长引起的损耗增大可通过将调制器加热到70 °C并维持一小时来恢复。 伪随机二进制序列 特性 C波段和L波段工作范围 低光学损耗:0 dB(典型) 钛扩散Z切面铌酸锂 驱动电压低

长期偏置稳定 Telcordia GR-468兼容 集成的光电探测器 LN82S-FC是10 GHz的LiNbO3强度调制器,0.7固定啁啾,集成光电二极管。它带有PM输入光纤尾纤和SM输出尾纤,终端为FC/PC接头。PM光纤与慢轴对齐,慢轴与e光模式对齐。集成的光电探测器可用于光学功率监测和调制器偏置控制,消除对外部光纤分路器的需要。RF输入通过一个GPO?接头输入调制器。 这些调制器是由钛扩散Z切面LiNbO3制成的,在马赫-曾德尔干涉仪的两个臂之间产生不同的推-拉相移。除了强度调制,这也导致输出信号的相位/频率(线性调频)的偏移。这种固定啁啾调频的调制器将脉冲啁啾降低,当光纤所在的网络的分散系数为正时很有用。啁啾降低的脉冲通过具有正分散系数的光纤时将被压缩,直到达到最小值。超过该点色散项将占主导。因为啁啾脉冲会增加脉冲的谱宽,所以穿过同一段光纤后,线性调频的脉冲最终会比未线性调频的脉冲宽。相比零线性调频设备,这些固定线性调频强度调制器是要求提高功率损耗(对于+1600ps/nm小于2 dB)性能的应用的理想选择。对于电信应用,该LN82S-FC 易于集成到300引脚的兼容MSA的应答器中。 10 GHz强度调制器,零啁啾 Parameter Value Operating Rangea1525 –1605 nm Optical Loss 4.0 dB(Typical) Bit Rate Frequency12.5 Gb/s Electro-optic Bandwidth(-3 dB)10 GHz PRBSb Optical Extinction Ratio13 dB 该调制器设计用于1550 nm窗口。将该调制器使用于另一波长下(例如,可见光)会导致损耗临时增大,而且不在保修范围内。例如,由更短的波长引起的损耗增大可通过将调制器加热到70 °C并维持一小时来恢复。

电光调制器

第三章电光调制器

内容 ?电光调制的基本原理 ?铌酸锂(LiNbO3)电光调制器?半导体电吸收调制器(EAM)

电光调制 电光调制:将电信息加载到光载波上,使光参量随着电参 量的改变而改变。光波作为信息的载波。 强度调制的方式 作为信息载体的光载波是一种电磁场:()() 0cos E t eA t ωφ=+r r 对光场的幅度、频率、相位等参数,均可进行调制。在模拟信号的调制中称为AM 、FM 和PM ;在数字信号的调制中称为ASK 、FSK 和PSK 。调制器:将连续的光波转换为光信号,使光信号随电信号的变化而变化。性能优良的调制器必须具备:高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置电 压。

电光调制的主要方式 直接调制:电信号直接改变半导体激光器的偏置电流,使输出激光强度随电信号而改变。 优点:采用单一器件 成本低廉 附件损耗小 缺点:调制频率受限,与激光器弛豫振荡有关 产生强的频率啁啾,限制传输距离 光波长随驱动电流而改变 光脉冲前沿、后沿产生大的波长漂移 适用于短距离、低速率的传输系统

电光调制的主要方式 外调制:调制信号作用于激光器外的调制器上,产生电光、热光或声光等物理效应,从而使通过调制器的激光束的光参量随信号 而改变。 优点:不干扰激光器工作,波长稳定 可对信号实现多种编码格式 高速率、大的消光比 低啁啾、低的调制信号劣化 缺点:额外增加了光学器件、成本增加 增加了光纤线路的损耗 目前主要的外调制器种类有:电光调制器、电吸收调制器

调制器调制器连续光源 光传输 NRZ 调制格式 其他调制格式: ?相位调制 ?偏振调制 ?相位与强度调制想结合光传输RZ 调制格式 脉冲光源电光调制 折射率的改变通过 电介质晶体Pockels 效应和半导体材料 中的电光效应 光吸收的改变通过半导体材料中的Franz-Keldysh效应量子阱半导体材料中的量子限制的Stark 效应光与物质相互作用 相位调制 偏振调制 (双折射材料) 强度调制强度调制通过-干涉仪结构-定向耦合

