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基于铌酸锂薄膜的可重构电光开关性能研究

基于铌酸锂薄膜的可重构电光开关性能研究

作者：何翔桂林电子科技大学

学位级别：硕士

硅基光电子技术既具有尺寸小、耗电少、成本低、集成度高等特点,也具有大带宽、高速率、高密度等优点,是当前重要的战略性前沿技术。光开关作为硅基光电集成芯片的核心器件之一,具有一个或多个可选的传输端口,能够实现光传输线路或集成... 详细信息

硅基光电子技术既具有尺寸小、耗电少、成本低、集成度高等特点,也具有大带宽、高速率、高密度等优点,是当前重要的战略性前沿技术。光开关作为硅基光电集成芯片的核心器件之一,具有一个或多个可选的传输端口,能够实现光传输线路或集成光路中的光信号的物理切换或逻辑操作,是高速率数据传输与交换的基础单元。随着硅基光电集成芯片通信速率的需求逐渐增加,迫切需要具有快速响应、低损耗、高可靠性的光开关及光开关网络,以实现硅基光电集成芯片的高速率数据传输。因此,高性能光开关及光开关网络的设计与研究具有重要的意义。为实现低损耗、高速率的光开关设计,本文基于铌酸锂薄膜材料,对可通过电压控制使输出信号的功率进行重新配置,即可重构功能的电光开关展开研究。采用光束传播法对一种2×2与一种2×4的可重构电光开关器件进行结构设计与传输性能分析。主要研究内容和研究成果如下:1.基于铌酸锂薄膜的2×2电光开关的结构设计与传输特性研究。提出一种基于铌酸锂薄膜的2×2电光开关结构。首先,结合材料的特性,在RSoft中建立2×2电光开关的结构模型。然后,利用光束传播法分析器件长度、波导间距、电极间距对该电光开关输出功率的影响。然后,通过结构参数扫描得到最优器件尺寸并计算该器件的耦合效率、隔离度与插入损耗等性能指标。最后通过拟合曲线得出施加电压与端口的归一化输出功率的关系。结果表明,该2×2电光开关器件实现光路选择功能时,耦合效率高于0.99,插入损耗低于0.022d B,隔离度高于24d B,拟合曲线的最大误差为0.02,所需要的最大控制电压为18V,该器件可用于级联光网络系统。2.基于铌酸锂薄膜的可重构2×4电光开关的结构设计与传输特性研究。针对高性能的光开关的需求,提出一种可重构的2×4电光开关结构。首先,通过RSoft对2×4电光开关结构进行搭建。然后,利用光束传播法分析S弯曲的长度、S弯曲宽度、定向耦合器长度、施加电压对该电光开关输出功率的影响。然后,针对TE偏振下的光信号,计算了该器件的工作带宽、耦合效率、隔离度和插入损耗等性能指标。最后,根据输出的不同状态分析电极的控制方式,以实现可重构的功能。结果表明,当弯曲的宽度为15μm,弯曲的长度为140μm时,S弯曲的损耗相对较低。该器件对工作波长的依赖度较高,仅在1449～1551nm波长范围内的性能较优。该2×4电光开关器件在实现光路选择过程中,其耦合效率高于0.92,插入损耗低于0.3d B,该器件可调节不同电极组的施加电压,使光信号从四个端口中的任意一个端口输出指定的功率值,且4个输出端口的输出功率可通过调节施加电压的大小实现任意比例的输出,实现可重构功能时该器件所需的最大控制电压为25V。

关键词：铌酸锂薄膜电光开关可重构损耗分析

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基于序参数与取向涨落的液晶电光开关

光学学报 2022年第21期42卷 192-197页

作者：孙路瑶王鑫垚陈佳浩李超逸马玲玲李炳祥陆延青南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院江苏南京210023 南京大学现代工程与应用科学学院江苏南京210023

向列相液晶因其独特的光学和电学各向异性,广泛应用于光电显示等领域。光通信技术的持续发展,需要液晶材料具有更快的电光响应。通过对6种负性向列相液晶施加垂直于分子平均取向的电场,结合特殊入射方式,系统地研究了电场对液晶取向涨... 详细信息

向列相液晶因其独特的光学和电学各向异性,广泛应用于光电显示等领域。光通信技术的持续发展,需要液晶材料具有更快的电光响应。通过对6种负性向列相液晶施加垂直于分子平均取向的电场,结合特殊入射方式,系统地研究了电场对液晶取向涨落和单轴序参数的调控。实验结果表明:电光响应的开关时间均小于350 ns;液晶的介电各向异性越大,场致双折射率变化越大,其最大值与所施加的电场大小和向列相液晶的介电各向异性均呈线性关系。

