新型光調(diào)制器綜述

新型光調(diào)制器綜述光^通信是一種有線(xiàn)通信，光波沿光導(dǎo)纖維傳輸。光源可以是激光器（又稱(chēng)半導(dǎo)體激光二極管），也可以是發(fā)光二極管。光纖通信傳輸衰減小、容量大、不受外界干擾、保密性好，可用于大容量國(guó)防干線(xiàn)通信和野戰(zhàn)通信等。光纖通信的器件主要包括：光發(fā)射機(jī)、光調(diào)制器、光纖（纜）、光放大器、光接收機(jī)等，其中光調(diào)制器又叫電光調(diào)制器，是調(diào)控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、Frank-Keldgsh效應(yīng)、量子阱Stark效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)等。通常在整體光通信的光發(fā)射、傳輸、接收過(guò)程中，光調(diào)制器被用于控制光的強(qiáng)度。它將由電發(fā)射機(jī)輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成為光信號(hào)，解決了輸出信號(hào)的幅度和頻率都隨調(diào)制電流的變化而改變的問(wèn)題，同時(shí)抑制了“啁啾”特性，調(diào)控光發(fā)射機(jī)發(fā)出的光信號(hào)的振幅和狀態(tài)，再進(jìn)入光纖進(jìn)行傳播。1馬赫-曾德（Mach-Zehnder.MZ）光調(diào)制器對(duì)于要求將模擬信號(hào)進(jìn)行直接調(diào)制和傳輸，MZ型光調(diào)制器比較適合，但是，MZ調(diào)制的特性曲線(xiàn)非常接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線(xiàn)，對(duì)于要求高度線(xiàn)性的情況不適合，所以有必要在MZ調(diào)制器的基本模型上加以改進(jìn)，以使其達(dá)到高度線(xiàn)性的要求。針對(duì)這一問(wèn)題，有許多學(xué)者提供了多種解決方案，其中，Xie等通過(guò)對(duì)帶微環(huán)推挽型MZ的研究指出：微諧振環(huán)的全通濾波器（APF）結(jié)構(gòu)的超線(xiàn)性相位特性可以補(bǔ)償MZ調(diào)制器的亞線(xiàn)性特性，以達(dá)到提高M(jìn)Z型光調(diào)制器的線(xiàn)性特性的目的，并給出在無(wú)損情況下器件調(diào)制特性曲線(xiàn)的三階非線(xiàn)性項(xiàng)在合適的設(shè)計(jì)下可以達(dá)到零。Yang等考慮到微環(huán)對(duì)調(diào)制特性的影響，通過(guò)研究提出：通過(guò)調(diào)節(jié)微環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)消除多階非線(xiàn)性。Tazawa針對(duì)調(diào)節(jié)器的帶寬和動(dòng)態(tài)作用范圍進(jìn)行研究指出，在無(wú)損的情況下，帶微環(huán)輔助的MZ調(diào)制器比基本MZ調(diào)制器的動(dòng)態(tài)范圍有顯著提高。Wang等總結(jié)以上幾種情況，提出了一種多微環(huán)級(jí)聯(lián)輔助的MZ光調(diào)制器，該方案的特點(diǎn)是功耗小，通過(guò)增加環(huán)的個(gè)數(shù)來(lái)增大微環(huán)制作的容差，并且環(huán)個(gè)數(shù)的增加基本不會(huì)帶來(lái)額外的插入損耗。通過(guò)修改微環(huán)的其它特性參數(shù)，進(jìn)一步削除MZ的高階非線(xiàn)性分量，獲得更高的線(xiàn)性度。但是微環(huán)的制作工藝比較復(fù)雜，并且小的半徑會(huì)帶來(lái)彎曲損耗。所以針對(duì)小規(guī)模甚至中等規(guī)模的集成可以考慮該方案，因?yàn)椋涸摲桨傅慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)使得其結(jié)構(gòu)緊湊、非線(xiàn)性較小、插入損耗小、動(dòng)態(tài)作用范圍大，并且其功耗小、可以全硅化的特點(diǎn)對(duì)集成非常有利。對(duì)于其缺點(diǎn)：制作工藝復(fù)雜以及因集成可能帶來(lái)的彎曲損耗，是可以解決的，對(duì)于制作工藝，現(xiàn)在的集成電路工藝能完全滿(mǎn)足在低成本情況下完成對(duì)該工藝的支持，對(duì)于彎曲損耗可以通過(guò)后續(xù)的光放大來(lái)滿(mǎn)足。