第7章電光磁光聲光效應(yīng)及應(yīng)用

1、光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著1第第7章章 電光電光/磁光磁光/聲光效應(yīng)及應(yīng)用聲光效應(yīng)及應(yīng)用 7.1 電光效應(yīng)及器件電光效應(yīng)及器件 7.2 熱電效應(yīng)及熱光開關(guān)熱電效應(yīng)及熱光開關(guān) 7.3 磁光效應(yīng)及其器件磁光效應(yīng)及其器件 7.4 聲光效應(yīng)及其器件聲光效應(yīng)及其器件光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著27.1 電光效應(yīng)及器件電光效應(yīng)及器件 7.1.1 電光效應(yīng)電光效應(yīng) 7.1.2 電光調(diào)制器工作原理電光調(diào)制器工作原理 7.1.3 電光強(qiáng)度調(diào)制器電光強(qiáng)度調(diào)制器 7.1.4 電光相位調(diào)制器電光相位調(diào)制器 7.1.5 馬赫馬赫-曾德爾幅度調(diào)制器曾德爾幅度調(diào)制器 7.1.6 QPSK光調(diào)制器光調(diào)制器 7.

2、1.7 電光開關(guān)電光開關(guān)光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著37.1.1 電光效應(yīng)電光效應(yīng)電光效應(yīng)是外加電場(chǎng)引起各向異性晶體材料折射率改變的效應(yīng)。電光效應(yīng)是外加電場(chǎng)引起各向異性晶體材料折射率改變的效應(yīng)。對(duì)于一個(gè)入射偏振光，施加的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于一個(gè)入射偏振光，施加的電場(chǎng)強(qiáng)度E對(duì)折射率對(duì)折射率n的影響可用的影響可用E的泰勒級(jí)數(shù)表示的泰勒級(jí)數(shù)表示 （7.1.1） 式中，式中， 和和 分別表示線性電光效應(yīng)和二階電光效應(yīng)系數(shù)，由于分別表示線性電光效應(yīng)和二階電光效應(yīng)系數(shù)，由于高階項(xiàng)的影響很小，所以可以略去不計(jì)。由于第一項(xiàng)高階項(xiàng)的影響很小，所以可以略去不計(jì)。由于第一項(xiàng)E引起引起n的變的變化化 （7.1.2） 稱

3、為珀克（稱為珀克（Pockel）效應(yīng)，珀克電光效應(yīng)是各向異性的，并嚴(yán)格）效應(yīng)，珀克電光效應(yīng)是各向異性的，并嚴(yán)格取決于輸入光相對(duì)于材料軸線的取向。對(duì)于某個(gè)方向，取決于輸入光相對(duì)于材料軸線的取向。對(duì)于某個(gè)方向， = 0，稱，稱為線性電光效應(yīng)或珀克效應(yīng)。只有某些晶體材料表現(xiàn)為珀克效應(yīng)。為線性電光效應(yīng)或珀克效應(yīng)。只有某些晶體材料表現(xiàn)為珀克效應(yīng)。只有中心非對(duì)稱晶體，如只有中心非對(duì)稱晶體，如GaAs晶體，表現(xiàn)為珀克效應(yīng)。晶體，表現(xiàn)為珀克效應(yīng)。而由于第二項(xiàng)引起而由于第二項(xiàng)引起n的變化的變化 （7.1.3） 稱為克爾（稱為克爾（Kerr）效應(yīng)。式中，）效應(yīng)。式中，K是克爾系數(shù)。如果取向選擇是克爾系數(shù)。如果取向

4、選擇 = 0 ，稱為二階電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)，所有的材料都表現(xiàn)為克，稱為二階電光效應(yīng)或克爾效應(yīng)，所有的材料都表現(xiàn)為克爾效應(yīng)。爾效應(yīng)。,2nnEEEn22EKEn光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著4圖圖7.1.1 外加電場(chǎng)對(duì)外加電場(chǎng)對(duì)各向同性各向同性晶體和晶體和各向異性晶體折射率的影響各向異性晶體折射率的影響 事實(shí)上，我們必須考慮沿晶體某個(gè)方向施加的電場(chǎng)，對(duì)光在給定傳輸事實(shí)上，我們必須考慮沿晶體某個(gè)方向施加的電場(chǎng)，對(duì)光在給定傳輸方向上的折射率的影響。方向上的折射率的影響。 在在LiNbO3晶體中，沿晶體中，沿z方向（光軸）傳輸?shù)墓獠?，不加外電?chǎng)時(shí)，方向（光軸）傳輸?shù)墓獠ǎ患油怆妶?chǎng)時(shí)，x方方向和向

