高性能硅和铌酸锂异质集成薄膜电光调制器 （特邀）

硅基光子集成平台因其高集成度、CMOS工艺兼容性等特点在光通信领域受到了广泛的关注,而电光调制器作为光通信系统中最为重要的器件之一,承担着将电信号加载至光信号上的关键作用,为打破硅基调制器的性能限制,可利用硅和铌酸锂的大面积键合技术以及铌酸锂低损耗波导刻蚀技术实现高性能硅和铌酸锂异质集成薄膜电光调制器,目前该类调制器的性能可达半波电压3 V,3 dB电光带宽超过70 GHz,插入损耗小于1.8 dB, 消光比大于40 dB。文中对比了硅和铌酸锂异质集成调制器的研究现状并介绍了该异质集成薄膜调制器的结构设计与工艺实现方法。     

高速铌酸锂电光调制器研究进展

薄膜铌酸锂调制器因其小尺寸、高带宽、低半波电压等优点,成为近年来业内关注的热点。文章梳理了铌酸锂电光调制器的波导结构、电极结构及偏置点控制技术三个方面的相关研究进展,分析了平面掩埋、脊型、光子晶体等三种不同结构波导的调制器性能,讨论了铌酸锂调制器集总和行波两种电极结构的特点及其设计考量因素,对比了电光调制器偏置点控制中功率法和导频法的优缺点及其相关研究成果。在此基础上,进一步分析了为实现更小体积与更高带宽铌酸锂调制器所需的关键技术以及未来的研究方向。     

非近轴光束下铌酸锂晶体的电光效应

为了研究电场一定时,光束在非近轴条件下铌酸锂晶体的电光效应,采用折射率椭球张量的循环坐标变换方法,理论上推导了光轴正交截面上折射率分布的解析式,讨论了折射率、相位延迟以及透射率与光束入射方向之间的关系,并且进行了实验验证,取得了透过率随光束与光轴夹角α的实验数据。结果表明,y方向加电场时,入射光小角度偏转将引起x方向感应折射率以及光束透射率的明显变化,而y方向的感应折射率不变;光束与光轴的夹角α对铌酸锂晶体电光性能的影响远远大于光矢在x-y平面与x轴正半轴的夹角β对其的影响;x方向加电场时感应折射率同y方向加电场时类似,但此时相位延迟更小,在0°~0.4399°夹角范围内,前者的透过率变化较后者慢,并且在0.45°之后呈现出交替变化的规律,当夹角为0.5°,0.680°等位置时,它们具有相同的透过率。这一结果对利用角度调节以改善铌酸锂晶体的电光性能具有一定的指导意义。     

LiNbO3电光调制器的优化设计与制作

铌酸锂晶体有良好的光声和电光性质,因而基于铌酸锂的集成光学器件已引起人们广泛关注。利用LiNbO3作为介质材料,设计M-Z干涉型强度调制器。选用低损耗的质子交换光工艺技术制备光波导。对质子交换铌酸锂光波导的制作工艺、波导特性及其应用进行了研究。对电极结构进行了优化设计。     

交叉耦合效应对M-Z调制器谐波抑制比的影响

针对微波光子链路低噪声高线性度的应用需求,研究了Mach-Zehnder (M-Z)型电光调制器波导交叉耦合效应对谐波抑制比的影响。首先通过OptiBPM和MATLAB联合仿真发现波导间交叉耦合效应会导致调制器射频电极与偏置电极工作点的偏移,进而降低谐波抑制比;其次利用特制的窄波导间距铌酸锂调制器实测验证了该现象,最后提出了一种能快速检测M-Z型电光调制器交叉耦合效应的方法。文章不仅探索了波导结构对谐波抑制比的影响,还为用于微波光子技术的脊波导及光子晶体薄膜铌酸锂调制器的研制提供了一定参考。     

