集成光電子器件及設(shè)計(jì) - 集成光無(wú)源器件拓展

第五章

集成光無(wú)源器件《集成光電子器件及設(shè)計(jì)》浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件2

第五章

集成光無(wú)源器件?

集成光無(wú)源器件概述?

典型的集成光無(wú)源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復(fù)用器?

光開(kāi)關(guān)與調(diào)制器

光開(kāi)關(guān)

調(diào)制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件3什么是光開(kāi)關(guān)？?

光開(kāi)關(guān)——能夠控制傳輸通路中光信號(hào)通或者斷

或進(jìn)行光路切換作用的器件。?

機(jī)械光開(kāi)關(guān)：利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、

棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路切換。其優(yōu)點(diǎn)

是插入損耗小、

串?dāng)_小，適用于各種光纖，技術(shù)

成熟。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度慢(ms)，體積較大。?

電子式光開(kāi)關(guān)：用電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)或聲光效

應(yīng)實(shí)現(xiàn)光路切換。優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快(μs甚至ns)，

易于集成化。缺點(diǎn)是插入損耗大、

串?dāng)_大，只適

用于單模光纖。浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件4

光開(kāi)光作用：通過(guò)光通道的通斷和轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)光層面上的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光分插復(fù)用、光交叉連接和自愈保護(hù)等功能。開(kāi)關(guān)時(shí)間：開(kāi)關(guān)端口從某一初始狀態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時(shí)間。不同的應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間要求不同。光開(kāi)關(guān)其他重要參數(shù)：消光比、插損、串?dāng)_、偏振相關(guān)性(PDL)。光開(kāi)光的特性參數(shù)應(yīng)用光路的交換及管理(OADM

、OXC)保護(hù)開(kāi)關(guān)光包交換外調(diào)制開(kāi)關(guān)時(shí)間需求1~10ms1~10ms1ns10ps浙江大學(xué)光電系5傳統(tǒng)機(jī)械光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖

第五章

集成光無(wú)源器件機(jī)械式光開(kāi)關(guān)

工作原理：通過(guò)移動(dòng)光纖將光直接耦合到輸出端或采用棱鏡、

反射鏡切換光路

特點(diǎn)：偏振無(wú)關(guān)，插入損耗低、串?dāng)_小、光學(xué)性能好，體積較大、

開(kāi)關(guān)速度慢6移動(dòng)光纖式光開(kāi)關(guān)V型槽定位導(dǎo)桿定位

金屬簧片定位浙江大學(xué)光電系

壓電陶瓷定位第五章

集成光無(wú)源器件7Lenses

MEMS開(kāi)關(guān)陣列圖

第五章

集成光無(wú)源器件

Reflector

MEMS

2-axis

Tilt

Mirrors浙江大學(xué)光電系MEMS

(Micro

Electro

Mechanical

systems)

光開(kāi)關(guān)

工作原理：通過(guò)磁、靜電效應(yīng)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)微反射鏡，利用這

些微鏡片的二維或三維空間運(yùn)動(dòng)，將光直接反射到不同的輸出端

特點(diǎn)：低損耗、低串?dāng)_、低偏振敏感性、高消光比、體積小、

集成度高、開(kāi)關(guān)速度快

I/O

Fibers

Imaging浙江大學(xué)光電系8微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān)入射光可升降懸臂微反射鏡波導(dǎo)溝渠

波導(dǎo)通過(guò)光（a）平行連接狀態(tài)頂視圖側(cè)面圖電極

硅襯底PLC入射光溝渠微反射鏡波導(dǎo)波導(dǎo)反射光（a）交叉連接狀態(tài)靜電力電極頂視圖V=0

側(cè)面圖V硅襯底

PLC可升降微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān)

第五章

集成光無(wú)源器件浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件9微反射鏡

輸出波導(dǎo)1輸入波導(dǎo)襯底控制信號(hào)V入射光出射光

輸出波導(dǎo)2取向1取向2微反射鏡

輸出光纖1硅襯底PLC控制信號(hào)入射光出射光

輸出光纖2

鏡面旋轉(zhuǎn)軸光纖

出射光可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān)可立臥微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān)微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān)浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件10Lucent微反射鏡MEMS光開(kāi)關(guān)浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件11MEMS光開(kāi)關(guān)浙江大學(xué)光電系12噴墨氣泡熱光開(kāi)關(guān)模塊

