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随集成光学技术的日渐成熟及在通讯领域的成熟应用,科学家们也积极地将集成光学技术应用于传感领域。尤其是近些年,欧洲科学家开始将基于钛扩散铌酸锂(Ti∶LiNbO3)波导的电光调制器应用于干涉光谱测量中,这是Ti∶LiNbO3波导电光调制器的一种崭新应用,它利用晶体波导电光调制效应来改变波导折射率,使干涉计两臂相干光束的光程差和相位差连续变化,使用光电探测器同步记录下干涉输出光强变化,然后对干涉输出进行傅里叶变换而得到光谱信息。其一般应用探测光谱区间是在波导的单模传输区间。实际上,多模传输时,在一定条件下(模式间的干涉光程差较大,在输出点的模间干涉较小),仍然可以用于干涉光谱分辩。本文以一Ti∶LiNbO3波导电光调制Mach-Zehnder干涉计为例,研究了电光调制系数的模式色散特性,对多模传输情况下的谱分析进行了探讨,并以实验验证了分析结果。
本文研究的Ti∶LiNbO3波导电光调制器,是利用LiNbO3晶体沿z轴的横向电光效应,在x切割y向传播的Ti∶LiNbO3波导电光调制Mach-Zehnder干涉计上实现的。本文将集成光学与干涉光谱学技术相结合,研究了Ti扩散LiNbO3波导、光波导模式与色散、复杂结构电极的电场、电光调制系数色散、干涉谱,进行了实验验证及性能分析,在以上研究基础上进行了调制器芯片组参数设计。
研究了现有调制器芯片的波导及结构参数,通过大量模拟计算,研究了此波导从近红外至可见光区的一系列波长的各阶导模,导模有效折射率,各阶导模的外形尺寸等;研究了波导介质中的调制电场分布、多层介质中的调制电场、缓冲层厚度对电场的影响等,给出了此芯片的调制电场分布情况;研究了电光调制系数的模式色散、波长色散、及光场与电场交叠位置变化对系数的影响,给出了此芯片在多波长多模式情况下的电光调制系数;用模式匹配法研究了多模波导中导模幅值随输入激励耦合位置变化的关系,给出了此芯片在基模高斯光束激励下的各波长各模式系数,找出了合适的耦合激励位置。
对此调制器芯片进行了大量的实验,结合以上研究结果,找出了干涉数据的反演谱与电光调制系数模式色散的对应关系,提出了多模波导电光调制器件(模式间光程差较大)的干涉输出的近似表达式,分析了多模波导用于光谱分辩的可行性,希望有益于拓展此类干涉光谱分辩的光谱识辨带宽和应用范围。并实验分析了。光模式对反演谱的影响。
分析了此类集成光学干涉光谱分辩的性能特点,研究了影响其性能的诸多因素:光程差、分辨率、色散导致的谱线偏离、测量光谱范围,对此类MZI光谱分辩与Michelson干涉型进行了比较,分析了此类光谱分辩的优越性。
对现有调制器芯片的性能进行了分析,给出了它在现有调制电压范围内对不同波长的光程差、分辨率等数据。
最终,使用本文研究方法,通过模拟各种参数,设计了适于探测光谱范围(2μm～0.4μm),对称推挽平面电极结构的Ti∶LiNbO3波导MZI调制器芯片组,给出了芯片组的波导参数、结构参数、电光调制系数,并给出了预计的光程差和光谱分辨率,为继续从事集成光学干涉光谱分辩提供参考。