劉香玲等最近提出了一種利用雙平行馬赫-曾德調(diào)制器產(chǎn)生OSSB+C信號(hào)的改進(jìn)方法，通過(guò)調(diào)節(jié)該M2M調(diào)制器的直流偏壓，對(duì)于任意調(diào)制指數(shù)，光載波分量和光邊帶分量之間的功率都能夠平衡，得到最優(yōu)的0dB載邊比，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示其穩(wěn)定性比較明顯。2多維光柵光調(diào)制器光柵光調(diào)制器是利用單模光纖中的光敏性制成的光纖光柵而制成的多種光調(diào)節(jié)器的總稱(chēng)，該調(diào)制器主要用于波長(zhǎng)調(diào)節(jié)。秦子雄等人在2021年提出了一種大調(diào)諧范圍的等強(qiáng)度梁光纖光柵波長(zhǎng)調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了光柵中心波長(zhǎng)雙向無(wú)啁啾調(diào)諧，并且裝置構(gòu)形簡(jiǎn)單，成本費(fèi)用低，易于定標(biāo)和操作，但是因?yàn)槭菃吸c(diǎn)式的結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足應(yīng)用需求。2021年張潔等人提出了光柵平動(dòng)式光調(diào)制器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是一種有效工作面積大、易于集成面陣、工藝簡(jiǎn)單的光調(diào)制器，并且通過(guò)對(duì)其參量進(jìn)行調(diào)節(jié)可使光調(diào)制器的襯比度達(dá)到理想值，即無(wú)窮大。孫吉勇等人對(duì)光柵平動(dòng)式二維光柵光調(diào)節(jié)器進(jìn)行了光學(xué)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光柵光調(diào)制器的可行性。多維光柵光調(diào)節(jié)器便于集成，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，光調(diào)制器的襯比度大，因此比較適合規(guī)模集成。3半導(dǎo)體量子阱光調(diào)制器半導(dǎo)體量子阱光調(diào)制器是把量子阱結(jié)構(gòu)引入到光調(diào)制器中形成的一種光調(diào)制器，這類(lèi)通過(guò)量子阱能帶的剪裁來(lái)靈活地控制電子、空穴的波函數(shù)分布以及它們?cè)陔妶?chǎng)下的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更大的折射率改變，達(dá)到減小驅(qū)動(dòng)電壓和調(diào)制器尺寸的最終目的。2021年趙旭等總結(jié)了以前學(xué)者的工作，給出了以下幾種量子阱光調(diào)制器。3.1基于量子限制Stark效應(yīng)（QCSE）的調(diào)制器其基本原理是半導(dǎo)體量子阱中電子和空穴的運(yùn)動(dòng)受量子阱勢(shì)壘的限制，當(dāng)阱寬小于體材料中激子的玻耳直徑時(shí)，由于電子和空穴的平均空間距離減小，電子-空穴對(duì)的庫(kù)侖能量增加，激子結(jié)合能增加。因?yàn)檫@個(gè)能量已經(jīng)可以和載流予的室溫平均熱能相比擬，載流子以一定的幾率以激子態(tài)存在，量子阱或超晶格的室溫吸收光譜和發(fā)射光譜中出現(xiàn)明顯的激子共振吸收或發(fā)射峰。3.2勢(shì)壘槽和量子阱電子轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的調(diào)制器此類(lèi)調(diào)制器的光調(diào)制是由帶隙填充效應(yīng)和量子阱中電子、空穴庫(kù)侖作用的載流子屏蔽作用實(shí)現(xiàn)的，其基本原理是：在量子阱層邊設(shè)置一層由轉(zhuǎn)移勢(shì)壘隔斷的高摻雜n+層作為電子槽，當(dāng)加正向偏置量時(shí)，量子阱的勢(shì)相對(duì)于此處的準(zhǔn)Fermi能級(jí)就下降，電子由n+層移入，填充量子阱層中導(dǎo)帶中的剩余電子態(tài)，這導(dǎo)致一些激子的湮滅和帶間吸收的減弱，吸收邊向高能量移動(dòng)（藍(lán)移）。3.3帶內(nèi)躍遷調(diào)制帶間光的量子阱光調(diào)制器件此類(lèi)調(diào)制器是第一種組合了帶內(nèi)躍遷和帶間躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制的器件，兩種調(diào)制機(jī)理如圖1所示，一種是通過(guò)子帶間諧振躍遷光調(diào)制帶間諧振光，另一種方法正好與之相反，通過(guò)帶間諧振光調(diào)制子帶間諧振躍遷光。