新型行波光调制器——单脊波导的微波电路研究

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前言 光纤通信因其频......



前言
　　光纤通信因其频带宽、容量大；损耗低、中继距离长；抗电磁干扰性及保密性强；易数字化、集成化；价廉灵巧等优点，已成为现代信息社会中通信的主流，由光纤制成的光缆通信取代金属电缆通信将成为必然［1］。为了实现用光作为传输媒体来传递信息，必须设法将信号加载到光波上，而光波导型光外调制方式是目前最有竞争力的的调制方式［2］［3］。现在国内外最常用的是微带型结构光调制器，虽然其技术已日趋完善，带宽可达20G，但仍然有几个问题不能很好地予以解决：首先在微带型光调制器中调制波(微波)对光波的调制电场没能得到充分地利用，其调制效率较低；其次，微带线与外电路的阻抗失配对调制深度有较大的影响［4］［5］［9］，而设计一种新型的脊波导调制器可望解决上述问题。另外，脊波导的研究也集中在缝间距d大于1.0mm方面，小缝间距的研究不曾见诸报道，所以有必要开展这项工作［6］［7］［8］［9］。
1　单脊波导的结构［6］［7］［8］［9］
　　脊波导是矩形波导的一种变形，它是在矩形波导的宽边中心线处向波导内突出一个脊棱，如图1所示。把光波导对称地放置在脊缝中，同时在波导边上开洞通过光纤引进光波；然后脊波导通过过渡段与标准x波段矩形波导联接在微波功率源上，当加入调制信号时，使波导工作在主模TE10模。光波导采用正切x传的LiNbO3晶片制作，TE10模的EY电场分量作用在晶片上引起晶片折射率的改变［3］；经过工作段后，光信号得到了调制。为了抑制其它波的干扰，选定脊波导尺寸为a×b=（13.00mm)×(10.16mm)；又参照晶片的加工工艺，初步设计脊缝间距d=0.50mm,脊宽s=1.00mm。
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2　脊波导中的电场分布
　　对工作主模TE10模，采用施瓦兹变换求出电场分布方程［6］［8］［9］：
　　式中E是关于电场的无量纲的相对电场强度，x是该场点到脊波导中心的距离，若设波导中心处的场强为1，则解上述超越方程得结果如表1及图2、图3所示。　　
表1　脊波导电场分布
D(mm)s(mm)EmaxEmax／E
0.351.000.1241.008.0
0.501.000.1621.006.1
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平均场强　　　　Emax中心处最大场强
　　随脊缝间距d或缝宽s的减小，电场在中心脊缝处集中程度增大；在脊边缘处的场强约为中心处的83%；远离脊缝的区域，电场较小，且变化趋势相同。
对于同尺寸的矩形波导，其场强的最大值为平均值的1.57倍；而脊波导则为8.0(d=
0.35）、6.1(d=0.50)。由此可看出，脊波导在中心脊缝处集中了5～4倍的矩形波导的电场。因此，对于相同外围尺寸的脊波导和矩形波导来说，采用脊波导可提高电场的集中程度；并且可通过改变脊波导的几何参量(如减小d或s)，进一步提高电场的集中程度。所以脊波导充分地利用了电场，使电场调制效率提高。
3　脊波导中的截止波长及频带宽度［8］［9］
　　当矩形波导工作于截止频率这个临界状态时，波导中的TEm0电磁波并不沿纵向传播，只是沿横向传播，经两侧面反射形成谐振而成驻波。即所谓“横向谐振”。根据微波传输线理论可得截止波长λc的超越方程：
　　其中，x=d/b,Cd为脊波导中的不均匀电容。而a、b、s、d为脊波导的几何参量，参见图1。ε为波导中介质的介电常数。解上述两超越方程，结果如图4、图5所示。
　　 对TE10主模，脊波导的截止波长比相同尺寸的矩形波导的要长，而且随脊缝间距d的减小截止波长变得更长。但是对TE20模，脊波导的截止波长变化不大，且随d的变化截止波长变化的不明显。
　　 图6为脊波导主模TE10模与其相邻的高次模TE20模的两截波长之比随脊波导几何参数d、s变化的曲线。对矩形波导此比值为2，但从图6可看出，脊波导的都大于2。
　　 因此，脊波导单模工作带宽比相同尺寸的矩形波导的要宽；若对同一单模工作波长，脊波导的尺寸可以比矩形波导做得小。
4　脊波导的特性阻抗［8］
　　当脊波导工作在单模TE10模时，可按电压、电流定义特性阻抗。脊中心的电压U=E0d，电流为波导底面的纵向电流。忽略高次模影响，由金属波导的边界条件。通过求解麦克斯韦方程，得到场分布，从而得到特性阻抗，结果为：
而Ze,∞为频率f=∞时的特性阻抗；λ为工作波长；λc为截止波长；
对矩形波导，其f=∞时的特性阻抗
　　图7给出Ze,∞与矩形波导Z∞之比随s、d变化曲线。由图可知，脊波的特性阻抗要比同尺寸的矩形波导小，而且随脊缝间距d的减小而减小，由此，采用脊波导可降低特性阻抗，与低阻抗负载易实现匹配
5　脊波导与矩形波导的过渡段设计［8］
　　由于功率源都是标准的波导，以及为保证单模传输，需缩小脊波导的尺寸，因此存在过渡段的问题。采用递变截面的脊或者渐变波导过渡段将有效地解决上述问题。过渡段结构如图8所示。
　　 在整个过渡段中，脊缝s及窄边b保持不变；脊波导的宽边采用线性过渡，其规律为a(z)=a+(a′-a)z/t，式中t为整个过渡段的长度；脊的过渡则采用阶梯过渡。下面来分析计算脊波导过渡段的具体数据。
　　 由于要求波导工作在微波的x波段，因此λmin=25mm、λmax=41mm、λ0=32mm；并且要求驻波比ρ＜1.1。通过计算λ0处矩形波导与脊波导的阻抗比R=7.0及相对带宽Wg=0.57,若选择脊波导节数N=3，则满足ρ＜1.1；进而得出各段的阻抗比Z1=29.93π、Z2=54.28π、Z3=111.18π，每段的长度t′=8.45mm，总长度t=3t′=25.35mm，各段的脊高h1=9.04mm、h2=7.20mm、h3=2.40mm。
6　结果
　　在光调制中，电场强度一般要达到500V/mm，才能提高电场的调制深度，改善调制器性能。表2给出了脊波导各特性参数。从表2可看出，要获得足够高的电场强度，则脊缝间距d应足够小。但是考虑LiNbO3晶片的强度和加工工艺，选择脊缝d=0.50mm，缝宽s=1.00mm是切实可行的。
表2　脊波导特性参数表
表中功率、电压、阻抗关系为Z=U2/(2P)，波导中平均场强=U/d
d(mm)s(mm)λ0(mm)λc(mm)Z(Ω)P(W)(v/mm)Emax/EEmax(v/mm)
0.351.0032.00109.0098.8589.88.0718.4
0.501.0032.0082,38126.9571.26.1434.3


　　 综上所述，该脊波导具有以下几个优点：
　　 1.微波电场得到了充分利用，提高了调制效率；
　　 2.具有更宽的单模工作频带；
　　 3.具有较低的特性阻抗；
　　 4.通过过渡段，易实现与矩形波导的联接及保证单模传输；