光纤耦合声光Ti_LiNbO3波导器件的研究

第33卷第1期 2011年2月 压电与声光 PIEZOEI，E(：TRI【：S&ACOUSTOOPTICS V01．33NO．1 Feb．2010 文章编号：1004—2474(2011)01—0030—04 光纤耦合声光Ti：LiNb03波导器件的研究 宁继平，汪 欣，高志伟，王俊涛，赵 勇，韩 群 (天津大学精密仪器与光电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，光电信息技术科学教育部重点 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 。天津300072) 摘要：波导型声光调制器作为高功率全光纤调Q激光器中的涮制器件。光纤与器件对接耦合损耗大是影响 其性能的主要因素。通过 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 波导端面的Ti条半宽度与光波导模场分布的关系。计算出Ti：LiNbO。锥形光波导 与光纤耦合损耗最小时对应的最佳Ti条半宽度。分析得到Ti；LiNb03波导端面的Ti条半宽度对耦合损耗的影 响，以及光波导的不同切型对最佳Ti条半宽度的影响。 关键词：Ti：LiNbOs波导；波导模场；Ti条半宽度；耦合损耗 中图分类号：TN252 文献标识码：A ResearchontheCouplingBetweenaFiberandTi：LiNb03Acousto-opticDevice NINGJiping，WANGXin，GAOZhiwei，WANGJuntao，ZHAOYong，HANQun (KeyLab．forOptoelectronicInformationScienceandTechnologyofMinistryofEducation。 CollegeofPrecisionInstrument&OptoelectronicsEngineering．TianjinUniversity，Tianjin300072，China) Abstract：Fortheguidedacousto-opticmodulatorusedinQ-switchedfullfiberlaserwithhighpower，thegreat couplinglossbetweenthewaveguidedeviceandthesingle-modefiberisthemainfactorwhichaffectsitsperform— ante．ByanalyzingtherelationshipbetweenTistriphalf-widthofthewaveguideendandthemodefielddistribution， theoptimumTistriphalf-widthhasbeenobtainedwhenthecouplinglossbetweentheTi：LiNb03tapered waveguideandthefiber．TheimpactofTistriphalf-widthonthecouplinglossoftheTil LiNb03waveguideendis analyzed．Theeffectofdifferentcut-typewaveguideontheoptimumTistriphalf-widthhasalsobeenanalyzed． Keywords：Ti：LiNb03waveguide；waveguidemodefield；Tistriphalf-width；couplingloss 0 引言 波导声光器件由于其响应速度快，驱动功率低， 便于集成等优点受到广泛关注。本文研究的声光波 导调制器作为高功率全光纤调Q激光器中的开关 器件，其工作原理表明，器件中光波导的传输损耗及 与光纤的耦合损耗等将很大程度上影响到Q开关 的效果。其中，光波导与光纤间由模场失配造成的 耦合损耗是影响Ti：LiNbOs晶体光波导器件插入 损耗的主要因素r1]。研究发现，采用锥形光波导可 使光波导端面几何尺寸与光纤纤芯直径相近，得到 较小的耦合损耗。因此分析波导模场分布与耦合损 耗的关系，进而得到低耦合损耗时对应的Ti： LiNbO。波导中最佳的端面Ti膜半宽度对光波导器 件制作工艺的改善有重要意义。通过有关耦合损耗 的研究可知，波导模场的椭圆度与不对称度是造成 模场失配的重要因素[2]，而波导模场的椭圆度和不 对称度又都与Ti扩散工艺(如Ti膜半宽度，扩散深 度等)有关。本文利用以有效折射率法为基础的近 似分析法得到的波导截面光模场分布口]，计算不同 Ti膜半宽度条件下光波导模场的椭圆度及不对称 度，并由此得到使模场失配损耗降到最低的Ti膜半 宽度。考虑到通常为了使声光波导器件中得到较快 的声表面波(SAw)速度和较大的机电耦合系数，需 采用不同切型的LiNbO。衬底，因此文章中分析了 不同切型的Ti扩散LiNbO。光波导与光纤模场失 配造成的耦合损耗。 1 理论分析 1．1声光波导调制器 波导型声光器件因具有高速度，宽频带和便于 集成等特点，而受到广泛的研究。