铌酸锂电光调制器在低频调制中的应用

铌酸锂电光调制器在低频调制中的应用 因为其高带宽的特性,铌酸锂电光调制器(LiNbO3 Modulators)被广泛应用于高速数据光通讯(up to 40 Gb/s)与高频模拟信号传输(20GHz)。铌酸锂电光调制器(LiNbO3 Modulators)较少被用于1GHz以下的低频调制应用中。然而,铌酸锂电光相位调制器(LiNbO3 Phase Modulators)与基于其他替代技术的调制器相比在低频调制方面却有着明显的优势,例如体积更紧凑、操作更容易、驱动电压更低等。因此铌酸锂电光相位调制器甚至被认为是在kHz到MHz调制频率范围的理性器件! 当要把铌酸锂相位调制器与具有较快上升沿与下降沿、低重复频率或长脉宽脉冲信号一起使用的时候,使用者需要十分谨慎。“高带宽”相位调制器(这里的“高带宽”是指>1GHz的带宽)在上述调制信号的应用中性能并非最佳。为了得到高带宽性能,“高带宽”调制器的微波线阻抗是与~50欧姆匹配的,并且负载电阻终端与射频线端相连以减少或避免电子射频信号反射。因此,较高的电流经过射频电极将因为Joule效应导致温度升高。当重复周期或脉冲宽度比热效应的时间长度更长的时候(如1kHz频率以内),发热与热耗散就成为了一个问题。在加热与冷却周期内,电极与波导的物理性质将发生改变,从而导致产生意外的相位漂移。因此5GHz, 10GHz或20GHz的铌酸锂相位调制器不适合非常低重频的应用。 为了抑制上述现象,一个有效的方法是采用带有较高输入阻抗(typ 10KΩ)或直接开路(MΩ)的调制器。有效电光带宽将被降低至几百MHz,这样的调制频率对于大多数应用尤其光纤传感方面应用是足够了,但是因为Joule效应产生的热效应将会显著降低至可以忽略。法国Photline公司为低重频的调制信号开发了一系列性能优化的相位调制器,例如可适用于800nm, 1000nm, 1300nm, 1500nm 的MPX-LN-0.1系列铌酸锂电光相位调制器。 MPX-LN-0.1系列调制器已经通过高低温测试,其在-400C~+850C范围内或

PZT型相位调制器1

OPE A K ? PZT-LSM 型相位调制器是一款光纤缠绕在压电陶瓷(PZT ) 上,利用PZT 压电效应所构成的相位调制器件,采用独特的多层缠绕方法,使得该产品具有高稳定性、高速调制特性,可选配多种类型光纤(见订购信息),可应用于开环相位调制解调、可变光纤延迟线、光纤干涉仪、& OTDR 、光纤震动校准等光学传感领域。该模块外形紧凑小巧,方便客户进行系统集成。低的电压驱动能力,适用于标准信号源驱动能力。 ? 极小封装尺寸。 ? 多种光纤类型可选(SM/PM )。 ? 高速调制速率。 ? 低电压驱动能力。 ? 独特缠绕方式。 应用领域 ? 光学(光纤)干涉仪 ? 相位调制器 ? 光纤延迟线 ? &OTDR ? 光纤传感

测试图谱 性能参数 最小值 典型值 最大值 备 注 1注:插入损耗在单模时含连接器损耗,保偏时不含连接器损耗。 性能指标 图1搭建等臂长马赫曾德干涉仪测试图谱 测试数据 图2 驱动频率29KHz 时,驱动电压与光纤膨胀量

订购参数 ESD Protection The laser diodes and photodiodes in the module can be easily destroyed by electrostatic discharge. Use wrist straps, grounded work surfaces, and anti-static techniques when operating this module. When not in use, the module shall be kept in a static-free environment. Laser Safety The module contains class 3B laser source per CDRH, 21CFR 1040.10 Laser Safety requirements. The module is Class IIIb laser products per IEC 60825-1:1993. 外形尺寸

声光调制实验

成绩信息与通信工程学院实验报告 (操作性实验) 课程名称:物理光学 实验题目:声光调制实验指导教师:班级:学号:学生: 一、实验目的和任务 1、观察声光调制的偏转现象 2、测试声光调制的幅度特性 3、显示声光调制偏转曲线 4、观察声光调制随频率偏转现象 5、测试声光调制频率偏转特性 6、测量声光调制器的衍射效率 7、测量超声波的波速 8、声光调制与光通讯实验演示 二、实验仪器及器件 声光调制实验仪 ..

