Optimizing Design for the Traveling Wave Electrodes in Low-Drive High-Speed Electro-Optic Polymer Modulators

Electro-optic (EO) polymer modulators are very promising in the realization of cost-effective and high-performance optical transmissions. In this article, general strategies and specific designs of the traveling wave electrodes in EO polymer modulators were presented to reduce the modulator drive power while maintaining a broadband response. The optimum device parameters and corresponding conditions were estimated using finite element method based on electrode design. In calculating the results, the comprehensive characteristics of polymer modulator with 1.21 V half-wave voltage and 91 GHz bandwidth was demonstrated with electro-optic interaction length is 20 mm, electro-optic coefficient is 55 pm/V, and operation wavelength is 1.319 μm. These results agree with the 0.8 V half-wave voltage and 30 mm electro-optic interaction length reported in Science. In the five designs presented, a hybrid electrode structure combining CPW and microstrip lines were advanced. The characteristics of this structure are like that of microstrip lines with a single-arm electrode on one arm of the waveguide, but it solves the problem of microstrip to coaxial line transition and corona polarization.     

M-Z型极化DANS聚合物电光波导强度调制器研究

研究了Mach-Zehnder型极化聚合物电光波导强度调制器的制备工艺.器件采用DANS (4-dimethylamino-4′nitro-stlibene)聚合物为电光波导材料,由电光波导层、上下介质缓冲层、上下金属电极层构成五层波导结构.对五层光波导各层之间的光学、化学以及微加工工艺的相互兼容性进行了深入研究.采用紫外光漂白方法制备出侧壁光滑的条波导,采用钨丝电晕极化方法对DANS聚合物波导进行有效极化,使其具有电光特性.通过优化器件制备工艺,研制出工作波长为1300 nm的M-Z型电光波导强度调制器原型器件.实验测得器件半波电压约为10 V,调制带宽约为1 GHz.     

Hybrid Electrodes Used in Polymer Electro-Optic Modulator with Ultra-Broadband

Hybrid electrode combined coplanar waveguide (CPW) and microstrip lines in ultra-broadband electro-optic modulators. The characteristics of the modulators with hybrid electrode is like that of the modulator with the microstrip lines, in which the microstrip electrode is loaded above only one arm of Mach-Zehnder (M-Z) optical waveguide, besides the problem of microstrip line to coaxial transition and corona polarization in polymer modulators have been best solved at the same time. By using finite element method (FEM), the characteristic parameters such as half-wave voltage, modulation bandwidth characteristic impedance, effective microwave refractive index of polymer modulators with microstrip line and hybrid electrode are analysed and compared in this paper. The results present that velocity match, impendence match and lower microwave propagating loss is easily realized in modulators with hybrid electrode.     

电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接.锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构.宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换.劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作.研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率.结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37 dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62 dB,对插入损耗的改善达到8.78 dB,模场转换效率达到了83.7%.     

行波电光相位调制器输出响应的定量分析

从标量波动方程出发,采用傅里叶变换的方法,导出了行波电光相位调制器的时间域输出响应的计算公式。以高斯脉冲调制信号为例,定量计算并讨论了速度不匹配和微波衰减对输出相位调制信号的脉冲形状,峰值,半值宽的影响,所得到的结果,对行波电光调制器的实验研究有很好的参考价值,所给出的公式和方法适用于行波电光调制器的时间域定量分析。     

GaAs／GaAlAs定向耦合器型行波调制器：1.设计

从理论上重点分析和研究了器件行波电极的微波特性，在半绝缘ＧａＡｓ衬底上设计了具有ｎ＾＋重掺杂外延层和共平面电极的ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ定向耦合器型行波调制器，针对实验中发现的行波电极上微波的高传输损耗问题。分析了起因并提出了器件的改进设计方案，从而设计出可达到３５ＧＨｚ带宽的高速调制效应的光波导调制器。     

包层调制的聚合物电光调制器及其理论分析

器件损耗偏高是当前聚合物电光调制器的研究中需要解决的问题之一。在调制器的插损之中,波导传播损耗(包括吸收和散射损耗)的贡献举足轻重。特别是在追求高电光系数的材料同时,传播损耗也将会不可避免地增加。如何改善器件的损耗是聚合物调制器实用化的一个重要课题。为此提出了一种在波导包层中调制光波的设想。理论分析表明,这种方法能够大幅度降低波导传播性能,因而有助于改善器件损耗。由于包层中光波强度比芯层中要弱,因此在包层中调制光波会引起场—模交叠因子的弱化,但是优化计算发现,通过调节波导的尺寸尤其是芯层厚度可以控制交叠因子使其弱化程度降低到最小,在最优的情况下,场一模交叠因子可达0．89。随着波导传播损耗的降低,器件调制区的长度可以做得更长,有助于进一步降低器件的半波电压。     

