微结构电极铌酸锂波导电光偏转的优化及实现

摘要

光束高速偏转装置广泛应用在各个领域，例如高速光开关、相控阵微波雷达扫描、光束平滑等。目前的光束偏转器存在所需驱动电压过大、器件尺寸偏大、难以高速化等问题。　　铌酸锂波导具有较高电光系数30.8pm/V，较低传输损耗0.2dB/cm，现有工艺完善，器件易于集成等优点而作为电光材料，电光光场模式调制速率取决于电光材料的响应速度。本文对微结构电极铌酸锂波导的电光偏转进行研究，通过外加驱动电压到退火质子(APE)铌酸锂波导上方的等腰三角形锯齿电极，在光束传播方向上，波导芯层折射率由于电光效应形成棱镜阵列分布，铌酸锂波导中的光场模式偏转可被电极外加电压调制。本文基于铌酸锂波导偏转进行方案设计，对波导光场模式偏转仿真优化，并对波导的光场模式偏转进行实验研究，且测量波导输出光束经过物镜水平发散角及散射(S21)参数响应。　　采用数值理论分析并用COMSOLMultiphysics验证微结构电极对电场的局域能力，再使用RSoft软件进行波导光场偏转仿真，对波导宽度及电极结构进行优化。对于1064nm光源，等腰三角形锯齿电极施加电压，宽度为80μm的APE铌酸锂波导输出端面光场模式横向偏转量线性拟合曲线斜率为APE波导宽度为30μm的拟合曲线斜率的1.9倍，为APE波导宽度为15μm的拟合曲线斜率的20倍。　　对于80μm宽度波导，电极施加50V电压，电极锯齿形状为等腰三角形的波导输出端面最大横向偏转量为~15.6μm，远大于电极锯齿形状为直角三角形的最大横向偏转量~7.72μm，等腰三角形锯齿电极的波导输出端面光场模式横向偏转量线性拟合曲线斜率为直角三角形锯齿电极拟合曲线斜率的2.5倍。且光源波长在1004-1024nm，80μm宽度波导的等腰三角形锯齿电极施加±20V,0V的直流电压，不同波长其单位电压产生的波导输出端面光场模式横向偏转量最大差值为0.086μm/V，该器件适用此波段偏转。　　波导电光偏转实验，吻合RSoft仿真结果。对于1064nm光源，在等腰三角形锯齿电极施加电压后宽度15μm和宽度30μm波导输出端面光场模式位置几乎不变化。宽度为80μm的APE铌酸锂波导等腰三角形锯齿电极施加直流电压(±50V,±40V,±30V,±20V,±10V,0V)静态调制，实验与仿真波导输出端面光场模式最大横向偏转量分别为~15.13μm、~15.6μm，实验结果和仿真结果的波导输出端面横向模式偏转调制效率分别为0.265μm/V和0.267μm/V，斜率差为1.0%。通过电场动态调制，在电极施加电压为18V，频率50Hz的AC信号，模式的光强峰值在动态调制后降低了30%，其高斯分布的半高宽被拉宽~2倍。对于980nm光源，电极施加电压，实验结果和仿真结果的波导输出端面光场模式横向偏转调制效率分别为0.24μm/V和0.29μm/V。　　对于80μm宽度波导，等腰三角形锯齿电极未施加电压，M2仪测量波导输出光束经过20X物镜水平发散角为5.981mrad，移动CMOS相机测量波导输出光束经过20X物镜水平发散角为1.09mrad。对波导器件进行S21参数测量，在相对低频处(1.25GHz)产生谐振，但其整体的-3dB带宽可以达到3.4GHz。　　论文创新点：　　1.设计并实现APE铌酸锂波导芯层为喇叭形结构，能有效减少光斑旁瓣，波导输出模场为基模为主要成分的少模。　　2.设计并实现电极结构为等腰三角形，在电光效应下能增大波导输出端面光场模式横向偏转量，降低驱动电压。　　3.实现工作带宽为980-1064nm波段。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的主要内容

第2章 微结构电极铌酸锂波导电光偏转的优化方案设计

2.1 方案的主要内容

2.2 电光材料的选取

2.3 喇叭形波导设计

2.4 波导调制电极的设计

第3章 优化铌酸锂波导电光偏转的仿真研究

3.1 仿真原理

3.2 波长1064 nm光源RSoft仿真

3.2.1 不同波导宽度RSoft仿真

3.2.2 不同锯齿形状RSoft仿真

3.2.3 电极长度与波导输出端面光场模式偏转关系

3.3 不同波长RSoft仿真

3.3.1 波长980 nm光源RSoft仿真

3.3.2 波长1004 nm-1124 nm光源RSoft仿真

3.4 本章小结

第4章 优化铌酸锂波导电光偏转的实验研究

4.1 波导制备与实验装置

4.2 静态光场模式调制偏转实验

4.2.1 不同波导宽度电光偏转实验

4.2.2 波导输出光场模式高斯拟合

4.2.3 波长1064 nm电光偏转实验

4.2.3 波长980 nm电光偏转实验

4.3 动态光场模式调制偏转实验

4.3.1 实验原理与装置

4.3.2 实验结果及分析

4.4 波导输出光束经过物镜水平发散角测量

4.4.1 使用M2仪测量波导输出光束经过物镜水平发散角

4.4.2 移动CMOS相机测量波导输出光束经过物镜水平发散角

4.5 对S21参数测量

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

已获得成果

项目资助

致谢