【正文】 訊系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件一 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。其主要用途有 : （ l） 光存儲(chǔ) :通過倍頻轉(zhuǎn)換得到的短波長(zhǎng)光源 ， 可以用于高密度的光存儲(chǔ) ， 是藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器的有力競(jìng)爭(zhēng)者。 PPLN 晶體的應(yīng)用 周期性極化 LiNbO3 （ PPLN） 材料是技術(shù)含量很高的非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換晶體。對(duì)于周期性極化鈮酸鋰晶體來說 ， 由于晶體的周期性疇結(jié)構(gòu) ， 負(fù)疇與正疇的光軸偏轉(zhuǎn)角雖然大小相同 ， 但方向相反 ， 如圖上所示。目前采用上述方法不僅成功制備了極化厚度達(dá) 、通光長(zhǎng)度超過 50mm的均勻周期疇結(jié)構(gòu)的 LiNbO3 晶體。所用外電場(chǎng)為脈沖高壓電場(chǎng) ， 對(duì) LiNbO3 晶體 ， 脈沖電壓要大于 23kV/InIn， 脈沖周期長(zhǎng)短與次數(shù)依具體實(shí)驗(yàn)條件而定。外加電場(chǎng)通過液體電極加在 LiNbO3 晶體的金屬電極上 ， 也可以將外加電場(chǎng)直接加在 LiNbO3 晶體的金屬電極上 ， 所有這些都要保證外電場(chǎng)和金屬電極有良好歐姆接觸。 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 首先在雙面拋光 LiNbO3 晶體 Z軸表面鍍一層金屬導(dǎo)電膜 ， 通常使用 Ti、 A1和 Cr等金屬 ， 膜厚保持在 300nm~ 100 左右。為此 ， 科學(xué)家進(jìn)行了不懈的努力 ， 直到九十年代后 ， 利用外加周期電場(chǎng)調(diào)制非線性極化率技術(shù)的日趨成熟 ，周期極化材料的制備才取得突破進(jìn)展。 在周期性電場(chǎng)極化的鈮酸鋰晶體中，除了非線性系數(shù)以外，其他如電光系數(shù)，彈光系數(shù)等也同樣會(huì)由于晶體鐵電疇的周期性反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)得到周期性的調(diào)制 。然后施加與晶體自發(fā)極化方向相反方向的外加電場(chǎng) ， 當(dāng)外加電場(chǎng)超過晶體的矯頑場(chǎng)時(shí) ， 其自發(fā)極化方向便發(fā)生反轉(zhuǎn)。 實(shí)驗(yàn)證明外加電場(chǎng)法是制備周期極化鈮酸鋰最為有效的方法 ， 它可以實(shí)現(xiàn)精確的周期結(jié)構(gòu)和完全貫穿的垂直電疇壁。 在鐵電體內(nèi)形成周期性電疇結(jié)構(gòu)是目前為止實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配最有效的途徑 ， 它通過周期性的反轉(zhuǎn)鐵電晶體的晶向 ， 使得有效非線性系數(shù)在 effeff dd ?? 和 之間交替變化 ， 從而實(shí)現(xiàn)非線性系數(shù)的空間周期調(diào)制。但是外加電場(chǎng)的作用能使自發(fā)極化方向反轉(zhuǎn) ， 即電疇反轉(zhuǎn)。 周期性極化 LiNbO3晶體（ PPLN）的制備 鐵電體具有自發(fā)極化特性（ spontaneous electric polarization） ， 其電極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系上呈現(xiàn)電滯回線。 （ 3） 易于生長(zhǎng)大尺寸晶體，容易加工，成本低。其具有以下的特點(diǎn)： （ 1） 優(yōu)良的電光，雙折射，非線性光學(xué)，聲光，光折變，壓電，熱釋 電，鐵電與光生伏打效應(yīng)等物理特性。 LiNbO3單晶的介電系數(shù)隨溫度 T 升高而增大，在 mm ?? 5~ 波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可連續(xù)通光。在此溫度以上晶體屬三方晶系 m_3 點(diǎn)群，為順電相；在居里溫度 Tc 以下，晶體屬三方晶系 3m 點(diǎn)群（可用六方晶系來表示），為鐵電相。 在 C?4 ， LiNbO3 晶體密度為 34644kg/m 。 LiNbO3晶體基本性質(zhì) LiNbO3 晶體是一種無色或淡黃色的透明晶體，其莫氏硬度為 5，和軟玻璃相似，它的努氏顯微硬度值為 600，在（ 001）方向硬度值大約高 25%?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn) ， 溫度升高 ， 鈮氧八面體的傾斜度增大 ， 其原因是六方晶格參數(shù) a的熱膨脹幾乎是線性的。通過比較已知化學(xué)計(jì)量樣品的居里溫度與待測(cè)鈮酸鋰樣品的居里溫度 ， 能夠極好地確定樣品的化學(xué)組成。鈮酸鋰的晶格參數(shù)與精確化學(xué)組成的依賴關(guān)系是于 1968年建立起來的。當(dāng)晶體冷卻時(shí)，離子的熱能降低，彈力把 Li、 Nb離子推得遠(yuǎn)離氧八面體中心及鄰近的氧平面，增強(qiáng)了晶體的自發(fā)極化，使晶體 +c面呈正電性。兩種方法可從Li、 Nb離子與氧八面體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理解。對(duì)于慣例的 LiNbO3的六方晶胞， c軸被定義為晶體的三重旋轉(zhuǎn)軸。這兩個(gè)對(duì)稱操作 LiNbO3晶體歸類為 3m點(diǎn)群（ C6v），它也屬于空間群。此外，它還有一個(gè)對(duì)稱面，三個(gè)成 60176。下面只介紹與極化有關(guān)的鐵電相。