聚合物电光波导调制器的研究一．概述聚合物电光调制器具有卓越的性能和潜在的巨大应用前景，因此自上世纪九十年代以来就开始受到人们的广泛关注。

迄今，由于材料研究方面的进展，聚合物调制研究已经取得了巨大进步，但是仍然存在诸如器件稳定性问题和高损耗问题。

在学习了《集成光学》这门课程之后，受到老师和其他上台演示的同学的启发，我对聚合物电光调制器产生了浓厚的兴趣，思考如何能解决器件损耗的问题，在查阅了大量的资料后发现，有一种“包层调制”的方法可以降低器件损耗，即高损耗的电光聚合物材料被用于波导的包层，而其芯层则使用低损耗的非电光的有机或无机材料，由于线性电光效应，信号电场在包层中与其中的光导模消逝场发生耦合，将信号场的能量搭载到光载波上，从而实现信号调制。

由于包层中弱的导模功率，因此可以预期包层调制下的材料光损耗是可以降低的，通过优化设计与分析发现适当降低波导芯层的尺寸可以弥补因包层调制引起的调制效率的下降。

本文将简单介绍聚合物电光波导调制器的发展、研究、应用以及“包层调制”的基本概念。

二．光调制的基本概念和调制器的种类1.光调制的一些基本概念光调制就是将电信号加载到光波上并使得光波的可观测量，如位相、频率、振幅偏偏振，发生变化的过程。

最简单直接的调制就是激光光源的内调制，它是利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光特性随信号而变。

在直接调制半导体激光二极管的过程中，不仅输出光强度随调制电流发生变化，而且输出光的频率也会发生波动，也就是说在幅度调制的同时还受到频率调制，特别是在信号频率进入微波时的高速调制情况下，这个现象称为“啁啾”特性。

由于啁啾的存在，不仅使单个纵模的线宽展宽，而且在单模光纤中传播时，在色散的作用下将使信号的非线性失真加剧，从而限制了通讯系统的中继距离一般小于 80km。

与内调制相对照，还存在另一种调制方式--外调制。

所谓外调制，就是在激光器的外部设置调制器，利用调制信号作用于调制元件时所产生的物理效应（如电光、声光或磁光等），使通过调制器的激光束的某一参量随信号变化。

相比于内调制，外调制方法不仅调制速率高，带宽大，而且无频率啁啾，因此成为当今大容量、长中继的WDM光纤通讯系统和高速光处理系统的标准方法。

调制时光波的任何一个特性参数（位相、频率、振幅、偏振）都可以被调制，相应地，光调制方式可以分为相位调制、振幅调制、频率调制、偏振调制。

由于通常的光探测器的输出信号直接与入射光波的强度有关，探测器可以直接从强度调制波还原出调制信号。

而相位调制或频率调制等必须采用外差接收来解调，在技术上比较复杂和困难，所以强度调制用的多。

2.光调制器的种类按照调制器的工作原理，光调制器可以分为电光调制器、声光调制器、磁光调制器、电致吸收调制器。

电光调制器是利用介质的线性电光效应(Electro-optic Effect, EO )来工作的。

由于电光效应，介质的折射率变化随信号电压线性改变，介质折射率变化最终反映到光波相位、振幅或频率上，实现光调制。

电光调制器的优点是响应速度快，调制速率高，带宽也大，也易于集成，器件的半波电压较低，通常小于5V，此外电光调制器也无频率啁啾。

●声光调制器的物理基础是声光效应引起的布拉格衍射和拉曼-纳斯衍射。

在这两种衍射方式中，声波在晶体中造成的折射率周期性的变化形成了一个光学位相光栅，布拉格方式是利用了光通过位相光栅的反射而形成的衍射；拉曼-纳斯方式则是入射光透过位相光栅形成衍射。