图1 声光调制实验仪装置 三、实验容及原理 声光调制原理: 当声波在某些介质中传播时,会随时间与空间的周期性的弹性应变,造成介质密度(或光折射率)的周期变化。介质随超声应变与折射率变化的这一特性,可使光在介质中传播时发生衍射,从而产生声光效应:存在于超声波中的此类介质可视为一种由声波形成的位相光栅(称为声光栅),其光栅的栅距(光栅常数)即为声波波长。当一束平行光束通过声光介质时,光波就会被该声光栅所衍射而改变光的传播方向,并使光强在空间作重新分布。 声光器件由声光介质和换能器两部分组成。前者常用的有钼酸铅(PM)、氧化碲等,后者为由射频压电换能器组成的超声波发生器。如图1所示为声光调制原理图。 声光介质 衍射光 入射光 换能器图1 声光调制原理 声波 θiθdθB 图2 声光调制的原理 理论分析指出,当入射角(入射光与超声波面间的夹角) i θ满足以下条件时,衍射光最强。 ..

.. ??? ? ??=??? ??=??? ?????? ??=s s i N k K N N λλπλλπθ2242sin (1) 式中N 为衍射光的级数,λ、k 分别为入射光的波长和波数λ π 2=k ,s λ与K 分别为超声 波的波长和波数s K λπ 2= 声光衍射主要分为布拉格(Bragg )衍射和喇曼-奈斯(Raman-Nath )衍射两种类型。前者通常声频较高,声光作用程较长;后者则反之。由于布拉格衍射效率较高,故一般声光器件主要工作在仅出现一级光(N=1)的布拉格区。 满足布拉格衍射的条件是: s F Sin υλθ2= B (2) (式中F 与s υ分别为超声波的频率与速度,λ为光波的波长) 当满足入射角i θ较小,且 B i θθ=的布拉格衍射条件下,由(1)式可知,此时k K B 2≈θ ,并有最强的正一级(或负一级)的衍射光呈现。 入射(掠射)角i θ与衍射角B θ之和称为偏转角d θ(参见图1),由(2)式: s s B B i d F k K V 2λλλθθθθ=== =+= (3) 由此可见,当声波频率F 改变时,衍射光的方向亦将随之线性地改变。 同时由此也可求得超声波在介质中的传播速度为: d s F θλ =V (4) 四、实验步骤 1、观察声光调制的偏转现象 (1) 调节激光束的亮度,使在像屏中心有明晰的光点呈现,此即为声光调制的0 级光斑。

声光调制实验

声光调制实验 【实验目的】 1、了解声光调制实验原理; 2、研究声场与光场相互作用的物理过程; 3、测量声光效应的幅度特性和偏转特性。 【实验仪器及装置】 声光调制实验仪(半导体激光器、声光调制晶体、光电接收等)、示波器。 图5.1 所示为声光调制实验仪的结构框图。由图可见,声光调制实验系统由光路与电路两大单元组成。 图5.1 声光调制实验系统框图 一、光路系统 由激光管(L)、声光调制晶体(AOM)与光电接收(R)、CCD接收等单元组装在精密光具座上,构成声光调制仪的光路系统。 二、电路系统

除光电转换接收部件外,其余电路单元全部组装在同一主控单元之中。 图5.2 主控单元前面板 图5.2为电路单元的仪器前面板图,各控制部件的作用如下: ?电源开关控制主电源,按通时开关指示灯亮,同时对半导体激光器供电。?解调输出插座解调信号的输出插座,可送示波器显示。 ?解调幅度旋钮用于调节解调监听与信号输出的幅度。 ?载波幅度旋钮用于调节声光调制的超声信号功率。 ?载波选择开关用于对声光调制超声源的选择: 关——无声光调制 80MHz——使用80MHz晶振的声光调制 Ⅰ——60~80MHz 声光调制 Ⅱ——80~100MHz 声光调制 ?载波频率旋钮用以调节声光调制的超声信号频率。 ?调制监视插座将调制信号输出到示波器显示的插座。(输出波形既可与解调信号进行比较,也可呈现出射光的能量分布状态) ?外调输入插座用于对声光调制的载波信号进行音频调制的插座。 (插入外来信号时1kHz内置的音频信号自动断开) ?调制幅度旋钮用以调节音频调制信号的幅度。 ?接收光强指示数字显示经光电转换后光信号大小。 ?载波电压指示数字显示声光调制的超声信号幅度。 ?载波频率指示数字显示声光调制的超声信号频率。

LiNbO3马赫曾德调制器..

