光纖通信第5版第4章集成光波導(dǎo)56課件

§4.1電介質(zhì)平板波導(dǎo)§4.2對(duì)稱平板波導(dǎo)中的模式§4.3非對(duì)稱平板波導(dǎo)中的模式§4.4波導(dǎo)的耦合§4.5平板波導(dǎo)的色散和失真§4.6集成光器件§4.7總結(jié)和討論第4章集成光波導(dǎo)§4.5平板波導(dǎo)的色散和失真

——波在折射率隨波長(zhǎng)變化的介質(zhì)中傳播時(shí)，波形會(huì)發(fā)生展寬(失真)。脈沖展寬是一種在任何包含色散材料的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)中都存在的現(xiàn)象。在電介質(zhì)平板波導(dǎo)和光纖這樣的波導(dǎo)中，還有另外兩種失真：波導(dǎo)色散和多模失真。即使中心薄膜和襯底材料是非色散的，對(duì)于固定的中心薄膜厚度，某個(gè)特定模式的有效折射率也會(huì)隨波長(zhǎng)而變化。由圖4.5可看到這種變化趨勢(shì)，即波導(dǎo)色散。4.5.1波導(dǎo)色散圖4.5對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式圖(n1=3.6,n2=3.55)2隨波長(zhǎng)的變化，有效折射率neff與折射率n一樣會(huì)導(dǎo)致脈沖展寬。在通常情況下，材料是色散的，因此波導(dǎo)色散與材料色散會(huì)同時(shí)存在。4.5.1波導(dǎo)色散圖4.5對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式圖(n1=3.6,n2=3.55)3由波導(dǎo)色散所引起的脈沖展寬幅度與材料色散所導(dǎo)致的脈沖展寬遵循同樣的方程，不同的是要用有效折射率替代材料折射率。4.5.1波導(dǎo)色散材料色散：波導(dǎo)色散：式中最后一項(xiàng)可從模式圖中neff的斜率獲得，如同式(3.13)中的n”可由折射率曲線的斜率求得一樣。4圖3.6石英玻璃的折射率與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線圖4.5對(duì)稱平板波導(dǎo)的模式圖(n1=3.6,n2=3.55)5波導(dǎo)色散總的脈沖展寬由下式給出：因?yàn)椴牧仙有可能為負(fù)值(例如在石英玻璃中，當(dāng)工作波長(zhǎng)超過(guò)1300nm時(shí))，由色散引起的總脈沖展寬實(shí)際上有可能會(huì)因?yàn)椴▽?dǎo)色散的存在反而減小。圖3.8純siO2的材料色散，與圖3.6(c)非常相似*圖D=-M*圖總色散圖D=Dm+Dw7當(dāng)多個(gè)模式在同一平板波導(dǎo)中傳播時(shí)，相對(duì)于波導(dǎo)軸的傳輸速度（角度不同，軸向速度不同）互不相同。一個(gè)入射光束的能量在傳輸過(guò)程中會(huì)被分配到若干個(gè)模式上，其傳播速度各不相同。因此輸入波形在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生畸變。各個(gè)模式到達(dá)輸出端的時(shí)間不同，從而使得波形被展寬，這種現(xiàn)象稱為多模失真或模式失真，也常稱為多模色散。4.5.1多模失真（模式色散）注意：多模失真并不取決于光源線寬。一個(gè)理想的單頻光脈沖(Δλ=0)仍然會(huì)產(chǎn)生多模展寬，而材料展寬和波導(dǎo)展寬則為零。如果波導(dǎo)只允許一個(gè)模式傳播，則不會(huì)產(chǎn)生多模失真，這就是單模波導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。8MultimodeDistortionConsidertheworstcasebycalculatingthedifferenceinarrivaltimesbetweenthelowestmode(axial)andthehighestmode(=c)forahighlymultimodewaveguide.LetL=lengthofthewaveguideMultimodeDistortionn1n2n1>n2AxialmodeL2n2cHigherordermodeL1MultimodeDistortionAxialmodetraveltime:L1L2(4.25)Forthecriticalangleray,cMultimodeDistortionThetotalpathofthecriticalanglerayisthen(4.26)Thecriticalangleraytraveltimeis:MultimodeDistortionThetotaldelayisThisisthemodalpulsespreadperunitlengthinamultimodewaveguide.Wecanwriteitas(4.27)MultimodeDistortiontogetUsethefractionalrefractiveindexchange(4.28)ModalPulseSpreadIfn1andn2arenearlyequalMultimodeDistortionFinally,intermsofthenumericalaperturethemodalspreadcanbeexpressedas:(4.29)ModalPulseSpreadDISPERSIONANDDISTORTIONINTHESLABWAVEGUIDEThetotalpulsespreadisgivenby:§4.6集成光器件

