集成光電子器件及設(shè)計(jì)-3-集成光無(wú)源器件第二部分

第三章

集成光無(wú)源器件II集成光電子器件及設(shè)計(jì)2Outline

無(wú)源光器件I——基本結(jié)構(gòu)及功能

耦合器：DC、MMI耦合器、Y分支

MZI、AWG、MRR

可調(diào)控/切換光器件

VOA、光開關(guān)、光調(diào)制器

可調(diào)濾波器

非互易光器件

隔離器(isolator)

環(huán)形器(Circulator)光分插復(fù)用器（Optical

Add‐Drop

Multiplexer，OADM）;光交叉連接

設(shè)備（Optical

Cross

Connextion，

OXC）；OADM:本地環(huán)、城域環(huán)的分插復(fù)用;OXC:負(fù)責(zé)不同網(wǎng)絡(luò)之前的鏈接;

35.1

Background4OXC

LaserModVOAMUXInterleaverEDFADEMUXAddSwitchDropMUXDispersioncompersatorDEMUX5OADM類型參數(shù)1310

1550工作波長(zhǎng)(nm)

1310

1550

工作帶寬(nm)

±40

±40

衰減范圍(dB)

0

~

40

0

~

40

原始損耗(dB)

0.3

0.3

調(diào)節(jié)精度(dB)

＜0.2

回波損耗(dB)

≥50

工作溫度(℃)

‐40

~

+70

存儲(chǔ)溫度(℃)

‐40

~

+85

外形尺寸(mm)

78×68×16

6/_d270191810.htm可調(diào)控/切換光器件——VOA

VOA

is

a

device

that

can

incrementally

adjust

the

power

of

the

optical

signal

passing

through

it.

7可調(diào)控/切換光器件——Switcher

——實(shí)現(xiàn)光信號(hào)通斷、路徑改變的器件

光通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)交互、全光網(wǎng)絡(luò)。

廣泛應(yīng)用于光線路保護(hù)（OLP），光線路監(jiān)控（OLM），可配置光分插復(fù)用模

塊（ROADM），網(wǎng)絡(luò)交叉連接（OXC）等系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)光通道的通斷和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)光層面上的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光分插復(fù)

用、光交叉連接和自愈保護(hù)等功能。8可調(diào)控/切換光器件——Modulator/group/foc/downloads/services/40gln/ln40gdpsk‐e‐120510.pdf/group/foc/en/services/optical‐devices/40gln/Wavelength

RepeatabilityDimension(L

x

W

x

H)9可調(diào)控/切換光器件——Tunable

filter

Dynamic

wavelength

selection

in

DWDM

systems

Signal

demultiplexing

for

DWDMs

Optical

performance

monitoringTunable

optical

noise

filtering

Noise

suppression

for

optical

amplifiers

ParameterUnit50

GHz100GHzWavelength

Tuning

RangeWavelength

Tuning

ResolutionPassband

Width1

@

3.0

dB

nmTHzGHz

C-band:

1528

~

1562

L-band:

1567

~

1603

~

10

pm

or

Calibrated

to

ITU

grids25

(Typical)

50

(Typical)Passband

Width1

@

20

dBPeak

Insertion

LossPolarization

Dependent

Loss1GHz

dB

dB

<

85

<5.0<0.3withinCW±5GHz

-

<3.0<0.4withinCW±10GHz

2Wavelength

TemperatureDependenceReturn

LossMaximum

Input

Optical

Power

GHzpm/°C

dB

mW

±1<±

1

(Typical)

>

40

300Tuning

Speedsec<105

~

10Tuning

Power

ConsumptionTuning

VoltageOperating

TemperatureStorage

Temperature

3mW

V

°C

°Cmm<1800

(Peak);

<300

(Idle)

5

(DC)

0

to

65

-40

to

85

84

x

61

x

16105.2光器件可調(diào)控/切換機(jī)理和方式

幾何光學(xué)：機(jī)械式

轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)元件

光強(qiáng)變化；波動(dòng)光學(xué)：

利用x‐光效應(yīng)

改變折射率

干涉型、諧振型光學(xué)結(jié)構(gòu)改變輸出光強(qiáng)/位相/中心波長(zhǎng)*

x‐光效應(yīng)：熱光、電光、磁光、聲光、光光11A.

