1、電光調制器一ENTS一cffl-沬遍崖23 冊味遍越s卅煙5艸4 冊當聶玄賽鼎5 B電光調制的物理基礎電光效應某些介質的折射率在外加電場的作用下，由于極化現象而出現光學性能的改變，影響到光波在晶體中傳播特性的一種現象。電光效應的實質在光波電場與外電場的共同作用下，使晶體出現非線性的極化過程。電光效應某些介質的折射率在外加電場的作用下而發生變化的一種現象。n=aE+bE2線性電光效應二次電光效應（克爾效應）a、b為一次、二次電光系數，其值由材料的結構和對稱性決定。5調制器和開關在許多情形中,根據輸入和輸出端口的安排以及光波與控制電信號之間相互作用的強度,同一個器件既可以起調制器的作用，又可以具有

2、開關的功能。在設計或評價調制器和開關時,有許多相同的因素需要加以考慮，因而合在一起討論。調制器：器件的主要功能是通過暫時改變光波的某一特性而將信息加載到光波上。開關：改變光線的空間位置，或者是將光導通或斷開。電光調制G電光調制：將電信息加載到光載波上，使光參量隨著電參量的改變而改變。光波作為信息的載波。G對光場的幅度、頻率、相位等參數，均可進行調制。性能優良的調制器必須具備:高消光比、大帶寬、低嚅啾、低的偏置G電光調制器的主要參數有：半波電壓.特性阻抗、調制帶寬.調制深度（調制效率）、透過率、消光比、插入損耗、品質因數等。半波電壓：是指調制器從關態到開態的驅動電壓。調制帶寬：強度調制的調制帶寬

3、反映了器件工作的頻率范圍，它的定義是調制深度落到其最大值的50%所對應的上下兩頻率之差。調制帶寬是量度調制器所能使光載波攜帶信息容量的主要參數。特性阻抗：要獲得好的特性阻抗就要減小電極和波導材料的電容T。透過率：調制器的輸出光與輸入光之比稱為透過率。消光比：消光比是衡量電光開關性能的指標。消光比越大越好,因為切斷時通過的光越小，切開效果越好。0插入損耗：插入損耗是反映調制器插入光路引起光功率損耗程度的參數。對于外部調制器而言，必須保證器件的插入損耗最小。品質因數：即驅動電壓與電極長度的乘積。電光效應。電光調制的物理基礎：電光效應。電光效應：當把電壓加到電光晶體上時，電光晶體的折射率將發生變化，

4、結果引起通過該晶體的光波特性的變化，實現對光信號的相位、幅度、強度以及偏振狀態的調制。O電光效應包括克爾效應和泡克耳斯效應。外加電場時晶體的折射率是電場E的函數，可表示為卅=+或An=n-H0=aE+bE1+.線性電光效應二次電光效應（Pockels效應）（Kerr效應）電光效應折射率橢球在晶體未加外電場時，主軸坐標系中折射率橢球的方程為：兀2y2才n22n32x,y,z為介質的主軸方向，在晶體內沿著主軸方向的電位移D和電場強度E是互相平行的;nln2n3為折射率橢球x,y和z方向的折射率（主折射率）。折射率橢球方程可以描述光波在晶體中的傳播特性。電光效應0克爾效應:玻璃板在強電場作用下具有雙

5、折射性質，稱克爾效應。內盛某種液體的玻璃盒子稱為克爾盒，盒內裝有平行板電容器,加電壓后產生橫向電場。無電場時液體為各向同性，光不能通過。存在電場時液體具有了單軸晶體的性質，光軸沿電場方向，此時有光通過。液體在電場作用下產生極化，這是產生雙折射性的原因。電場的極化作用非常迅速，撤去電場后在同樣短的時間內重新變為各向同性。克爾效應的這種瞬時反應的性質可用來制造幾乎無慣性的光的開關一光閘，在高速攝影、光速測量和激光技術中獲得了重要應用。廳人對面軸電光效應泡克耳斯效應:一些晶體在縱向電場（電場方向與光的傳播方向一致）作用下會改變其各向異性性質，產生附加的雙折射效應。不加電場時，入射光在晶體內不發生雙折