LiNbO3马赫曾德调制器在信号调制中的应用 电子信息工程学院 110421305 刘继鹏 摘要:铌酸锂马赫曾德调制器是目前广泛使用的波导型光调制器件。本文从原 理和应用两个方面对马赫曾德调制器进行分析研究,并且对由马赫曾德调制器调制的各种码型信号进行了软件仿真,通过仿真结果验证其可行性,最后给出了应用于大容量DWDM 光通信系统的载波抑制归零-差分相位键控(CSRZ-DPSK)信号的实现和特点。 关键词:LiNbO3马赫曾德调制器,NRZ,RZ,ASK,CSRZ-DPSK 1. 引言 调制器是产生光信号的关键器件。在TDM 和WDM 系统的发射机中,从连续波(CW)激光器发出的光载波信号进入调制器,高速数据流以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从而完成调制。 在网络容量呈指数增长和全球一体化的驱动下,光通信系统正朝着大容量高速率长距离传输的方向快速发展。而调制器的性能和效率首要的决定着光通信系统能否实现这个目标。近年来,由于铌酸锂(LiNbO3)波导的低损耗、高电光效率等特性,铌酸锂在2.5Gb/s 及更高速率的光调制器中得到越来越广泛的使用。基于马赫曾德波导结构的LiNbO3 调制器(简称LiNbO3 马赫曾德调制器)更是以其啁啾可调,驱动电压低以及带宽大等优点成为光通信系统中使用最广泛的高速调制器。本文从原理和应用两个方面对马赫曾德调制器(MZM)进行分析讨论。 2. 马赫曾德调制器的原理 马赫曾德调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电解质光调制器件。其结构示意下图所示 图1 马赫曾德调制器的结构示意图

在马赫曾德调制器中,输入的光信号在Y 分支器(3dB 分束器)上被分成振幅和相位完全相同的两束光,并且随着光波导在上下两支路上进行传输。如果两平行臂完全对称,在不加调制电压时,两支路光束在输出Y 分支器内重新合并成与原输入光信号相同的光束,单模波导输出。如果在调制区上加调制电压,则由于等离子体色散效应,光波导折射率发生改变,从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变。设两臂相位差为Δφ,当Δφ为0°(相移为0)时,则光束在输出Y 分支器内发生相长干涉,此时得到代表逻辑‘1’的“开状态”信号;当Δφ为180°(相移为π)时,光束在输出Y 分支器内发生相消干涉,此时得到代表逻辑‘0’的“关状态”信号。这样,通过对调制电压进行调节可以产生不同的信号,从而实现对信号的编码。 在输出端的Y 分支器的信号可以用如下公式表示: (1) 习惯上使用信号光强来表示马赫曾德调制器的传输特性: (2) 这里E o 和E i 分别表示光波的输出电场和输入电场,V(t)是驱动电压(包括直流偏置和电调制信号), Vπ是半波电压,用于产生光波的π相位偏移。 3.马赫曾德调制器的应用 由于马赫曾德调制器的传输特性是余弦曲线形式的,如下图所示,则调制器可以被偏置在不同的区域并且驱动信号可以层叠在偏置电压上。通过调节偏置电压和驱动信号可以产生NRZ-ASK/NRZ-DPSK 信号,RZ-ASK/RZ-DPSK(包括载波抑制RZ-DPSK)信号等。

铌酸锂的性质及应用

铌酸锂的性质及应用 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020

铌酸锂的性质及应用 一、晶体基本介绍 铌酸锂(LINbO3,LN)晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料,具有良好的热稳定性和化学稳定性,可以利用提拉法生长出大尺寸晶体,而且易于加工,成本低,是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。目前,已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用,被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂 (PeriodieallyPoledLiNbO3,PPLN),可以最大程度地利用其有效非线性系数,广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程,在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景,因而成为非常流行的非线性光学材料。 二、基本化学性质 铌酸锂晶体简称LN,属三方晶系,钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构,AB03型晶体结构的一种类型。其原子堆积为ABAB堆积,并形成畸变的氧八面体空隙,1/3被A离子占据,1/3被B离子占据,余下1/3则为空位。此类结构的主要特点是:A和B两种阳离子的离子半径相近,且比氧离子半径小得多。分子式为LiNbO3,分子量为。相对密度,晶格常数a= nm,c= nm,熔点1240℃,莫氏硬度5,折射率n0=,ne=(λ=600 nm),界电常数ε=44,ε=29.5,ε=84,ε=30,一次电光系数γ13=γ23=10×10m/V,γ33=32×10m/V.Γ22=-γ12=-