两种衍射方式形成的衍射条纹强度均随信号变化，形成声光强度调制。

●磁光调制器中，由于法拉第旋光效应，入射偏振光经过旋光晶体后偏振面转过一定角度，其转角和外加磁场强度有关，因此出射光经过检偏器后强度随外磁场强度变化。

●电致吸收型调制器，主要利用量子限Stark效应，即激子吸收峰在外电场下表现为吸收边的移动和吸收系数的变化，在工作波长靠近吸收峰时器件上的调制电场将产生明显的吸收调制。

电吸收型调制器的特点是体积小，调制电压低，一般 2~3V，易于集成，通常是和光源集成为电吸收调制光源(EML)来使用，但是存在频率啁啾的缺点。

按照使用的材料，光调制器可以分为：●半导体光调制器：主要是电场吸收型调制器，材料多为InGaAs/InAlAs 和InGaAs/InGaAsP 多量子阱。

半导体的电光调制器较少，因为大多数半导体材料的电光系数都很小。

●LiNbO3调制器：它是一种电光型的调制器，LiNbO3晶体是无机材料中电光系数最大的铁电晶体，而且其光学损耗很低。

是目前光通讯主干线上高速长距离的主要外调制器。

由于 LiNbO3 晶体的介电常数比较大，因此微波和光波之间的速度失配较大，调制带宽受到限制，如果要提升器件的带宽，需要对波导和电极作复杂的设计，目前商用器件的带宽可达40GHz左右。

LiNbO3 调制器的特点是：损耗小，典型的器件插损为 4dB 左右，无频率啁啾，器件的半波电压小于5V。

●聚合物电光调制器：下一代的电光调制器。

与半导体和LiNbO3材料相比，聚合物材料具有无以伦比的优越性，因而受到研究者的广泛关注，尽管如此，聚合物电光调制器目前仍然存在诸如稳定性、损耗高等问题，因而这方面的研究还停留在实验室阶段。

在研究的各种调制器中，目前商用化了的也只有电吸收型的半导体调制器以及Mach-Zehnder干涉仪结构的LiNbO3电光调制器。

3.聚合物电光调制器的优势与不足与目前无机材料的调制器比较，聚合物电光调制器具有诸多优点：(1) 材料的电光系数极高，可以高达 150pm/V，这约为 LiNbO3 的 5 倍，因此器件的半波电压很低，目前已经达到 0.8V，远低于目前 LiNbO3 调制器的水平。

一般来说，光调制器应用于光纤通讯系统时，光纤链路的增益反比于半波电压的平方，而且在低增益下链路的噪声指数直接正比于半波电压的平方，所以光通讯系统中的调制器通常要求半波电压越低越好，通常<1V 的驱动电压是比较适宜集成电路系统应用的；(2) 电光响应速度快，大约为几百 fs，因此调制速率高；(3) 介电常数低而且从微波到红外波段几乎无色散，这提供了微波信号和光载波之间良好的速度匹配，使得器件的调制带宽极高，目前文献中已经报道了带宽高达113GHz 和 150GHz 以上的调制器原型器件，而商用的LiNbO3调制器如果不经过特殊的电极和波导设计，其带宽距离积不会超过 10GHz.cm:(4) 制作工艺非常简单而且与半导体制备工艺兼容。

在器件的制备过程中所采用的光刻、RIE 刻蚀、电极蒸发和溅射工艺都是非常成熟的半导体工艺，此外，其波导结构的三层膜采取简单的旋涂即可制备；(5) 价格低廉；(6) 聚合物材料几乎可以在任何半导体材料上旋涂成膜，因而易于实现光电混合集成，南加州大学的Dalton 等人就在VLSI 电路上实现了聚合物电光调制器的集成；(7) 优良的分子可塑性，借助于分子工程，通过对聚合物分子的人工裁剪，可以合成各种各样的有机材料，从而满足不同的实际需要。