5、和y方向經(jīng)歷相同的折射率（方向經(jīng)歷相同的折射率（nx= ny = no），不管偏振態(tài)如何變化，），不管偏振態(tài)如何變化，如圖如圖7.1.1（a）所示。）所示。 然而，在外加平行于然而，在外加平行于y軸的電場(chǎng)軸的電場(chǎng)Ea時(shí)，如圖時(shí)，如圖7.1.1（c）所示，外加電場(chǎng)）所示，外加電場(chǎng)引入沿引入沿z軸傳播的雙折射，即光以平行于軸傳播的雙折射，即光以平行于x和和y軸的兩個(gè)正交偏振態(tài)經(jīng)歷軸的兩個(gè)正交偏振態(tài)經(jīng)歷不同的折射率（和）沿著不同的折射率（和）沿著z軸方向傳播軸方向傳播 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著5珀克電光效應(yīng)調(diào)制器珀克電光效應(yīng)調(diào)制器 很顯然，改變外加電場(chǎng)（電壓），就可以控制很顯然，改變外加電

6、場(chǎng)（電壓），就可以控制折射率，進(jìn)而改變相位，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。折射率，進(jìn)而改變相位，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。 如果外電場(chǎng)與光傳播的方向相同，這種調(diào)制器如果外電場(chǎng)與光傳播的方向相同，這種調(diào)制器叫做縱向珀克電光效應(yīng)調(diào)制器，如圖叫做縱向珀克電光效應(yīng)調(diào)制器，如圖7.1.1（b）所示；所示； 反之，如果外電場(chǎng)與光傳播的方向垂直，這種反之，如果外電場(chǎng)與光傳播的方向垂直，這種調(diào)制器就叫做橫向珀克電光效應(yīng)調(diào)制器，如圖調(diào)制器就叫做橫向珀克電光效應(yīng)調(diào)制器，如圖7.1.1（c）所示，施加的外電場(chǎng)與）所示，施加的外電場(chǎng)與y方向相同，方向相同，光的傳輸方向沿著光的傳輸方向沿著z方向，外電場(chǎng)在光傳播方方向，外電場(chǎng)在光傳播方向的橫截面上

7、。向的橫截面上。 調(diào)制器通常利用線性電光效應(yīng)。調(diào)制器通常利用線性電光效應(yīng)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著67.1.2 電光調(diào)制器工作原理電光調(diào)制器工作原理 電光調(diào)制基于晶體和各向異性聚合物中的線性電光調(diào)制基于晶體和各向異性聚合物中的線性電光效應(yīng)，即電光材料的折射率電光效應(yīng)，即電光材料的折射率n隨施加的外隨施加的外電場(chǎng)電場(chǎng)E而變化，而變化，n = n(E)，例如，例如LiNbO3、InGaAsP 、GaAs和聚合物這樣的電光材料，和聚合物這樣的電光材料，它的折射率明顯隨施加的外電場(chǎng)而改變，從而它的折射率明顯隨施加的外電場(chǎng)而改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的調(diào)制。基于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的調(diào)制?；贗nP材料的高速

8、光調(diào)材料的高速光調(diào)制器受到人們的重視，因?yàn)樗溺昕耍ㄖ破魇艿饺藗兊闹匾暎驗(yàn)樗溺昕耍≒ockel）電光效應(yīng)雖然比電光效應(yīng)雖然比LiNbO3的弱，但是它的折射的弱，但是它的折射率率n約為約為3.5，卻是較大的。，卻是較大的。 電光調(diào)制器是一種集成光學(xué)器件，即它把各種電光調(diào)制器是一種集成光學(xué)器件，即它把各種光學(xué)器件集成在同一個(gè)襯底上，從而增強(qiáng)了性光學(xué)器件集成在同一個(gè)襯底上，從而增強(qiáng)了性能，減小了尺寸，提高了可靠性和可用性。能，減小了尺寸，提高了可靠性和可用性。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著7圖圖7.1.2 橫向線性電光效應(yīng)相位調(diào)制器橫向線性電光效應(yīng)相位調(diào)制器 當(dāng)當(dāng)EY沿橫軸傳輸距離沿橫軸傳輸

