CN101788710A - 高性能声光波导调制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器件领域，具体讲涉及高性能声光波导调制器设计方法。为建立一套提高声光波导调制器速度、带宽和衍射效率的新理论，为实际设计声光波导器件提供指导和参考，本发明采用的技术方案是，首先，把三维光波导分为两个二维光波导来进行考虑，近似过程是将三维光波导按正交坐标系分解；其次，独立地分析锥形波导每个部分的各个模式的幅度以及相位；然后，利用声表面波衍射理论模型分析声光波导器件的带宽和衍射效率的关系；最后是光纤与波导器件的耦合分析方法。本发明主要应用于高性能声光波导调制器的设计。

Description

高性能声光波导调制器设计方法

技术领域

本发明涉及激光器件领域，具体讲涉及高性能声光波导调制器设计方法。

背景技术

早在上世纪70年代初，就出现了波导声光器件，特别是进入70年代中后期出现大量的有关波导声光器件的报道，尤其是C.S Tsai对波导声光器件做了大量的理论研究工作。而后进入八十年代以来，虽有大量的关于声光器件的研究论文，但几乎所有的研究工作都是基于C.S Tsai早年的研究工作之上，大量的是一些实验性的工作。到目前为止，并没有系统的理论工作，有些相关的理论是经验性的，因此理论是不完整的。

波导声光开关与其他波导型开关相比，具有开关响应速度快、隔离度高、偏振无关、结构小巧紧凑、可靠性好，驱动功率低等独特的优点。在激光调Q技术领域以及光通信网络中有着广阔的应用前景。在激光调Q技术领域，采用声光调Q的双包层光纤激光器在激光加工，军事领域，激光医疗等方面的应用上就很具有吸引力。在光通讯网络中，波导开关起着上下路信号和不同光路之间交叉互联的作用。

目前国内外尚未有关于声光波导调制器作为光纤激光器的Q开关方面的报道。而且有关声光开关的报道都是应用于光通讯网络中，起着上下路信号和不同光路交叉互联的作用，主要集中在开关阵列、级联以及切趾、降低损耗等方面。由于目前声光波导开关的速度相对较慢，很难达到激光器调Q开关的要求，目前国际上报道的最高开关速度只达到100ns，而且还只是理论研究，尚无进一步的实验报道。

对于未来的高速光通讯系统，微秒量级显然是很难满足其要求的，提高开关速度是必然趋势。同时对于目前的器件领域，能够获得高衍射效率和大带宽的器件受到广泛的关注。就目前的研究现状看，研究更高速的波导声光开关已成为一种必然。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明目的在于建立一套提高声光波导调制器速度、带宽和衍射效率的新理论，对调制器各设计参数、波导声光互作用的重叠积分、声波导、光波导、总体结构以及光纤与波导耦合等方面进行了研究。利用这套设计理论分析的声光波导调制器的开关速度能进入70ns以内，衍射效率大于70％。在保证高的衍射效率的同时，还获得了大的带宽。为实际设计声光波导器件提供指导和参考。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

首先，把三维光波导分为两个二维光波导来进行考虑，近似过程是将三维光波导按正交坐标系分解，dx方向即为垂直方向，dy方向即为水平方向，垂直于dx、dy方向为z轴，分为两个二维光波导中的一个是在dx方向、dy方向构成的平面上沿dx方向方向进行分析，另一个二维光波导是在dx方向、dy方向构成的平面上沿dy方向方向进行分析，最终得到三维波导中dy与dx的比值与导模的等效折射率Ni的关系表达式，设n_c是表示包层中的折射率，n_f是表示扩散后波导的折射率；n_s是表示衬底中的折射率；N_I是表示导模的等效折射率，dx是表示在x方向的位移，dy是表示在y方向的位移，则

其中b_I表示导模的归一化波导折射率，其表达式为：

其中N_eff是表示波导整体的等效折射率，

由此便可以确定光的单模传输区域，同时考虑到光纤与波导的耦合损耗，需要选择耦合损耗和辐射损耗效应最小的单模区域及光波导参数；

其次，独立地分析锥形波导每个部分的各个模式的幅度以及相位：锥形波导的每小块的输出乘以一定的相位延迟，就等于下一个锥形波导小块的输入，以此类推，得到整个锥形波导的功率损耗，以对不同形状函数的锥形波导进行分析，获得损耗较低的波导结构；