——利用集成光學(xué)技術(shù)可以制造無(wú)源器件與有源器件。無(wú)源器件：定向耦合器、分束器、隔離器、濾波器、復(fù)用器、解復(fù)用器、透鏡、棱鏡等有源器件：調(diào)幅器、調(diào)相器、光開(kāi)關(guān)、可變光衰減器、可調(diào)濾波器、光源、光檢測(cè)器等圖4.20集成光透鏡4.6.1無(wú)源器件無(wú)源器件一般都可以通過(guò)改變波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)來(lái)制作。正如在模式圖中所看到的，改變中心薄膜厚度將會(huì)改變其等效折射率。根據(jù)Snell定律，厚度的變化會(huì)導(dǎo)致光線的偏轉(zhuǎn)。圖4.20給出了一個(gè)用這種方法構(gòu)造的集成光透鏡。18圖4.21集成光定向耦合器如圖4.21為一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的無(wú)源集成光定向耦合器。假設(shè)光功率通過(guò)端口1進(jìn)入，部分功率從端口2輸出，另一部分功率從端口3輸出。理想情況下，沒(méi)有光到端口4。通過(guò)合理選擇耦合區(qū)長(zhǎng)度，耦合進(jìn)相鄰波導(dǎo)光功率的百分比可在0~100之間變化。相鄰波導(dǎo)之間的耦合是通過(guò)各自消逝場(chǎng)的交迭實(shí)現(xiàn)的。19對(duì)于理想的耦合器，相對(duì)輸出功率可為: P2/P1=cos2(pL/2Lc) P3/P1=sin2(pL/2Lc)Lc

為耦合長(zhǎng)度.(4.30)(4.31)2021考慮比例1:1 P2/P1=cos2(p/4)=(0.707)2=0.5 P3/P1=sin2(p/4)=(0.707)2=0.5相對(duì)輸入功率

10logP2/P1=10log0.5=-3dB稱為3-dBcoupler.22波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的集成光功分器: Pin/2PinPin/223多個(gè)級(jí)聯(lián)

1x8Coupler4.6.2有源器件有源器件按其功能可分為兩類：控制光：光開(kāi)關(guān)、光偏轉(zhuǎn)器、光掃描器、光調(diào)制器等轉(zhuǎn)換光：光源（將電轉(zhuǎn)換成光）、光檢測(cè)器（將光轉(zhuǎn)換成電）有源器控制器件依靠電光材料或聲光材料的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。電光材料根據(jù)所施加的電場(chǎng)改變其折射率。聲光材料依賴聲波（由波導(dǎo)表面壓電效應(yīng)所激發(fā)）與光束的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。所有的有源控制功能都可以通過(guò)電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。24圖4.24電光開(kāi)關(guān)圖4.24是一幅電光開(kāi)關(guān)示意圖。中心薄膜必須具有強(qiáng)電光特性，LiNbO3是較合適的材料。圖中的中心薄膜嵌在襯底上，通過(guò)在LiNbO3襯底上進(jìn)行鈦擴(kuò)散產(chǎn)生一個(gè)較高折射率區(qū)來(lái)制造。電極置于波導(dǎo)頂部。通過(guò)調(diào)整耦合長(zhǎng)度，使得不加電壓時(shí)，所有的光都轉(zhuǎn)換到第二個(gè)波導(dǎo)。在此種狀態(tài)下，兩個(gè)完全相同的波導(dǎo)是滿足相位匹配條件的。25在電極上加一定電壓時(shí)，產(chǎn)生的電場(chǎng)導(dǎo)致兩種波導(dǎo)的折射率都發(fā)生變化。如圖所示，由于加在兩個(gè)波導(dǎo)上的電場(chǎng)方向剛好相反，因此兩個(gè)波導(dǎo)的折射率變化也恰好相反。此時(shí)，兩種波導(dǎo)的折射率不再相同，相位匹配條件不再成立，導(dǎo)致交叉耦合減小到零。于是所有的光沿輸入波導(dǎo)繼續(xù)傳播，即P2/P1=1，P3/P1=0