InP基矩形马赫-曾德高速电光调制器行波电极设计与测试

提出了一种由新型沟槽耦合器和90°弯曲波导构成的InGaAsP/InP基矩形马赫-曾德电光调制器,对该调制器的L型波导相移臂设计了T型类微带行波电极.首先利用电极的等效电路估算带宽上限,进而在考虑阻抗匹配、回波损耗以及带宽等性能的基础上,使用有限元方法对电极的传输、输入/输出以及过渡区的结构参量进行优化.仿真结果表明由于受到电极输入及过渡区的性能限制,设计的整体行波电极匹配阻抗大于42Ω,回波损耗小于-15dB,带宽可达65GHz.测试制备的Ti/Au行波电极,得到回波损耗为-12dB和带宽为20GHz的最优性能.     

超宽带聚合物调制器的优化设计

设计了一种以聚合物作为材料的低损耗、宽带宽的Mach—Zehnder光波导调制器。分析了调制器的脊波导的模式特性,设计了脊波导的结构,并使用BPM软件模拟了脊形波导的光场分布;通过对光场分布的分析,优化了脊形波导的宽度Wg,脊高6,芯层高度H。同时对聚合物调制器的电极进行了优化,包括电极宽度W和电极间距D,使得调制器有较小的导体损耗以及较好的阻抗匹配。并结合了脊波导的结构参数和电极的优化参数,给出了优化结果,它能够使微波的有效折射率与光波的有效折射率达到匹配,从而使带宽达到177GHz,导体损耗为0．2569dB／cm·GHz1／2。     

求解洞穴散射问题的带有吸收边界层的有限元方法

给出二维洞穴散射问题的带有吸收边界层的有限元方法.通过吸收边界层将无界域问题截断,得到一个有界域问题,求解此有界域问题来代替原问题.进一步分析收敛性并进行数值模拟.结果表明了此方法的有效性.     

电光聚合物在全光技术实现THz波产生与检测中的研究进展

研究和开发基于超短波和低能量激光系统的高振幅、宽频带的太赫兹系统一直是太赫兹应用领域的一个热点。与传统电光晶体材料相比,以电光聚合物薄膜作为太赫兹波产生和检测的最大的优势在于： 一方面电光聚合物不具有晶格结构相应的不存在声子的吸收和太赫兹折射率的散射问题,避免光谱间隙的产生;另一方面电光聚合物薄膜与已用于宽频太赫兹系统中的超薄电光晶体材料相比,更易于加工和处理。另外,可以自行设计得到低相位失配和高电光系数的电光聚合物材料,得到高效率和宽频带的太赫兹辐射源。可以预见,电光聚合物在这一领域的应用必将有宽阔的发展空间和学术研究意义。介绍电光聚合物的电光效应及二阶非线性生色团合成等相关理论问题基础上,综述了近二十多年来,电光聚合物在基于全光技术实现太赫兹波产生与检测系统中的研究进展,主要包括: 掺钛蓝宝石飞秒激光激发下,共聚型和主客体型电光聚合物实现太赫兹波产生与检测;光纤飞秒激光激发下,主客体型电光聚合物实现太赫兹波的产生与检测。     

耦合FE/WB法在声分析中的应用

简要描叙FE法(finite element method)和WB法(wave based method)的理论背景以及耦合FE/WB法的数学基础.耦合FE/WB法利用两者的优势——FE法的广泛应用和WB法的高收敛特性,将FE模型中较大且几何简单的部分采用WB法代替.耦合模型具有相对较少的自由度.对于较高的频率还可以进行细分得到更高的计算精度,并利用模态缩减法进一步减少自由度数.数值算例结果表明,该耦合方法有潜力覆盖中频段的声分析.     

Finite Element Analysis of the Field Patterns in Elliptical Waveguide

In this paper, finite element method is first used to discuss the field patterns in a hollow perfectly conducting pipe with elliptical cross section. The electrical field lines of the dominant TE mode as well as the magnetic field lines of the lowest TM mode are presented. The results are the same with literatures, and also give a correction to the field pattern of the lowest TM mode in elliptical waveguide.     