6、射,光不能通過檢偏器。加電場后，晶體產生雙折射，有光通過檢偏器。大多數壓電晶體都能產生泡克耳斯效應。泡克耳斯效應與克爾效應一樣常用于光閘、激光器的Q開關和光波調制等。USH8柵平行V。利用泡克耳斯電光效應實現電光調制可以分為兩種情況:0一是施加在晶體上的電場在空間上基本是均勻的0但在時間上是變化的。當一束光通過晶體之后，可以使一個隨時間變化的電信號轉換成光信號，由光波的強度或相位變化來體現要傳遞的信息，這種情況主要應用于光通信、光開關等領域。O一種是施加在晶體上的電場在空間上有一定的分布，形成電場圖像，即隨X和y坐標變化的強度透過率或相位分布，但在時間上不變或者緩慢變化，從而對通過的光波進行調

7、制。光開關電光調制O電光調制是利用某些晶體材料在外加電場作用下折射率發生變化的電光效應而進行工作的。o根據加在晶體上電場的方向與光束在晶體中傳播的方向不同，可分為縱向調制和橫向調制。縱向電光調制：電場方向與光的傳播方向平行。G橫向電光調制：電場方向與光的傳播方向垂直。由于縱向調制電光器件需要透明電極，器件工藝復雜、加工成本大，因此常用的電光器件大多采用橫向調制設計。包光調制又有調相和調幅之分。電光調相：不改變輸出光的偏振態，只改變其相位。電光調幅：是借助于晶體的電光效應，使光束的偏振態從線偏振光變為橢圓偏振光，再通過檢偏器轉變為光的強度調制。根據電光調制器器件結構的不同，可以分成體型電光調制器

8、和波導傳輸型電光調制器O電光調制的主要方式。直接調試：電信號直接改變半導體激光器的偏置電流，使輸出激光強度隨電信號而改變。O優點：采用單一晶體、成本廉價、附件損耗小。O缺點：調制頻率受限、與激光器弛豫振蕩有關、產生強號頻率嗝啾、限制傳輸距離、光波長隨驅動電流而改變、光脈沖前沿和后沿產生大的波長漂移.適用于短距離、低速率的傳統系統。，r電光調制的主要方式O外調制：調制信號作用于激光器外的調制器上產生電光從而使通過捅器的激光束O優點：不干擾激光器工作，波長穩定；可對信號實現多種宓高速率、大的消光比；低和、2的調制O缺點：豐增加了光學器件、成本增加、增加了光線線路縱向電光調制器縱向電光強度調制（電光

9、晶體KDP、通光方向與電場方向一致）入射光q電光晶體KDP置于兩個正交的偏振器之間。QP1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，P2的偏振方向平行于y軸。o當沿晶體z軸方向加電場后，x和y軸旋轉45變為感應主軸x和y。o因此，沿z軸入射的光束經起偏器變為平行于x軸的線偏振光，進入晶體后被分解為沿X和y方向的兩個分量，它們的振幅和相位都相等。OOOO5透過率0調制器的透過率與外加電壓呈非線性關系，若調制器工作在非線性電壓部分,調制光將發生畸變。為實現線性調制，可引入固定的兀/2相位延遲，使調制器的電壓偏置在T=50%的工作點上（B點）o縱向電光調制器改變工作點的常用方法：。一是在調制晶體上除了施加信號

10、電壓之外，再附加一個半波電壓，但此法增加了電路的復雜性，而且工作點的穩定性也差。二是在調制器的光路上插入一個1/4波片，使其快慢軸與晶體主軸x成45度角，從而使Ex，和Ey，二分量間產生n/2的固定相位差。為了獲得線性調制，要求調制信號不宜過大（小信號調制），那么輸出的強調制波就是調制信號的線性復現。入射光起偏器p2O縱向電光調制器優點:具有結構簡單、工作穩定、不存在自然雙折射的影響等。O缺點：半波電壓太高，特別在調制頻率較高時，功率損耗比較大。橫向電光調制器橫向電光調制器（通光方向與電場方向垂直）偏振片L輸出光束輸入光束嚴BI計o若沿軸方向加電場，晶體的主軸不會發生旋轉，仍為LN電光晶體sX