图1为一种共面 收稿日期：2009—12—03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No．10674101) 作者简介：宁继平(1945一)。女，山东聊城人。教授，主要从事光通信器件与技术的研究。E·mail：jpning@tju．edu．ca。 万方数据 第1期 宁继平等：光纤耦合声光Ti：LiNb0。波导器件的研究 31 型声光波导调制器模型[4]，采用共面型声光结构可 很大程度地减小SAW的行径距离，提高开关时间； 同时又可加长叉指换能器的叉指长度，增大声光相 互作用长度，增大衍射效率。为了优化波导器件与 光纤的耦合效果，光波导采用不改变模式而将波导 宽度平缓扩宽的双锥型Ti：LiNbo。波导，使光波 导端面几何尺寸与光纤纤芯直径相近，因此可得到 较小的耦合损耗。 声吸收带 图l 声光波导调制器模型 1．2 Ti：LiNb03光波导模场分布 利用有限元法、有效折射率法[3』1等都可求解 Ti扩散LiNbO。光波导的模场分布，我们利用的是 基于有效折射率法的近似分析方法[3]。这种方法求 出的基模场分布大小和模场最大值位置的准确度很 高，适合于对模场失配造成的耦合损耗的分析。且 由于得到的是模场分布的准解析解，因此可加快模 拟过程中的计算速度。 图2为声光波导调制器中Ti：I。iNb()。锥形光 波导端面的三维模型，Ti扩散深度方向沿晶体z 轴，光沿Y方向传播。图中dz为Ti扩散深度，出 为Ti扩散宽度。导波场分布函数可为中(s，“)= X(5)y(U，5)，对于基模导波场 Y(u，s)=2∥7(coshr／u)p7sinhr／u (1) X(s)=(coshxs)z (2) 式中：U—z／dz和s=x／W，均为引入的归一化坐标， 其中w为扩散前Ti条宽度的一半。参数呀、托是通 过逐步近似法计算得到f6I的拟合值。户7和P为宽度 方向归一化坐标s和波导表面折射率差An的函数。 通过改变Ti膜宽度2W，会影响波导中Ti离子的总 量A一7cw2C。dzW和An[3]，进而使波导模场分布改 变。 图2 z切Y传Ti：LiNbO。光波导模型 通过选取参数代入式(1)、(2)，对图2所示的 光波导进行模拟计算，其中光波长A=1．32gtm， W一3．9ttm，An(0，0)=0．005，dz=7．05gm，如= 4．88“m。图3为通过以上方法求解得到的TM模 基模场2、z方向的场分布。2个方向的模场分布函 数分别为中：=y(U，O)、虫=y(U。，s)X(s)，U。为西。 取得最大值时彳方向坐标。 归’一化扩散深度 归一化扩散宽度 (a)扩散深度方向模场分布(b)扩散宽度方向模场分布 图3 TM模基模场扩散深度、宽度方向模场分布 在描述波导模场分布时，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。图3的模场分布中不同方向上的模场半径分别 为：盯1—3．8肛m、d2=4．1}￡m、2as一10．8ttm。由于 横向和纵向扩散系数的不同，波导的模场是偏心的 (莎。+cr2≠20"3)，且在扩散深度方向上的模场不对称 (盯1≠盯2)。 1．3模场耦合效率 光纤与波导器件的端到端耦合，耦合效率取决 于光纤和波导模场重叠部分的积分，由于模场不完 全重合造成的模场失配是形成耦合损耗的主要因 素。分析可得，波导截面宽度方向的模场分布函数 可用对称的高斯函数来描述，深度方向可近似用 half-Gaussians函数表示，即 ，(z)=Foexp(--X2／蠢) (3) 咖)=1／铀Goex旷p(y㈨z／az；蓦 (4) 式中F0、G。分别为模场z、Y方向场强幅值。通过引 入式(3)、(4)，光纤模场和波导模场的耦合效率为Ⅲ 叩一 4{[去+半]-÷+[去+等n2 nf葫+专盯}1 (5) 式中：a一2as／(a。+晚)为模场的椭圆度，是模场宽度 万方数据 32 压电与声光 与深度的比值；e一盯。／crz为波导模场的不对称度，是 模场深度方向上，场强达最大值前后的模场深度的 比值；crd=盯。+盯。为波导模场的深度；田为光纤模场 直径。 由于LiNb0。晶体的各向异性，沿波导截面不 同方向的扩散系数最大会相差1---2个数量级，因此 不同切型波导的模场椭圆度也不同[7]。以Y切z 传LiNbO。晶体作衬底为例，波导扩散的宽深比为 r=dz／dy=小再瓦 (5) 式中D。和D。分别是z向和Y向上的扩散系数，与 扩散时间和相应常数D。：、Eo。、D。。、Eo，有关。代入 相应实验数据可知，D：比D，大1个数量级，r≈ 3n。8]。而对于2切LiNbO。晶体波导，其，．≈ 0．7E8_9。。 声光波导型器件在原理上是利用声波对光波进 行调制，因此在优化光特性的基础上，良好的SAW 特性有利于波导器件整体性能的提高。目前，已报 道过选用128。Y切LiNbO。和36。Y切LiTa03作为 衬底的声光波导器件[3’1引，对波导衬底按一定角度 进行切割，可得到较好的SAW性能，如较快的 SAW速度，较大的机电耦合系数等。实验证明，晶 体切型及光波导制作环境的不同都会导致波导扩散 宽深比的变化。所以，在分析Y切、z切波导的扩散 深度与光纤-波导耦合效率的关系的基础上，研究r 对最佳Ti条宽度和耦合损耗的影响很重要。 