幾何光學(xué)‐可調(diào)控/切換光器件

——用機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動(dòng)/移動(dòng)元件

——機(jī)械式可調(diào)控/切換光器件12A.

機(jī)械式可調(diào)控/切換光器件

主要代表：光開關(guān)（數(shù)字式：0/1）、VOA（模擬式：0~1）

工作原理：通過(guò)移動(dòng)光纖、或采用棱鏡、反射鏡切換光路；

特點(diǎn)：偏振無(wú)關(guān)、插入損耗低、串?dāng)_小、光學(xué)性能好、體積大、速度慢；13移動(dòng)光纖式光開關(guān)V型槽定位導(dǎo)桿定位

金屬簧片定位裝配精度要求高14ImagingLensesReflector

MEMS

2-axis

Tilt

MirrorsMEMS開關(guān)陣列圖

MEMS

(Micro

Electro

Mechanical

systems)

光開關(guān)

工作原理：通過(guò)磁、靜電效應(yīng)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)微反射鏡，利用這些微鏡片的二維或三維空間運(yùn)動(dòng)，將光直接反射到不同的輸出端

特點(diǎn)：低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性、高消光比、體積小、集成度高、開關(guān)速度快

I/O

Fibers15微反射鏡MEMS光開關(guān)入射光可升降懸臂微反射鏡波導(dǎo)溝渠

波導(dǎo)通過(guò)光頂視圖側(cè)面圖V=0電極

硅襯底PLC入射光溝渠微反射鏡波導(dǎo)波導(dǎo)反射光（a）交叉連接狀態(tài)靜電力電極頂視圖側(cè)面圖V硅襯底

PLC（a）平行連接狀態(tài)

可升降微反射鏡MEMS光開關(guān)16微反射鏡

輸出波導(dǎo)1輸入波導(dǎo)襯底控制信號(hào)V入射光出射光

輸出波導(dǎo)2取向1取向2微反射鏡

輸出光纖1硅襯底PLC控制信號(hào)入射光出射光

輸出光纖2

鏡面旋轉(zhuǎn)軸光纖

出射光可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開關(guān)可立臥微反射鏡MEMS光開關(guān)微反射鏡MEMS光開關(guān)17Lucent微反射鏡MEMS光開關(guān)18MEMS光開關(guān)陣列19光開關(guān)陣列http://www.ntt.co.jp/milab/en/project/pr05_3Dmems.htmlCan

switch

optical

signals

without

converting

them

into

electrical

signals.

Allows

compact

low‐loss

switches

to

be

formed

on

any

scale.

Switching

can

be

performed

in

10‐30

msec.

208x8‐port

fiber‐optic

switch

using

magnetically‐actuated,

electrostatically‐clamped

MEMS

mirrors

/dahorsley/photoalbum.htmlVOA

micromachined

in

SOI.Attenuation

is

achieved

by

introducing

a

metallized

silicon

shutter

into

the

air‐gap

between

two

2122B.波動(dòng)光學(xué)‐可調(diào)控/切換光器件

——折射率變化23i.若干種典型x‐光效應(yīng)

熱光效應(yīng)(Thermoptical)：ΔTΔn；電光效應(yīng)：ΔV

or

ΔEΔn

；磁光效應(yīng)：ΔBΔn、法拉第旋光效應(yīng)

；聲光效應(yīng)（acousto‐optical

effect

）；24熱光效應(yīng)

How

to

make

the

temperature

changed?Electrical‐way

(Ohm

effect

heating);Optical

way

(optical

absorption

heating);25電光效應(yīng)

定義：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3

)，導(dǎo)致折射率發(fā)生變化。

折射率變化Δn與外加電場(chǎng)E有著復(fù)雜的關(guān)系，可近似地認(rèn)為：Δn

~

r

|E|

+

R

|E|2

電光開關(guān)/調(diào)制器主要利用普科爾(Pocket)效應(yīng).電光效應(yīng)引起的折射率變化量，其大小取決于電光學(xué)常數(shù)和施加電場(chǎng)的強(qiáng)度3

zr

13noEe12Δno

=e

zr33n3Ee12Δne

=在LiNbO3晶體中，r33是最大的電光學(xué)常數(shù)。最大擊穿電場(chǎng)~10V/mm，此時(shí)△n=1.6

×10‐3普科爾(Pocket)效應(yīng)：

晶體折射率與外加電

場(chǎng)幅度成線形變化克爾(Kerr)效應(yīng)：晶體折射率與外加電場(chǎng)幅度

的平方成比例變化電光材料：晶體、聚合物材料26電光材料

在可見波段，實(shí)用的電光材料有：氛化磷酸二氫鉀(DKDP)、磷

酸二氫胺(ADP)、LiNbO3

和鈕酸銼(LT)晶體等。DKDP和ADP晶體

有高的光學(xué)