。Fig4.24ElectroopticSwitch圖4.25為一種集成光調(diào)制器的設(shè)計(jì)示意圖。為M-Z干涉儀，由平行的LiNbO3襯底上采用鈦擴(kuò)散形成的波導(dǎo)構(gòu)成。工作原理：如果不加電壓，在輸出端獲得最大幅度的傳輸光。如果施加一個(gè)合適的電壓在電極上，兩個(gè)光束之間可能有180°的相位差，使得輸出最小。工作在吉比特范圍、需要10V左右電壓的這類器件已經(jīng)制造出來(lái)。更先進(jìn)的調(diào)制器在3V~4V電壓下可以在2.5Gbps范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光的開(kāi)關(guān)，在5V~7V電壓下可在10Gbps范圍內(nèi)進(jìn)行光的開(kāi)關(guān)。圖4.25集成光M-Z干涉調(diào)制器28Mach-ZehnderModulator調(diào)制器的傳輸特性：29Mach-ZehnderModulatorvoltagePout/Pin(4.32)30Pout/Pinsignalvoltage(4.33)調(diào)制器與光開(kāi)關(guān)是很重要的器件，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：相對(duì)于LED、LD的直接調(diào)制，外調(diào)制可以在較高的頻率內(nèi)進(jìn)行。使用集成光外調(diào)制器或其他外調(diào)制器，可以獲得幾個(gè)GHz的帶寬。調(diào)制器與光開(kāi)關(guān)是很重要的器件，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：對(duì)半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制可能會(huì)改變其輸出波長(zhǎng)，增加其線寬（啁啾現(xiàn)象），但外調(diào)制會(huì)降低這種效應(yīng)。在一些應(yīng)用中，是不允許波長(zhǎng)與線寬發(fā)生改變的，包括：信道間隔很小的光復(fù)用；工作在最小材料色散波長(zhǎng)的光纖通信系統(tǒng)；高速鏈路和相干檢測(cè)系統(tǒng)。啁啾效應(yīng)會(huì)增加光束的譜寬，使得色散影響增大（由3.2節(jié)的討論可知將導(dǎo)致線路容量降低）。在高速系統(tǒng)中要求色散盡可能小，因此外調(diào)制器得到了廣泛應(yīng)用。4.6.3光電子集成光學(xué)光電子集成電路(OEIC)可以在同一個(gè)基片上實(shí)現(xiàn)光器件與電子器件的功能，一般采用半導(dǎo)體基片和薄膜波導(dǎo)制作。半導(dǎo)體材料提供了將光源、光檢測(cè)器和電子線路組合在同一基片上的可能。光中繼器是基于這種概念的一個(gè)具體應(yīng)用，如圖4.28。33圖4.28光中繼器光中繼器組成：一個(gè)GaAs襯底、一個(gè)GaAs光檢測(cè)器、一個(gè)完成所有電功能的GaAs金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、一個(gè)AlGaAs半導(dǎo)體激光器光源。圖4.28光中繼器工作原理：微弱的光信號(hào)從光纖中投射出來(lái)，照射在一個(gè)光電導(dǎo)器件上，從而改變其阻抗。光電導(dǎo)器件兩端的電壓是恒定的，因此其電流將隨光調(diào)制特性變化，即將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。然后電信號(hào)被放大，再用放大了的電流來(lái)調(diào)制半導(dǎo)體激光器。于是，激光器的輸出就是輸入光信號(hào)的放大形式。此時(shí)，又重新將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成了光信號(hào)。最后，激光器的輸出光束耦合進(jìn)光纖進(jìn)行更遠(yuǎn)