PLZT波导电光调制器及其行波电极系统设计与优化

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作为大容量光纤传输系统和高速光电信息处理系统中的关键器件,电光调制器成为了国内外研究的热点,目前迫切需要研制小尺寸的高速电光调制器。本文选取了PLZT(锆钛酸铅镧,Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3)铁电陶瓷薄膜材料作为研究对象,重点对集成化PLZT电光调制器及其行波电极系统进行了设计与制备,并对其工作特性进行了测试。PLZT是一种较为新型的透明铁电陶瓷材料,其电光系数大、折射率高、透光性好,用其制备的电光器件具有半波电压小、功耗低、偏振不敏感等优点。本文设计基于PLZT薄膜的脊型光波导结构,利用有效折射率法计算介质的有效折射率参数。该参数不仅对光波导设计有参考价值,也对电极系统中波速匹配和阻抗匹配产生重要影响。在对光波导结构参数的设计中,采用马赫-曾德(M-Z)干涉仪结构作为调制器电光相互作用区,利用光束传播法模拟计算出光波导性能参数并对其进行优化,模拟结果显示在光波导脊高0.6μm,调制臂长度为10mm时,可以达到的调制深度超过了90%。电极结构是影响电光调制器的关键因素,本文根据微波传输线基本理论,利用HFSS对PLZT电光调制器的电极系统进行了仿真设计。采用共面波导(CPW)型的行波电极结构,对金电极厚度、电极宽度、电极间距、缓冲层厚度对波速匹配和特征阻抗的影响进行了详细研究,利用它们之间的变化关系优化设计电极尺寸。对相互作用区、过渡区、接口区进行了分块设计,并结合S参数,对相互作用区长度、过渡区倒角半径、接口区直线距离进行设计优化,最终得到3dB带宽为10GHz左右,半波电压为20.6V,整体尺寸不超过1cm2的CPW行波电极系统。最后,通过紫外光刻、等离子反应刻蚀、电镀、切割抛光等工艺流程制备出了PLZT电光调制器样品,利用光波测试系统、矢量网络分析仪、光谱仪等设备搭建测试平台,对制备出的调制器样品进行了性能测试。测试得到芯片片上损耗为10.83dB、半波电压为24V左右、带宽为2GHz,实验结果与模拟结果基本相符。
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