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铌酸锂波导电光A/D转换器单元技术研究

2020-11-23阅读(483)

铌酸锂波导电光A/D转换器单元技术研究

论文摘要

本论文以2位波导电光A/D转换器的理论设计和工艺实验为目标，以计算机仿真和具体工艺实验相结合，对铌酸锂波导电光A/D转换器的光波导设计、电极优化以及电光响应等性能指标进行了详细分析。 采用有限差分束传播法（FD-BPM）优化了M-Z结构电光A/D转换器光波导结构，包括直接转向波导和Y分支波导。采用余弦弯曲Y分支波导设计2位M-Z型电光A/D转换器，并设计相应的器件版图。另外，设计了2位相位补偿型电光A/D转换器的波导结构。 本论文以美国特拉华大学提供的一个免费的保角变换工具包为基础采用保角变换方法对行波结构电光A/D转换器电极结构进行了详细的仿真分析。分析结果表明，采用低折射率的缓冲层、厚电极等方法可以在不同程度上改善A/D转换器的性能，同时它们对阻抗匹配、调制带宽和导体损耗的影响是不同的，在实际设计时应该折衷考虑。 本论文采用傅里叶变换方法定量分析了电光A/D转换器的速度失配和传输损耗对输出光脉冲（包括脉冲形状、幅度和宽度）的影响，仿真结果表明速度失配会使光脉冲峰值下降、使脉冲宽度增加，而损耗只使脉冲峰值下降，不会使脉冲展宽。另外，讨论了集总参数电极型和行波参数电极型电光A/D转换器的频率响应。 分析了影响电光A/D转换器性能其他因素，如光通过调制的渡越时间、激光脉宽、脉冲间隔抖动等；还讨论了对光功率、调制带宽及探测器噪声的要求等。另外，分析了器件温度漂移和直流漂移问题。 为了实现电光A/D转换，采用两条技术路线：1)以退火质子交换工艺为基础研究了平面波导、沟道波导，对具体的工艺流程及实验器具作了改进，并努力尝试制作出器件的核心部分。对实验中发现的新现象产生原因给出了详细的解释，并从实际工艺中摸索出了解决的办法。2)采用商用的电光调制器构成2位电光/AD转换器系统。设计并制作了探测电路，初步的实验结果证明了方案的可行性。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究高速模数器的意义
  • 1.2 电光A/D转换器研究动态
  • 1.3 本论文的主要研究内容及章节安排
  • 1.3.1 本论文完成的主要工作
  • 1.3.2 本论文章节安排
  • 第二章 铌酸锂波导电光A/D转换器的原理与结构
  • 2.1 铌酸锂电光调制
  • 2.2 铌酸锂波导电光调制器
  • 2.3 M-Z型电光A/D转换器的原理与结构
  • 2.4 小结
  • 第三章 铌酸锂波导电光A/D转换器的光波导设计
  • 3.1 束传播法简介
  • 3.2 有限差分束传播法算法
  • 3.2.1 二维标量波动方程的差分格式
  • 3.2.2 三维标量波动方程的差分格式
  • 3.2.3 边界条件分析
  • 3.3 分支波导结构的优化设计
  • 3.3.1 波导的设计
  • 3.3.2 M-Z单元结构平行波导间距的考虑
  • 3.4 2位M-Z型电光A/D转换器光波导结构设计
  • 3.5 小结
  • 第四章 铌酸锂波导电光A/D转换器的电极分析
  • 4.1 电极参量的保角变换分析
  • 4.1.1 保角变换方法
  • 4.1.2 共面波导电极的特征参数
  • 4.2 数值仿真
  • 4.2.1 相速匹配和特征阻抗
  • 4.2.2 导体损耗的影响因素
  • 4.2.3 半波电压的影响因素
  • 4.3 小结
  • 第五章 铌酸锂波导电光A/D转换器的电光响应
  • 5.1 电光A/D转换器输出信号的时域分析
  • 5.1.1 时域分析理论
  • 5.1.2 速度不匹配的影响
  • 5.1.3 微波衰减的影响
  • 5.2 输出信号的频域响应分析
  • 5.2.1 集总参数电极型电光A/D转换器频率响应
  • 5.2.2 2位行波电极型电光A/D转换器频率响应
  • 5.3 小结
  • 第六章 铌酸锂波导电光A/D转换器性能分析
  • 6.1 取样光脉冲抖动的影响
  • 6.2 光脉冲宽度的影响
  • 6.3 光渡越时间的影响
  • 6.4 光功率的需求
  • 6.5 温度漂移与直流漂移
  • 6.5.1 温度漂移
  • 6.5.2 直流漂移
  • 6.6 光纤—波导对接误差对耦合损耗的影响
  • 6.7 小结
  • 第七章 铌酸锂波导电光A/D转换器的实验研究
  • 3光波导制作简介'>7.1 LiNbO3光波导制作简介
  • 3光波导的制作原理'>7.2 LiNbO3光波导的制作原理
  • 7.3 波导制作工艺流程
  • 7.4 平面波导折射率分布的确定
  • 7.4.1 波导导模有效折射率的确定
  • 7.4.2 反WKB方法确定波导折射率分布
  • 7.4.3 改进的反WKB法
  • 3光波导的实验研究'>7.5 质子交换LiNbO3光波导的实验研究
  • 7.5.1 波导表面裂纹产生的原因分析
  • 7.5.2 缓冲质子源交换实验研究
  • 7.5.3 平面波导测试结果及讨论
  • 7.6 外光谱特征
  • 7.7 2位波导电光A/D转换器的实验研究
  • 7.7.1 测试方案及系统的构成
  • 7.7.2 实验结果与讨论
  • 7.8 小结
  • 第八章 全文总结
  • 8.1 论文主要内容
  • 8.2 论文的主要创新点
  • 8.3 下一步需要讨论的问题
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简历及攻读博士学位期间发表的论文

    • 相关论文文献

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