質(zhì)量和高的光損傷閉值，但是其半波電壓較高，而

且要

采用防潮解措施。

LiNbO3和LT晶體有低的半波電壓，物化

性能穩(wěn)定，但是光損傷閉值較低，常用于低、中功率

激光器。

在紅外波段，實(shí)用的電光材料有砷化稼

(GaAs)和啼化錫(CdTe)等

半導(dǎo)體晶體。

電光聚合物材料：旁鏈型DR1/PMMA材料。27半導(dǎo)體材料——載流子色散

硅材料（@1550nm）：1e20cm-31e20cm-31e15cm-3IBMT.

Barwicz

et

al.,

J.

Opt.

Netw.

6,

63

(2007)的平面偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)（在光傳播方向上加強(qiáng)磁場(chǎng)）偏轉(zhuǎn)角度：θ＝VLBV是材料的特性常數(shù)，稱韋爾代常數(shù)，單位是：分/特斯拉?米磁致旋光效應(yīng)：法拉弟效應(yīng)

法拉弟發(fā)現(xiàn)，許多物質(zhì)在

磁場(chǎng)的作用下可使穿過(guò)它Ｈdβ磁致旋光不可逆性：當(dāng)光傳播方向平行于磁場(chǎng)時(shí)，若法拉第效應(yīng)表現(xiàn)為左旋，則當(dāng)光線逆反時(shí)，法拉第效應(yīng)表現(xiàn)為右旋。

2829

聲光效應(yīng)光通過(guò)聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生散射或衍射現(xiàn)象。由于彈光效應(yīng)，當(dāng)超聲縱波以行波形式在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)使介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦或余弦規(guī)律變化，并隨超聲波一起傳播，如同一個(gè)光學(xué)“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長(zhǎng)λs。當(dāng)激光通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生光的衍射，即聲光衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲波場(chǎng)而變化。其中衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率的變化現(xiàn)象稱為聲光偏轉(zhuǎn)；衍射光強(qiáng)度隨超聲波功率而變化的現(xiàn)象稱為聲光調(diào)制；布喇格衍射：聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。換能器：當(dāng)電信號(hào)作用于壓電材料，會(huì)激勵(lì)彈性波。彈性形變會(huì)引起介質(zhì)折射率橢球變化。通過(guò)在壓電襯底或壓電薄膜上制作叉指電極構(gòu)成。聲光晶體：鉬酸鉛晶體30ii.

可調(diào)控/切換光器件實(shí)現(xiàn)方式相互作用效應(yīng)現(xiàn)象功能典型的波導(dǎo)材料電場(chǎng)‐光電光效應(yīng)折射率變化路切換、模變換振幅/相位調(diào)制、光

Ti擴(kuò)散LiNbO3聲波‐光聲光效應(yīng)折射率變化偏振、衍射、Ti擴(kuò)散，磁場(chǎng)‐光磁光效應(yīng)

模變換偏振波面旋轉(zhuǎn)

非互易器件、調(diào)制LiNbO3/As2S3YIG膜熱場(chǎng)‐光熱光效應(yīng)折射率變化振幅/相位調(diào)制普通材料光場(chǎng)‐光非線性效應(yīng)

感應(yīng)極化調(diào)制、開關(guān)Ti擴(kuò)散LiNbO331可調(diào)控/切換光器件結(jié)構(gòu)形式

加熱電極應(yīng)用開關(guān)時(shí)間光路交換及管理(OADM、OXC)1~10ms保護(hù)開關(guān)1~10ms光包交換1ns外調(diào)制10ps32(1)

光開關(guān)

除了傳統(tǒng)的機(jī)械式光開關(guān)、MEMS開關(guān)

外，還有磁光開關(guān)、M‐Z型干涉式光開

關(guān)、熱光開關(guān)、聲光開關(guān)、液晶開關(guān)等。

不同的實(shí)現(xiàn)原理和工藝特點(diǎn)使其在性能

指標(biāo)上各不相同，如：插損（IL），串

擾（Crosstalk），偏振相關(guān)度（PDL），

波長(zhǎng)相關(guān)度（WDL），溫度相關(guān)性

（TDL），重復(fù)性等等上的差異導(dǎo)致各

自應(yīng)用方式不同，同時(shí)成本也是供應(yīng)商

和系統(tǒng)商非?？粗氐囊蛩刂弧?3各種原理的光開關(guān)對(duì)比表/2837/a679547.html34a.