11、,y,z方向，此時的通光方向與z軸垂直，并沿y方向入射，若入射光偏振方向與z軸成45角，進入晶體分解為x和z方向振動的兩個分量。由此可知，X軸與Z軸的綜合電光效應使光波通過晶體后的相位差包括兩項：第一是與外加電場無關的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲，這對調制器的工作沒有貢獻，而且會因溫度變化引起折射率的變化而導致相位差漂移，進而使調制光發生畸變,甚至使調制器不能正常工作，應設法消除或補償雙折射現象;0第二項是外加場作用產生的相位延遲，它與外加電場和晶體的尺寸有關。可以采取組合調制器或者1/2波片補償的辦法。T與V的關系是非線性的,若工作點選擇不適合，會使輸出信號發生畸變。但在冬附近有一近似

12、2直線部分，這一直線部分稱作線性工作區。為了獲得線性調制，可以通過引入一個固定的兀/2相位延遲，使調制器的電壓偏置在T=50%的工作點上。優點:半波電壓低、驅動功率小，應用較為廣泛。O缺點：存在自然雙折射引起的相位延遲，這意味著在沒有外加電場時，通過晶體的線偏振光的兩偏振分量之間就有相位差存在,當晶體因溫度變化而引起折射率的變化時，兩光波的相位差發生漂移。在KDP晶體橫向調制器中,然雙折射的影響會導致調制光發生畸變。甚至使調制器不能工作。所以，在實際應用中，除了盡量采取一些措施（如散熱、恒溫等）以減小晶體溫度的漂移之外，主要是采用一種“組合調制器”的結構予以補償。相位調制廂加器vwvmwvw載

13、波相位調制波o工作原理：O電光相位調制器由起偏器和電光晶體組成。O起偏器的偏振方向平行于晶體的感應主軸（x，或y，）,此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿疋和y，兩個分量，而是沿著亡或才軸一個方向偏振，外電場不改變出射光的偏振態，僅改變相位。體型電光調制器ElectricalcontactPolarizingfilter(lK)rizoiitalPolarmingfilter(verticabEkctroopricmaterial(CrossutLfNbO3Crysta11小功率體型電光調制器是將電光晶體置于起偏器和檢偏器之間，起偏器和檢偏器的偏振方向互相垂直。電光晶體經過特殊切割并在其上下兩面

14、制作一對電極。當不施加電場時，入射線偏振光通過晶體偏振方向不發生改變，這時輸出光強是零。當施加電場以后，由于電場作用，晶體的折射率橢球發生改變，入射線偏振光經過晶體后偏振方向發生旋轉，輸出光強不為零，這樣實現了輸出光強的電光調制。這種調制器幾乎是整個晶體材料都要受到外加電場的作用，因此必須施加很強的外電場才能改變整個晶體的光學特性，達到調制晶體中光波的目的。所以這種調制器的缺點是調制電壓比較高（幾百伏甚至上千伏），因為目前電光晶體的電光系數都比較小，因而要在傳播方向上實現偏振面90的旋轉需要施加很高的電壓，所以目前很少使用這種類型的調制器。MZ干涉儀式調制器波導電光相位調制器f一=，了波導電光

15、調制器也是利用晶體介質的泡克耳斯效應使介質的介電張量產生微小的變化來產生相差，但由于波導調制器基本上只是對很小的包膜區施加外電場，將場限制在薄膜區附近，因此它需要的驅動功率比體調制器要小一到兩個數量級。具體到波導包光調制器來說，為了利用最大的電光系數，常常使外加電場取Z向，為避免雙折射效應，光波的偏振方向與外加電場一致，這樣不會出現非對角的張量變化，當工作模式設計為單模傳輸，可以不考慮模式間的耦合問題。M-Z干涉儀式調制器結構：輸入光波經過一段光路后在一個Y分支處，被分成相等的兩束，分別通過兩個光波導傳輸，光波導是由電光材料制成的，其折射率隨外加電壓的大小而變化，從而使兩束光信號到達第二個Y分

16、支處產生相位差。若兩束光的光程差是波長的整數倍，兩束光相干加強；若兩束光的光程差是波長的1/2,兩束光相干抵消，調制器輸出很小。因此通過控制電壓就能對光信號進行調制O在M-Z干涉儀式調制器中，調制帶寬受到光波速度和電微波或毫米波速度之差、電極特征阻抗和電極傳播損耗的限制，尤其是光波和電毫米波之間的速度匹配和微波衰減是影響行波調制器性能的兩個關鍵問題。J前可通過對行波電極構形的設計來解決這兩個問題。如采用Z切不對稱條狀線(ASL)電極構形可比其它電極構形有更好的阻抗匹配，從而減小損耗；或釆用Z切共面波導(CPW)電極，可獲得更低的驅動功率，也可提供較好的阻抗匹配。MZ干涉儀式調制器。在MZ干涉儀