第五章

集成光無(wú)源器件

工作原理：利用了氣泡（鏡面）對(duì)光反射的原理，當(dāng)入射光照入并要求交換時(shí)，一個(gè)熱敏硅片會(huì)在液體中產(chǎn)生一個(gè)氣泡，氣泡將光從入射波導(dǎo)全反射到輸出波導(dǎo)特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)速度為ms量級(jí)，插損低、串?dāng)_小，具有較好的可擴(kuò)展性噴墨氣泡熱光開(kāi)關(guān)浙江大學(xué)光電系13

偏振片P2出射光

第五章

集成光無(wú)源器件

液晶光開(kāi)關(guān)扭曲排列的液晶分子具有光波導(dǎo)效

應(yīng)入射的自然光

偏振片P1

光波導(dǎo)已被

電場(chǎng)拉伸浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件14液晶光開(kāi)關(guān)特性曲線浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件15光波導(dǎo)光開(kāi)關(guān)相互作用

效應(yīng)現(xiàn)象功能典型的波導(dǎo)材料電場(chǎng)-光電光效應(yīng)折射率變化振幅/相位調(diào)制，光路切換，模變換Ti擴(kuò)散LiNbO3聲波-光聲光效應(yīng)折射率變化偏振，衍射，

Ti擴(kuò)散，模變換

LiNbO3/As2S3磁場(chǎng)-光熱-光磁光效應(yīng)熱光效應(yīng)偏振波面旋轉(zhuǎn)折射率變化非互易性振幅/相位調(diào)制YIG膜普通材料光-光非線性效應(yīng)感應(yīng)極化參量放大Ti擴(kuò)散LiNbO3

電光效應(yīng)?

電光效應(yīng)：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3

)，

導(dǎo)致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過(guò)該晶體的光波

特性發(fā)生變化。?

折射率變化

n與外加電場(chǎng)E有著復(fù)雜的關(guān)系，可近

似地認(rèn)為

n與(r

E

+R

E

2)成正比。電光開(kāi)關(guān)/調(diào)制器主要利用普科爾(Pockels)效應(yīng).普科爾(Pockels)效應(yīng)：

晶體折射率與外加電場(chǎng)

幅度成線形變化

克爾(Kerr)效應(yīng)：晶體折射率與外加電場(chǎng)幅

度的平方成比例變化電光效應(yīng)?

電光效應(yīng)引起的折射率變化量，其大小取

決于電光學(xué)常數(shù)和施加電場(chǎng)的強(qiáng)度浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件173

ze

zr

13noEer33n3Ee1

212

no

ne

在LiNbO3晶體中，r33是最大的電光學(xué)常數(shù)最大擊穿電場(chǎng)~10V/mm，此時(shí)△n=1.6

×10-3浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件18電光開(kāi)關(guān)?

電光開(kāi)關(guān)的原理一般是利用材料的電光效

應(yīng)或電吸收效應(yīng)，在電場(chǎng)作用下改變材料

的折射率和光的相位，再利用光的干涉或

偏振等使光強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變?

電光效應(yīng)馳豫的時(shí)間很短，僅有10-11s量級(jí)，

外場(chǎng)的施加或撤銷導(dǎo)致的折射率變化或恢

復(fù)瞬間即可完成，因而可用作高速調(diào)制器、

高速開(kāi)關(guān)等。浙江大學(xué)光電系19(a)定向耦合器型光開(kāi)關(guān)(b)

M-Z干涉儀型光開(kāi)關(guān)電光開(kāi)關(guān)原理示意圖

第五章

集成光無(wú)源器件電光光開(kāi)關(guān)

工作原理：利用電光效應(yīng)或電吸收效應(yīng)以及硅材料的等離子體色散效應(yīng)，在電場(chǎng)的作用下改變材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光強(qiáng)突變或光路轉(zhuǎn)變LiNbO3偏振光輸入3Ti

-

LiNbO

波導(dǎo)DC

+Ea--AB

控制信號(hào)V

t

共平面條形電極tt輸出

輸出光控制信號(hào)