9、距離 L 后，引起相位變化，于是后，引起相位變化，于是Ex 和和 Ey 產(chǎn)生的相位變化為：產(chǎn)生的相位變化為：UdLrnnLyx223o22光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著8橫向線性電光效應(yīng)相位調(diào)制器橫向線性電光效應(yīng)相位調(diào)制器 施加的外電壓在兩個(gè)電場(chǎng)分量間產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)施加的外電壓在兩個(gè)電場(chǎng)分量間產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)整的相位差，因此出射光波的偏振態(tài)可被施加整的相位差，因此出射光波的偏振態(tài)可被施加的外電壓控制。的外電壓控制。 可以調(diào)整電壓來改變介質(zhì)從四分之一波片到半可以調(diào)整電壓來改變介質(zhì)從四分之一波片到半波片，產(chǎn)生半波片的半波電壓波片，產(chǎn)生半波片的半波電壓U = U /2對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)于于 。 橫向線性電光效應(yīng)

10、的優(yōu)點(diǎn)是我們可以分別獨(dú)立橫向線性電光效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是我們可以分別獨(dú)立地減小晶體厚度地減小晶體厚度 d 和增加長(zhǎng)度和增加長(zhǎng)度 L，前者可以增，前者可以增加電場(chǎng)強(qiáng)度，后者可引起更多的相位變化。加電場(chǎng)強(qiáng)度，后者可引起更多的相位變化。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著97.1.3 電光強(qiáng)度調(diào)制器電光強(qiáng)度調(diào)制器 在圖在圖7.1.2（a）所示的相位調(diào)制器中，在）所示的相位調(diào)制器中，在相位調(diào)制器之前和之后分別插入相位調(diào)制器之前和之后分別插入5.2.2節(jié)節(jié)介紹的起偏器（介紹的起偏器（polarizer）和檢偏器）和檢偏器（Analyzer），我們就可以構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)），我們就可以構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制器，如圖制器，如圖7.1

11、.3所示，起偏器和檢偏器所示，起偏器和檢偏器的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向與與y軸有軸有45o角的傾斜，所以進(jìn)入晶體的角的傾斜，所以進(jìn)入晶體的Ex和和Ey光幅度相等。光幅度相等。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著10圖圖7.1.3 橫向線性電光效應(yīng)強(qiáng)度調(diào)制器橫向線性電光效應(yīng)強(qiáng)度調(diào)制器（a）在相位調(diào)制器之前和之后分別插入起偏器和檢偏器）在相位調(diào)制器之前和之后分別插入起偏器和檢偏器可構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制器可構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制器（b）探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)和施加到晶體上的電壓的傳輸）探測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)和施加到晶體上的電壓的傳輸特性，虛線表示插入特性，虛線表示插入 /4波片后的特性

12、波片后的特性 圖中調(diào)制器的工作點(diǎn)已用光學(xué)的方法（在起偏器之后圖中調(diào)制器的工作點(diǎn)已用光學(xué)的方法（在起偏器之后插入一個(gè)四分之一波片）偏置到插入一個(gè)四分之一波片）偏置到Q點(diǎn)。點(diǎn)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著11橫向線性電光效應(yīng)強(qiáng)度調(diào)制器工作原理橫向線性電光效應(yīng)強(qiáng)度調(diào)制器工作原理 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著12利用橫向線性電光效應(yīng)利用橫向線性電光效應(yīng)制成的行波馬赫制成的行波馬赫-曾德爾調(diào)制器曾德爾調(diào)制器PIC 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著137.1.4 電光相位調(diào)制器電光相位調(diào)制器 目前，大多數(shù)調(diào)制器是由鈮酸鋰目前，大多數(shù)調(diào)制器是由鈮酸鋰（LiNbO3）晶體制成的，這種晶體在某）晶