聚合物电光调制器的不足：虽然，聚合物电光调制器具备诸多的优越性，但是也同时存在一些目前难以克服的缺陷。

首先是材料本身的热稳定性问题，聚合物材料一般是长链网状的非晶态结构，缺乏晶体材料非常稳定的晶格结构，因此在恶劣环境下很难长时间保持其固有的物理化学性能。

其次是极化的稳定性问题，电光聚合物极化后，发色团分子在电场下重新取向，但是由于发色团之间的偶极相互作用使得分子的取向发生缓慢的迟豫，尤其是在高温环境下，发色团分子的活性增加，迟豫效应更加显著，从而导致材料的电光活性逐渐失效。

一般衡量材料的稳定性的指标是玻璃化转换温度 Tg，Tg 越大，则材料的稳定性越好。

极化聚合物的 Tg一般较低，在 50度~160度之间，这些还是远低于晶体的熔点，因此极化聚合物的稳定性受到极大的限制。

尽管部分聚酰亚胺的 Tg 能够达到230度左右，具有良好的热稳定性，但是由于损耗较高（>3dB/cm）以及材料的兼容性问题，实际使用受限。

通过聚合物之间的交联可以削弱发色团的取向迟豫，极化的迟豫问题虽然得到缓解，但是问题还是没有彻底解决，而且，交联之后极化效率也随之减弱，从而影响到材料的电光系数。

除了稳定性问题之外，由于发色团分子在通讯波段较强烈的吸收和散射损耗，因此聚合物电光调制器也存在损耗较高的问题，一般认为，材料的损耗<1dB 才能满足实用的要求。

由于存在上述问题，因此目前聚合物调制器的研究大多停留在实验室阶段。

4. 聚合物电光调制器的研究进展聚合物电光调制器最早出现在八十年代末，从上世纪九十年代初到九十年代中期是一个飞速发展阶段，期间极化聚合物材料的性能、电光调制器件的结构都在实用性方面有很大的提高。

早在1990 年，AKZOD 的 Mohlman 等报道了集总电极的聚合物开关和调制器，在 1991 年，Lockheed 研究发展部的 D.G. Girton 等人发表文章，用含有“DANS”发色团的侧链型聚合物制备出 20GHz 的 Mach-Zehnder 型行波调制器，1992年Hoechest Celanese Corporation 的 C.C.Teng 制备出3dB带宽为40GHz 的行波聚合物调制器，1993 年，Weapons Sciences Directorate 研究发展工程中心的 T.A. Tumolillo 给出了聚合物电光调制器的垂直集成，同年，Smith 等人也报道了一个聚合物电光调制器，并成功地用于传送六个无线电频率的电视信号，电视图像的颜色和声音逼真，1994 年加州大学洛杉矶分校电子工程系的 Wensheng Wang 等与 Dalton 合作，给出直波导相位调制器，调制频率为18GHz，1995 年，他们对相同的器件用Wiltron V 接头和光外差方法将调制频率提高到40GH 和60GHz。

从这里可以看到这段时间的器件主要是在提高调制频率方面有很快的进步。

在上世纪九十年代初的这段时间里，随着聚合物电光调制器性能的提高，科学家们对聚合物电光调制器充满了美好的希望和幻想，认为聚合物电光调制器能够很快走向成熟、走向产品化，不少科学家都预测在3~5 年内聚合物调制器将达到产业化的阶段。

然而年复一年，由于聚合物电光材料的稳定性和损耗等问题的限制，聚合物电光调制器的发展并没有人们想象的那么顺利。

上世纪九十年代中期经历了一段时间的调整之后，在该领域活跃的研究单位逐渐减少，究其原因可能是尽管化学和材料工作者可以合成的电光聚合物材料很多，但是最后可以用于制备器件的新型电光材料并不多。

从发表的文章看，研制出性能较好，可用于器件制备的电光聚合物材料的单位几乎仅为南加州大学化学系 L.R. Dalton 所领导的研究小组，其余各家大多数是利用南加州大学化学系的材料来研制器件。