17、型強度調制器中，為了提高其調制深度及降低插入損耗，必須采取以下措施：分支張角不宜太大（一般為1。左右），因為張角越大輻射損耗越大。 波導必須設計成單模，防止高階模被激勵。 波導和電極在結構上應嚴格對稱，使兩個調相波的固定相位差等于零。此外，電光波導強度調制器還有走向耦合調制器、折射率分布調制器.電光光柵調制器等類型。0定向耦合器定向耦合器O定向耦合器型強度調制器是由兩個平行且距離很小的兩個光波導組成，一個波導的光能夠橫向耦合到另一個波導內，電極電場的作用是改變波導的傳播特性和促進兩波導間的橫向光耦合。在光的一個耦合周期的長度內,當電極上無電壓時，一個波導內傳播的光完全耦合到另一個波導傳播，最終

18、導致原波導無光輸出，所有的光均耦合到另一個波導輸出。當電極上有電壓時，進入一個波導內的光，耦合后將完全再返回原波導傳播和輸出。這種方式既可作為強度調制，又可作為光開關。M-Z干涉儀式調制器與定向耦合器比較:這兩種調制器的動態范圍和品質因數都類似，但MZ結構的數學模型要簡單得多，定向耦合器對耦合段波導長度要求非常嚴格，實際制作比較困難，另外定向耦合結構的消光比除了受長度制作公差所制約外，還受波導間的串音干擾限制，而且在同等條件下，定向耦合器結構的驅動電壓大約為MZ結構的1.7倍，因此實際商用化的調制器多采用MZ結構。衍射電光調制器0衍射型調制器一般基于布拉格效應，它由交錯的梳狀電極組成。施加在叉

19、指表面電極上的電壓使該電極下面的折射率受到擾動，于是在波導內形成一個有效光柵,此光柵改變了光束的傳輸方向。如果調節波導內光束的傳輸方向，使它以等于布拉格角的角度入射到光柵條上,光就會沿與入射光束成2倍布拉格角的方向以最大的效率衍射出來。反射性電光調制器入則尤Hit適射光反射光平面液#應用線性電光效應來減小波導層內的折射率，從而引起光束的全內反射。是由四個喇叭形錐形通道波導構成一個平面波導的輸入端和輸出端，此平面波導內有一個可通過施加電壓而使折射率減小的波導區。如果不施加電壓，從端口1入射的光束將遇到折射率不變化的交界面，而自由的通過端口4。如果小心的設計和制作喇叭形錐形器，使散射和模式轉換最小

20、，這樣在端口3內的串擾將非常小。然而，當施加適當極性的電壓，使兩電極間的折射率的電極減小時，在不同區域的折射率之間，就產生了兩個界面。如果在第一個界面上入射角大于臨界角，就會發生全內反射，因而部分光束被切換到端口3中。集總參數式光波導調制器O集成電光調制器除了光路即光波導外,還包括電路組成部分，即電極部分。為了加強電信號對光的作用，常常將電極設計成共面波導的結構，從而能夠以較小的驅動功率實現對光載波的調制。電光調制器電極分成集總參數電極和分布參數電極即行波電極兩大類。隨著低損耗光纖的迅速發展，光波導調制器取代了體調制器。其實現方案是利用某種工藝技術使晶體中的某一部分形成相對高的折射率區域，即介質波導，光纖通過介質光波導的兩端對接，因而大大降低了光損耗。同時為了加強電信號對光的作用，將電極改成共面結構，調制信號加在電極上，從而能夠以較小的信號驅動功率實現對光的調制，這就是集總參數電極調制器。行波電極光波導調制器0行波電極實際上就是一種傳輸線結構，以電極作為共面微帶傳輸線，讓光波與微波沿共面電極的同一方向傳播，且信號以行波的形式加到晶體上使高頻電場以行波形式與光波場互相作用，并讓光波與調制信號在晶體內始終具有相同的相速，這樣