13、體制成的，這種晶體在某些方向具有非常大的電光系數(shù)。根據(jù)式些方向具有非常大的電光系數(shù)。根據(jù)式（7.1.5）可以構(gòu)成相位調(diào)制器，它是電）可以構(gòu)成相位調(diào)制器，它是電光調(diào)制器的基礎(chǔ)，通過相位調(diào)制，可以光調(diào)制器的基礎(chǔ)，通過相位調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著14圖圖7.1.4 x切割集成相位調(diào)制器切割集成相位調(diào)制器光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著157.1.5 馬赫馬赫-曾德爾幅度調(diào)制器曾德爾幅度調(diào)制器 最常用的幅度調(diào)制器是在晶體表面用鈦擴(kuò)散波最常用的幅度調(diào)制器是在晶體表面用鈦擴(kuò)散波導(dǎo)構(gòu)成的馬赫導(dǎo)構(gòu)成的馬赫-曾德爾（曾德爾（M-Z）干涉型調(diào)

14、制器，）干涉型調(diào)制器，如圖如圖7.1.5所示。所示。 在這種調(diào)制器中，使用兩個(gè)頻率相同但相位不在這種調(diào)制器中，使用兩個(gè)頻率相同但相位不同的偏振光波，進(jìn)行干涉，外加電壓引入相位同的偏振光波，進(jìn)行干涉，外加電壓引入相位的變化可以轉(zhuǎn)換為幅度的變化。在圖的變化可以轉(zhuǎn)換為幅度的變化。在圖7.1.5（a）表示的由兩個(gè)表示的由兩個(gè)Y形波導(dǎo)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中，理想的形波導(dǎo)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)中，理想的情況下，輸入光功率在情況下，輸入光功率在C點(diǎn)平均分配到兩個(gè)分點(diǎn)平均分配到兩個(gè)分支傳輸，在輸出端支傳輸，在輸出端D干涉，所以該結(jié)構(gòu)扮演著干涉，所以該結(jié)構(gòu)扮演著一個(gè)干涉儀的作用，其輸出幅度與兩個(gè)分支光一個(gè)干涉儀的作用，其輸出幅度與兩

15、個(gè)分支光通道的相位差有關(guān)。通道的相位差有關(guān)。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著16圖圖7.1.5（a） 馬赫馬赫-曾德爾曾德爾幅度調(diào)制器幅度調(diào)制器光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著17商用商用相位調(diào)制器相位調(diào)制器 工作波長(zhǎng)工作波長(zhǎng)15251575 nm，插入損耗，插入損耗2.53.0 dB，消光比消光比 25 dB，回波損耗，回波損耗45dB，半波電壓，半波電壓3.5 V。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著18圖圖7.1.5(b) 馬赫馬赫-曾德爾曾德爾幅度調(diào)制器幅度調(diào)制器 根據(jù)式（根據(jù)式（3.1.2），當(dāng)兩臂間的相位差是），當(dāng)兩臂間的相位差是0或或2 的整數(shù)倍時(shí)，的整數(shù)倍時(shí)，在在D點(diǎn)發(fā)生相

16、長(zhǎng)干涉，輸出光強(qiáng)最大；點(diǎn)發(fā)生相長(zhǎng)干涉，輸出光強(qiáng)最大； 當(dāng)兩臂間的相位差等于當(dāng)兩臂間的相位差等于 時(shí)，在時(shí)，在D點(diǎn)出現(xiàn)了相消干涉，輸入光點(diǎn)出現(xiàn)了相消干涉，輸入光強(qiáng)為零。強(qiáng)為零。 當(dāng)調(diào)制電壓引起當(dāng)調(diào)制電壓引起A、B兩臂的相位差在兩臂的相位差在0 時(shí)，輸出光強(qiáng)將隨時(shí)，輸出光強(qiáng)將隨調(diào)制電壓而變化。由此可見，加到調(diào)制器上的電比特流在調(diào)調(diào)制電壓而變化。由此可見，加到調(diào)制器上的電比特流在調(diào)制器的輸出端產(chǎn)生了波形相同的光比特流復(fù)制。制器的輸出端產(chǎn)生了波形相同的光比特流復(fù)制。LiNbO3 tV電極偏振光輸入調(diào)制信號(hào)輸出AB波導(dǎo)3LiNbO-TiDCEa+-AB(b) 調(diào)制電壓施加在單臂上光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮

17、邱琪 編著19鈦擴(kuò)散鈦擴(kuò)散鈮酸鋰鈮酸鋰電光效電光效應(yīng)調(diào)制應(yīng)調(diào)制器，工器，工作頻率作頻率16 GHz,波長(zhǎng)波長(zhǎng)1550 nm,最大調(diào)最大調(diào)制電壓制電壓 20V光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著207.1.7 電光開關(guān)電光開關(guān) 7.1.1節(jié)已介紹了電光效應(yīng)，利用其原理節(jié)已介紹了電光效應(yīng)，利用其原理也可以構(gòu)成波導(dǎo)光開關(guān)。也可以構(gòu)成波導(dǎo)光開關(guān)。 開關(guān)時(shí)間短（毫秒到亞毫秒量級(jí)）；開關(guān)時(shí)間短（毫秒到亞毫秒量級(jí)）； 體積非常小，而且易于大規(guī)模集成；體積非常小，而且易于大規(guī)模集成； 但插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏但插入損耗、隔離度、消光比和偏振敏感性指標(biāo)都比較差。感性指標(biāo)都比較差。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮

18、邱琪 編著21圖圖7.1.7 馬赫馬赫-曾德爾曾德爾1 1光開關(guān)光開關(guān)LiNbO3 tV共平面共平面條形電極條形電極偏振光輸入偏振光輸入波導(dǎo)波導(dǎo)3LiNbO-Ti輸出輸出DCEa+ +- - -A AB B控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)控制信號(hào)t tt t輸出光輸出光 tV光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著22圖圖7.1.7馬赫馬赫-曾曾德爾德爾1 1光光開關(guān)開關(guān) LiNbO3 tV共共平平面面條條形形電電極極偏偏振振光光輸輸入入波波導(dǎo)導(dǎo)3LiNbO-Ti輸輸出出DCEa+ +- - -A AB B控控制制信信號(hào)號(hào)控控制制信信號(hào)號(hào)t tt t輸輸出出光光 tVtAEcoscos2output光子學(xué)與

19、光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著237.2 熱電效應(yīng)及熱光開關(guān)熱電效應(yīng)及熱光開關(guān) 在圖在圖7.1.7表示的電光波導(dǎo)開關(guān)中，用一個(gè)薄膜表示的電光波導(dǎo)開關(guān)中，用一個(gè)薄膜加熱器代替加控制電壓的電極，就可構(gòu)成熱光加熱器代替加控制電壓的電極，就可構(gòu)成熱光開關(guān)（開關(guān)（TOS），如圖），如圖7.2.1a所示。所示。 它具有馬赫它具有馬赫-曾德爾干涉儀（曾德爾干涉儀（M-ZI）結(jié)構(gòu)形式，）結(jié)構(gòu)形式，包含兩個(gè)包含兩個(gè)3 dB定向耦合器和兩個(gè)長(zhǎng)度相等的波定向耦合器和兩個(gè)長(zhǎng)度相等的波導(dǎo)臂。波導(dǎo)芯和包層的折射率差較小，只有導(dǎo)臂。波導(dǎo)芯和包層的折射率差較小，只有 0.3%。波導(dǎo)芯尺寸為。波導(dǎo)芯尺寸為8 m 8 m， 包層厚包

20、層厚50 m。每個(gè)臂上具有。每個(gè)臂上具有Cr薄膜加熱器，其尺寸為薄膜加熱器，其尺寸為50 m寬，寬，5 mm長(zhǎng)。該器件的尺寸為長(zhǎng)。該器件的尺寸為 30 3 mm。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著24圖圖7.2.1 熱光波導(dǎo)開關(guān)熱光波導(dǎo)開關(guān) 在電光波導(dǎo)開關(guān)中，用一在電光波導(dǎo)開關(guān)中，用一個(gè)薄膜加熱器代替加控制個(gè)薄膜加熱器代替加控制電壓的電極，就可構(gòu)成熱電壓的電極，就可構(gòu)成熱光開關(guān)（光開關(guān)（TOS）；）； 其交換原理是基于是基于其交換原理是基于是基于馬赫馬赫-曾德爾干涉濾波器原曾德爾干涉濾波器原理（見理（見3.1.11節(jié)），在硅介節(jié)），在硅介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)的相位變化由熱質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)的相位變化由熱-電效應(yīng)引起