V

t

浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件20

耦合波導(dǎo)

nA

nBA

d

Bns定向耦合器電光光開(kāi)關(guān)

xBA光輸入

PA

0

3

/

L0

βxE

EA

EBnA

=nB

>nszPA

z

PB

z

E

0

PB

L0

PA

L0

zPB

L0

/PA

0

100%L0兩個(gè)沿z方向緊密耦合波導(dǎo)的頂視圖，

光場(chǎng)從A開(kāi)始，逐漸耦合進(jìn)B波導(dǎo)，在z=L0處所有的光已轉(zhuǎn)移到B波導(dǎo)光波通過(guò)距離L后，從波導(dǎo)A到波導(dǎo)B的傳輸功率比值與相位失配的關(guān)系，由外加的電壓V控制浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件21定向耦合器電光光開(kāi)關(guān)?

在定向耦合器的兩個(gè)波導(dǎo)上設(shè)置電極，并施加電

壓，耦合器的兩個(gè)波導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生大小相等，方向相

反的電場(chǎng)?

一個(gè)傳播常數(shù)增加，一個(gè)傳播常數(shù)減小光輸入輸出

-電極ATi

-

LiNbO

3

波導(dǎo)LiNbO

3光纖A電極調(diào)制信號(hào)

V

t

+

BLiNbO

3耦合波導(dǎo)L0-

dEaB

nAV

t

nB浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件22工作原理直通態(tài)z=0z=L

+耦合區(qū)波導(dǎo)

1

波導(dǎo)

2

交叉態(tài)

-

L

Lc

2

2

2

Lc

L

3

即

3

時(shí)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能

Lc浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件23定向耦合器電光光開(kāi)關(guān)電光定向耦合器的響應(yīng)曲線浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件24M-Z干涉儀型光開(kāi)關(guān)由兩個(gè)3dB耦合器DC1，DC2及帶有電極的兩個(gè)干涉臂L1，L2構(gòu)成n

E

n

2

2

n3

VL

0

0d

浙江大學(xué)光電系251

3

1

3

V2

2

d

n

對(duì)于對(duì)稱型M-Z干涉儀，L1=L2=L，兩臂的相位差為

M-Z干涉儀型光開(kāi)關(guān)波導(dǎo)臂上產(chǎn)生的折射率變化

（2

n）L

令

＝

時(shí)的電壓為半波電壓

2n3

L

V

V

第五章

集成光無(wú)源器件

A

1e

i2

l

e

i

1

i(e

i

1)

12

A3

A4

③、④端的透過(guò)率為

sin

(

)

2V

2V

不加電壓時(shí)，V=0，T3=0，T4=1；加半波電壓V

時(shí)，

T3=1,T4=0，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)作用。浙江大學(xué)光電系

第五章

集成光無(wú)源器件

26

M-Z干涉儀型光開(kāi)關(guān)設(shè)①端輸入光的振幅為A1,從③、④端輸出的信號(hào)的振幅為A3、A4,利用耦合器的傳輸方程，可得全內(nèi)反射型電光開(kāi)關(guān)浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件27分支開(kāi)關(guān)浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件28浙江大學(xué)光電系29熱光開(kāi)關(guān)原理示意圖

第五章

集成光無(wú)源器件

工作原理：通過(guò)電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導(dǎo)致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的通斷典型材料：SiO2、Si、LiNbO3和有機(jī)聚合物等特點(diǎn)：可以集成、開(kāi)關(guān)速度優(yōu)于機(jī)械式（ms）熱光開(kāi)關(guān)波導(dǎo)

A2

2

0

T

2

T

P

PP

3

1sin

P

4

1cos

浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件30熱光開(kāi)關(guān)1234Cr薄膜加熱器

A

B

L

(a)

俯視圖

加熱W薄膜

薄膜

波導(dǎo)

B

Si襯底

(b)

截面圖23

1

2P

P

sin4

12

2P

P

cos

0

02aL設(shè)

T0

nL

a

TL2

2

T0

2

T0

浙江大學(xué)光電系3100.51.00熱光開(kāi)關(guān)輸出響應(yīng)