3.4非線(xiàn)性諧振量子阱調(diào)制器非線(xiàn)性諧振量子阱調(diào)制器的工作機(jī)理如圖2所示，其工作原理是利用從DBR鏡面的反射光和從金鏡面的反射光的干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。當(dāng)無(wú)控制光脈沖時(shí)，信號(hào)光被吸收；當(dāng)有控制光脈沖時(shí)，該器件則反射入射的信號(hào)光。該類(lèi)調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)小型化、極化無(wú)關(guān)和垂直入射，可以實(shí)現(xiàn)超快全光交換等。3.5量子線(xiàn)與量子點(diǎn)調(diào)制器為了利用量子限制效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的調(diào)制器，有學(xué)者提出用量子線(xiàn)、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加折射率的改變，并使吸收譜范圍更窄。有報(bào)道表明，用量子線(xiàn)可使折射率改變達(dá)到量子阱結(jié)構(gòu)的140%；用量子點(diǎn)可以達(dá)到170%。還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是量子點(diǎn)的吸收譜有明顯的類(lèi)6的態(tài)密度，使其更容易在不同波長(zhǎng)處控制損耗，所以可能研制出低內(nèi)損耗調(diào)制器，但目前報(bào)道的只有量子點(diǎn)光學(xué)調(diào)制器，所以對(duì)于此類(lèi)調(diào)制器的研究并不充分。綜上所述，半導(dǎo)體量子阱光調(diào)制器種類(lèi)繁多，各自的優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，但是許多尚處于研究階段，離實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還需一段距離，特別是量子線(xiàn)和量子點(diǎn)光調(diào)制器的研究更不充分。4高速波導(dǎo)聲調(diào)制器聲光調(diào)制是一種外調(diào)制技術(shù)，通常把控制激光束強(qiáng)度變化的聲光器件稱(chēng)作聲光調(diào)制器。聲光調(diào)制技術(shù)比光源的直接調(diào)制技術(shù)有高得多的調(diào)制頻率。與電光調(diào)制技術(shù)相比，它有更高的消光比（一般大于1，000：1）、更低的片匾動(dòng)功率、更優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和更好的光點(diǎn)質(zhì)量以及低的價(jià)格；與機(jī)械調(diào)制方式相比，它有更小的體積、重量和更好的輸出波形。其工作原理簡(jiǎn)述如下：聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)和壓電換能器構(gòu)成，當(dāng)驅(qū)動(dòng)源的某種特定載波頻率驅(qū)動(dòng)換能器時(shí)，換能器即產(chǎn)生同一頻率的超聲波并傳入聲光介質(zhì)，在介質(zhì)內(nèi)形成折射率變化，光束通過(guò)介質(zhì)時(shí)即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產(chǎn)生衍射，如圖3所示。衍射模式有布拉格衍射和拉曼-奈斯型衍射。激光腔外使用的聲光調(diào)制器一般采用布拉格型，衍射角為：sinBd^Bd=（入0/V）f1，一級(jí)光衍射效率n為：n1=I1/IT=sin2（△時(shí)2），A^=（n/入?）■，式中入0為光波長(zhǎng)，V為聲光介質(zhì)中的聲速，I1為一級(jí)光衍射強(qiáng)度，L為聲光互作用長(zhǎng)度，H為聲光互作用寬（高）度，M2為聲光品質(zhì)因數(shù)，Pa為聲功率。當(dāng)外加信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源作用到聲光器件時(shí)，超聲強(qiáng)度隨此信號(hào)變化，衍射光強(qiáng)也隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光的振幅或強(qiáng)度調(diào)制；當(dāng)外加信號(hào)僅為載波頻率且不隨時(shí)間變化時(shí)，衍射光的頻率發(fā)生變化而達(dá)到移頻。