熱光開關(guān)35噴墨氣泡熱光開關(guān)模塊(1).

基于全反射原理的熱光開關(guān):噴墨氣泡

工作原理：利用了氣泡（鏡面）對(duì)光反射的原理，當(dāng)入射光照入并要求

交換時(shí)，一個(gè)熱敏硅片會(huì)在液體中產(chǎn)生一個(gè)氣泡，氣泡將光從入射波導(dǎo)

全反射到輸出波導(dǎo)

特點(diǎn)：

開關(guān)速度為ms量級(jí)

插損低

串?dāng)_小

具有較好的可擴(kuò)展性36(2).基于全反射原理的熱光開關(guān)

Design

of

the

Thermal

Optical

Switch

based

on

Total

Internal

Reflection37(1).基于全反射原理的光開關(guān)38(2)

MZI干涉型熱光開關(guān)

工作原理：通過(guò)電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導(dǎo)致光在介

質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通斷

典型材料：SiO2、Si、LiNbO3和有機(jī)聚合物等

特點(diǎn)：可以集成、開關(guān)速度優(yōu)于機(jī)械式（ms）Δφ=

PP

3

1sin2

ΔφΔφ

=

ΔnL

=?π

ΔT

??π

ΔT

?λ0式中

ΔT0

=

2143B薄膜Si襯底(b)

截面圖A

B波導(dǎo)

A波導(dǎo)薄膜

L(a)

俯視圖

加熱W24

12

2P

=

P

cosaΔTL3

1

2π

2π

λ0

λ0P

=

P

sin2

?

??

2

ΔT0

?4

1P

=

P

cos2

?

?

2aL?

2

ΔT0

?01.03900.20.60.41.00.8相對(duì)輸出功率

0.5

熱驅(qū)動(dòng)功率（W）（c）2x2熱電光開關(guān)響應(yīng)曲線(2)

MZI熱光開關(guān)

Cr薄膜加熱器40(3)

Y和X型數(shù)字式光開關(guān)對(duì)于Y分支，不加熱時(shí)，主臂的有效折射率大于支臂，光從主臂通過(guò)，當(dāng)對(duì)支臂加熱時(shí)，其折射率增大，光束從支臂通過(guò)；對(duì)于X分支，不加熱時(shí)，主臂的有效折射率大于支臂，光束1、2分別通過(guò)支臂和主臂，當(dāng)對(duì)支臂加熱時(shí)，其折射率增大，光束1、2實(shí)現(xiàn)通路交換；數(shù)字式：當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出光強(qiáng)呈階躍特性41

b.

電光開關(guān)電光開關(guān)的原理一般是利用材料的電光效應(yīng)、電吸收效應(yīng)、等離子體色散效應(yīng)，在電場(chǎng)作用下改變材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變；電光效應(yīng)馳豫的時(shí)間很短，僅有10‐11s量級(jí)，外場(chǎng)的施加或撤銷導(dǎo)致的折射率變化或恢復(fù)瞬間即可完成，因而可用作高速調(diào)制器、高速開關(guān)等。42(1)

定向耦合器電光光開關(guān)(利用相位失配)在定向耦合器的兩個(gè)波導(dǎo)上設(shè)置電極，并施加電壓，耦合器的兩個(gè)波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生大小相等，方向相反的電場(chǎng)；一個(gè)傳播常數(shù)增加，一個(gè)傳播常數(shù)減小；V(t)電極光輸入輸出Ea-ABTi

-

LiNbO3

波導(dǎo)LiNbO3光纖A

+B電極調(diào)制信號(hào)

V(t)LiNbO3耦合波導(dǎo)L0-dnAnB(π

3)/

L0ΔβPB(L0)/PA(0)

100%q

=

κ

2

+δ

2?