1.0

相

輸

出

功

0.6

率

0.4

0.2

熱驅(qū)動(dòng)功率（W）（c）2x2熱電光開(kāi)關(guān)響應(yīng)曲線

第五章

集成光無(wú)源器件浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件32

Y和X型數(shù)字光開(kāi)關(guān)

對(duì)于Y分支，不加熱時(shí)，主臂的有效折

射率大于支臂，光從主臂通過(guò)，當(dāng)對(duì)支

臂加熱時(shí)，其折射率增大，光束從支臂

通過(guò)

對(duì)于X分支，不加熱時(shí)，主臂的有效折

射率大于支臂，光束1，2分別通過(guò)支

臂和主臂，當(dāng)對(duì)支臂加熱時(shí)，其折射率

增大，光束1，2實(shí)現(xiàn)通路交換數(shù)字式：當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，輸出光強(qiáng)呈階躍特性聲光效應(yīng)?

形變伴隨著聲波（彈性波）在介質(zhì)中傳播

的效應(yīng)稱為聲光效應(yīng)。?

換能器：當(dāng)電信號(hào)作用于壓電材料，會(huì)激

勵(lì)彈性波。彈性形變會(huì)引起介質(zhì)折射率橢

球變化。通過(guò)在壓電襯底或壓電薄膜上制

作叉指電極構(gòu)成。浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件3334

聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。這如同一個(gè)光學(xué)“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長(zhǎng)

s。當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化。聲光晶體等價(jià)于一個(gè)相位光柵35布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。布喇格衍射的特點(diǎn)：衍射光各高級(jí)次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級(jí)和+1級(jí)（或

1級(jí)）衍射光

。浙江大學(xué)光電系36聲光開(kāi)關(guān)原理示意圖

第五章

集成光無(wú)源器件

工作原理：利用聲光效應(yīng)，即聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期性變化，形成等效的位相光柵，其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)，因而能提供一種方便地控制光的強(qiáng)度、頻率和傳播方向的手段聲光開(kāi)關(guān)的光柵

晶體的折射率將沿聲波的傳輸方向呈周期性變浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件37SAW控制信號(hào)LiNbO3反射光聲光開(kāi)關(guān)

n

max

n

min透射光輸入光

由電聲換能器激勵(lì)一束

聲波，在聲波的作用下，

聲波產(chǎn)生聲波V

acoustic

化，在介質(zhì)中形成布拉

格光柵，利用其對(duì)入射

光的衍射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。開(kāi)關(guān)速度快(ns)，但插損比較大，且成本較高類型大小插損(dB)串?dāng)_(dB)PDL(dB)開(kāi)關(guān)時(shí)間機(jī)械式8

83550.210ms熱光開(kāi)關(guān)SilicaPolymer8

88

810101530LowLow2ms2ms電光開(kāi)關(guān)LiNbO3SOA4

44

48035401Low10ps1ns光開(kāi)關(guān)性能比較浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件39

第五章

集成光無(wú)源器件?

集成光無(wú)源器件概述?

典型的集成光無(wú)源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復(fù)用器?

光開(kāi)關(guān)與調(diào)制器

光開(kāi)關(guān)

調(diào)制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件40光調(diào)制?光調(diào)制就是將一個(gè)攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上,完成這一過(guò)程的器件稱為調(diào)制器。

直接調(diào)制(內(nèi)調(diào)制)：把承載信息的電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電流直接施加在激光器上即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制

直接調(diào)制和外調(diào)制

?

Direct

Modulation

of

Laser

Diode

Bias

+

DATA

Laser

Issues

--

Complex

Dynamics

Yield

?