铌酸锂声电光调制器最优化工作模式研究

为进一步提高铌酸锂声电光调制器的性能,在确定器件的电光工作模式后,利用相切条件办法对相应的声光工作模式进行了系统的研究。通过以离轴角为自变量分别对x-O-z平面和y-O-z平面内不同超声波情况下的声光优值进行定量计算,确定了铌酸锂声电光器件的最佳工作模式,并给出了该工作模式下中心频率在50MHz~300MHz之间铌酸锂声电光器件的设计参数。计算结果表明,利用最优化工作模式可以获得较大的声光优值,从而有效提高器件的衍射效率。     

多通道声电光调制器及其在频谱分析中的应用

使用铌酸锂（ＬＮ）晶体制作了有三个声电光互作用通道的调制器，并进行了空分型声电光频谱分析实验。它可减小声光频谱分析器由于器件自身频率特性的限制而产生的分析误差，提高分析精度达３０％。     

Ce:LN晶体的生长和位相共轭效应

铌酸锂(LiNbO_3简称LN)具有电光效应和非线性光学效应,用以制做调制器,Q开关,倍频器等激光器件。但在激光密度较强时,晶体产生光折变,限制了LN在激光技术中的应用。利用LN晶体折变效应,在     

1064nm低电压薄膜铌酸锂电光调制器

低半波电压电光调制器是实现大规模光电集成的关键。文章提出了一种半波电压低于1.5 V的薄膜铌酸锂马赫-曾德尔(Mach-Zehnder, MZ)电光调制器，选用绝缘体上单晶薄膜铌酸锂材料作为设计基础，分析了直波导、多模干涉耦合器、弯曲波导和调制臂等结构对电光调制器的影响。结果表明，当调制臂长为3 mm时，该薄膜铌酸锂电光调制器具有1.05 V的低半波电压、0.319 dB的低损耗和27 dB的高消光比。同时，该调制器半波电压长度积为0.315 V·cm,调制效率高，具有与CMOS技术兼容的半波电压，有利于大规模光电集成。     

基于铌酸锂薄膜的Y波导集成调制器设计

近年来,基于薄膜铌酸锂（TFLN）平台的高性能电光调制器以其小体积、低能量损耗等特点受到广泛关注。本文提出了一种新的具有垂直电极结构的Y波导铌酸锂薄膜电光调制器。研究了调制器的半波电压与缓冲层厚度之间的关系,优化了Y波导的设计参数,最后设计得到插入损耗<5 dB, 半波电压<1.5 V的高性能调制器。本文不仅为基于TFLN平台的小型化波导的设计和实现提供了思路,而且为制造高性能和多功能的电光调制器提供了实验依据。     

全封装的薄膜铌酸锂电光调制器（特邀）

高速电光调制器是宽带光通信网络和微波光子系统中的关键元器件之一。相对于体材料铌酸锂而言,薄膜铌酸锂材料由于其较强的光场限制能力,在构建小尺寸、宽带、低半波电压的高性能电光调制芯片上有独特的优势。文章基于薄膜铌酸锂材料研制了一种3 dB带宽不低于50 GHz的电光调制芯片,并采用光纤与波导水平端面耦合的光学封装方案和基于1.85 mm同轴接头的射频封装方案,实现了全封装的薄膜铌酸锂电光调制器。测量结果表明,封装后器件的光学插入损耗小于等于5 dB,3 dB带宽大于等于40 GHz,射频半波电压小于等于3 V@1 GHz。     

掺镁铌酸锂晶体的线膨胀系数的测定

对用提拉法生长的掺镁铌酸锂晶体的热膨胀性质进行了研究.分别测定了掺镁铌酸锂晶体在c轴和a轴方向上的线膨胀系数,与固液同成份铌酸锂晶体进行了比较,并进行了讨论.     

铌酸锂波导调制器的相位漂移机理

铌酸锂波导调制器的相位漂移是其主要失效模式之一.分析了外电场、温度、机械应力等外场作用对铌酸锂波导调制器相位稳定性能的影响,并提出了相应的解决措施,以提高铌酸锂波导调制器的调制相位稳定性.     