2 数值分析与讨论 综上所述可知，我们分别计算了不同Ti条半宽 度的Ti：LiNb0。波导模场分布函数，并通过数值 计算的方法，求得模场深度和宽度。由此计算得到 模场的椭圆度和不对称度，代人式(4)中，得到波导 和光纤的耦合损耗与Ti条半宽度的关系曲线图。 图4为z切Ti：LiNbo。波导TM模的模场深 度d2和宽度dx。在2切光波导中传播的TM模， LiNb0。晶体衬底折射率相当于传播非常光时的折 射率，当A=1．32tam时，nb=2．146。选用的波导制 作参数为：扩散温度T一1100℃，扩散时间t-----6h， 扩散常数Do。=2．65×105肚m2／h，Eo。=1．48eV， Do。=1．4×10儿tLm2／h，Eo。=2．95eV[引，r≈-．0．7。 通过与文献[11]中的实验数据进行比较可知，虽然 由于扩散过程中Li20的外扩散等原因使模场分布 的数值与实验数据略有差距，但上述计算得到的模 场分布随Ti条半宽度的变化趋势与实验数据基本 吻合。 Wlltm 图4 z切Ti：LiNbO。波导的模场深度如和模场宽度(Ix 图5为z切Ti：LiNbO。波导TM模模场分 布的椭圆度和不对称度与W的关系曲线图。图中 模场分布的椭圆度和不对称度都随Ti条半宽度的 增加而增大。 髓 嚣 按 海 W／lain Wlgm (丑)模场分布的椭圆度(b)模场分布的不对称度 图5 2切Ti。LiNb03波导截面模场分布的椭圆度和 不对称度 通过将图5中的数据代人式(4)可得，在确定光 纤模场半径的条件下不同Ti条半宽度对应的耦合 效率。如图6所示，其中用于耦合的光纤是模场半 径3．9“m波长1．32“m单模光纤。图中标出的实 验值[1妇为整个器件的插入损耗，包括波导传播损耗 W／lain 图6光纤一波导耦合损耗的理论值与实验值 万方数据 第1期 宁继平等：光纤耦合声光Ti：LiNbOs波导器件的研究 33 和器件两端的耦合损耗。除去约为0．3dB／cm的 波导传播损耗，波导长度约1．5em，光纤耦合损耗 的理论值与实验值能较好的吻合。其中在Ti条半 宽度较小时，传播损耗会明显增大，理论上这是由于 此时波导接近截止条件，光波场不能被很好的限制。 从图6中可看出，当W≥3．5“m时，耦合损耗 已变得很小且基本不再变化。在2切Ti：LiNbO。 波导中，W。。=4．7gm为最佳的Ti条半宽度，可使 耦合损耗降到最低(O．22dB)。 由图4～6可看出，由于Ti：LiNb0。光波导中 随着Ti条半宽度的增加，模场深度迅速减小，因此 模场椭圆度和不对称度的增加不会增加光纤与波导 的模场失配损耗。这说明在分析光纤与波导的耦合 损耗时，模场椭圆度和不对称度越大，模场失配损耗 越大⋯，这个结论并不总是成立，还需考虑波导模场 深度等条件。 在Y切z传光波导中传播的TM模，LiNbO。 晶体衬底折射率相当于传播寻常光时的折射率， ‰一2．22，扩散常数Do：一2．5×10-5cm2／s，E0。一 1．54eV，Do，一3．47×10—2cm2／s，Eo，一2．46eVL8。， r≈3。分别计算Y切、z切及不同宽深比r的波导 的耦合损耗如图7所示。 W／Sun 图7不同扩散宽深比，Ti：LiNb(h波导一光纤耦合 损耗与w的关系曲线图 由图7可知，y切Ti：“Nbo。波导的耦合损 耗要远大于z切波导，且在Y切波导中使耦合损耗 降到最小的w。。也要大于z切波导。 随着r的改变，耦合时的W。。和损耗都会有所 变化。当r=1时，W。，。一8．4肛m，最小耦合损耗为 0．55dB。当r一3时，Ⅳ0pt=30．3弘m，最小耦合损 耗为2．82dB。与2切Ti：LiNb0。波导的对应数 据进行比较可看出，对于不同切型或不同扩散条件 下制作的波导，随着r的增加，模场失配损耗和w。。。 都会增大。这说明，在选用r较大的晶体做衬底时， 加宽未扩散前波导截面处的w可得到较好的耦合 效果。 3 结束语 本文通过基于有效折射率法的近似分析法得到 的光波导模场分布，计算了不同Ti条半宽度条件下 波导截面模场的椭圆度和不对称度，从而得到使耦 合损耗最小的最佳Ti条半宽度。这种方法由于采 用了准解析的波导模场分布函数，因此相较于有限 元分析法可较快的计算出适合与光纤耦合的Ti条 半宽度。 通过对模拟结果的分析，发现模场椭圆度和不 对称度的增加并没有引起大的耦合损耗，这说明在 分析模场失配损耗时，还应考虑波导模场深度的变 化对耦合损耗的影响，这与目前存在的观点不一致。 在不同扩散宽深比条件下，耦合损耗和适合的Ti条 半宽度不同，研究发现在选用扩散宽深比较大的切 型晶体做为声光波导器件的衬底时，较宽的扩散金 属条更有利于与光纤的耦合。对于二维Ti：Li NbO。波导，在确定了Ti条半宽度后，可通过波导模 式截止条件计算出单模波导或多模波导制作中的其 他参数m。引，从而完善波导的制作工艺。 参考文献： [1]ALBERTJ，YIPGI，．Insertionlossreductionbetween single-modefibersanddiffusedchannelwaveguides FJ]．ApplOpt，1988，27(23)：4837—4843． [23FANGF，NINGJP，SHANGLJ，eta1．