External

Modulation

of

Laser

Diode

BiasLaser

Bias

+

DATAModulatorIssues

--

Additional

ComponentCt42輸出功率直流偏置

t調(diào)制信號(hào)

t輸出光強(qiáng)信號(hào)LD

L

直流偏置~

調(diào)制信號(hào)(a)

(b)半導(dǎo)體激光器調(diào)制

(a)

電原理圖；(b)

調(diào)制特性曲線

內(nèi)調(diào)制方式-直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理以及輸出光功率與調(diào)制信號(hào)的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號(hào)電流的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號(hào)不失真。浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件43PoutIbID

ttI(b)OIOt(a)(a)

LED數(shù)字調(diào)制特性(b)

加Ib后LD數(shù)字調(diào)制特性內(nèi)調(diào)制-數(shù)字調(diào)制特性

Pout浙江大學(xué)光電系44

外調(diào)制方式第五章

集成光無(wú)源器件激光器光載波外調(diào)制器調(diào)制光信號(hào)輸出

外調(diào)制：通過(guò)光調(diào)制器，將攜帶信息的電信號(hào)與輸入光調(diào)制器的連續(xù)光載波相作用。包括：幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制。

電信號(hào)外調(diào)制方式浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件45調(diào)制方式比較激光器

輸出調(diào)制光

信息電信號(hào)

連續(xù)光信號(hào)外調(diào)制器LD

輸出連續(xù)光

信息電信號(hào)

輸出調(diào)制光波激光器

輸出調(diào)制光信息電信號(hào)

信息電信號(hào)輸出調(diào)制光波（a）

直接調(diào)制（b）外調(diào)制01

0

1

001

0

1

0直接調(diào)制：電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，高速率時(shí)輸出光光譜變寬，易受光纖色散影響；外調(diào)制：適合高速率光纖傳輸系統(tǒng)浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件46光調(diào)制器?

光調(diào)制器——外調(diào)制方式中采用，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分

開(kāi)，

可避免對(duì)光源直接調(diào)制產(chǎn)生線性調(diào)頻的限制。調(diào)制器

一般用電光效應(yīng)或聲光效應(yīng)使折射率改變，或用磁光效應(yīng)

使光的透過(guò)率變化實(shí)現(xiàn)光調(diào)制。?

調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號(hào)變化而變化，這些

參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長(zhǎng)等。承載

信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測(cè)器系統(tǒng)解調(diào)，

然后檢測(cè)出所需要的信息。?

與光開(kāi)關(guān)的區(qū)別：如果一個(gè)器件的主要作用是通過(guò)暫時(shí)改

變光波的某一特性將信息加到光波上去，則為調(diào)制器；而

光開(kāi)關(guān)則是改變光線的空間線路或控制其通斷。浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件47高的調(diào)制速率

寬的調(diào)制帶寬低的半波電壓

高的消光比低的插入損耗

光調(diào)制器的性能參量

光調(diào)制器的性能參量

半波電壓、消光比、調(diào)制帶寬、插入損耗光纖通信系統(tǒng)對(duì)調(diào)制器的要求：外調(diào)制技術(shù)分類：?電光調(diào)制

Electrooptic

Effects?電致吸收

Electro-Absorption

Effects?磁光調(diào)制

Magnetooptic

Effects?聲光調(diào)制

Acoustic

Modulators其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。48電光效應(yīng)光調(diào)制器輸出

-電極ATi

-

LiNbO

3

波導(dǎo)

LiNbO

3浙江大學(xué)光電系光纖A電極調(diào)制信號(hào)

V

t

+

BLiNbO

3耦合波導(dǎo)L0-

dEaB

nAV

t

nB

光輸入方向耦合器型電光強(qiáng)度調(diào)制器

第五章

集成光無(wú)源器件浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件49電光效應(yīng)光調(diào)制器

M-Z型電光強(qiáng)度調(diào)制器電光效應(yīng):

在較強(qiáng)外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)的極化強(qiáng)度以及折射率會(huì)各向異性的發(fā)生變化。電光效應(yīng)馳豫的時(shí)間很短，僅有10-11s量級(jí)，外場(chǎng)的施加或撤銷導(dǎo)致的折射率變化或恢復(fù)瞬間即可完成，因而可用作高速調(diào)制器、高速開(kāi)關(guān)等。

調(diào)制信號(hào)V

t

共平面條形電極輸出D偏振光輸入

CLiNbO

3偏振光輸入調(diào)制信號(hào)V

t

電極輸出BA

DC

ABEa+--AB+-Ea

ABTi-LiNbO3

波導(dǎo)LiNbO

3

(a)

調(diào)制電壓施加在兩臂上

Ti-LiNbO3

波導(dǎo)(b)