L

??

ΔβL?V=V0,直通態(tài)輸出：?

?

+?

?

=(2v)243定向耦合器電光光開關(guān)工作原理直通態(tài)波導(dǎo)

1

波導(dǎo)

2z

=0z=L交叉態(tài)-

+耦合區(qū)V=0,

交叉態(tài)輸出：Δβ

=

0,

L

=

2v+1

Lc(v

=

0,1,2,...)2

2(v

=1,2,...)?

Lc

?

?

π

?

3πLc當(dāng)

Δβ

=時(shí)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能(2)

M‐Z干涉儀型光開關(guān)由兩個(gè)3dB耦合器DC1、DC2及帶有電極的兩個(gè)干涉臂L1、L2構(gòu)成，形成雙臂偏壓的工作方式（有時(shí)采用單臂偏壓）。

44n

γE

=n

γ2π

2πn3γVLλ0

0dλ451

3

1

3

V2

2

dΔn

=對(duì)于對(duì)稱型M‐Z干涉儀，L1=L2=L，兩臂的相位差為令Δφ＝π

時(shí)的電壓為半波電壓則

M‐Z干涉儀型光開關(guān)波導(dǎo)臂上產(chǎn)生的折射率變化Δφ

=?（2?Δn）L

=

λ0d2n3γLVπ

=πV

VπΔφ

=?

??

?

=A

1e?i2βl?

??

e?iΔφ

?1

?+1)?

??i(e?12?iΔφ?

?sin2(

)?

2Vπ

?

?

2Vπ

?不加電壓時(shí)，V=0，T3=0，T4=1；加半波電壓Vπ時(shí)，T3=1,T4=0，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)作用。

46

?

A3?

?A4?③、④端的透過(guò)率為

M‐Z干涉儀型光開關(guān)設(shè)①端輸入光的振幅為A1,從③、④端輸出的信號(hào)的振幅為A3

、A4,利用耦合器的傳輸方程，可得47/global/news/pr/archives/month/2010/20101109‐02.html

Electrical‐Optical

Switch

(from

Fujitsu)電光開關(guān)48

(3)

液晶電光開關(guān)扭曲排列的液晶分子具有光

波導(dǎo)效應(yīng)

入射的自然光

偏振片P1

光波導(dǎo)已被

電場(chǎng)拉伸

偏振片P2出射光49分支開關(guān)分支點(diǎn)的截面圖及有效折射率分布50

c.

聲光開關(guān)

利用聲光效應(yīng)，即聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性變化，形成等效的位相光柵，其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)，因而能提供一種方便地控制光的強(qiáng)度、頻率和傳播方向的手段。51SAW的光柵輸入光

聲波產(chǎn)生控制信號(hào)LiNbO3聲波V

acoustic反射光聲光開關(guān)

nmax

nmin透射光由電聲換能器激勵(lì)一束聲波，在聲波的作用下，晶體的折射率將沿聲波的傳輸方向呈周期性變化，在介質(zhì)中形成布拉格光柵，利用其對(duì)入射光的衍射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。開關(guān)速度快(ns)，但插損比較大，且成本較高；EOOEOE檢偏器棱鏡方解石3插入損耗(dB)串音(dB)開關(guān)時(shí)間(ms)最小電壓(V)1.3~1.7-2530±5EOEO偏器

晶體45石英52d.

磁光開關(guān)2光纖1

光纖

透鏡透鏡

線圈施加電壓+5V時(shí)32透鏡透鏡透鏡電磁鐵玻璃塊

0旋轉(zhuǎn)器(a)1

光纖光纖方解石1起偏器方解石2

檢偏器O+E3光纖1

光纖

透鏡透鏡

線圈施加電壓-5V時(shí)棱鏡玻璃塊030-55端口1-3端口1-2傳

0施加電壓(V)(b)表

3.6.1磁光式光開關(guān)的特性O(shè)+EGd:YIG

晶體起

Gd:YIG

檢偏

器

輸

損

20

耗(dB)

105354e.

光‐光開關(guān)：All

optical

switchersOptical

absorption

Optical

absorption

Heating;

Change

carriers’

concentration;Optical

force

Move

structures;55http://www.switching.fotonik.dtu.dk/Overview.aspx

2.