单偏振单模微结构聚合物光纤理论设计

采用全矢量有限元法并结合完美匹配边界条件,得到了一种新型结构的单偏振单模微结构光纤,以聚合物聚甲基丙烯酸甲酯为基材,对其偏振模场、快轴模和慢轴模截至波长和约束损耗进行了研究.结果发现,通过改变光纤结构参量,可以使光纤基模两个正交偏振态截止波长不同,光纤中只能传输基模的一个偏振态（慢轴模）.若调整光纤单偏振单模工作区在聚合物光纤通信窗口650 nm附近,该光纤传输慢轴模的约束损耗低于0.05 dB/m.     

热可调液晶填充微结构聚合物光纤设计及特性分析

通过在微结构聚合物光纤(mPOF)的包层空气孔中填充液晶材料获得了高度热可调的带隙型mPOF. 带隙随温度的增加发生显著的蓝移, 带隙上边界的温度灵敏度可达-5.5 nm/℃. 采用全矢量有限元方法对模场特性以及基模有效模场面积的分析结果表明, 该填充液晶的mPOF在带隙的中心波长附近具有大的有效模场面积, 和相同结构未填充液晶的mPOF连接时具有较高的功率耦合效率. 研究结论为mPOF在温度传感领域的应用及各种可调光纤器件的制备提供了理论参考.     

新型光学聚合物——Topas环烯烃共聚物微结构光纤的设计及特性分析

以新型光学聚合物Topas 环烯烃共聚物（折射率为1.53）为基质,设计了四种微结构聚合物光纤.应用有限元方法对各种光纤在波长0.5—2.0 μm范围内的基模有效折射率、模场面积和数值孔径进行了计算.研究了结构参数对模场分布、单模特性和色散特性的影响.得出了具有极大/小模场面积、无限单模传输和平坦近零色散的光纤结构参数.与石英、聚甲基丙烯酸甲酯基质的微结构光纤相比,该光纤具有更大的数值孔径和较宽的平坦近零色散范围.为光纤的制备提供了理论指导. 关键词： 微结构聚合物光纤 有限元方法 传输特性 Topas 环烯烃共聚物     

有机聚合物非对称脊波导单模条件分析

以有机聚合物非对称脊波导为研究对象,采用半矢量有限差分光束传输法(FD-BPM),系统地分析了不同脊高、脊宽和芯层平板短侧宽度条件下非对称脊形波导的基模截止和单模条件。得出:在芯层高度一定的情况下,基模截止区域和单模区域均随脊高或脊宽的缩小而增大,单模区域随脊形波导芯层平板短侧宽度s的减小而减小;其尺寸以选择芯层厚度h≥1.5μm,脊高(H-h)≤0.4μm,脊宽4μm≤w≤8μm,芯层平板短侧宽度s=2μm较佳。研究表明,非对称脊波导单模条件区域仍能满足实际应用要求。     

背部支撑主反射镜的面形分析与支撑点优化

应用有限元方法对背部支撑的主反射镜进行静力学分析.分别对三点支撑和九点支撑进行计算,得到主镜反射面的变形值.以齐次坐标变换法和最小二乘法为理论依据求解反射面变形的PV/RMS值.利用有限元分析软件提供的二次开发功能,编写计算程序,在软件内部调用该程序直接获得PV/RMS值,利用该值作为优化分析的目标函数,寻求背部支撑的最佳支撑点位置.     

背部支撑主反射镜的面形分析与支撑点优化

应用有限元方法对背部支撑的主反射镜进行静力学分析.分别对三点支撑和九点支撑进行计算,得到主镜反射面的变形值.以齐次坐标变换法和最小二乘法为理论依据求解反射面变形的PV/RMS值.利用有限元分析软件提供的二次开发功能,编写计算程序,在软件内部调用该程序直接获得PV/RMS值,利用该值作为优化分析的目标函数,寻求背部支撑的最佳支撑点位置.     

强流四杆型RFQ加速腔水冷系统的设计和数值模拟

为了研制一个强中子发生器，北京大学重离子物理研究所设计了一台高负载因子、高流强的RFQ加速器. 本文讨论了RFQ加速腔水冷系统的设计，使用有限元软件ANSYS对水冷系统进行了分析. 使用MAFIA模拟计算得到的功率密度，并将其作为ANSYS水冷模型的边界条件. 因为MAFIA程序和ANSYS程序分网方法的不同，使用一个程序来将MAFIA的结果导入到ANSYS模型中，从而建立起了RFQ加速腔的热分析模型. 通过这个热分析模型分析并检验了水冷系统的设计，确定了水冷系统的结构. 模拟计算结果表明：使用目前设计的这套水冷系统，能够使RFQ加速器工作在适宜的温度下以及长时间稳定的运行.