بخشی از مقاله
چکیده - در این تحقیق طراحی و ساخت یک مدولاتور الکترواپتیک مجتمع در لیتیوم نایوبایت ارائه شده است. در این مدولاتور از روش تبادل پروتون برای ساخت موجبر استفاده شد. برای کاهش ولتاژ نیم موج مدولاتور، از یک ماسک مشترک برای ساخت موجبر والکترودها به منظور کاهش فاصله الکترودها استفاده شد. همینطور با استفاده از روش المان محدود تاثیرات شکل الکترودها در ضریب هم پوشانی میدان الکتریکی و مد موجبر و همینطور امپدانس الکترودها شبیه سازی شده و بر این اساس بخش تطبیق امپدانس برای کاهش ولتاژ مدولاسیون مورد نیاز طراحی شد که در نتیجه ولتاژ مدولاسیون نیم موج حدود 6 ولت بدست آمد.
-1 مقدمه
مدولاتورها و سوییچهای نوری مجتمع در لیتیوم نایوبایت - LiNbO3 - یکی از حوزههای مورد توجه در مدارات مجتمع نوری میباشند.[1] برای ساخت موجبر نوری در لیتیوم نایوبایت، روشهای مختلفی از جمله تبادل پروتون و نفوذ فلزاتی مثل تیتانیوم، کروم و مس استفاده شده است [2] که از این بین روش تبادل پروتون به این علت که باعث افزایش ضریب شکست غیر عادی و انتشار نور قطبیده در موجبر میشود، برای ساخت مدولاتورهای الکترواپتیک با دامنه مدولاسیون بالاتر مناسب تر است.
در شکل 1 طرحوارهای از یک مدولاتور با طرح ماخ زندر نشان داده شده است. در این طرح با استفاده از اعمال ولتاژ متناوب در یکی از شاخهها - و یا هر دو - ، تغییر فاز متناوبی به مقدار حداکثر دامنه اعمال میشود. ولتاژی که با اعمال آن به یک مدولاتور، دامنه نور خروجی از بیشینه به حداقل مقدار خود برسد ولتاژ نیم موج - - نامیده میشود. ولتاژهای نیم موج در این نوع از مدولاتورها عموماً حدود 10V.cmاست .[2] در صورت استفاده از روشهای زدایش برای ساخت موجبرهای تپهای امکان کاهش این ولتاژ وجود دارد که البته باعث پیچیدهتر شدن فرایند ساخت میشود.
در رابطه V - 2 - ولتاژ اعمال شده در الکترودها، میدان الکتریکی اعمال شده توسط الکترودها در موجبر و میدان الکتریکی مربوط به مد نور انتشاری در موجبر میباشد. با توجه به رابطه - 1 - و - 2 - ولتاژ نیم موج، بستگی زیادی به همپوشانی توزیع میدان الکتریکی الکترودها و توزیع شدت مد نوری دارد. توزیع شدت مد نور بستگی به مشخصات موجبر و توزیع میدان الکتریکی بستگی به مشخصات الکترودها دارد.
از طرف دیگر شکل الکترودها در امپدانس آنها و در نتیجه مقدار بازتاب ولتاژ اعمالی ناشی از عدم تطبیق امپدانس الکترودها با امپدانس خروجی منبع ولتاژ دارد. این بازتاب باعث افزایش ولتاژ واقعی V میشود. در این تحقیق برای دستیابی به V کمتر، ضمن استفاده از قسمتی از ماسک موجبر به عنوان الکترودها - به منظور کاهش فاصله الکترودها - ، از خط انتقال باریک شونده برای تطبیق امپدانس الکترودها و منبع استفاده شد.
-2 طراحی و شبیهسازی مدولاتور
برای به دست آوردن توزیع میدان الکتریکی با استفاده از روش المان محدود، در ابتدا یک فضای دوبعدی با توجه به شکل الکترودها و قرارگیری آنها نسبت به هم، در نظر گرفته میشود و سپس شرایط مرزی با توجه به ولتاژهای هر یک از الکترودها برای آنها قرار داده میشود. در این محاسبات این فرض در نظر گرفته شده است که میدانهای الکتریکی به صورت شبه ساکن هستند. با توجه به آنکه تحریک هر دو شاخه موجبر با میدانهای الکتریکی با جهتهای مخالف باعث افزایش اختلاف فاز میشود، الکترودها مطابق شکل 3 در اطراف دو شاخه ایجاد میشود.
با ضخامت الکترود 1 m، اگر الکترودهای کناری را عریض در نظر بگیریم با زیاد شدن عرض الکترود وسط، ولتاژ نیم موج مدولاتور کاهش مییابد. برای محاسبه امپدانس مشخصه مدولاتور لازم است خازن بین الکترودهای مدولاتور با و بدون حضور LN محاسبه شود. بعد از محاسبه چگونگی توزیع میدان الکتریکی الکترودها، با اعمال ولتاژ یک ولت بر روی الکترود وسطی، خازن آنها را میتوان با استفاده از قانون گوس محاسبه کرد، به این ترتیب که کل شار الکتریکی که از الکترود وسطی خارج میشود، محاسبه میشود که برابر با بار الکتریکی موجود بر روی آن است. با تقسیم میزان این بار الکتریکی بر ولتاژ اعمالی، میزان خازن آن به دست میآید.
در شکل 4 ولتاژ نیم موج و امپدانس مشخصه مدولاتور - Z - برای سه فاصله بین الکترود 6 - G - ، 12و 18 m بر حسب عرض الکترود وسط - - W وقتی که موجبر و الکترودها مطابق شکل 2 ساخته شده باشند، نشان داده شده است. با توجه به شکل 4 مشخص است که برای دستیابی به ولتاژ نیم موج کمتر از 10 ولت - برای طول - 1cm فاصله بین الکترودها - G - کمتر از 18m مناسب است، اما نکتهای که وجود دارد آنست هر چه فاصله بین الکترودها کاهش یافته، ولتاژ نیم موج مدولاتور نیز کاهش یافته است مثلا وقتی فاصله بین الکترودها از 18 به 12 m کاهش یافته ولتاژ نیم موج حدود 30 درصد و وقتی فاصله بین الکترودها از 12 به 6 m کاهش یافته ولتاژ نیم موج حدود 20 درصد کاهش یافته است.
-3 ساخت مدولاتور
برای به حداقل رساندن فاصله الکترودها و رفع مشکل هم خط سازی الکترودها و موجبر، از یک ماسک مشترک برای ساخت الکترودها و موجبر استفاده شد. برای این منظور، از لایه نشانی آلومینیوم به ضخامت 1 m با روش اسپاترینگ برای استفاده به عنوان ماسک موجبر و الکترودها و همینطور ماسک خط بار استفاده شد. این ضخامت برای کاهش اختلاف امپدانس الکترودها و منبع و با توجه به حداکثر ضخامت قابل دسترس با سیستم اسپاترینگ بدون بروز مشکلات ناشی از چسبندگی به زیر لایه انتخاب شد.