全關(guān)開關(guān)In

order

to

increase

the

data

rates

while

maintaining

a

fixed

power,

one

must

lower

the

energy

required

per

switching

event,

and

this

may

be

achieved

with

optical

microcavities

in

which

the

local

electric

field

strength

is

dramatically

enhanced.

563.

Optical

switcher

with

optical‐forcesLipson’s

group

at

Cornell

Univ.The

nanoscale

resonators

developed

at

Cornell

can

exert

relatively

strong

forces

on

tiny

particles,

leading

the

way

to

important

advancements

in

MEMS

and

MOMS

systems.

類型大小插損(dB)串?dāng)_(dB)PDL(dB)開關(guān)時(shí)間機(jī)械式8×83550.210ms熱光開關(guān)SilicaPolymer8×88×810101530LowLow2ms2ms電光開關(guān)LiNbO3SOA4×44×48035401Low10ps1ns57光開關(guān)性能比較58Optical

modulators光調(diào)制

光調(diào)制就是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上,完成這一過(guò)程的器件稱

為調(diào)制器。直接調(diào)制(內(nèi)調(diào)制)：把承載信息的電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電流直接施加在激光器上即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

59

60直接調(diào)制和外調(diào)制

?

Direct

Modulation

of

Laser

Diode

Bias

+

DATA

Laser

Issues

--

Complex

Dynamics

Yield

?

External

Modulation

of

Laser

Diode

BiasLaserBias

+

DATA

ModulatorIssues

--

Additional

ComponentC61輸出功率直流偏置t

t調(diào)制信號(hào)

t輸出光強(qiáng)信號(hào)(b)~LD

L

直流偏置調(diào)制信號(hào)(a)半導(dǎo)體激光器調(diào)制

(a)

電原理圖；(b)

調(diào)制特性曲線內(nèi)調(diào)制方式-直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理以及輸出光功率與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號(hào)電流的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號(hào)不失真。62PoutIbIDttI(b)OIOt(a)(a)

LED數(shù)字調(diào)制特性(b)

加Ib后LD數(shù)字調(diào)制特性內(nèi)調(diào)制-數(shù)字調(diào)制特性

Pout63激光器光載波外調(diào)制器

外調(diào)制方式調(diào)制光信號(hào)輸出電信號(hào)

外調(diào)制方式

外調(diào)制：通過(guò)光調(diào)制器，將攜帶信息的電信號(hào)與輸入光調(diào)制器的連續(xù)光載波相作用。包括：幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制。調(diào)制方式比較激光器

輸出調(diào)制光

信息電信號(hào)

連續(xù)光信號(hào)外調(diào)制器信息電信號(hào)輸出調(diào)制光波LD

輸出連續(xù)光激光器

輸出調(diào)制光信息電信號(hào)信息電信號(hào)輸出調(diào)制光波（a）

直接調(diào)制（b）外調(diào)制01

0

1

001

010直接調(diào)制：電路簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、高速率時(shí)輸出光譜變寬，易受光纖色散影響；外調(diào)制：適合高速率光纖傳輸系統(tǒng)

6465光調(diào)制器

光調(diào)制器——外調(diào)制方式中采用，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，

可

避免對(duì)光源直接調(diào)制產(chǎn)生線性調(diào)頻的限制。調(diào)制器一般用電光效

應(yīng)或聲光效應(yīng)使折射率改變，或用磁光效應(yīng)使光的透過(guò)率變化實(shí)

現(xiàn)光調(diào)制。

調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變化而變化，這些參數(shù)包

括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長(zhǎng)等。承載信息的調(diào)制光

波在光纖中傳輸，再由光探測(cè)器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測(cè)出所需要的

信息。

與光開關(guān)的區(qū)別：如果一個(gè)器件的主要作用是通過(guò)暫時(shí)改變光波

的某一特性將信息加到光波上去，則為調(diào)制器；而光開關(guān)則是改

變光線的空間線路或控制其通斷。66高

光調(diào)制器的性能參量光調(diào)制器的性能參量：半波電壓、消光比、調(diào)制帶寬、插入損耗；光纖通信系統(tǒng)對(duì)調(diào)制器的要求：高調(diào)制速率、大調(diào)制帶寬、低半波電壓的消光比、低插入損耗；

外調(diào)制技術(shù)分類：

?

電光調(diào)制

Electrooptic

Effects

?

