[發明專利]高性能聲光波導調制器設計方法

無效

• 申請號: 201010124366.1
• 申請日: 2010-03-15
• 公開（公告）號: CN101788710A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 寧繼平;韓群;范國芳;趙勇;高志偉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02F1/125
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及激光器件領域，具體講涉及高性能聲光波導調制器設計方法。

背景技術

早在上世紀70年代初，就出現了波導聲光器件，特別是進入70年代中后期出現大量的有關波導聲光器件的報道，尤其是C.S?Tsai對波導聲光器件做了大量的理論研究工作。而后進入八十年代以來，雖有大量的關于聲光器件的研究論文，但幾乎所有的研究工作都是基于C.S?Tsai早年的研究工作之上，大量的是一些實驗性的工作。到目前為止，并沒有系統的理論工作，有些相關的理論是經驗性的，因此理論是不完整的。

波導聲光開關與其他波導型開關相比，具有開關響應速度快、隔離度高、偏振無關、結構小巧緊湊、可靠性好，驅動功率低等獨特的優點。在激光調Q技術領域以及光通信網絡中有著廣闊的應用前景。在激光調Q技術領域，采用聲光調Q的雙包層光纖激光器在激光加工，軍事領域，激光醫療等方面的應用上就很具有吸引力。在光通訊網絡中，波導開關起著上下路信號和不同光路之間交叉互聯的作用。

目前國內外尚未有關于聲光波導調制器作為光纖激光器的Q開關方面的報道。而且有關聲光開關的報道都是應用于光通訊網絡中，起著上下路信號和不同光路交叉互聯的作用，主要集中在開關陣列、級聯以及切趾、降低損耗等方面。由于目前聲光波導開關的速度相對較慢，很難達到激光器調Q開關的要求，目前國際上報道的最高開關速度只達到100ns，而且還只是理論研究，尚無進一步的實驗報道。

對于未來的高速光通訊系統，微秒量級顯然是很難滿足其要求的，提高開關速度是必然趨勢。同時對于目前的器件領域，能夠獲得高衍射效率和大帶寬的器件受到廣泛的關注。就目前的研究現狀看，研究更高速的波導聲光開關已成為一種必然。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明目的在于建立一套提高聲光波導調制器速度、帶寬和衍射效率的新理論，對調制器各設計參數、波導聲光互作用的重疊積分、聲波導、光波導、總體結構以及光纖與波導耦合等方面進行了研究。利用這套設計理論分析的聲光波導調制器的開關速度能進入70ns以內，衍射效率大于70％。在保證高的衍射效率的同時，還獲得了大的帶寬。為實際設計聲光波導器件提供指導和參考。為達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

首先，把三維光波導分為兩個二維光波導來進行考慮，近似過程是將三維光波導按正交坐標系分解，dx方向即為垂直方向，dy方向即為水平方向，垂直于dx、dy方向為z軸，分為兩個二維光波導中的一個是在dx方向、dy方向構成的平面上沿dx方向方向進行分析，另一個二維光波導是在dx方向、dy方向構成的平面上沿dy方向方向進行分析，最終得到三維波導中dy與dx的比值與導模的等效折射率Ni的關系表達式，設n_c是表示包層中的折射率，n_f是表示擴散后波導的折射率；n_s是表示襯底中的折射率；N_I是表示導模的等效折射率，dx是表示在x方向的位移，dy是表示在y方向的位移，則其中b_I表示導模的歸一化波導折射率，其表達式為：

其中N_eff是表示波導整體的等效折射率，

由此便可以確定光的單模傳輸區域，同時考慮到光纖與波導的耦合損耗，需要選擇耦合損耗和輻射損耗效應最小的單模區域及光波導參數；

其次，獨立地分析錐形波導每個部分的各個模式的幅度以及相位：錐形波導的每小塊的輸出乘以一定的相位延遲，就等于下一個錐形波導小塊的輸入，以此類推，得到整個錐形波導的功率損耗，以對不同形狀函數的錐形波導進行分析，獲得損耗較低的波導結構；

然后，利用聲表面波衍射理論模型分析聲光波導器件的帶寬和衍射效率的關系：設xy平面是襯底表面，而在xy平面上的y＝0的線是換能器的中心軸線，聲孔徑為2L，也就是叉指換能器的有效指長，x_I為聲表面波傳播的方向，假定在x＝0也就是孔徑線右邊的聲波，可以用在x_I和x之間所有的不同角度θ上這樣的平面波加權求和來表示，根據其加權函數便可以得到聲表面波的強度分布關系；在滿足布拉格條件下，由表面波強度表達式便可以得到對應3dB帶寬的最高端和最低端的布拉格角，根據最高和最低布拉格角關系式，得到相對帶寬和相對聲孔徑的關系式，從而得到布拉格帶寬與聲孔徑的關系；

最后是光纖與波導器件的耦合分析方法：采用兩個半高斯函數組合的形式來描述波導模場的垂直方向分布，并最終得到耦合效率的表達式，基于此表達式，得到波導模場的橢圓度和不對稱度對光纖與波導耦合的模場失配損耗的影響。