[发明专利]高性能声光波导调制器设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光器件领域，具体讲涉及高性能声光波导调制器设计方法。

背景技术

早在上世纪70年代初，就出现了波导声光器件，特别是进入70年代中后期出现大量的有关波导声光器件的报道，尤其是C.S Tsai对波导声光器件做了大量的理论研究工作。而后进入八十年代以来，虽有大量的关于声光器件的研究论文，但几乎所有的研究工作都是基于C.S Tsai早年的研究工作之上，大量的是一些实验性的工作。到目前为止，并没有系统的理论工作，有些相关的理论是经验性的，因此理论是不完整的。

波导声光开关与其他波导型开关相比，具有开关响应速度快、隔离度高、偏振无关、结构小巧紧凑、可靠性好，驱动功率低等独特的优点。在激光调Q技术领域以及光通信网络中有着广阔的应用前景。在激光调Q技术领域，采用声光调Q的双包层光纤激光器在激光加工，军事领域，激光医疗等方面的应用上就很具有吸引力。在光通讯网络中，波导开关起着上下路信号和不同光路之间交叉互联的作用。

目前国内外尚未有关于声光波导调制器作为光纤激光器的Q开关方面的报道。而且有关声光开关的报道都是应用于光通讯网络中，起着上下路信号和不同光路交叉互联的作用，主要集中在开关阵列、级联以及切趾、降低损耗等方面。由于目前声光波导开关的速度相对较慢，很难达到激光器调Q开关的要求，目前国际上报道的最高开关速度只达到100ns，而且还只是理论研究，尚无进一步的实验报道。

对于未来的高速光通讯系统，微秒量级显然是很难满足其要求的，提高开关速度是必然趋势。同时对于目前的器件领域，能够获得高衍射效率和大带宽的器件受到广泛的关注。就目前的研究现状看，研究更高速的波导声光开关已成为一种必然。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明目的在于建立一套提高声光波导调制器速度、带宽和衍射效率的新理论，对调制器各设计参数、波导声光互作用的重叠积分、声波导、光波导、总体结构以及光纤与波导耦合等方面进行了研究。利用这套设计理论分析的声光波导调制器的开关速度能进入70ns以内，衍射效率大于70％。在保证高的衍射效率的同时，还获得了大的带宽。为实际设计声光波导器件提供指导和参考。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

首先，把三维光波导分为两个二维光波导来进行考虑，近似过程是将三维光波导按正交坐标系分解，dx方向即为垂直方向，dy方向即为水平方向，垂直于dx、dy方向为z轴，分为两个二维光波导中的一个是在dx方向、dy方向构成的平面上沿dx方向方向进行分析，另一个二维光波导是在dx方向、dy方向构成的平面上沿dy方向方向进行分析，最终得到三维波导中dy与dx的比值与导模的等效折射率Ni的关系表达式，设n_c是表示包层中的折射率，n_f是表示扩散后波导的折射率；n_s是表示衬底中的折射率；N_I是表示导模的等效折射率，dx是表示在x方向的位移，dy是表示在y方向的位移，则其中b_I表示导模的归一化波导折射率，其表达式为：

其中N_eff是表示波导整体的等效折射率，

由此便可以确定光的单模传输区域，同时考虑到光纤与波导的耦合损耗，需要选择耦合损耗和辐射损耗效应最小的单模区域及光波导参数；

其次，独立地分析锥形波导每个部分的各个模式的幅度以及相位：锥形波导的每小块的输出乘以一定的相位延迟，就等于下一个锥形波导小块的输入，以此类推，得到整个锥形波导的功率损耗，以对不同形状函数的锥形波导进行分析，获得损耗较低的波导结构；

然后，利用声表面波衍射理论模型分析声光波导器件的带宽和衍射效率的关系：设xy平面是衬底表面，而在xy平面上的y＝0的线是换能器的中心轴线，声孔径为2L，也就是叉指换能器的有效指长，x_I为声表面波传播的方向，假定在x＝0也就是孔径线右边的声波，可以用在x_I和x之间所有的不同角度θ上这样的平面波加权求和来表示，根据其加权函数便可以得到声表面波的强度分布关系；在满足布拉格条件下，由表面波强度表达式便可以得到对应3dB带宽的最高端和最低端的布拉格角，根据最高和最低布拉格角关系式，得到相对带宽和相对声孔径的关系式，从而得到布拉格带宽与声孔径的关系；

最后是光纤与波导器件的耦合分析方法：采用两个半高斯函数组合的形式来描述波导模场的垂直方向分布，并最终得到耦合效率的表达式，基于此表达式，得到波导模场的椭圆度和不对称度对光纤与波导耦合的模场失配损耗的影响。