前言 光纖通信因其頻......



前言
　　光纖通信因其頻帶寬、容量大；損耗低、中繼距離長(zhǎng)；抗電磁干擾性及保密性強(qiáng)；易數(shù)字化、集成化；價(jià)廉靈巧等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代信息社會(huì)中通信的主流，由光纖制成的光纜通信取代金屬電纜通信將成為必然［1］。為了實(shí)現(xiàn)用光作為傳輸媒體來(lái)傳遞信息，必須設(shè)法將信號(hào)加載到光波上，而光波導(dǎo)型光外調(diào)制方式是目前最有競(jìng)爭(zhēng)力的的調(diào)制方式［2］［3］。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外最常用的是微帶型結(jié)構(gòu)光調(diào)制器，雖然其技術(shù)已日趨完善，帶寬可達(dá)20G，但仍然有幾個(gè)問題不能很好地予以解決：首先在微帶型光調(diào)制器中調(diào)制波(微波)對(duì)光波的調(diào)制電場(chǎng)沒能得到充分地利用，其調(diào)制效率較低；其次，微帶線與外電路的阻抗失配對(duì)調(diào)制深度有較大的影響［4］［5］［9］，而設(shè)計(jì)一種新型的脊波導(dǎo)調(diào)制器可望解決上述問題。另外，脊波導(dǎo)的研究也集中在縫間距d大于1.0mm方面，小縫間距的研究不曾見諸報(bào)道，所以有必要開展這項(xiàng)工作［6］［7］［8］［9］。
1　單脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)［6］［7］［8］［9］
　　脊波導(dǎo)是矩形波導(dǎo)的一種變形，它是在矩形波導(dǎo)的寬邊中心線處向波導(dǎo)內(nèi)突出一個(gè)脊棱，如圖1所示。把光波導(dǎo)對(duì)稱地放置在脊縫中，同時(shí)在波導(dǎo)邊上開洞通過光纖引進(jìn)光波；然后脊波導(dǎo)通過過渡段與標(biāo)準(zhǔn)x波段矩形波導(dǎo)聯(lián)接在微波功率源上，當(dāng)加入調(diào)制信號(hào)時(shí)，使波導(dǎo)工作在主模TE10模。光波導(dǎo)采用正切x傳的LiNbO3晶片制作，TE10模的EY電場(chǎng)分量作用在晶片上引起晶片折射率的改變［3］；經(jīng)過工作段后，光信號(hào)得到了調(diào)制。為了抑制其它波的干擾，選定脊波導(dǎo)尺寸為a×b=（13.00mm)×(10.16mm)；又參照晶片的加工工藝，初步設(shè)計(jì)脊縫間距d=0.50mm,脊寬s=1.00mm。
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2　脊波導(dǎo)中的電場(chǎng)分布
　　對(duì)工作主模TE10模，采用施瓦茲變換求出電場(chǎng)分布方程［6］［8］［9］：
　　式中E是關(guān)于電場(chǎng)的無(wú)量綱的相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度，x是該場(chǎng)點(diǎn)到脊波導(dǎo)中心的距離，若設(shè)波導(dǎo)中心處的場(chǎng)強(qiáng)為1，則解上述超越方程得結(jié)果如表1及圖2、圖3所示?！　?br>表1　脊波導(dǎo)電場(chǎng)分布
D(mm)s(mm)EmaxEmax／E
0.351.000.1241.008.0
0.501.000.1621.006.1
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平均場(chǎng)強(qiáng)　　　　Emax中心處最大場(chǎng)強(qiáng)
　　隨脊縫間距d或縫寬s的減小，電場(chǎng)在中心脊縫處集中程度增大；在脊邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)約為中心處的83%；遠(yuǎn)離脊縫的區(qū)域，電場(chǎng)較小，且變化趨勢(shì)相同。
對(duì)于同尺寸的矩形波導(dǎo)，其場(chǎng)強(qiáng)的最大值為平均值的1.57倍；而脊波導(dǎo)則為8.0(d=
0.35）、6.1(d=0.50)。由此可看出，脊波導(dǎo)在中心脊縫處集中了5～4倍的矩形波導(dǎo)的電場(chǎng)。因此，對(duì)于相同外圍尺寸的脊波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，采用脊波導(dǎo)可提高電場(chǎng)的集中程度；并且可通過改變脊波導(dǎo)的幾何參量(如減小d或s)，進(jìn)一步提高電場(chǎng)的集中程度。所以脊波導(dǎo)充分地利用了電場(chǎng)，使電場(chǎng)調(diào)制效率提高。
3　脊波導(dǎo)中的截止波長(zhǎng)及頻帶寬度［8］［9］
　　當(dāng)矩形波導(dǎo)工作于截止頻率這個(gè)臨界狀態(tài)時(shí)，波導(dǎo)中的TEm0電磁波并不沿縱向傳播，只是沿橫向傳播，經(jīng)兩側(cè)面反射形成諧振而成駐波。即所謂“橫向諧振”。根據(jù)微波傳輸線理論可得截止波長(zhǎng)λc的超越方程：