铌酸锂调制器在彩色电视传输中的应用

铌酸锂是一种透明、略带淡黄色的3m点群晶体,它允许的透光范围在0.4——5μm,晶体易于培养,消光比高且能做到最佳匹配,是目前除ADP、KDP外应用最广的材料,故在光调制、倍频及光参量放大器等方面都有广泛的应用。我们利用铌酸锂晶体的线性电光效应制成调制器,并将它用在He——Ne激光的光路上进行传送彩色电视的实验。     

一种基于薄膜铌酸锂调制器芯片的新型电光调制器

针对传统铌酸锂电光调制器体积大、带宽小等技术问题,提出了一种基于薄膜铌酸锂调制器芯片的新型电光调制器的设计方法,给出了薄膜铌酸锂电光调制器高频传输仿真模型,详细介绍了薄膜铌酸锂电光调制器的高频信号馈入设计、过渡薄膜基板高频阻抗匹配设计,并测试了40 GHz小尺寸薄膜铌酸锂电光调制器的核心指标。测试结果表明：设计的薄膜铌酸锂电光调制器插入损耗、半波电压、3 d B带宽、产品尺寸分别为4.1 d B、3.9 V、40 GHz、30 mm×10 mm×5 mm,比传统铌酸锂电光调制器性能优越。     

铌酸锂低半波电压电光调制器研究

对降低铌酸锂(LN)电光调制器的半波电压进行了研究,探索了利用反射结构实现低半波电压的原理.通过退火质子交换工艺在x切LN晶片上制作了反射结构的LN电光调制器.测试表明,这种反射结构的LN电光调制器在保持器件长度不变的条件下可以降低半波电压.     

四价掺杂铌酸锂晶体

综述了四价掺杂(包括铪和锆)铌酸锂晶体的研究进展.掺铪铌酸锂晶体具有与掺镁铌酸锂晶体相似的抗光折变性能,而掺锆铌酸锂晶体的抗光折变性能远优于掺镁铌酸锂晶体.铪铁双掺与锆铁双掺铌酸锂晶体兼有高光折变灵敏度和高光折变衍射效率的性质.并且在掺杂量超过阈值时,铪离子和锆离子在铌酸锂晶体中都具有接近于1的有效分凝系数.这些实验结果表明,四价掺杂铌酸锂有望成为出色的非线性光学晶体.     

电光晶体用于快速变焦的设计

在利用晶体的电光效应实现快速变焦时,需要合理地设计电光晶体及电极结构。基于晶体电光效应的基本原理,提出了其设计的基本原则和思路,并通过对一次电光晶体(铌酸锂晶体)和二次电光晶体(钽铌酸钾晶体)内部非均匀电场及其总附加光程的模拟和比较,获得了优化的电光晶体及电极设计结果。在此基础上,开展了电光晶体用于快速变焦设计的性能分析,并讨论了电光晶体长度、外加电压等参数对总附加光程的影响。结果表明:电光晶体的附加光程调制的曲率半径随控制电压增大而减小,在加载电压不变的情况下随晶体厚度的增大而增大。因此,在实际应用中,需要对晶体厚度和加载电压综合进行考虑,以获得最佳的变焦效果。     

关于铌酸锂晶体感应折射率椭球方程的一个注记

文献[1]在讨论晶体电光调Q时,提到KDP类和铌酸锂(LiNbO_3)两种晶体的感应折射率椭球方程为 (1/n_0~2-rE)x′~2+(1/n_0~2+rE)y′~2+(1/n_e~2)z′~2=1 (1)其中对KDP类晶体rE=-r_(63)E_x,感应主轴x′,y′相对于原坐标系的Z轴旋转45°;对LiNbO_3晶体,rE=r_(22)E_x,感应主轴也旋转45°。     

电光角度信息传递装置中光学器件定位误差研究

电光角度信息传递装置是利用铌酸锂晶体的线性电光效应,实现2.5S的角度信息传递和检测。装置由两部分组成：发射部分包括铌酸锂晶体、起偏器、λ/4波片和LD激光器;接收部分包括渥拉斯顿棱镜和两个光检测器。导出了出射的两束光的光强差与发射部分和接收部分之间相对转角的关系,从理论上分析了光学器件定位误差对电光角度信息传递装置性能的影响,并通过实验进行了验证,理论计算和实验结果符合得很好。