21、。電效應(yīng)引起。 不加熱時(shí)，器件處于交叉不加熱時(shí)，器件處于交叉連接狀態(tài)；連接狀態(tài)； 但在通電加熱但在通電加熱Cr薄膜時(shí)，薄膜時(shí)，引起它下面波導(dǎo)的折射率引起它下面波導(dǎo)的折射率和相位變化，切換到平行和相位變化，切換到平行連接狀態(tài)。連接狀態(tài)。 1234薄膜加熱器W加熱AB薄膜襯底截面圖AB(a) 俯視圖波導(dǎo)波導(dǎo)薄膜LCrSi(b)光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著25 圖圖7.2.1c 表示熱表示熱電光開電光開關(guān)的輸關(guān)的輸出特性出特性和驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)功率的功率的關(guān)系。關(guān)系。 熱驅(qū)動(dòng)熱驅(qū)動(dòng)功率由功率由0變?yōu)樽優(yōu)?.5 W時(shí)，時(shí)，可引起可引起輸出狀輸出狀態(tài)的切態(tài)的切換換 00.51.001.00.20.40.

22、60.8熱驅(qū)動(dòng)功率相對(duì)輸出功率熱電光開關(guān)響應(yīng)曲線/W/W(c) 2 2x光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著267.3 磁光效應(yīng)及其器件磁光效應(yīng)及其器件 7.3.1 磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 7.3.2 磁光開關(guān)磁光開關(guān) 7.3.3 光隔離器光隔離器 7.3.4 磁光波導(dǎo)光隔離器磁光波導(dǎo)光隔離器 7.3.5 光環(huán)行器光環(huán)行器光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著277.3.1 磁光效應(yīng)磁光效應(yīng) 把非旋光材料如玻璃放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)把非旋光材料如玻璃放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，當(dāng)平面偏振光沿著磁場(chǎng)方向入射到非旋光平面偏振光沿著磁場(chǎng)方向入射到非旋光材料時(shí)，光偏振面將發(fā)生右旋轉(zhuǎn)，這種材料時(shí)，光偏振面將發(fā)生右旋轉(zhuǎn)，這種效應(yīng)就稱作法

23、拉第（效應(yīng)就稱作法拉第（Faraday）效應(yīng)；）效應(yīng)； 它由它由Michael Faraday在在1845年首先觀察年首先觀察到。旋轉(zhuǎn)角到。旋轉(zhuǎn)角 和磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度H與材料長(zhǎng)度與材料長(zhǎng)度L的乘積成比例：的乘積成比例：（7.3.1）HL光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著28圖圖7.3.1 法拉第磁光效應(yīng)法拉第磁光效應(yīng) 磁場(chǎng)由包圍法拉第介質(zhì)的稀土磁環(huán)產(chǎn)生；磁場(chǎng)由包圍法拉第介質(zhì)的稀土磁環(huán)產(chǎn)生； 起偏器由雙折射材料如方解石擔(dān)當(dāng)；起偏器由雙折射材料如方解石擔(dān)當(dāng)； 法拉第介質(zhì)可由摻雜的光纖或者具有大的維德常數(shù)的材料法拉第介質(zhì)可由摻雜的光纖或者具有大的維德常數(shù)的材料構(gòu)成，如釔鐵石榴石晶體。構(gòu)成，如釔鐵石

24、榴石晶體。 如果反射光再一次通過介質(zhì)，則旋轉(zhuǎn)角增加到如果反射光再一次通過介質(zhì)，則旋轉(zhuǎn)角增加到2 。 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著29法拉第法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)器 它能使光纖上任意一點(diǎn)出射光的偏振它能使光纖上任意一點(diǎn)出射光的偏振態(tài)與入射光的偏振態(tài)正交態(tài)與入射光的偏振態(tài)正交 光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著307.3.2 磁光磁光開關(guān)開關(guān)當(dāng)線圈施加電壓當(dāng)線圈施加電壓+5 V時(shí)，電磁鐵對(duì)時(shí)，電磁鐵對(duì)Gd：YIG晶體施加磁場(chǎng)，因?yàn)榉ɡ诮橘|(zhì)和石英介質(zhì)晶體施加磁場(chǎng)，因?yàn)榉ɡ诮橘|(zhì)和石英介質(zhì)對(duì)光束偏振面的旋轉(zhuǎn)分別為對(duì)光束偏振面的旋轉(zhuǎn)分別為 45和和45，所以光束通過這兩個(gè)元件的總偏振旋轉(zhuǎn)角為零。，所以