然后，利用声表面波衍射理论模型分析声光波导器件的带宽和衍射效率的关系：设xy平面是衬底表面，而在xy平面上的y＝0的线是换能器的中心轴线，声孔径为2L，也就是叉指换能器的有效指长，x_I为声表面波传播的方向，假定在x＝0也就是孔径线右边的声波，可以用在x_I和x之间所有的不同角度θ上这样的平面波加权求和来表示，根据其加权函数便可以得到声表面波的强度分布关系；在满足布拉格条件下，由表面波强度表达式便可以得到对应3dB带宽的最高端和最低端的布拉格角，根据最高和最低布拉格角关系式，得到相对带宽和相对声孔径的关系式，从而得到布拉格带宽与声孔径的关系；

最后是光纤与波导器件的耦合分析方法：采用两个半高斯函数组合的形式来描述波导模场的垂直方向分布，并最终得到耦合效率的表达式，基于此表达式，得到波导模场的椭圆度和不对称度对光纤与波导耦合的模场失配损耗的影响。

采用对称波导结构，获得损耗较低的波导结构。

本法发明具有以下技术效果：

提出了利用改进的光线近似法、声表面波衍射模型理论和新的锥形波导的设计方法设计高性能波导调制器。声光波导调制器以其体积小、插入损耗小、驱动功率低、机械稳定度高、设计灵活方便、便于集成等优点在多个领域内都有广泛应用。本发明方法的创新点在于首次运用了声表面波衍射理论分析衍射效率和带宽之间的关系，在一定的条件下，可以同时获得大的带宽和高的衍射效率。同时本发明采用改进的光线近似理论分析光波导单模传输条件，利用锥形波导理论分析光波导结构对传输损耗的影响。通过对调制器各设计参数、波导声光互作用的重叠积分、声波导、光波导、总体结构等各项参数的系统的理论分析与设计，本发明可从理论计算得到：声光波导调制器的开关速度达到70ns以内，衍射效率大于70％，并具有一定带宽。本发明对声光波导调制器的各个参数进行了讨论，形成了一套系统的理论，这对声光波导调制器的研究工作具有很大意义，它将推动声光波导调制器由理论向现实的转化进程

附图说明

图1是三维光波导分为2个二维光波导I和II。图中：n_c是包层中的折射率；n_f是扩散后波导的折射率；n_s是衬底中的折射率；N_I是导模的等效折射率。

图2是锥形波导分析示意图。图中：1是开始时的锥形波导的厚度；2是最后的锥形波导的厚度；3是锥形波导的总长度。

图3是声表面波衍射分析示意图。图中：4是声孔径；5是一个声表面波分量，β(θ)是表示与换能器中心轴线x成θ方向的波矢量；β_x是表示β(θ)在x方向的波失分量；β_y是表示β(θ)在y方向的波失分量。

图4是声表面波衍射模型和耦合模模型分析的结果示意图。

图5是光纤与波导的模场分布示意图。图中，σ₁、σ₂是表示x方向的模场半径；σ₃是表示在y方向的模场半径(模场强度从最大值下降到最大值的1/e时的模场宽度被定义为模场半径)；σ_f是表示光纤模场场强宽度。

图6是不同波导模场深度(4μm，6μm，8μm)下耦合效率与波导模场椭圆度的关系图。

图7是本发明坐标系示意图。

具体实施方式

本发明的设计理论如下：

1.光波导的设计

光波导的设计采用改进的光线近似理论和简单的锥形波导的分析设计理论。

1.1改进的光线近似法

光线近似法是对二维扩散型光波导的分析方法，可以得到光在光波导中传输所满足的导模截止条件。而改进的光线近似法是把三维光波导分为两个二维光波导来进行考虑，近似过程如图1所示。为了得到波导中光的单模传输，对于三维光波导I部分和II部分，根据光线近似法我们可以分别得到光波导中光单模传输所满足的条件。在设计光波导结构参数时，就能得到最佳的单模区域。如图1、图7所示。

1.2简单的锥形波导分析设计理论

锥形光波导是集成光学中一个重要的器件，被用来减小不同截面光波导连接时造成的连接损耗，避免不必要的模场损耗以及简化不同波导间的连接面。

为了简化分析以及减小计算时间，忽略反射模和后向辐射模，忽略这些模式不会影响分析结果。如图2所示，我们把锥形波导分成为N个部分，由于在分析中忽略了后向模式，因此可以独立地分析锥形波导每个部分的各个模式的幅度以及相位。锥形波导的每小块的输出乘以一定的相位延迟，就等于下一个锥形波导小块的输入。以此类推，我们就能得到整个锥形波导的功率损耗。

