【摘 要】
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随着半导体激光器和低损耗光纤的问世,光通信网络迅猛发展。同时,物联网、大数据和人工智能等近年来高速发展,促使着人们对光通信系统数据速率和数据容量的需求也在不断增长。为了扩展光通信系统的速率和容量,人们对光通信网络和光互连进行了大量研究,推动了各种新型光电子器件和传输系统的不断发展和进步。而在光通信网络中,电光调制器是光通信系统发射器的核心器件,主要功能是将电信号转换为高速数字脉冲光信号,相当于光通
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随着半导体激光器和低损耗光纤的问世,光通信网络迅猛发展。同时,物联网、大数据和人工智能等近年来高速发展,促使着人们对光通信系统数据速率和数据容量的需求也在不断增长。为了扩展光通信系统的速率和容量,人们对光通信网络和光互连进行了大量研究,推动了各种新型光电子器件和传输系统的不断发展和进步。而在光通信网络中,电光调制器是光通信系统发射器的核心器件,主要功能是将电信号转换为高速数字脉冲光信号,相当于光通信系统的心脏。因此,研究与开发高性能电光调制器是高速光通信网络需要解决的一个关键问题。BaTiO3作为一种典型的铁电晶体,具有超高的电光系数、特殊的电光调制机制以及可与硅光子器件兼容和集成等优点,是研究与开发高性能电光调制器的最佳电光材料之一。因此,过去的二十几年,研究人员们围绕着BaTiO3晶体薄膜的晶畴结构、物理特性、电光效应、调制理论、器件结构及器件加工工艺等方面开展了研究,并取得了很多重要的研究成果。本论文从BaTiO3晶体薄膜的电光特性和高频动态特性出发,利用非线性电光调制理论和嵌入式波导-电极器件结构,研究BaTiO3晶体薄膜波导的电光调制机制和高频微波动态物理特性以提高调制带宽,并通过相位-偏振加强型双折射电光调制研究马赫-曾德尔干涉仪型强度电光调制器中光波的动态干涉以降低比特能量,构建BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器。为进一步研究高性能BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器奠定了理论基础,提供了参考依据,具有十分重要的实际意义和科学价值。主要研究内容及结果如下:（1）基于c轴BaTiO3晶体薄膜的非线性电光调制理论模型,研究了马赫-曾德尔干涉仪型波导结构的电光调制机制,提出了相位-偏振调制方法,并在此基础上建立了干涉输出的理论模型。相比于传统的相位调制机制,相位-偏振调制机制提高了电光调制过程的光相位转换效率、有效地压缩了干涉输出信号的峰值宽度,为高性能BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器的研究奠定了理论基础。（2）在相位-偏振调制干涉输出理论模型基础上建立了相位-偏振加强型调制的马赫-曾德尔干涉仪型强度电光调制器光信号随调制电压干涉输出的等效半波电压理论模型和比特能量理论模型,并借助于波导-电极嵌入式结构与非线性电光调制理论大幅度优化了强度电光调制器的半波电压、电光调制品质因子、最大相位转换率、等效半波电压和比特能量,为高性能BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器研究提供了理论依据。（3）从BaTiO3晶体薄膜的极化特性出发,分析了热效应和晶轴极化分量对BaTiO3晶体薄膜极化特性的影响,进而研究了它们对BaTiO3晶体薄膜电光特性的影响,为BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器件的研究与应用提供了参考依据。（4）基于BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器的光波带宽定义和BaTiO3晶体薄膜的高频动态物理特性建立了微波带宽理论模型和高频动态调制理论模型,并在此基础上结合嵌入式波导-电极结构对c轴BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器进行了仿真设计与调制性能分析,论证了其实现100GHz带宽的可行性,为下一步制作高性能BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器的原型器件提供了理论依据。（5）基于嵌入式波导-电极结构,设计并制作了马赫-增德尔干涉仪结构的c轴BaTiO3晶体薄膜波导电光调制器件,并对其调制性能进行实验测试,验证了BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器的相位-偏振加强型电光调制效果,最后利用实验测试结果对BaTiO3晶体薄膜波导强度电光调制器的相关性能参数进行了仿真分析,表明了相位-偏振加强型电光调制机制的优越性以及高带宽低比特能量电光调制器的可行性。
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