Anovelopin- ionaboutthecouplinglossbetweensingle-modefibers andwaveguides[J]．JofOptoelectroniesandAdvanced Materials，2006，8(5)：1912一1914． [3]STRAKEE，BAVAGP．GuidedmodesofTi；Li Nb03channelwaveguides：anovelquasi—analytical techniqueincomparisonwiththescalarfinite-element method[J]．JofLightwaveTechnology，1988，6(6)： 1126一1134． [43KAKIOShoji。ZOUNianyu，KITAMURAM，eta1．An integratedacoustoopticfrequencyshifterdrivenbysur— faceacousticwavefor1．55肛mopticalwavelength[J]． JpnJ ApplPhys，2003，42：3063—3066． [53HOCKERGB，BURNSWK．Modedispersionindif— fusedchannelwaveguidesbytheeffectiveindexmeth— odFJ]．AppliedOptics，1977。16(1)二113—118． (下转第37页) 万方数据 第1期 雷霆等：半球陀螺微振动电容 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 模型与分析 37 扳幅与同隙的比值 图7二次潴波、振动幅度与R的关系 随着谐振值振荡幅度与间隙之比越大，2、3次 谐波有变大的趋势，即检测到的电压信号不再是纯 的正弦波。对后续的处理电路带来严重的危害。但 如果R很大，则这种趋势就不明显。这意味着提高 放大器的输入电阻，在减小信号杂波，提高信号强 (上接第33页) 1-63何希红，胡鸿璋，赵慈．钛扩散LiNbO。单模波导场分 布[J3．光子学报，1996，25(3)：256—259． HEXihong，HUHongzhang，ZHAOCi．Fielddistribu‘ tionofTi：LiNb03singlemodeopticalwaveguideEJ3． ActaPhotonicaSinica。1996，25(3)：256-259． [73KOROTKYS，MINFORDW．Modesizeandmethod forestimatingthepropagationconstantofsingle-mode Ti：LiNb03stripwaveguides[J]．IEEEJ QuantumE— Ieetron，1982，18(10)：1796-1801． [83FUKUMAM，N()DAJ．Opticalpropertiesoftitanium- diffusedLiNb03stripwaveguidesandtheircoupling- to-a-fibercharacteristics[J]．AppliedOptics，1980，19 (4)：59I-597． [9]FOUCHETS，CARENCOA，DAGUETC．Wave— IengthdispersionofTi inducedrefractiveindex changein1．iNb()3asafunctionofdiffusionparame— ters[J]．JofLightwaveTechnology，1987，5(5)：700- 708． 度，降低U的电压都有重要意义。 6 结束语 本文构建了半球谐振陀螺谐振子微振动电容检 测模型，采用数值计算法对该模型进行了计算分析。 分析结果对放大器电路 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和信号处理等均具有较 明确的指导意义。实际的半球谐振陀螺由于结构和 安装工艺的原因，还会存在分布电容和电感，这些因 素没有包括到该模型中去。因此，进一步的研究可 在此基础上进行模型扩展，以期得到更精确的分析 结果。 参考文献： [13雷霆．半球谐振陀螺控制技术研究[D]．重庆：重庆大 学，2006． [23丁丽娟．数值计算方法[M]．北京：北京理工大学出版 社，1997：204—213． [103CHUNGCJ，KAOKS，CHENGCC，eta1．Proton- exchanged36degreesYXLiTa03waveguidesforsur— faceacousticwave[J]．IEEETransactionsonUltra— sonics，FerroelectrFreqControl，2006，53(2)：502— 505． [11]ALFERNESSR，RAMASWAMYV，KOROTKYS， eta1．Efficientsingle-modefibertOtitaniumdiffused lithiumniobatewaveguidecouplingforA=1．32pm [J]．MicrowaveTheoryandTechniques，1982，30 (10)：1795-1801． [12]庞叔鸣，黄士斌．