調(diào)制電壓施加在單臂上V

/2V

調(diào)制電壓

V半波電壓V

是把調(diào)制器從最小光強(qiáng)轉(zhuǎn)換到

最大光強(qiáng)所需的電壓注意：在調(diào)制的區(qū)域要求器件的線性度高。若調(diào)制器工作在非線性部分,則調(diào)制光將發(fā)生畸變。電光調(diào)制器響應(yīng)

電光調(diào)制的透過(guò)率(調(diào)制器被偏置在

V

/2點(diǎn)上)

透射光強(qiáng)

t浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件51聲光效應(yīng)調(diào)制器

聲光效應(yīng)調(diào)制器工作原理聲波的應(yīng)變場(chǎng)改變某些晶體的折射率，由于聲波的周期性，會(huì)引起折射率的周期性變化，產(chǎn)生類似于光柵的結(jié)構(gòu)，從而對(duì)入射的光波產(chǎn)生調(diào)制。

常用材料：壓電晶體(石英、鈮酸鋰)或壓電半導(dǎo)體彈光效應(yīng)：超聲波引起晶體的應(yīng)變場(chǎng)，使入射晶體中的光被這種彈性波衍射。52聲光調(diào)制器的工作原理

聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過(guò)程。

調(diào)制信號(hào)是以電信號(hào)(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的超聲場(chǎng)，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。I0

Ii

cos

,I1

Ii

sin2sin

B

2n

s衍射光入射光布喇格型聲光調(diào)制器布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖所示。

布拉格方程λs

(sin

i

+sin

d

)＝m

λ/n

fs

2nvs

53

調(diào)制信號(hào)

2

v

v

2

2

是光波穿過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的超聲場(chǎng)所產(chǎn)生的附加相位延遲

ν＝2πΔnL／λI1

/Ii

sin

[

(

)

nL)]

s=I1

2L22

cos

54

tPsId(fm)

0

fm(Is)聲光調(diào)制特性曲線

布喇格型聲光調(diào)制器響應(yīng)布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制相似，如圖所示。由圖可以看出：衍射效率

s與超聲功率Ps是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。s聲光材料的品質(zhì)因數(shù)

M2

n6P2

/

p

3

2

1

2

2

2

2

M2IsIi

B

cos

B

2

cos2

B

H

浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件552

22M2L2Is

P

HLIs

s

2M

2

L

所需的聲功率可見(jiàn)，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100%的衍射效率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應(yīng)做得長(zhǎng)（L大）而窄（H小）。布喇格型聲光調(diào)制器響應(yīng)聲光調(diào)制器的一個(gè)重要參量是衍射效率，要

得到100％的調(diào)制所需要的聲強(qiáng)度為I1

Ii

sin

Ii

sinBV浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件56聲光波導(dǎo)調(diào)制器聲波產(chǎn)生

的光柵O

sin

SAW

sin

nmax

nminO

輸入光

B

A

x

nnmax

nmin實(shí)際折射率射頻輸入

LiNbO3

理想折射率

P,

Q

2

x

聲波V

acoustic

A'B'

輸出光

x

x

聲波

強(qiáng)度

nnmax

nminAA'B'

nminnmax

Bnmaxnmax輸入光輸出光(反射光)

V

acoustic聲波

Q

sin

聲波波前

O

P

sin

O'

2

Δ

2

浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件57

第五章

集成光無(wú)源器件?

集成光無(wú)源器件概述?

典型的集成光無(wú)源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復(fù)用器?

光開(kāi)關(guān)與調(diào)制器

光開(kāi)關(guān)

調(diào)制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件58光隔離器

(Isolator)

用途

只允許光波往一個(gè)方向傳播，阻止光波往其

他方向特別是反方向傳輸?shù)摹?/p>

主要用在激光器或光放大器的后面，以消除

反射光的影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

主要參數(shù)要求

插入損耗?。ǖ湫椭导s為0.5

dB）

隔離度大（典型值約在40~50dB之間）

PDL?。?lt;0.2

dB）

?

典型的非互易性器件59場(chǎng)的作用下可使穿過(guò)它的平面偏振光的偏振

方

向

旋

轉(zhuǎn)（在光的傳播方向上加上強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)）

浙江大學(xué)光電系

法拉第效應(yīng)（磁致旋光效應(yīng)）?