关键词：光学器件向列相液晶介电各向异性双折射率序参数取向涨落电光开关

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新颖的PPLN电光开关

物理学报 2002年第9期51卷 2018-2021页

作者：李世忱薛挺于建天津大学精密仪器与光电子工程学院

在分析基于级联二阶非线性效应的准相位匹配周期极化铌酸锂 (PPLN)波导全光波长变换器的有关参量容限的基础上 ,提出PPLN波长变换器的电光调控设想 ,并给予简要论证 ,论证结果是可行的 ,从而可实施电控调谐来自动补偿其失配。

关键词： PPLN 电光开关准相位匹配周期极化铌酸锂波长变换电光效应调控波长变换器

等离子体电极普克尔盒电光开关单脉冲过程数值模拟

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物理学报 2006年第7期55卷 3519-3523页

作者：郭文琼周晓军张雄军隋展吴登生电子科技大学光电信息学院中国工程物理研究院激光聚变中心绵阳621900 中国工程物理研究院激光聚变中心

采用流体模型对等离子体电极普克尔盒(PEPC)电光开关单脉冲过程进行了数值模拟分析.模型包括带电粒子连续性方程、动量守恒方程、电子平均能量方程及空间电位泊松方程.分别采用隐式指数差分格式,超松弛迭代法(SOR)和经典四阶龙格-库塔法... 详细信息

采用流体模型对等离子体电极普克尔盒(PEPC)电光开关单脉冲过程进行了数值模拟分析.模型包括带电粒子连续性方程、动量守恒方程、电子平均能量方程及空间电位泊松方程.分别采用隐式指数差分格式,超松弛迭代法(SOR)和经典四阶龙格-库塔法(R-K)对带电粒子连续性方程,泊松方程和电子平均能量方程进行数值求解.模拟分析了PEPC单脉冲过程中的带电粒子浓度、电子温度、空间电场、PEPC的放电电流、晶体两侧电压和开关效率的时间演化特性.模型得出了PEPC中气体放电等离子体的微观物理过程与PEPC宏观参量的关系,对设计性能优良的大口径电光开关是非常有意义的.

关键词：等离子体电极普克尔盒电光开关数值模拟气体放电

单脉冲电光开关击穿时间延迟及抖动的减小方法

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强激光与粒子束 2008年第7期20卷 1097-1099页

作者：杨健君周晓军郭文琼张雄军隋展吴登生电子科技大学光电信息学院成都610054 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

减小单脉冲等离子体电极普克尔盒电光开关击穿时间延迟与抖动问题是提高大口径电光开关性能的关键。利用紫外线照射在阴极上的外光电效应,使阴极产生次级电子发射,形成稳定的初始电子流,在高压脉冲作用下普克尔盒内的初始电子产生快速... 详细信息

减小单脉冲等离子体电极普克尔盒电光开关击穿时间延迟与抖动问题是提高大口径电光开关性能的关键。利用紫外线照射在阴极上的外光电效应,使阴极产生次级电子发射,形成稳定的初始电子流,在高压脉冲作用下普克尔盒内的初始电子产生快速繁流放电,使盒内氦气击穿。实验证明该方法可以减小开关的击穿时间延迟及抖动,使击穿时间延迟平均下降了36%,平均抖动时间下降88%。

关键词：等离子体电极普克尔盒电光开关击穿时间延迟时间抖动

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薄膜电极重频电光开关的热管理

红外与激光工程 2016年第9期45卷 235-241页

作者：庄令平张雄军张君郑建刚龙蛟田晓琳郑奎兴朱启华中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900 中国工程物理研究院研究生部北京100088

透明导电薄膜作电极的普克尔盒电光开关是新一代重频激光驱动系统的理想单元。高重频会在电光晶体内产生热沉积,引起弹光效应,热光效应和晶体形变,使透射光束的波前产生畸变。针对能量千焦耳级,重复频率16 Hz率的激光系统,对薄膜电极普... 详细信息

透明导电薄膜作电极的普克尔盒电光开关是新一代重频激光驱动系统的理想单元。高重频会在电光晶体内产生热沉积,引起弹光效应,热光效应和晶体形变,使透射光束的波前产生畸变。针对能量千焦耳级,重复频率16 Hz率的激光系统,对薄膜电极普克尔盒采用液冷技术进行热管理;建立普克尔盒的热分析模型,利用有限元算法,分别研究晶体厚度和换热系数对波前畸变的影响,得到晶体厚度的最优值。并模拟了开关晶体上的温度分布、应力分布和机械形变,分析热光效应、机械形变和弹光效应对光束波前和退偏损耗的影响,结合波前畸变和退偏损耗的要求得到优化的参数。