Ti：LiNbO。单模波导的设计和参数 选择[J]．光电子·激光，1993，4(6)：360-365． PANGShuming，HUANGShibin．Designand paremeterselectionofTi：LiNb03single-mode waveguide[J]．OptronicsLaser，1993，4(6)：360—365． [13]CHOIYM．ApreliminarydesignoftheTi：LiNb03 opticalchannelwaveguide[J]．DefenceScienceand TechnologyOrganisationScientificPublicationsOn— line，1992． 万方数据 光纤耦合声光Ti:LiNbO3波导器件的研究 作者： 宁继平， 汪欣， 高志伟， 王俊涛， 赵勇， 韩群， NING Jiping， WANG Xin， GAO Zhiwei， WANG Juntao， ZHAO Yong， HAN Qun 作者单位： 天津大学,精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300072 刊名： 压电与声光 英文刊名： PIEZOELECTRICS & ACOUSTOOPTICS 年，卷(期)： 2011,33(1) 参考文献(13条) 1.ALFERNESS R;RAMASWAMY V;KOROTKY S Efficient single-mode fiber to titanium diffused lithium niobate waveguide coupling for λ = 1.32 μm[外文期刊] 1982(10) 2.CHUNG C J;KAO K S;CHENG C C Protonexchanged 36 degrees YX LiTaO3 waveguides for surface acoustic wave 2006(02) 3.CHOI Y M A preliminary design of the Ti:LiNbO3optical channel waveguide 1992 4.庞叔鸣;黄士斌 Ti:LiNbO3单模波导的设计和参数选择 1993(06) 5.FOUCHET S;CARENCO A;DAGUET C Wavelength dispersion of Ti induced refractive index change in LiNbO3 as a function of diffusion parameters[外文期刊] 1987(05) 6.FUKUMA M;NODA J Optical properties of titaniumdiffused LiNbO3 strip waveguides and their couplingto-a-fiber characteristics[外文期刊] 1980(04) 7.KOROTKY S;MINFORD W Mode size and method for estimating the propagation constant of single-mode Ti:LiNbO3 strip waveguides[外文期刊] 1982(10) 8.何希红;胡鸿璋;赵慈 钛扩散LiNbO3单模波导场分布 1996(03) 9.HOCKER G B;BURNS W K Mode dispersion in diffused channel waveguides by the effective index method [外文期刊] 1977(01) 10.KAKIO Shoji;ZOU Nianyu;KITAMURA M An integrated acoustooptic frequency shifter driven by surface acoustic wavefor 1 55 μm optical wavelength 2003 11.STRAKE E;BAVA G P Guided modes of Ti:Li NbO3 channel waveguides:a novel quasi-analytical technique in comparison with the scalar finite-element method[外文期刊] 1988(06) 12.FAN G F;NING J P;SHANG L J A novel opinion about the coupling loss between single-mode fibers and waveguides 2006(05) 13.ALBERT J;YIP G L Insertion loss reduction between single-mode fibers and diffused channel waveguides[外文期刊] 1988(23) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ydysg201101008.aspx