BaTiO 3 晶体薄膜波导电光特性研究
发布时间：2021-10-20 14:10
光调制器是光通信系统中产生高速数字脉冲光信号的器件,相当于光信息系统的心脏。光调制器的工作原理是用高速微波电信号对光信号通道的物理特性进行调制,从而使连续激光束变成与其同步交变的光脉冲信号。目前光调制器有两种:一种是电光调制器,另一种是电吸收调制器,分别利用外部驱动电信号改变光信号通道的光折射率和光吸收特性。铌酸锂晶体波导电光调制器已经在光通信中得到了广泛应用,达到了40GHz调制带宽,但其电光特性限制其带宽值的继续提高,所以需要新材料制备的电光调制器。铁电晶体-钛酸钡具有超高的电光系数、稳定性好和兼容性好的优越性,成为现阶段人们研究的热点材料之一。钛酸钡晶体薄膜波导和驱动电压实现对激光信号的调制输出,其中晶体薄膜的电光系数r51发挥着至关重要的作用,可达到600-800 pm/V。而在之前的研究中由于使用了不恰当的电光调制理论,导致所得到的钛酸钡电光系数值不准确,从而对调制器件的研究有很大的影响。本论文通过对钛酸钡晶体薄膜波导电光调制特性的研究,建立电光系数r51和双折射beo与调制电场间的有效关系,可精确测定钛酸钡晶...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：107 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Petraru团队对BaTiO3晶体薄膜波导电光调制器的研究
长春理工大学博士学位（毕业）论文6更深一步的研究导致的，同时也说明晶轴取向和电光系数对研究BaTiO3晶体的重要性。2004-2007年，该课题组进一步研究了BaTiO3晶体薄膜/Si3N4条型波导结构（也属于脊型波导），实现了低电压电光调制器，用近似线性调制方程，根据测出的半波电压Vπ与电极间距G以及由此产生的电场与光场重叠积分Γ估算51r，从而给出了51r=150pm/V测试结果[55]。需要说明的是，这一测试结果是非常粗糙的，因为所使用的结构与近似线性调制的条件并不匹配。所以，该课题组进一步工作是在波导上加工布拉格光栅，然后测定衍射波长随驱动电压的移动。根据衍射方程与电光调制方程：32(/)OeffΔλ=ΛΔn=ΛnrΓVG(其中，Oλ、Λ和Γ分别为衍射波长、光栅周期和电场-光场重叠积分)测定有效电光系数，给出了300/effr=pms的测试估算结果，调制带宽由10GHz以下逐渐提高到了40GHz的水平[56]。图1.2就是在这一研究阶段研究成果的代表性结果。事实上，这种测试方法也有很大的局限性，因为衍射峰值的移动除了与驱动电压、布拉格光栅周期有关外，还受衍射角的影响。a)b)c)图1.2在钛酸钡晶体薄膜波导电光调制器上做布拉格光栅以测定电光系数a)器件示意图b)器件TE模式的光投射谱c)器件TM模式的光投射谱
第1章绪论72003-2005年，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的孙德贵课题组在完成中国科学院“百人计划”的课题过程中，与美国西北大学联合取得了先导性理论研究成果[57]。他们提出了BaTiO3晶体薄膜在针对其绝对高的电光系数51r的电光调制方程与LiNbO3的截然不同，即折射率电光调制量与调制电场之间不再是传统的线性关系，而是一个二阶方程的关系，而且更重要的发现是：一个电光调制电场施加在a轴上，可以在寻常光和非寻常光两个偏振态上同时产生大小近似相等，符号相反的折射率电光调制。图1.3（a）给出了基于BaTiO3晶体薄膜波导电光调制器的共面波导（光波导和电极）结构，而图1.3（b）给出了两个关于电光系数51r的二阶方程：一个是光折射率调制量与调制电场（E）的关系；另一个是包括半波电压、电光系数和光场与电场作用长度的二阶平方的电光调制方程。a)b)图1.3中国科学院长春光机所的孙德贵课题组在完成"百人计划"课题时发表的成果a)基于BaTiO3晶体薄膜波导电光调制器的共面波导结构b)关于电光系数51r的二阶方程1.3.2钛酸钡材料的研究进展BaTiO3晶体薄膜特有的超高电光系数和特殊的电光调制机制为实现超高速电光调制器提供了有力依据，而现有的设计与加工技术给予了它很高的技术可行性，因此在过去的十几年中越来越受到研究人员的重视[58-61]。作为最新崛起的工业研究团队，IBM公司位于瑞士苏黎世研究中心的科学家于2012-2013年发表了如图1.4所示的BaTiO3晶体薄膜电光调制特性的实验模型及测试结果[62]。于2016年4月对所有电光材料性能进行如图1.5所示的系统比较[49]。从比较的结果可以看出，BaTiO3晶体薄膜本身属于铁电晶体，具备高稳定的电光效应，而且薄膜形式的钛酸钡晶体有利于器件性能的优化，可以成
【参考文献】：
期刊论文
[1]BaTiO3晶体薄膜PLD法生长工艺参量研究[J]. 张静,付秀华,杨飞,杨彬,孙德贵. 光子学报. 2014(05)
[2]ZnO的激光分子束外延法制备及X射线研究[J]. 杨晓东,张景文,毕臻,贺永宁,侯洵. 光子学报. 2008(03)
[3]BaTiO3铁电薄膜在硅基片上的取向生长[J]. 魏贤华,黄文,接文静,朱俊. 硅酸盐学报. 2007(05)
[4]激光分子束外延BaTiO3/SrTiO3超晶格的晶格应变研究[J]. 姜斌,蒋书文,李燕,张鹰,李言荣. 真空科学与技术学报. 2005(03)