電致吸收

Electro‐Absorption

Effects

?

磁光調(diào)制

Magnetooptic

Effects

?

聲光調(diào)制

Acoustic

Modulators

其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。67電光調(diào)制器V(t)電極輸出Ea-ABTi

-

LiNbO3

波導(dǎo)LiNbO3光纖A

+B電極調(diào)制信號(hào)

V(t)LiNbO3耦合波導(dǎo)L0-dnAnB光輸入

方向耦合器型電光強(qiáng)度調(diào)制器電光效應(yīng)光調(diào)制器電光效應(yīng):

在較強(qiáng)外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的極化強(qiáng)度以及折射率會(huì)各向異性的發(fā)生變化。電光效應(yīng)馳豫的時(shí)間很短，僅有10-11s量級(jí)，外場(chǎng)的施加或撤銷導(dǎo)致的折射率變化或恢復(fù)瞬間即可完成，因而可用作高速調(diào)制器、高速開關(guān)等。

68

調(diào)制信號(hào)V(t)

共平面條形電極輸出D偏振光輸入

CLiNbO3偏振光輸入調(diào)制信號(hào)V(t)

電極輸出BA

DC

ABEa+--AB+-Ea

ABTi-LiNbO3

波導(dǎo)LiNbO3

(a)

調(diào)制電壓施加在兩臂上

Ti-LiNbO3

波導(dǎo)(b)

調(diào)制電壓施加在單臂上透射光強(qiáng)調(diào)制電壓光強(qiáng)轉(zhuǎn)換到最大光強(qiáng)所需的電壓69Vπ/2Vπ調(diào)制電壓透射光強(qiáng)t

Vπ

π

半波電壓V是把調(diào)制器從最小光強(qiáng)轉(zhuǎn)換到最大光強(qiáng)所需的電

壓注意：在調(diào)制的區(qū)域要求器件的線性度高。若調(diào)制器工作在非線性部分,則調(diào)制光將發(fā)生畸變。

電光調(diào)制器響應(yīng)電光調(diào)制的透過(guò)率(調(diào)制器被偏置在Vπ/2點(diǎn)上)聲光效應(yīng)調(diào)制器聲波的應(yīng)變場(chǎng)改變某些晶體的折射率，由于聲波的周期性，會(huì)引起折射率的周期性變化，產(chǎn)生類似于光柵的結(jié)構(gòu)，從而對(duì)入射的光波產(chǎn)生調(diào)制。

70彈光效應(yīng)：超聲波引起晶體的應(yīng)變場(chǎng)，使入射晶體中的光被這種彈性波衍射。常用材料：壓電晶體(石英、鈮酸鋰)或壓電半導(dǎo)體。71

71

聲光調(diào)制器的工作原理聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過(guò)程。調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。I0

=

Ii

cos2(

)I1

=

Ii

sin2(

)72

衍射光調(diào)制信號(hào)布喇格型聲光調(diào)制器fs

λ2nvs

λ2nλs=sinθB

=入射光

布拉格方程ν是光波穿過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的超聲場(chǎng)所產(chǎn)生的附加相位延遲:ν=2πΔnL／λλs

(sin

θi

+sin

θd

)＝m

λ/n

θi

=

θd

=

θB

,

稱為布拉格角v2v2當(dāng)入射光強(qiáng)為Ii時(shí)，布拉格聲光衍射的0級(jí)和1級(jí)衍射光強(qiáng)為I1

/

Ii

=sin

[

(

)ΔnL)]I1

π

2L22λ

cos

θM

2

=

n

P

/ρυ73η

tPsId(fm)0

fm(Is)聲光調(diào)制特性曲線M2Isηs=

≈

2

2Ii

B

布喇格型聲光調(diào)制器響應(yīng)衍射效率ηs與超聲功率Ps是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。式中聲光材料的品質(zhì)因數(shù)6

23s2

1

2π

2

λ超聲強(qiáng)度材料密度

聲速?gòu)椆庀禂?shù)

彈性應(yīng)變幅值λ2

cos2θB

?

H

?74λ2cos2θB

2M2L

2Is

=?

?P

=

HLIs

=s2M

2

?