关键词：电光开关热管理透明导电薄膜高平均功率波前畸变退偏损耗

晶体的连续双折射双反射及其集成应用:1×N电光开关

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光学学报 2004年第2期24卷 152-157页

作者：任海霞刘立人宋哲栾竹中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800

根据惠更斯定理 ,给出了单轴晶体内双折射与全内双反射的光线方向和光波法线方向的普遍公式。并讨论了在晶体内沿多个面的连续双折射双反射 ,分析了前一界面输出量和后一界面输入量之间的联系 ,得到多次双折射双反射后的光线方向和光波... 详细信息

根据惠更斯定理 ,给出了单轴晶体内双折射与全内双反射的光线方向和光波法线方向的普遍公式。并讨论了在晶体内沿多个面的连续双折射双反射 ,分析了前一界面输出量和后一界面输入量之间的联系 ,得到多次双折射双反射后的光线方向和光波法线方向。在此基础上 ,提出一种单块晶体集成的 1×N电光开关 ,即把多个电光调制器安置在全反射面之间。由于双折射效应 ,寻常光和非常光有不同的全内反射 ;给不同的电极对上加上半波电压改变输入光的偏振状态 ,再使光通过不同数目的反射面反射 ,最后输出光就有不同的角度。具有结构简单、插入损耗小、抗干扰性强等优点。给出了 1× 4光开关的实例。

关键词：晶体光学双折射晶体双反射晶体电光开关惠更斯定理电光调制插入损耗

基于电光开关的增益控制法准分子激光ASE抑制技术研究

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中国激光 2014年第4期41卷 6-11,19页

作者：胡云赵学庆朱永祥王大辉张永生西北核技术研究所激光与物质相互作用国家重点实验室陕西西安710024

在高功率准分子激光系统中,由于介质的高增益和非存储特性,自发辐射放大(ASE)成为影响系统输出对比度的关键因素。在角多路主振荡功率放大器(MOPA)激光放大链中,为抑制ASE,采用了电光开关和增益控制相结合的方式,在第一放大级后置入了... 详细信息

在高功率准分子激光系统中,由于介质的高增益和非存储特性,自发辐射放大(ASE)成为影响系统输出对比度的关键因素。在角多路主振荡功率放大器(MOPA)激光放大链中,为抑制ASE,采用了电光开关和增益控制相结合的方式,在第一放大级后置入了电光削波开关,并利用检偏器另一偏振分量作为控制光束,对下一放大级进行增益控制。构建了光路,进行了原理性实验研究,并在第二预放大级中获得了40300…1的信号对比度。采用该方法的优点是在主光路中引起的能量损耗小,且降低了对破坏阈值的要求。电光开关和增益控制相结合共同实现了前两级预放大器的ASE抑制。

关键词：高功率激光准分子自发辐射放大电光开关增益控制

低串扰聚合物交叉耦合串联五环谐振电光开关(英文)

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光子学报 2014年第3期43卷 25-31页

作者：郑传涛罗倩倩孙长轮杜巧玲张大明王一丁吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区长春130012 吉林大学物理学院长春130012

利用两组串联五环谐振器以及它们与两信道波导的交叉耦合作用,优化设计并模拟了一种超低串扰2×2新型聚合物电光开关.为了表征器件的输出光功率特性,给出了器件结构、分析理论和相关公式.为了在下行端口(drop端口)得到箱型光谱响应以及... 详细信息

利用两组串联五环谐振器以及它们与两信道波导的交叉耦合作用,优化设计并模拟了一种超低串扰2×2新型聚合物电光开关.为了表征器件的输出光功率特性,给出了器件结构、分析理论和相关公式.为了在下行端口(drop端口)得到箱型光谱响应以及极低的串扰和插入损耗,优化了微环谐振级数和耦合间距.对器件输出光功率和输出光谱的模拟分析结果显示,器件交叉和直通态间的切换电压为4V,交叉和直通态下两端口间的串扰分别为-66dB和-54.7dB,插入损耗分别为2.34dB和0.24dB.在1GHz方波信号作用下,器件drop端口的上升和下降时间分别为15ps和90ps.由于聚合物微环的弯曲半径仅为19.45μm,因此该器件具有超紧凑的尺寸,其长度和宽度仅为0.407mm,约为马赫-曾德尔干涉仪或者定向耦合器等一般结构聚合物电光开关长度的1/10.依赖于小的封装尺寸和极低的串扰,该器件可以高密度地集成在光电子芯片上,在光片上网络中光信号的控制方面具有潜在的应用.

关键词：集成光电子光波导器件电光开关微环谐振器聚合物