　　其中，x=d/b,Cd為脊波導(dǎo)中的不均勻電容。而a、b、s、d為脊波導(dǎo)的幾何參量，參見圖1。ε為波導(dǎo)中介質(zhì)的介電常數(shù)。解上述兩超越方程，結(jié)果如圖4、圖5所示。
　　 對(duì)TE10主模，脊波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)比相同尺寸的矩形波導(dǎo)的要長(zhǎng)，而且隨脊縫間距d的減小截止波長(zhǎng)變得更長(zhǎng)。但是對(duì)TE20模，脊波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)變化不大，且隨d的變化截止波長(zhǎng)變化的不明顯。
　　 圖6為脊波導(dǎo)主模TE10模與其相鄰的高次模TE20模的兩截波長(zhǎng)之比隨脊波導(dǎo)幾何參數(shù)d、s變化的曲線。對(duì)矩形波導(dǎo)此比值為2，但從圖6可看出，脊波導(dǎo)的都大于2。
　　 因此，脊波導(dǎo)單模工作帶寬比相同尺寸的矩形波導(dǎo)的要寬；若對(duì)同一單模工作波長(zhǎng)，脊波導(dǎo)的尺寸可以比矩形波導(dǎo)做得小。
4　脊波導(dǎo)的特性阻抗［8］
　　當(dāng)脊波導(dǎo)工作在單模TE10模時(shí)，可按電壓、電流定義特性阻抗。脊中心的電壓U=E0d，電流為波導(dǎo)底面的縱向電流。忽略高次模影響，由金屬波導(dǎo)的邊界條件。通過求解麥克斯韋方程，得到場(chǎng)分布，從而得到特性阻抗，結(jié)果為：
而Ze,∞為頻率f=∞時(shí)的特性阻抗；λ為工作波長(zhǎng)；λc為截止波長(zhǎng)；
對(duì)矩形波導(dǎo)，其f=∞時(shí)的特性阻抗
　　圖7給出Ze,∞與矩形波導(dǎo)Z∞之比隨s、d變化曲線。由圖可知，脊波的特性阻抗要比同尺寸的矩形波導(dǎo)小，而且隨脊縫間距d的減小而減小，由此，采用脊波導(dǎo)可降低特性阻抗，與低阻抗負(fù)載易實(shí)現(xiàn)匹配
5　脊波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)的過渡段設(shè)計(jì)［8］
　　由于功率源都是標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)，以及為保證單模傳輸，需縮小脊波導(dǎo)的尺寸，因此存在過渡段的問題。采用遞變截面的脊或者漸變波導(dǎo)過渡段將有效地解決上述問題。過渡段結(jié)構(gòu)如圖8所示。
　　 在整個(gè)過渡段中，脊縫s及窄邊b保持不變；脊波導(dǎo)的寬邊采用線性過渡，其規(guī)律為a(z)=a+(a′-a)z/t，式中t為整個(gè)過渡段的長(zhǎng)度；脊的過渡則采用階梯過渡。下面來(lái)分析計(jì)算脊波導(dǎo)過渡段的具體數(shù)據(jù)。
　　 由于要求波導(dǎo)工作在微波的x波段，因此λmin=25mm、λmax=41mm、λ0=32mm；并且要求駐波比ρ＜1.1。通過計(jì)算λ0處矩形波導(dǎo)與脊波導(dǎo)的阻抗比R=7.0及相對(duì)帶寬Wg=0.57,若選擇脊波導(dǎo)節(jié)數(shù)N=3，則滿足ρ＜1.1；進(jìn)而得出各段的阻抗比Z1=29.93π、Z2=54.28π、Z3=111.18π，每段的長(zhǎng)度t′=8.45mm，總長(zhǎng)度t=3t′=25.35mm，各段的脊高h(yuǎn)1=9.04mm、h2=7.20mm、h3=2.40mm。
6　結(jié)果
　　在光調(diào)制中，電場(chǎng)強(qiáng)度一般要達(dá)到500V/mm，才能提高電場(chǎng)的調(diào)制深度，改善調(diào)制器性能。表2給出了脊波導(dǎo)各特性參數(shù)。從表2可看出，要獲得足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度，則脊縫間距d應(yīng)足夠小。但是考慮LiNbO3晶片的強(qiáng)度和加工工藝，選擇脊縫d=0.50mm，縫寬s=1.00mm是切實(shí)可行的。
表2　脊波導(dǎo)特性參數(shù)表
表中功率、電壓、阻抗關(guān)系為Z=U2/(2P)，波導(dǎo)中平均場(chǎng)強(qiáng)=U/d
d(mm)s(mm)λ0(mm)λc(mm)Z(Ω)P(W)(v/mm)Emax/EEmax(v/mm)
0.351.0032.00109.0098.8589.88.0718.4
0.501.0032.0082,38126.9571.26.1434.3


　　 綜上所述，該脊波導(dǎo)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
　　 1.微波電場(chǎng)得到了充分利用，提高了調(diào)制效率；
　　 2.具有更寬的單模工作頻帶；
　　 3.具有較低的特性阻抗；
　　 4.通過過渡段，易實(shí)現(xiàn)與矩形波導(dǎo)的聯(lián)接及保證單模傳輸；