[5]高速聚合物电光调制器的进展[J]. 宋琼,吴伯瑜,张兵,罗淑云,鹿飞,阳辉,王晓工,连彦青. 激光与红外. 2003(01)
[6]聚合物单模光波导的研究[J]. 秦志辉,房昌水,潘奇伟,史伟,尹鑫,顾庆天,余金中. 光电子·激光. 2002(06)
[7]用极坐标下的广角光束传播法计算分析弯曲波导[J]. 戴道锌,何赛灵. 光子学报. 2002(06)
本文编号：3447044
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：107 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
Petraru团队对BaTiO3晶体薄膜波导电光调制器的研究
长春理工大学博士学位（毕业）论文6更深一步的研究导致的，同时也说明晶轴取向和电光系数对研究BaTiO3晶体的重要性。2004-2007年，该课题组进一步研究了BaTiO3晶体薄膜/Si3N4条型波导结构（也属于脊型波导），实现了低电压电光调制器，用近似线性调制方程，根据测出的半波电压Vπ与电极间距G以及由此产生的电场与光场重叠积分Γ估算51r，从而给出了51r=150pm/V测试结果[55]。需要说明的是，这一测试结果是非常粗糙的，因为所使用的结构与近似线性调制的条件并不匹配。所以，该课题组进一步工作是在波导上加工布拉格光栅，然后测定衍射波长随驱动电压的移动。根据衍射方程与电光调制方程：32(/)OeffΔλ=ΛΔn=ΛnrΓVG(其中，Oλ、Λ和Γ分别为衍射波长、光栅周期和电场-光场重叠积分)测定有效电光系数，给出了300/effr=pms的测试估算结果，调制带宽由10GHz以下逐渐提高到了40GHz的水平[56]。图1.2就是在这一研究阶段研究成果的代表性结果。事实上，这种测试方法也有很大的局限性，因为衍射峰值的移动除了与驱动电压、布拉格光栅周期有关外，还受衍射角的影响。a)b)c)图1.2在钛酸钡晶体薄膜波导电光调制器上做布拉格光栅以测定电光系数a)器件示意图b)器件TE模式的光投射谱c)器件TM模式的光投射谱
第1章绪论72003-2005年，由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的孙德贵课题组在完成中国科学院“百人计划”的课题过程中，与美国西北大学联合取得了先导性理论研究成果[57]。他们提出了BaTiO3晶体薄膜在针对其绝对高的电光系数51r的电光调制方程与LiNbO3的截然不同，即折射率电光调制量与调制电场之间不再是传统的线性关系，而是一个二阶方程的关系，而且更重要的发现是：一个电光调制电场施加在a轴上，可以在寻常光和非寻常光两个偏振态上同时产生大小近似相等，符号相反的折射率电光调制。图1.3（a）给出了基于BaTiO3晶体薄膜波导电光调制器的共面波导（光波导和电极）结构，而图1.3（b）给出了两个关于电光系数51r的二阶方程：一个是光折射率调制量与调制电场（E）的关系；另一个是包括半波电压、电光系数和光场与电场作用长度的二阶平方的电光调制方程。a)b)图1.3中国科学院长春光机所的孙德贵课题组在完成"百人计划"课题时发表的成果a)基于BaTiO3晶体薄膜波导电光调制器的共面波导结构b)关于电光系数51r的二阶方程1.3.2钛酸钡材料的研究进展BaTiO3晶体薄膜特有的超高电光系数和特殊的电光调制机制为实现超高速电光调制器提供了有力依据，而现有的设计与加工技术给予了它很高的技术可行性，因此在过去的十几年中越来越受到研究人员的重视[58-61]。作为最新崛起的工业研究团队，IBM公司位于瑞士苏黎世研究中心的科学家于2012-2013年发表了如图1.4所示的BaTiO3晶体薄膜电光调制特性的实验模型及测试结果[62]。于2016年4月对所有电光材料性能进行如图1.5所示的系统比较[49]。从比较的结果可以看出，BaTiO3晶体薄膜本身属于铁电晶体，具备高稳定的电光效应，而且薄膜形式的钛酸钡晶体有利于器件性能的优化，可以成
【参考文献】：
期刊论文
[1]BaTiO3晶体薄膜PLD法生长工艺参量研究[J]. 张静,付秀华,杨飞,杨彬,孙德贵. 光子学报. 2014(05)
[2]ZnO的激光分子束外延法制备及X射线研究[J]. 杨晓东,张景文,毕臻,贺永宁,侯洵. 光子学报. 2008(03)
[3]BaTiO3铁电薄膜在硅基片上的取向生长[J]. 魏贤华,黄文,接文静,朱俊. 硅酸盐学报. 2007(05)
[4]激光分子束外延BaTiO3/SrTiO3超晶格的晶格应变研究[J]. 姜斌,蒋书文,李燕,张鹰,李言荣. 真空科学与技术学报. 2005(03)
[5]高速聚合物电光调制器的进展[J]. 宋琼,吴伯瑜,张兵,罗淑云,鹿飞,阳辉,王晓工,连彦青. 激光与红外. 2003(01)
[6]聚合物单模光波导的研究[J]. 秦志辉,房昌水,潘奇伟,史伟,尹鑫,顾庆天,余金中. 光电子·激光. 2002(06)
[7]用极坐标下的广角光束传播法计算分析弯曲波导[J]. 戴道锌,何赛灵. 光子学报. 2002(06)
本文编号：3447044
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