L

?所需的聲功率可見，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100%的衍射效率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應(yīng)做得長(zhǎng)（L大）而窄（H?。?。

布喇格型聲光調(diào)制器響應(yīng)聲光調(diào)制器的一個(gè)重要參量是衍射效率，η=100％時(shí)所需聲強(qiáng)度為?

=

Ii

sinBVI1

=

Ii

sin

2?B'75聲光波導(dǎo)調(diào)制器OΛ

sinθSAWΛsinθθnmax

nminO

θ輸入光

B

A

聲波產(chǎn)生

的光柵Λx

nnmax

nmin實(shí)際折射率射頻輸入

LiNbO3

理想折射率

P,

Q

2θ

x

聲波Vacoustic

A'

輸出光

x

x

聲波

強(qiáng)度

nnmax

nminB'Λnmin

nmax

Bnmax

nmax輸入光

A輸出光(反射光)

A'

Vacoustic聲波θ

QΛsinθ

聲波波前

θ

O

P

θΛsinθ

O'Λλ?Δ?

??

2

?76

半導(dǎo)體光調(diào)制器

電場(chǎng)

載流子濃度變化

折射率實(shí)部、虛部變化

相位、吸收系數(shù)變化；電致吸收：為吸收邊陡峭，熱穩(wěn)定性良好，而且外加合適的反向電場(chǎng)時(shí)，激子吸收峰會(huì)明顯的向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，外電場(chǎng)取消后吸收光譜又能可逆的還原。這種材料是通過(guò)設(shè)計(jì)多量子阱結(jié)構(gòu)的阱和壘的組分和厚度以及周期數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這就是通常所說(shuō)的“能帶工程”。77新型電光調(diào)制器——硅光電調(diào)制器

Intel’s

silicon

optical

modulator78Silicon

hybrid

EAMSilicon

optical

modulator

with

grapheneMing

Liu,

Xiaobo

Yin,

Erick

Ulin‐Avila,

Baisong

Geng,

Thomas

Zentgraf,

Long

Ju,

Feng

Wang,

Xiang

Zhang.

A

graphene‐based

broadband

optical

modulator.

Nature,

2011;

DOI:

10.1038/nature10067

7980非互易光器件非互易光器件

用途

只允許單向光傳播，防止反向傳輸。

用于激光器或光放大器之后，以消除反射光的影

響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

主要參數(shù)要求

低插入損耗（~0.5

dB）

高隔離度（40~50dB）光環(huán)形器與光隔離起工作原理基本相同，只是光隔離器一般為兩端口器件，而光環(huán)形器則為多端口器件。在光網(wǎng)絡(luò)中用于信號(hào)的上、下載。

81隔離器

環(huán)形器82磁光效應(yīng)光調(diào)制器常用材料：釔鐵石榴石(YIG)或摻鎵YIG晶體法拉第效應(yīng)：當(dāng)一束平面偏振光通過(guò)磁場(chǎng)作用下的某些物質(zhì)時(shí)，其偏振面受到正比于外加磁場(chǎng)平行于傳播方向分量的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。4545

C

法拉光隔離器的基本結(jié)構(gòu)GRIN透鏡GRIN透鏡起偏振器檢偏振器法拉第旋轉(zhuǎn)器0oo90o入射光反射光出射光反射光自聚焦透鏡

0第旋轉(zhuǎn)器永磁鐵

方解石（檢偏振器）

方解石（起偏振器）Gd：YIG膜PA

磁場(chǎng)法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器厚膜Gd:YIG隔離器起偏器使入射光的垂直偏振分量通過(guò)，調(diào)整法拉第旋轉(zhuǎn)器（YIG）的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使偏振面旋轉(zhuǎn)45°，然后通過(guò)檢偏器。反射光返回時(shí)，通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器又一次旋轉(zhuǎn)45°，正好與入射光偏振面正交，因此受到隔離。

8384光隔離器的性能指標(biāo)

插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個(gè)主要性能參數(shù)，另還有回波損

耗、偏振相關(guān)損耗和偏振模色散。

?插入損耗：在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離

器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號(hào)功率為Pi，經(jīng)過(guò)光隔離器

后的功率為Po，則插入損耗IL為(dB)iP

oP

IL=

?10log顯然，其值越小越好。的損耗。有其中，

為反向輸入光隔離器的光信號(hào)功率，

為反向通過(guò)光隔離器的光功率。隔離度越大越好。

85r?

回波損耗

回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對(duì)入