第三讲-电光调制器

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1、2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 1 第三章 电光调制器第三章 电光调制器 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 2 内 容内 容 电光调制的基本原理电光调制的基本原理 铌酸锂（铌酸锂（LiNbO3）电光调制器）电光调制器 半导体电吸收调制器（半导体电吸收调制器（EAM） 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 3 电光调制电光调制 电光调制：电光调制：将电信息加载到

2、光载波上，使光参量随着电参 量的改变而改变。光波作为信息的载波。 将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参 量的改变而改变。光波作为信息的载波。 强度调制的方式强度调制的方式 作为信息载体的光载波是一种电磁场：( )() 0 cosE teAt=+ r r 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。在模拟信号的调 制中称为AM、FM和PM；在数字信号的调制中称为ASK、FSK和PSK。 调制器：将连续的光波转换为光信号，使光信号随电信号的变化而变化调制器：将连续的光波转换为光信号，使光信号随电信号的变化而变化。 性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置电 压。 性能优良

3、的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置电 压。 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 4 电光调制的主要方式电光调制的主要方式 直接调制：直接调制：电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使输出激光强 度随电信号而改变。 电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使输出激光强 度随电信号而改变。 优点：优点：采用单一器件 成本低廉 附件损耗小 采用单一器件 成本低廉 附件损耗小 缺点：缺点：调制频率受限，与激光器弛豫振荡有关 产生强的频率啁啾，限制传输距离 光波长随驱动电流而改变 光脉冲前沿、后沿产生大的波长漂

4、移 适用于短距离、低速率的传输系统 调制频率受限，与激光器弛豫振荡有关 产生强的频率啁啾，限制传输距离 光波长随驱动电流而改变 光脉冲前沿、后沿产生大的波长漂移 适用于短距离、低速率的传输系统 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 5 电光调制的主要方式电光调制的主要方式 外调制：外调制：调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、热光或声 光等物理效应，从而使通过调制器的激光束的光参量随信号 而改变。 调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、热光或声 光等物理效应，从而使通过调制器的激光束的光参量随信号 而改变。

5、 优点：优点：不干扰激光器工作，波长稳定 可对信号实现多种编码格式 高速率、大的消光比 低啁啾、低的调制信号劣化 不干扰激光器工作，波长稳定 可对信号实现多种编码格式 高速率、大的消光比 低啁啾、低的调制信号劣化 缺点：缺点：额外增加了光学器件、成本增加 增加了光纤线路的损耗 额外增加了光学器件、成本增加 增加了光纤线路的损耗 目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 6 调制器调制器 调制器调制器 连续光源连续光源 光传

6、输光传输 NRZ 调制格式NRZ 调制格式 其他调制格式 : 相位调制 偏振调制 相位与强度调制想结合 光传输光传输 RZ 调制格式RZ 调制格式 脉冲光源脉冲光源 电光调制电光调制 折射率的改变通过 电介质晶体Pockels 效应 和 半导体材料 中的电光效应 光吸收的改变 通过 半导体材料中的Franz-Keldysh效应 量子阱半导体材料中的量子限制的 Stark 效应 光与物质相互作用光与物质相互作用 相位调制 偏振调制 (双折射材料) 强度调制 强度调制 通过 - 干涉仪结构 - 定向耦合 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919

7、HUST 2014 7 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 在光与物质相互作用中，电场强度（E）与电极化矢量（P） 的关系。 在各向同性的介质中，P与E同向： 在光与物质相互作用中，电场强度（E）与电极化矢量（P） 的关系。 在各向同性的介质中，P与E同向： 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 8 在各向异性的介质中，P与E一般不同向：在各向异性的介质中，P与E一般不同向： 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19

8、191919 HUST 2014 9 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 10 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 11 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 12 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -090

9、90909- - - -19191919 HUST 2014 13 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 14 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 泡克耳斯效应（泡克耳斯效应（ Pockels effect ）：）： 某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异 性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效 应。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为 Pockels 效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克 耳斯发现。 某些各向同性

10、的透明物质在电场作用下显示出光学各向异 性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效 应。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为 Pockels 效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克 耳斯发现。 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 15 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 16 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - -

11、 -09090909- - - -19191919 HUST 2014 17 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 18 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 19 光在晶体中的传播电光效应光在晶体中的传播电光效应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 20 电光系数电光

12、系数 当外加直流电场时，晶体折射率的改变可表示为： 18个矩阵元描述了晶体的电光特性 仅有少数的矩阵元不为零，取决于晶体点群的对称性 对于GaAs和InP，属于43m点群，仅需要参数r41就可描 述电光特性 对于LiNbO3晶体，需用3个参量来进行描述。 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 21 LiNbO3晶体特性晶体特性 主要参数主要参数 高的电光参数高的电光参数 在光通信窗口，高的透 明特性 在光通信窗口，高的透 明特性 高 T高 TC C 机械与化学的稳定性机械与化学的稳定性 加工的兼容性加工的兼容性 201

13、4201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 22 LiNbO3和GaAs的矩阵元： 非零矩阵元的数值与光波长密切相关 对GaAs波长为900nm时 ，r41=1.1pm/V，波长接近 1300nm，增加至1.43pm/V。 对InP波长为1060nm时 ，r41=1.45pm/V，波长接 近1300nm，降低至1. 3pm/V。 电光系数电光系数 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 23 LiNbO3光波导通常用来制作调制器 LiNbO3的电光响应受四个

14、参数所支配 在1500nm处， 电场的作用沿着晶轴Z向，应选择r33 折射率沿着Z轴的变化为： 当 当调制器的长度为L时，光相位变化为： 采用MachZehnder结构，将相位调制转化为幅度调制。 电光波导调制器电光波导调制器 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 24 相位调制器：合适长度的单一光波导 幅度调制器：双波导的MZ结构 重要的设计参数V：产生相移的作用电压 由折射率变化决定电极间隔 为光场与电场的重叠因子，一般取0.5 LiNbO3调制器调制器 2014201420142014- - - -0909090

15、9- - - -19191919 HUST 2014 25 对于3dB耦合器，传输的光功率可表示为： 是由直流偏置，产生的相移 常数K表示调制效率 当时，可实现接近的线性响应： 调制器的插入损耗与消光比定义为： 目前LiNbO3调制器的消光比可达20dB，插入损耗小于 5dB。 幅度调制器的时域响应幅度调制器的时域响应 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 26 AM调制器会产生频率啁啾 对于平衡型MZ干涉仪，光场的传输可表示为： 和是两臂上电压引起的相移。 当时， 当时，调制器的输出是啁啾的。 当时，调制是无啁啾的。

16、 同时，相移发生在半波电压处。 这种调制器可称之为推挽式调制器。 调制器导致的频率啁啾调制器导致的频率啁啾 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 27 如图为X切向、Z切向的LiNbO3调制器。 在X切向的设计中，边电极是接地的。 如果其中一臂的折射率增加，另一臂的折射率减少。 调制器的设计调制器的设计 2014201420142014- - - -09090909- - - -19191919 HUST 2014 28 LiNbO3调制器可工作在高于10Gb/s的速率下，RF的传 输将设计成共面波导。 这种调制器是指行波调制器。 MZ的输入、输出端与光纤的尾纤相耦合，构成全光