25、光束通過這兩個(gè)元件的總偏振旋轉(zhuǎn)角為零。入射光束由方解石入射光束由方解石1分離為分離為O光束（尋常光）和光束（尋常光）和E光束（非尋常光），然后由方解石光束（非尋常光），然后由方解石2組合組合為一束，并通過棱鏡和玻璃塊，最后從端為一束，并通過棱鏡和玻璃塊，最后從端2輸出。輸出。當(dāng)線圈施加電壓當(dāng)線圈施加電壓 5 V時(shí)，光束偏振面共旋轉(zhuǎn)時(shí)，光束偏振面共旋轉(zhuǎn)90（法拉第介質(zhì)（法拉第介質(zhì)45，石英介質(zhì)，石英介質(zhì)45），），因此因此O光束轉(zhuǎn)換為光束轉(zhuǎn)換為E光束，光束，E光束轉(zhuǎn)換為光束轉(zhuǎn)換為O光束，由棱鏡反射后合成一束，從端光束，由棱鏡反射后合成一束，從端3輸出。輸出。因此通過控制加在線圈上的電壓極性就可以

26、控制輸入光信號(hào)是到達(dá)輸出光纖因此通過控制加在線圈上的電壓極性就可以控制輸入光信號(hào)是到達(dá)輸出光纖2還是還是3。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著317.3.3 光隔離器光隔離器 連接器、耦合器等大多數(shù)無源器件的輸入和輸出端是連接器、耦合器等大多數(shù)無源器件的輸入和輸出端是可以互換的，稱為互易器件。可以互換的，稱為互易器件。 然而光通信系統(tǒng)也需要非互易器件，如光隔離器和光然而光通信系統(tǒng)也需要非互易器件，如光隔離器和光環(huán)形器。環(huán)形器。 光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件，即光沿光隔離器是一種只允許單方向傳輸光的器件，即光沿正向傳輸時(shí)具有較低的損耗，而沿反向傳輸時(shí)卻有很正向傳輸時(shí)具有較低的損耗，而沿

27、反向傳輸時(shí)卻有很大的損耗，因此可以阻擋反射光對(duì)光源的影響。大的損耗，因此可以阻擋反射光對(duì)光源的影響。 對(duì)光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和磁對(duì)光隔離器的要求是隔離度大、插入損耗小、飽和磁場(chǎng)低和價(jià)格便宜。某些光器件特別是激光器和光放大場(chǎng)低和價(jià)格便宜。某些光器件特別是激光器和光放大器，對(duì)于從諸如連接器、接頭、調(diào)制器或?yàn)V波器反射器，對(duì)于從諸如連接器、接頭、調(diào)制器或?yàn)V波器反射回來的光非常敏感，引起性能惡化。因此通常要在最回來的光非常敏感，引起性能惡化。因此通常要在最靠近這種光器件的輸出端放置光隔離器，以消除反射靠近這種光器件的輸出端放置光隔離器，以消除反射光的影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。光的影響，使

28、系統(tǒng)工作穩(wěn)定。光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著32圖圖7.3.3 法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器工作原理法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器工作原理 反射光經(jīng)檢偏器返回時(shí)，通過法拉第介質(zhì)偏振方向又一次反射光經(jīng)檢偏器返回時(shí)，通過法拉第介質(zhì)偏振方向又一次旋轉(zhuǎn)了旋轉(zhuǎn)了45，變成了，變成了90，正好和起偏器的偏振方向正交，正好和起偏器的偏振方向正交，因此不能夠通過起偏器，也就不會(huì)影響到入射光因此不能夠通過起偏器，也就不會(huì)影響到入射光 透鏡透鏡起偏振器檢偏振器法拉第旋轉(zhuǎn)器磁場(chǎng)0oo4590o入射非偏振光出射線性偏振光反射非偏振光PAGRINGRIN無反射光o45光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著33 圖圖7.3.4 厚膜厚膜Gd:YIG構(gòu)成的構(gòu)成的隔離器隔離器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 自聚焦透鏡（起偏振器）（檢偏振器） 法拉第旋轉(zhuǎn)器永磁鐵方解石方解石Gd:YIG 膜o45光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著34光光隔隔離離器器光子學(xué)與光電子學(xué) 原榮 邱琪 編著35