电光调制器

电光调制器CONTENTS1电光调制2电光效应3电光调制的主要方式4电光调制器的分类与应用目录5总结调制器和开关在许多情形中，根据输入和输出端口的安排以及光波与控制电信号之间相互作用的强度，同一个器件既可以起调制器的作用，又可以具有开关的功能。在设计或评价调制器和开关时，有许多相同的因素需要加以考虑，因而合在一起讨论。调制器：器件的主要功能是通过暂时改变光波的某一特性而将信息加载到光波上。开关：改变光线的空间位置，或者是将光导通或断开。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。对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。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。电光调制器的主要参数有：半波电压、特性阻抗、调制带宽、调制深度（调制效率）、透过率、消光比、插入损耗、品质因数等。电光调制半波电压：是指调制器从关态到开态的驱动电压。调制带宽：强度调制的调制带宽反映了器件工作的频率范围，它的定义是调制深度落到其最大值的50%所对应的上下两频率之差。调制带宽是量度调制器所能使光载波携带信息容量的主要参数。特性阻抗：要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。透过率：调制器的输出光与输入光之比称为透过率。消光比：消光比是衡量电光开关性能的指标。消光比越大越好，因为切断时通过的光越小，切开效果越好。插入损耗：插入损耗是反映调制器插入光路引起光功率损耗程度的参数。对于外部调制器而言，必须保证器件的插入损耗最小。品质因数：即驱动电压与电极长度的乘积。电光效应电光调制的物理基础：电光效应电光效应：当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应。外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为...20bEaEnn...20bEaEnnn或线性电光效应（Pockels效应）二次电光效应（Kerr效应）电光效应折射率椭球在晶体未加外电场时，主轴坐标系中折射率椭球的方程为：2222221231xyznnnx，y，z为介质的主轴方向，在晶体内沿着主轴方向的电位移D和电场强度E是互相平行的；n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方向的折射率(主折射率)。折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。电光效应克尔效应：玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应。内盛某种液体的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压后产生横向电场。无电场时液体为各向同性，光不能通过。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光通过。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效应的这种瞬时反应的性质可用来制造几乎无惯性的光的开关—光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重要应用。电光效应泡克耳斯效应：一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过检偏器。加电场后，晶体产生双折射，有光通过检偏器。大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用于光闸、激光器的Q开关和光波调制等。电光效应利用泡克耳斯电光效应实现电光调制可以分为两种情况：一是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的。但在时间上是变化的。当一束光通过晶体之后，可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，由光波的强度或相位变化来体现要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布，形成电场图像，即随X和y坐标变化的强度透过率或相位分布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进行调制。电光调制电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同,可分为纵向调制和横向调制。纵向电光调制：电场方向与光的传播方向平行。横向电光调制：电场方向与光的传播方向垂直。电光调制由于纵向调制电光器件需要透明电极，器件工艺复杂、加工成本大，因此常用的电光器件大多采用横向调制设计。电光调制又有调相和调幅之分。电光调相：不改变输出光的偏振态，只改变其相位。电光调幅：是借助于晶体的电光效应，使光束的偏振态从线偏振光变为椭圆偏振光，再通过检偏器转变为光的强度调制。根据电光调制器器件结构的不同，可以分成体型电光调制器和波导传输型电光调制器。电光调制的主要方式直接调试：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：采用单一晶体、成本廉价、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、光脉冲前沿和后沿产生大的波长漂移；适用于短距离、低速率的传统系统。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、增加了光线线路的损耗。纵向电光调制器电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间。P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，P2的偏振方向平行于y轴。当沿晶体z轴方向加电场后，x和y轴旋转45°变为感应主轴x’和y’。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后被分解为沿x’和y’方向的两个分量，它们的振幅和相位都相等。纵向电光强度调制（电光晶体KDP、通光方向与电场方向一致）纵向电光调制器调制器的透过率与外加电压呈非线性关系，若调制器工作在非线性电压部分，调制光将发生畸变。为实现线性调制，可引入固定的π/2相位延迟，使调制器的电压偏置在T=50%的工作点上（B点）。