铌酸锂电光调制器应用于低频调制

Use of LiNb03 modulators at low frequencies LiNb03modulators are widely used for their high bandwidth performances that make them favored devices for high data rate optical communications (up to 40 Gb/s) and high frequency (20 GHz) analog transmission. They are less often used at low frequencies under 1 GHz. However LiNb03phase modulators have also strong benefits at low frequencies (compactness, ease of use, low drive voltage) compared to devices based on alternative technologies and are thus components to be considered even for kHz to MHz frequency range applications. Users searching to implement LiNb03 phase modulators with modulation signals showing low and high frequency components, and the typical case is the one of a pulse signal with sharp rising and fall edges and low repetition rate or long pulse duration, must be very cautious. A “high bandwidth” phase modulator, and here “high bandwidth” means > 1 GHz typically, is not performing extremely well with such a modulation signal. The reason is that in order to get good high bandwidth performance, the impedance of the microwave line of the modulator is matched near to 50 ohms and a load resistance termination is connected at the end of the RF line to reduce or avoid electrical RF reflection. Thus, a significant level of current is traveling in the RF electrodes, leading to local temperature increases by Joule effect. Heating and thermal dissipation becomes a problem when the repetition period or the pulse duration becomes longer than the time constant of the thermal effects (in the range of 1kHz or below). Then the physical properties of the electrodes and waveguide are changing during the heat-on and cool-down periods, leading to unwanted phase drifts. Standard 5, 10 or 20 GHz phase modulators are not suitable for such applications involving very low repletion rate. To suppress that phenomenon, a solution is to use a modulator with a high input impedance load (typ 10 kΩ) or directly an opened electrode line (MΩ). The useful E-O bandwidth is then reduced to several hundred MHz which is sufficient for a large range of applications in particular for sensing applications, but the thermal effects are significantly reduced since the Joule effect becomes negligible. Photline has developed a family of phase modulators whose performances are optimized for low repetition rate modulation signals (MPX-LN-0.1 series are available at 800 nm, 1000 nm, 1300 nm, 1550 nm). MPX-LN-0.1 modulators has been tested in temperature and it has been demonstrated that they keep their performance in operating conditions covering a large temperature range (-40°C +85°C) and during temperature variations.

单晶铌酸锂薄膜上光栅耦合器研究

单晶铌酸锂薄膜上光栅耦合器研究 铌酸锂晶体(LN)是一种多功能光电材料,具有很多优良的物理性质,如电光、声光、光折变、非线性光学、压电、介电、铁电、热释电等,并且其机械稳定性好,本征带宽大,波长透光范围宽。铌酸锂在非线性光学和集成光学领域有重要应用。近年来,基于离子注入和晶圆键合技术,人们制备了单晶铌酸锂薄膜(Lithium niobate on insulator,LNOI),这种薄膜材料具有可以与晶体材料接近的物理性质。并且,由于LN和二氧化硅(Si02)隔离层之间的高折射率对比,使得以其为基底制作的各类薄膜光电器件具有更好的限光能力,更小的横截面尺寸,能够实现更高密度的集成。 利用LNOI材料人们制备了一系列性能优异的光电器件,如频率转换器、电光调制器、二次谐波产生器,以及周期性极化的铌酸锂(PPLN)上的倍频器件等。光纤与LNOI器件间的耦合是集成光学一个重要的研究方向,具有重要应用价值。为了实现光纤与LNOI波导器件的耦合,可以有多种耦合方式,如端面耦合法和表面耦合法。一般LN薄膜的厚度在0.5 μm左右,而单模光纤的纤芯直径为8-10μm,模式不匹配导致光纤与波导间的耦合变得比较困难。 通过应用锥形波导结构、拉锥透镜光纤结构可以提高端面的模式匹配,进而提高耦合效率。但是端面耦合需要对波导进行端面抛光,有时还需要外接透镜光路或对光纤头进行特殊处理,这增加了耦合系统的复杂性。利用周期性刻蚀的光栅结构,可以对衍射场进行相位调制,制作光栅耦合器。这种波导光栅耦合器具有可以加载在LNOI基片上的任意位置,所需光栅尺寸小,不需要对LNOI波导进行后续端面抛光,不需要对光纤进行磨锥等特殊处理的优点,能够满足集成光路对单芯片上器件集成和测试的需求。 波导光栅耦合器的制备方法有很多,如反应离子束刻蚀、氩离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀等。这些方法都需要与紫外光刻或电子束曝光结合来完成光栅图形的制样,形成的光栅对光刻精度的依赖性很大。聚焦离子束刻蚀(Focused ion beam etching,FIB)法是一种微加工技术,利用静电透镜系统将离子束进行聚焦来实现图像显微、微结构刻蚀。FIB不需要像其他方式那样对样品进行光刻掩膜,使用聚焦的离子束可以直接对样品进行刻蚀。 FIB通过采集低能的离子感生电子成像,因此在刻蚀过程中可以同时实现对

相关文档
最新文档