因此，给定一个初始光场，根据上述思路，就能得到各种不同锥形波导的参数对其功率损耗的影响。这种设计方法适用于任何形状的光波导结构的分析。

2.声波导的设计

在波导声光器件中，经常会存在由于SAW(声表面波)在传输过程中的发散，导致能量损失，衬底面的不充分利用以及一些弯曲的SAW传输路径设计等问题。而声波导能严格的把SAW限制在固定的结构中，可解决上述问题。

在波导声光器件中最常用的声波导是扩散型声波导，但是和条形声波导相比，造成的SAW传输能量损失更大，因此采用氧化物条形声波导。我们对ZnO氧化物声波导进行了分析研究，得到声表面波速度和声波导厚度的关系式。这个关系式将为实际声波导设计提供理论依据。

3.高速声光波导调制器各项参数的设计

对于高速声光波导调制器的参数设计，我们主要考虑了以下两个方面：

3.1从重叠积分的角度对LiNbO₃晶体进行讨论

重叠积分主要由三部分组成：声光效应，电光效应以及表面波纹引起。在同时考虑布拉格衍射条件以及换能器的插入损耗等因素下，经过计算我们得到，在一定的频率范围内，SAW的频率越小，重叠积分越大，衍射效率就越大的关系。但是SAW频率过低，对于波导声光互作用来说，会达不到布拉格衍射条件，若过高，重叠积分会比较小，因此一股选择频率在200MHz左右。

3.2从导光波的模式、波导深度以及SAW频率等方面分析了声光器件衍射效率

由以上分析我们可以得到：导光波模式越高，波导厚度越大，需要的SAW驱动功率越大，而SAW频率比较适宜的范围是170-220MHz，导光模采用单模。

4.利用声表面波衍射理论模型分析声光波导器件的带宽和衍射效率的关系

为了使问题简化，我们参考光波衍射得标量分析法，用标量来表示声表面波的辐射场。这样就使问题简化成为了一个二维的标量衍射场问题。如图3所示，xy平面是衬底表面，而在xy平面上的y＝0的线是换能器的中心轴线，声孔径为2L(也就是叉指换能器的有效指长)。x_I为声表面波传播的方向。我们假定，在x＝0也就是孔径线右边的声波，可以用在x_I和x之间所有的不同角度θ上这样的平面波加权求和来表示。根据其加权函数便可以得到声表面波的强度分布关系。

波导声光器件的带宽主要是由换能器带宽和布拉格带宽来共同决定，其值取决于数值小的那个。一股情况下，换能器带宽通常是会很大的，因此通常情况下声光器件的带宽就是布拉格带宽。

3dB布拉格带宽，即其强度为最大值的50％时，在满足布拉格条件下，由表面波强度表达式便可以得到对应3dB带宽的最高端和最低端的布拉格角。根据最高和最低布拉格角关系式，我们可以得到相对带宽和相对声孔径的关系式。相对带宽与相对声孔径的关系可以由图4直观的表示出来。

5.光纤与波导器件的耦合

光纤与波导之间耦合的总损耗主要包括菲涅耳反射(两端面多次反射)损耗、传输损耗(由于散射和吸收)和模场失配损耗。经过分析我们得到，损耗的主要来源是模场失配损耗。

由于制作过程造成条形波导模场一些先天性的不对称，如图5所示，波导的模场是偏心的(σ₁+σ₂≠σ₃)和不对称(σ₁≠σ₂)的。我们采用两个半高斯函数组合的形式来描述波导模场的y方向分布，并最终得到耦合效率的表达式。基于此表达式，我们便可以得到波导模场的椭圆度和不对称度对光纤与波导耦合的模场失配损耗的影响。

下面结合附图进一步详细说明本发明。

对于我们设计的高速波导声光调制器，在调制速度(开关时间)、衍射效率和大的带宽方面都取得了良好的效果。本发明主要由声波导、锥形光波导、叉指换能器、光波导衬底以及声吸收带组成。为达到上述性能，结合附图对本设计发明进行说明。

首先，为了保证三维光波导中光的单模传输，如图1所示，利用设计方案1.1中的分析方法，最终我们可以得到三维波导中dy与dx的比值与导模的等效折射率Ni的关系表达式，由此便可以确定光的单模传输区域。同时考虑到光纤与波导的耦合损耗，需要选择耦合损耗和辐射损耗效应最小的单模区域及光波导参数。