纵向电光调制器改变工作点的常用方法：一是在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个半波电压，但此法增加了电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。二是在调制器的光路上插入一个1/4波片，使其快慢轴与晶体主轴x成45度角，从而使Ex’和Ey’二分量间产生π/2的固定相位差。为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出的强调制波就是调制信号的线性复现。纵向电光调制器纵向电光调制器优点：具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等。缺点：半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。横向电光调制器横向电光调制器（通光方向与电场方向垂直）若沿z轴方向加电场，晶体的主轴不会发生旋转，仍为x，y，z方向，此时的通光方向与z轴垂直，并沿y方向入射，若入射光偏振方向与z轴成45°角，进入晶体分解为x和z方向振动的两个分量。横向电光调制器由此可知，x轴与z轴的综合电光效应使光波通过晶体后的相位差包括两项：第一是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，这对调制器的工作没有贡献，而且会因温度变化引起折射率的变化而导致相位差漂移，进而使调制光发生畸变，甚至使调制器不能正常工作，应设法消除或补偿双折射现象；第二项是外加场作用产生的相位延迟，它与外加电场和晶体的尺寸有关。可以采取组合调制器或者1/2波片补偿的办法。横向电光调制器T与V的关系是非线性的，若工作点选择不适合，会使输出信号发生畸变。但在附近有一近似直线部分，这一直线部分称作线性工作区。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的π/2相位延迟，使调制器的电压偏置在T=50%的工作点上。2V横向电光调制器优点：半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。缺点：存在自然双折射引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体因温度变化而引起折射率的变化时，两光波的相位差发生漂移。在KDP晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调制光发生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应用中，除了尽量采取一些措施(如散热、恒温等)以减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种“组合调制器”的结构予以补偿。相位调制工作原理：电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴（x’或y’），此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x’和y’两个分量，而是沿着x’或y’轴一个方向偏振，外电场不改变出射光的偏振态，仅改变相位。体型电光调制器小功率体型电光调制器是将电光晶体置于起偏器和检偏器之间，起偏器和检偏器的偏振方向互相垂直。电光晶体经过特殊切割并在其上下两面制作一对电极。当不施加电场时，入射线偏振光通过晶体偏振方向不发生改变，这时输出光强是零。当施加电场以后，由于电场作用，晶体的折射率椭球发生改变，入射线偏振光经过晶体后偏振方向发生旋转，输出光强不为零，这样实现了输出光强的电光调制。体型电光调制器这种调制器几乎是整个晶体材料都要受到外加电场的作用，因此必须施加很强的外电场才能改变整个晶体的光学特性，达到调制晶体中光波的目的。所以这种调制器的缺点是调制电压比较高（几百伏甚至上千伏），因为目前电光晶体的电光系数都比较小，因而要在传播方向上实现偏振面90°的旋转需要施加很高的电压，所以目前很少使用这种类型的调制器。波导电光调制器波导电光调制器也是利用晶体介质的泡克耳斯效应使介质的介电张量产生微小的变化来产生相差，但由于波导调制器基本上只是对很小的包膜区施加外电场，将场限制在薄膜区附近，因此它需要的驱动功率比体调制器要小一到两个数量级。具体到波导电光调制器来说，为了利用最大的电光系数，常常使外加电场取z向，为避免双折射效应，光波的偏振方向与外加电场一致，这样不会出现非对角的张量变化，当工作模式设计为单模传输，可以不考虑模式间的耦合问题。波导电光相位调制器M-Z干涉仪式调制器M-Z干涉仪式调制器结构：输入光波经过一段光路后在一个Y分支处，被分成相等的两束，分别通过两个光波导传输，光波导是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第二个Y分支处产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程差是波长的1/2，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此通过控制电压就能对光信号进行调制。M-Z干涉仪式调制器在M-Z干涉仪式调制器中，调制带宽受到光波速度和电微波或毫米波速度之差、电极特征阻抗和电极传播损耗的限制，尤其是光波和电毫米波之间的速度匹配和微波衰减是影响行波调制器性能的两个关键问题。目前可通过对行波电极构形的设计来解决这两个问题。如采用Z切不对称条状线（ASL）电极构形可比其它电极构形有更好的阻抗匹配，从而减小损耗；或采用Z切共面波导（CPW）电极，可获得更低的驱动功率，也可提供较好的阻抗匹配。M-Z干涉仪式调制器在MZ干涉仪型强度调制器中，为了提高其调制深度及降低插入损耗，必须采取以下措施：①分支张角不宜太大（一般为1左右），因为张角越大，辐射损耗越大。②波导必须设计成单模，防止高阶模被激励。③波导和电极在结构上应严格对称，使两个调相波的固定相位差等于零。此外，电光波导强度调制器还有走向耦合调制器、折射率分布调制器、电光光栅调制器等类型。定向耦合器定向耦合器型强度调制器是由两个平行且距离很小的两个光波导组成，一个波导的光能够横向耦合到另一个波导内，电极电场的作用是改变波导的传播特性和促进两波导间的横向光耦合。在光的一个耦合周期的长度内，当电极上无电压时，一个波导内传播的光完全耦合到另一个波导传播，最终导致原波导无光输出，所有的光均耦合到另一个波导输出。当电极上有电压时，进入一个波导内的光，耦合后将完全再返回原波导传播和输出。这种方式既可作为强度调制，又可作为光开关。定向耦合器