鐵電相時(shí)， Nb和 Li都沿 +c軸移 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 動(dòng)。該結(jié)構(gòu)也可以看成由垂直于極軸且相互等距的氧平面組成。在鐵電相， Li和 Nb都沿 c軸發(fā)生位移，前者離開了氧八面體的公共面，后者離開了氧八面體的中心。許多堆垛再以八面體共棱的形式連接起來形成晶體。鈮酸鋰是目前以知的居里點(diǎn)最高（ 1210C ） ，自發(fā)極化最大（室溫時(shí)約 /Cm ）的鐵電體，順電相和鐵電相的空間群分別為 R3 R3CC? 和 [4]，其結(jié)構(gòu)如圖（ ）所示。利用 matlab 進(jìn)行線性仿真，研究溫度，波長(zhǎng)，外加電場(chǎng)強(qiáng)度和晶體占空比變化時(shí)對(duì)于電光效應(yīng)中的轉(zhuǎn)換效率的影響。 我們由線性電光效應(yīng)耦合波理論入手，在選定波長(zhǎng)和溫度的條件下，通過設(shè)定 PPLN晶體 倒格矢（即極化周期）參數(shù)來彌補(bǔ)雙折射情況下產(chǎn)生的 o光和 e 光的相位失配量，從而達(dá)到相位匹配進(jìn)行電光調(diào)制。 She等人提出的線性電光效應(yīng)的耦合波理論從麥克斯韋方程組出發(fā)，給出了偏振態(tài)不受限的光波在任意方向的外加電場(chǎng)作用下，在任意點(diǎn)群的電光晶體中沿任意方向傳播時(shí)出射光 光強(qiáng)的表達(dá)式。 本論文的主要工作及其意義 線性電光效應(yīng)是電光調(diào)制器的物理基礎(chǔ)。我們可以用這套 理論來研究電光調(diào)制器的溫度特性 ， 以及進(jìn)行包括降低半波電壓、提高消光比、提高調(diào)制度等的調(diào)制器優(yōu)化。而 She等人所提出的線性電光效應(yīng)的耦合波理論就可以很好地滿足以上的要求 ， 該理論從麥克斯韋方程出發(fā) ， 考慮到介質(zhì)的二階非線性光學(xué)效應(yīng) ， 建立了線性電光效應(yīng)的耦合波理論 ， 給出了耦合波方程組及其普遍解。雖然這套理論在研究電光效應(yīng)上有著非常大的進(jìn)步 ， 但是它無法給出這兩個(gè)偏振模式在出射面的場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式 ， 而且在使用上也受到電磁場(chǎng)波長(zhǎng)的限定 ， 所以不能徹底克服折射率橢球理論的局限性。該理論從電磁場(chǎng)的波動(dòng)方程出發(fā) ， 把晶體 （ 包括各向同性的晶體、單軸晶體和雙軸晶體中的電光效應(yīng)當(dāng)成微擾來處理 ， 得出了對(duì)應(yīng)的微擾情況下的本征方程。 平面波本征方程的微擾理論：優(yōu)于以上介紹的兩種理論 ， 平面波本征方程的微擾理論可以給出任意傳播方向上的兩偏振模式的折射率的改變量。將電場(chǎng)所感生的附加極化矢量視為一個(gè)微擾 量 ， 再將這個(gè)微擾量當(dāng)作新的極化波源引入麥克斯韋方程組中 ， 建立起耦合波方程 ，通過求解方程給出電光效應(yīng)的衍射效率公式。但是作者給出的是特殊情況下的耦合波方程組 ， 導(dǎo)致文獻(xiàn)給出的最終結(jié)果的實(shí)用價(jià)值有限。所以 ， 為了突破 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 折射率橢球理論的局限性 ， 人們要尋找更有效的解決電光效應(yīng)問題的理論。即使可以成功的得到加電場(chǎng)后主軸化的折射率橢球方程 ， 也僅知道加電場(chǎng)后的三個(gè)主折射率 ， 難以獲得此時(shí)晶體中沿任意一個(gè)方向傳播的偏振光的信息。折射率橢球模型簡(jiǎn)單直觀易理解 ， 所以長(zhǎng)期以來人們都傾向于用它來解決電光效應(yīng)問題 ， 但是在運(yùn)用該理論來分析電光效應(yīng)的過程中 [2]， 存在著難以繞過的工作 :如何找到合適的坐標(biāo)變換 ， 從而使加電場(chǎng)后的折射率橢球方程主軸化。自從 1893年電光效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來 ， 人們從理論和實(shí)驗(yàn)中獲得的幾種主要的電光效應(yīng)理論方法。 為了更好利用電光效應(yīng) ， 人們不斷的提出新理論并運(yùn)用理論解決電光效應(yīng)問題。二 十世紀(jì)六十年代人們已經(jīng)利用電光效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制和偏轉(zhuǎn) ， 并且在光掃描 ， 光存儲(chǔ) ， 光顯示等若干領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)器根據(jù)加在晶體上的電場(chǎng)方向與光束在晶體中傳播的方向的關(guān)系，其調(diào)制方式主要有兩種：電場(chǎng)方向平行于光的傳播方向的調(diào)制方式，稱為縱向電光調(diào)制，電場(chǎng)方向垂直于光傳播的方向的調(diào)制方式，稱為橫向電光調(diào)制。在光電信息處理、光通信及各種光電技術(shù)中 ，光調(diào)制是一種促成信息載入光波的基本手段，并由此形成一系列光調(diào)制技術(shù)，而電光調(diào)制是其中最重要的一種，它具有調(diào)制速率高、工作穩(wěn)定可靠、使用方便、可集成等一系列優(yōu)點(diǎn)。在電光調(diào)制 中，線性電光效應(yīng)控制方便，其應(yīng)用更重要些，所以本文涉及到的主要是線性電光效應(yīng)。在外加電場(chǎng)作用下的電光晶體都相當(dāng)于一個(gè)受電壓控制的波 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 片，改變外加電場(chǎng)，便可改變相應(yīng)的線偏振光的電光相位延遲，從而改變輸出光的偏振狀態(tài)。