目前常見(jiàn)的有兩種聲光調(diào)制器：自由空間式聲光調(diào)制器和光纖耦合聲光調(diào)制器（或稱(chēng)為全光纖聲光調(diào)制器）。標(biāo)準(zhǔn)的自由空間聲光調(diào)制器用于對(duì)激光束的數(shù)字或模擬的強(qiáng)度調(diào)制，其原理是使用數(shù)字RF驅(qū)動(dòng)器，外控TTL信號(hào)可以快速開(kāi)關(guān)激光束；使用模擬RF驅(qū)動(dòng)器，可以調(diào)節(jié)輸出激光功率和輸入激光功率的比率，典型調(diào)節(jié)范圍為0%到85%。最大調(diào)制帶寬或光學(xué)上升沿時(shí)間是超聲波穿越激光束時(shí)間的函數(shù)。因此，為了獲得最快的速度，一般將激光束聚焦在調(diào)制器中最小光斑。光線(xiàn)耦合聲光調(diào)制器又叫全光纖聲光調(diào)制器，比較適合光纖通信。應(yīng)用聲光調(diào)制器件，可以快速完成電、聲、光信息間的傳遞與轉(zhuǎn)換，可隨意改變激光束的傳播方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的自動(dòng)選頻、分光、掃描等。由于光波導(dǎo)技術(shù)和聲表面技術(shù)的進(jìn)展，發(fā)展了利用表面聲波和導(dǎo)光波之間互作用的表面波聲光器件。因?yàn)楸砻媛暡ê蛯?dǎo)光波均集中在介質(zhì)表面厚度僅僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的薄層內(nèi)，能量非常集中，因此表面波聲光器件只需要很小的驅(qū)動(dòng)功率。同時(shí)表面波聲光器件由平面工藝制成，工藝比較簡(jiǎn)單靈活，很容易做出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的換能器，且便于集成，因而可以得到比體波更大的帶寬。后來(lái)，工作者對(duì)聲表面波進(jìn)行改進(jìn)，降低了插入損耗，提高了功率承受能力，因此更適合應(yīng)用，但是因?yàn)槠潴w積較大、牽涉聲學(xué)特性等，使其向集成方向發(fā)展有一定的困難。5特殊化合物和混合物光調(diào)制器特殊化合物和混合物光調(diào)制器可分為特殊化合物光調(diào)制器和特殊混合物光調(diào)制器。5.1特殊化合物光調(diào)制器硅化合物是比較常用的光調(diào)制器，因?yàn)槠浜苋菀淄ㄟ^(guò)在光纖中摻雜其它元素來(lái)獲得，所以比較容易應(yīng)用和研究。不過(guò)人們發(fā)現(xiàn)，有許多非硅化合物類(lèi)光調(diào)制器的性能比硅化合物要好的多，所以盡管在與光纖耦合時(shí)相對(duì)比較困難，但對(duì)這些材料的研究仍很有意義，并獲得了許多成果。目前較優(yōu)秀的化合物光調(diào)制器有基于LiNb03的光調(diào)制器、納米金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光調(diào)制器、高組分稀磁半導(dǎo)體超晶格的光調(diào)制器以及Al/GaAs等化合物的表面量子阱光調(diào)制器，因?yàn)楸砻媪孔于孱?lèi)光調(diào)制器前節(jié)已經(jīng)講過(guò)，所以不再贅述。5.1.1基于LiNb03的光調(diào)制器學(xué)者們認(rèn)為L(zhǎng)iNb03調(diào)制器是MZ調(diào)制器的一種，是主要用于光強(qiáng)調(diào)制的一種光調(diào)制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。該調(diào)制器的工作原理可以認(rèn)為是一種干涉狀態(tài)，具體為：利用Y形分支器（3dB分束器）將輸入的光信號(hào)分為功率相等的兩束，分別通過(guò)兩路由電光材料制成的光波導(dǎo)傳輸；此處光波導(dǎo)的折射率隨外加電壓K（r）、K（f）的變化而變化，兩路信號(hào)到達(dá)第二個(gè)Y形分支器（3dB分束器）處的光程差隨外加電壓的不同而不同。若兩束光的相位差為0度，則相干加強(qiáng)；若兩束光的相位差是180度，則相干抵消；在此中間則產(chǎn)生0%?100%的光強(qiáng)信號(hào)。因此通過(guò)多電壓的調(diào)制可以產(chǎn)生50%RZ、33%Rz、CSRz（67%Rz）的調(diào)制效果?