电光调制器的温度特性及其最优化设计3
光 学 学 报 24卷 传统分析电光效应的理论是折射率椭球理论[9]。受此理论的限制,绝大多数的电光调制器,无论是纵向或是横向的,外电场方向都只能限制在一些特殊的方向。这给实际应用带来诸多不便。例如,近年来,因为受外电场方向的限制,人们在研究新型电光晶体的性能时,所需外加半波电压特别大[10,11];而研究晶体电光开关的时候,外电场方向的限制为器件的设计增加了一些困难[5];在传统的纵向调制器中,因为电场方向平行于光的传播方向,因此需要透明电极或环形电极结构,器件制作工艺比较复杂,而且,这种调制器的半波驱动电压很大,这是实际应用中最不希望的。横向电光调制器没有上述的缺点,但是它有零场泄漏(即外电场为零时输出光强不为零),这个问题对调制器特别是电光开关影响很大;另外一个问题是,横向电光调制器对温度的变化极为敏感[1],严重影响它的性能。实际应用中采用组合型电光调制器来解决温度敏感性这个问题,但是要求两块组合的电光晶体长短一致,且具有相同的温度分布特性等,这较难实现。为了避免这一缺点,又有人提出了偏振光旋转反射法,在光路中插入一个λ/4波片。此方法比较方便,但是这样一来器件的增多又增加了插入损耗。此外还有人提出运用调节外加电压的方法来补偿温度变化,但是这个方法不甚方便,而且补偿的范围十分有限[12]。
在以前国外的一些文献中,对电光效应一些特殊情况的研究运用了一种电磁理论方法[13],从另一个
角度进行研究,但因此法不甚实用,没有受到重视。近几年国内又有人提出新的电光效应理论方法[14]和电光调制器设计[15],但都只是着重提高出射光效率,并没有克服其余的缺点。文献[16]中提出了一种全新的电磁理论方法来分析电光效应。运用这种方法,可以研究光在任意一个方向的电场作用下沿任意一个方向传播的各种线性电光效应情况。这为设计电光调制器带来了极大的方便。本文利用该耦合波理论方法,研究了电光调制器的温度特性。利用简单的角度调节,就克服了温度敏感性这个问题,且不会增加调制器的插入损耗。在很大的温度变化范围内,器件的输出光强非常稳定。在此基础上,本文还进一步对线性电光调制器作了最优化设计。找到了一个合适的入射光角度,同时克服了以往纵向调制和横向调制的缺点。在此设计中,调制器的零场泄漏几乎为零,半波电压也不是很大,温度稳定性好,而且还不用透明电极,非常适合于实际应用。
2 运用耦合波理论研究电光调制器的
温度特性
文献[16]中提出一个线性电光效应的耦合波理论,此方法从麦克斯韦方程出发,把入射电光晶体的光波分解为两个独立的线偏振分量E1,E2。通过一系列的推导,最后用耦合波方程解得电光晶体出射面的E1,E2光的电场强度的解析解:
(1)(2)
)r]exp[i<1(r)],E1(ω)=E1(r)exp(ik1r)=ρ1(r)exp[i(k1+β
)r]exp[i<2(r)],E2(ω)=E2(r)exp(ik2r)=ρ2(r)exp[i(k2+β
其中
γE()()22
ρcos(μr)+sin(μr),1(r)=
μ
γE()-dE()
<1(r)=E1(0)cos(μr)+isin(μr),
μ
E21(0)
2
ρ2(r)=
γE()()
sin2(μr),
μ
γE()()
<2(r)=E2(0)cos(μr)-isin(μr),
μ
=(Δk-d2-d4)/2,
22
E2(0)cos(μr)+
2
(3)
μ=(Δk+d2-d4)2+4d1d3/2,γ=(d4-d2-Δk)/2,
reff1E0, d2=rE,2n12n1eff20d3=reff1E0, d4=rE,
2n22n1eff30d1=
(4)
(5)