由于線性電光效應(yīng)屬于二階非線性光學(xué)范疇，因此它只 存在于沒有中心反演對(duì)稱的 質(zhì)，對(duì)于具有中心反演對(duì)稱性的介質(zhì)來說， 二階極化率張量為零。 , 0 ) ( ) ( 0 )l ijk j kjkP E E? ? ? ? ? ???? （ ） 所引起的非線性光學(xué)現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是輻射場(chǎng)與物質(zhì)的非線性相互作用 [1]。其中由一 次項(xiàng) aE引起折射變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾 (Pokells)效應(yīng)；由二次項(xiàng) 2bE 引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱克爾效應(yīng)。另一方面，當(dāng)介質(zhì)受到較強(qiáng)的直流電場(chǎng)或低頻電場(chǎng)作用時(shí)將引起極化，其電位移矢量 0D E P E??? ? ? ，所以極化強(qiáng)度將影響介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) ? ，它是電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)。這種因外加電場(chǎng)使光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的效應(yīng)，稱之為電光效應(yīng)。其中電光效應(yīng)就是應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)。而當(dāng)各向同性介質(zhì)受到應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等外界作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，使晶體的折射率重新分布，從而使光在其中的傳播規(guī)律發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)雙折射。本文對(duì)設(shè)計(jì)電光調(diào)制晶體有一定的理論指導(dǎo)意義。并利用 Matlab 進(jìn)行數(shù)值仿真，研究了溫度，波長(zhǎng)， 外加電場(chǎng)和晶體占空比對(duì)電光效應(yīng)轉(zhuǎn)換效率的影響。 本文將準(zhǔn)相位匹配的理論引入線性電光效應(yīng)中，得到“準(zhǔn)相位匹配 ” 線性電光效應(yīng)耦合波方程及其解析解，并將其應(yīng)用于周期性的極化 LiNb03 晶體中 (PPLN)。 線性電光效應(yīng)耦合波理論是本論文的基礎(chǔ)，它是由 She 等人提出的一種全新的理論方法。 作者簽名： 日 期： 目 錄 第一部分 設(shè)計(jì)說明書 一、 設(shè)計(jì)說明書 第 二 部分 過程管理資料 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)書 二、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題 報(bào)告 三、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告 四、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)閱表 五、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱表 六、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯評(píng) 審 表 2020 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 第 一 部分 設(shè)計(jì)說明書 （ 2020 屆） 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 鈮酸鋰晶體光學(xué)性能的仿真研究 系 部： 電子與通信工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué) 學(xué) 生 姓 名： o 班 級(jí)： 一班 學(xué)號(hào) 2020041115 指導(dǎo)教師姓名： o 職稱 講師 最終評(píng)定成績(jī) 2020 年 5 月 o 本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 鈮酸鋰晶體光學(xué)性能的仿真研究 系 （部）： 電子與通信工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué) 學(xué) 號(hào)： 2020041115 學(xué)生姓 名： o 指導(dǎo)教 師： o 講師 2020 年 5 月 長(zhǎng)沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) I 摘 要 線性電光效應(yīng)在很多領(lǐng)域特別是光通信領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，以它為物理基礎(chǔ)的電光調(diào)制是目前應(yīng)用最廣泛的光調(diào)制方式之一。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 資 料 設(shè) 計(jì) 題 目： 鈮酸鋰晶體光學(xué)性能 的仿真研究 系 部： 電子與通信工程系 專 業(yè)： 應(yīng)用物理學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師姓名： 最終評(píng)定成績(jī) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成