；贚iNb03^制器各種高速光調(diào)制碼型的選擇與應(yīng)用已成為40Gbit/s高速DWDM光傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如何充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生非線(xiàn)性容忍度和色散容忍度都較高的碼型將是以后研究的重點(diǎn)。5.1.2納米金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光調(diào)制器納米金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)光調(diào)制器是隨著非線(xiàn)性光學(xué)的發(fā)展而發(fā)現(xiàn)的一種非線(xiàn)性光調(diào)制器件。1983年R.K.Jain和R.C.Lind首次研究了摻雜CdS.Se半導(dǎo)體納米微晶玻璃的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)具有大的三階光學(xué)非線(xiàn)性系數(shù)和較快的光學(xué)非線(xiàn)性響應(yīng)速度。1985年D.Ricard等在Maxwell-Garnett理論上提出摻金屬納米顆粒的玻璃的三階非線(xiàn)性極化率得到大大的提高，在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量了摻納米金屬顆粒的玻璃的三階非線(xiàn)性極化率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)只摻雜少量的金顆粒（金納米顆粒的占空比P?10-5?10-6）時(shí)，復(fù)合材料的x（3）值要比沒(méi)有摻雜的純凈玻璃高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這標(biāo)志著研究納米金屬顆粒復(fù)合材料的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)的開(kāi)端。為了研究不同類(lèi)型復(fù)合材料的有效非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，物理學(xué)家發(fā)展了T矩陣、微擾展開(kāi)和譜表示等方法。所以，這是光通訊學(xué)的一個(gè)新的方向，可以直接對(duì)非線(xiàn)性光進(jìn)行調(diào)制等，更適合現(xiàn)代光學(xué)的需要，而且納米金屬顆粒復(fù)合薄膜的光學(xué)非線(xiàn)性不僅與所選的金屬材料有關(guān)，同時(shí)也與所選的基質(zhì)材料有關(guān)。與無(wú)機(jī)材料相比，有機(jī)聚合物非線(xiàn)性材料作為主體基質(zhì)具有以下特點(diǎn)：（1）種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)靈活多變，可根據(jù)需求對(duì)分子進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化；2）價(jià)格低廉；（3）電光活性高，適合于薄膜形態(tài)使用，有利于在大規(guī)模集成光路中使用；（4）吸收相對(duì)較低，信息容量大。因此它具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，己成為三階非線(xiàn)性材料研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著新的刻蝕技術(shù)和化學(xué)方法的改進(jìn)，納米金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，從無(wú)序化結(jié)構(gòu)如大小不一的無(wú)序金屬顆粒排列，到有序化結(jié)構(gòu)如納米金屬多層膜、納米金屬孔徑陣列等。有序化納米金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)中LSP激發(fā)效率要高很多，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，有利于三階非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)的研究，在新型全光器件上有良好的應(yīng)用前景。但是因?yàn)樵摲种Оl(fā)展比較晚，許多特征還只停留在實(shí)驗(yàn)階段，離工業(yè)應(yīng)用還有一段距離。最近，新型光調(diào)制器不斷被報(bào)道，主要有：翟雷應(yīng)等提出的基于MEMS靜電微鏡驅(qū)動(dòng)器的光纖相位調(diào)制器，其基本原理是：M