法拉第發(fā)現(xiàn)，

許多物質(zhì)在磁Ｈ

d第五章

集成光無(wú)源器件

浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件60·法拉第旋轉(zhuǎn)器（Faraday

Rotator）對(duì)于給定的磁光材料，光振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)的角度

與光在該物質(zhì)中通過(guò)的距離L和磁感應(yīng)強(qiáng)度

B成正比，

＝VLBV是材料的特性常數(shù)，稱韋爾代常數(shù)，單位是：

分/特斯拉

米。浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件61磁光效應(yīng)光調(diào)制器

磁光調(diào)制原理圖法拉第效應(yīng)：當(dāng)一束平面偏振光通過(guò)磁場(chǎng)作用下的某些物質(zhì)時(shí)，其偏振面受到正比于外加磁場(chǎng)平行于傳播方向分量的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

常用材料：釔鐵石榴石(YIG)或摻鎵YIG晶體EOOEOE檢偏器棱鏡方解石3插入損耗(dB)串音(dB)開(kāi)關(guān)時(shí)間(ms)最小電壓(V)1.3~1.7-2530±5EOEO雙折

Gd:YIG雙

檢

折

棱射分

晶體

射

偏

分

鏡離

器離方解石1

分

45石英雙折射起偏

離

器

1檢離2

器浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件622光纖磁光開(kāi)關(guān)

線圈施加

電壓+5V時(shí)32透鏡透鏡透鏡玻璃塊

0旋轉(zhuǎn)器1

光纖光纖

透鏡O+E3光纖1

光纖

透鏡

電磁鐵透鏡1

光纖

透鏡

線圈施加

電壓-5V時(shí)起偏器玻璃塊0-55端口1-3端口1-2

0施加電壓(V)

(b)表

3.6.1磁光式光開(kāi)關(guān)的特性O(shè)+EGd:YIG

晶體

30

傳

輸

損

20

耗(dB)

10

方解石2

分

偏(a)雙折射4545

C

法拉90浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件63光隔離器的基本結(jié)構(gòu)GRIN透鏡GRIN透鏡起偏振器檢偏振器法拉第旋轉(zhuǎn)器0ooo入射光反射光出射光反射光自聚焦透鏡

0第旋轉(zhuǎn)器永磁鐵

方解石（檢偏振器）

方解石（起偏振器）Gd：YIG膜PA

磁場(chǎng)法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器工作原理厚膜Gd：YIG構(gòu)成的隔離器結(jié)構(gòu)磁致旋光不可逆性：當(dāng)光傳播方向平行于磁場(chǎng)時(shí)，若法拉第效應(yīng)表現(xiàn)為左旋，則當(dāng)光線逆反時(shí)，法拉第效應(yīng)表現(xiàn)為右旋。J.

Fujita,

et

al.,

APL,

2000光波導(dǎo)型光隔離器O

Zhuromskyy,

et

al.,

Optical

and

Quantum

Electronics，2005光波導(dǎo)型光隔離器28dB光波導(dǎo)型光隔離器浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件67光隔離器的性能指標(biāo)插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個(gè)主要性能參數(shù)，另還有回波損耗，偏振相關(guān)損耗和偏振模色散。

（1）插入損耗

插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號(hào)功率為Pi，經(jīng)過(guò)光隔離器后的功率為Po，則插入損耗IL為(dB)iPo

P

IL

10log顯然，其值越小越好。浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件68ii

光隔離器的性能指標(biāo)

（2）回波損耗

回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對(duì)入射光信號(hào)的衰減?；夭〒p耗RL為

P

PRL值越大越好。

（3）隔離度

隔離度是指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘?hào)由于引入光隔離器而產(chǎn)生的損耗。有

Iso

10log

(dB)其中，P

為反向輸入光隔離器的光信號(hào)功率，Po

為反向通過(guò)光隔離器的光功率。隔離度越大越好。浙江大學(xué)光電系第五章

集成光無(wú)源器件69光隔離器的性能指標(biāo)

（4）偏振相關(guān)損耗（PDL）

是指輸入光偏振態(tài)發(fā)