其次，本发明提出了一种新的分析设计锥形光波导的方法。如图2所示，利用导波模场与辐射模场的正交关系，可以得出整个锥形波导的功率损耗。我们可以对不同形状函数的锥形波导进行分析，获得损耗较低的波导结构。其次，在实际的设计中，应该尽可能采用对称波导结构，这样可以降低功率损耗。

然后，基于设计方案4中的分析方法，我们可以得到布拉格带宽与声孔径的关系，其相对声孔径与相对带宽的关系如图4所示。实线为基于声表面波衍射模型，虚线为基于耦合模理论。从图4中可以看出，随着相对带宽的增大，相对声孔径首先是减小，当相对带宽为1的时候，基于衍射模型的实线表明相对声孔径是增大的，也即表明带宽与衍射效率是成正比的，这意味着对于单个叉指换能器的波导声光器件来说，同时获得大的衍射效率和带宽是可能的。

最后，利用设计方案5中的设计方法，我们通过模拟得到不同波导深度下耦合效率与波导模场椭圆度的关系曲线，如图6所示。从图6中可以看出，当波导模场椭圆度接近于1时，波导深度为4微米，耦合损耗变高了；然而波导深度为6微米时，其变化趋势是开始变小，然后又逐渐变大；波导深度为8微米时，耦合损耗却逐渐变小。由此我们发现小的波导模场不对称度意味着低的耦合损耗，但是小的波导模场的椭圆度并不总就带来低的耦合损耗，这个得根据波导模场的深度来决定。

综上可以看出，本发明在提高声光波导调制器的衍射效率、带宽、开关速率、降低光纤与器件耦合损耗等方面取得了良好的效果，同时该方法克服了现有技术的一些缺点。本发明适用于提高各种声光波导器件的性能。

Claims (2)

1.一种高性能声光波导调制器设计方法，其特征是，首先，把三维光波导分为两个二维光波导来进行考虑，近似过程是将三维光波导按正交坐标系分解，dx方向即为垂直方向，dy方向即为水平方向，垂直于dx、dy方向为z轴，分为两个二维光波导中的一个是在dx方向、dy方向构成的平面上沿dx方向方向进行分析，另一个二维光波导是在dx方向、dy方向构成的平面上沿dy方向方向进行分析，最终得到三维波导中dy与dx的比值与导模的等效折射率Ni的关系表达式，

设n_c是表示包层中的折射率，n_f是表示扩散后波导的折射率；n_s是表示衬底中的折射率；N_I是表示导模的等效折射率，dx是表示在x方向的位移，dy是表示在y方向的位移，则

其中bI表示导模的归一化波导折射率，其表达式为：

其中N_eff是表示波导整体的等效折射率，

由此便可以确定光的单模传输区域，同时考虑到光纤与波导的耦合损耗，需要选择耦合损耗和辐射损耗效应最小的单模区域及光波导参数；

其次，独立地分析锥形波导每个部分的各个模式的幅度以及相位：锥形波导的每小块的输出乘以一定的相位延迟，就等于下一个锥形波导小块的输入，以此类推，得到整个锥形波导的功率损耗，以对不同形状函数的锥形波导进行分析，获得损耗较低的波导结构；

然后，利用声表面波衍射理论模型分析声光波导器件的带宽和衍射效率的关系：设xy平面是衬底表面，而在xy平面上的y＝0的线是换能器的中心轴线，声孔径为2L，也就是叉指换能器的有效指长，x_I为声表面波传播的方向，假定在x＝0也就是孔径线右边的声波，可以用在x_I和x之间所有的不同角度θ上这样的平面波加权求和来表示，根据其加权函数便可以得到声表面波的强度分布关系；在满足布拉格条件下，由表面波强度表达式便可以得到对应3dB带宽的最高端和最低端的布拉格角，根据最高和最低布拉格角关系式，得到相对带宽和相对声孔径的关系式，从而得到布拉格带宽与声孔径的关系；

最后是光纤与波导器件的耦合分析方法：采用两个半高斯函数组合的形式来描述波导模场的垂直方向分布，并最终得到耦合效率的表达式，基于此表达式，得到波导模场的椭圆度和不对称度对光纤与波导耦合的模场失配损耗的影响。

2.根据权利要求1所述的一种一种高性能声光波导调制器设计方法，其特征是，采用对称波导结构，获得损耗较低的波导结构。

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