1、2014-09-19 HUST 20141第三章 电光调制器2014-09-19 HUST 20142内容 电光调制的基本原理 铌酸锂（ LiNbO3）电光调制器 半导体电吸收调制器（ EAM）2014-09-19 HUST 20143电光调制电光调制： 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。强度调制的方式作为信息载体的光载波是一种电磁场：( ) ( )0cosEt eA t = +rr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
2、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。2014-09-19 HUST 20144电光调制的主要方式直接调制： 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。优点： 采用单一器件成本低廉附件损耗小缺点： 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移适用于短距离、低速率的传输系统2014-09-19 HUST 20145电光调制的主要方式外调制： 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
3、光参量随信号而改变。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目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器2014-09-19 HUST 20146调制器调制器连续光源光传输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RZ 调制格式脉冲光源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
4、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2014-09-19 HUST 20147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：2014-09-19 HUST 20148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2014-09-19 HUST 20149光在晶体中的传播电光效应2014-09-19 HUST 2014102014-09-19 HUST 201411光在晶体中的传播电光效应2014-09-19 HUST 201412光在晶体中的传播电光效应20
5、14-09-19 HUST 201413光在晶体中的传播电光效应2014-09-19 HUST 201414光在晶体中的传播电光效应泡克耳斯效应（ 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。2014-09-19 HUST 201415光在晶体中的传播电光效应2014-09-19 HUST 201416光在晶体中的传播电光效应2014-09-19 HUST 201417光在晶体
6、中的传播电光效应2014-09-19 HUST 201418光在晶体中的传播电光效应2014-09-19 HUST 201419光在晶体中的传播电光效应2014-09-19 HUST 201420电光系数 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。2014-09-19 HUST 201421LiNbO3晶体特性 主要参数 高的电光参数 在光通信窗口，高的透明特性 高TC 机械与化学的
7、稳定性 加工的兼容性2014-09-19 HUST 201422 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2014-09-19 HUST 201423 LiNbO3光波导通常用来制作调制器 LiNbO3的电光响应受四个参数所支配 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
8、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2014-09-19 HUST 201424 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 0.5LiNbO3调制器2014-09-19 HUST 201425 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
9、的时域响应2014-09-19 HUST 201426AM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。 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2014-09-19 HUST 201427 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2014-09-19 HUST 201428LiNbO3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，构成全光纤器件。调制器的设计2014-09-19 HUST 201429 调制器的设计需要优化几个关键的参数。LiNbO3的折射率在光频处为 2.2，但在微波频率处就增加到 6。 需要 SiO2的缓冲层减少光波与微波间的速度失配。 商用化的调制器是十分紧凑的，宽 1.5cm，长 12cm；调制输率为 10Gb/s时，偏置电压 40Gb/s的调制器，偏置电压为 10V。调制器的设计2014-09-19 HUST 201430封装后的 LiNbO3 调制器模块
