摘 要

随着上世纪70年代初期有关集成光学的概念的引入，提出并测试了各种类型的光调制方案。我们首先将行波操作应用于波导电光调制器，以实现大宽带操作。多年来，各种类型的高速调制器被提出。它们大多是马赫-曾德尔干涉仪的行波器件，采用钛扩散X切割LiNbO3光波导，但是铌酸锂晶体存在一个电光系数过大的缺点，这会导致电光调制器光波与微波速度不匹配，而这种不匹配主要取决于电极的设计方式。为了使具有较宽的带宽和较低的驱动电压，本文采用准静态分析方法对宽带电光调制器的电极进行优化设计。

本文仿真借助ANSYS公司的高频结构设计软件HFSS针对马赫-曾德尔型的电光调制器进行了仿真设计，对马赫-曾德尔电光调制器进行了带宽和特征阻抗特性分析，简述了电光调制器的基本结构，电极形式，重点总结了Mach-Zehnder (M-Z)型调制器，对其规律进行了总结，并分析特征阻抗和带宽。所得结果对于M-Z波导型电光调制器的研究具有重要的指导意义。

关键词：铌酸锂；电光调制器；Mach-Zehnder波导型

Abstract

With the introduction of the concept of integrated optics in the early 1970s, various types of optical modulation schemes were proposed and tested. We first apply traveling wave operation to guided wave electro-optic modulators to achieve large broadband operation. Over the years, various types of high-speed modulators have been proposed. Most of them are Mach-Zehnder interferometer traveling wave devices, which use titanium diffusion X-cut LiNbO3 optical waveguides, but lithium niobate crystals have a shortcoming that the electro-optic coefficient is too large, which will cause the electric wave of the electro-optic modulator to not match the microwave speed. And this mismatch mainly depends on the design of the electrode. In order to have a wider bandwidth and lower driving voltage, this article uses a quasi-static analysis method to optimize the design of the electrode of the broadband electro-optic modulator.

This paper simulates the design of Mach-Zehnder electro-optic modulator with the help of the high-frequency structural design software HFSS from ANSYS, analyzes the bandwidth and characteristic impedance characteristics of the Mach-Zehnder electro-optic modulator, and briefly describes the electro-optic modulator The basic structure of the electrode, the electrode form, focuses on the Mach-Zehnder (M-Z) type modulator, summarizes its rules, and analyzes the characteristic impedance and bandwidth. The results obtained have important guiding significance for the research of M-Z waveguide type electro-optic modulator.

Key Words：Lithium niobate；electro-optic modulator；Mach-Zehnder waveguide type

目 录

第1章 绪论 1

1.1 电光调制器的回顾 1

1.2 铌酸锂电光调制器的研究现状 2

1.3 课题研究的目的和意义 2

第2章 LiNbO₃晶体和调制器原理 4

2.1 电光调制 4

2.1.1 电光调制器原理 4

2.1.2 电光调制器的一些参数 4

2.1.3 电光调制的主要方式 5

2.2 电光效应 5

2.3 LiNbO₃晶体的电光性质 6

第3章 LN电光调制器的分类与应用 10

3.1 LN电光调制器主要类型 10

3.1.1 定向耦合型调制器 10

3.1.2 M-Z干涉仪式调制器 11

3.2 集总参数式光波导调制器 12

3.3 行波电极光波导调制器 12

第4章 计算分析方法 14

4.1 准静态法 14

4.2 分析方法 14

4.2.1 保角变换方法 14

第5章 M-Z调制器分析与设计 17

5.1 器件结构 17

5.2 调制原理 17

5.3 特性参量分析 18

5.4 计算结果分析 20

5.5 分析与结论 22

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 电光调制器的回顾

近年来，通信领域表现的有着越来越多的信息的需求。这些社会需求迫使我们通过金属替代完善的同轴电缆还有其他问题，因为存在可以携带的最大信息量载波频率基本的物理限制。光通信吸引了许多科学家和工程师，因为它的载波频率比常规的电载波频率（微波频率或通过同轴电缆的无线电波频率）。因此，光学通信的潜在带宽比微波通讯大得多。在光通信的早期，主要研究是旨在实现实用的光源。随着时间的流逝，主要问题已从实用光源演变为发送光的方式跨越海洋的长距离。这将标准光的波长转移到1.3 μm，这是二氧化硅基光纤中最透明的区域^[1]。最终，在转移到最小色散的1.5 μm区域后人们意识到，分散成为高速长途传输点的瓶颈，点对点的沟通，在解决有关光源和低损耗波长区域的问题时，不能避免的是如何按顺序再生信号的问题克服光纤中的损耗。信号再生的早期技术并非全光，因此会引起时间延迟，相位信息丢失，成本高昂，半导体光放大器（SOA）是一种全光替代品，但它并非没有线性调频问题，这会降低信号质量并增加误码率。

在20世纪90年代初期，人们发现了一种实用的方法通过放大光信号将光信号发送到远方的掺铒光纤。该技术在信号质量方面是卓越的以及与先前技术相比的成本。由于点对点光学的放大，通讯已经建立起来掺杂纤维。这项进展为光通信研发工作增添了动力。如今，行业正处于扩展光通信在城际和城域的系统级别的功能，最终达到最终用户的目的。为此，必须快速发展调制方式，以便充分利用宽带的特性光通信。实现这个目标有两种趋势，一个是直接的半导体激光器的调制，另一种是基于电光（EO）效应或电吸收（EA）效应。半导体激光器的调制是通过激光调制的方法来直接调制它的驱动电流的。这在低频区域很容易实现。但是，尽管高频调制（gt;10 GHz）十分具有吸引力，但仍然存在许多困难的技术问题。