光纤通信第五版_第四章讲义03

光信号是电信号的放大形式
4.6.3 光电子集成光学
总结与讨论
工作原理：光电光

对于数字系统，放大的电信号经过判决后重新形成数字信号， 最后通过耦合器将光信号送入光纤，发向远方 可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产成本低
再对半导体激光的输出进行调制，获得脉冲恢复的调制信号

电介质波导中的光传输问题： 平板波导中的模式 等效折射率，模式条件，模式图，总模数计算公式 波导的耦合 数值孔径 波导的色散和失真 材料色散，波导色散，模式畸变 集成光器件 光调制器，啁啾，外调制
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第4章 集成光波导
4.1 电介质平板波导
4.2 对称平板波导中的模式 4.3 非对称平板波导中的模式 4.4 波导的耦合 4.5 平板波导的色散和失真
4.5 平板波导的色散和失真
除了材料色散导致的脉冲展宽以外，在波导中还有另外两种情 况导致的脉冲展宽现象：波导色散和多模失真。
4.6 集成光器件
n1 > n2 最低阶模 高阶模 L2 n2
什么远距离高速传输时光源波长都比较大。
5
4.5.2 多模失真
4.5.2 多模失真
所以临界角传输的总传输路径为
轴向模式传输时间：
t轴向传输
对于临界角传输：
L Ln 1 v c
(4.25)
L
n1 n2
临界角传输的总时间为：
d 1
4.24
3.14
波导膜厚度d固定，对于线宽为Δλ=λ2-λ1光源，等效折射neff
率随波长变化，因此其波导中的速度也发生变化，最终导 致脉冲展宽，该种现象称为波导色散。
3 4
1
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4.5.1 波导色散
4.5.2 多模失真
模式不同则传输路径不同，考虑一下这种现象的最糟情况，
由平行的LiNbO3衬底上采用钛扩散形成的波导构成。
工作原理：不加电压，输出光功率最大；施加合适电压，
光束之间可能有180°相位差，输出最小。
Pout pV 0.5 1 cos Pin Vp
V 施加在电机上的电压Vp 是 180o 相位差时需要的电压，可见在
输入电压为Vp的情况下，输出功率为输入功率的一半。
sin c
L1
L2 L1
L2 Ln 2 1 sin c n2
t临界角传输
Ln1 2 n Ln1 n1 Ln1 2 n c v n 2c 2
(4.26)
2
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4.5.2 多模失真
作用长度L与耦合长度Lc相等，则当无外接施加电压的情况下光 功率完全从左边被耦合到右边，即：
4.6.2 有源器件
当施加外部电压时，导致一个波导的折射率上升，令一个波 导的折射率下降，从而导致没有功率耦合，此时P2/P1 = 1 且 P 3/P1 = 0，所有的光功率在左边波导中传输。 光电开光同样可以作为一个数字调制器使用，数字信号的1
4.6.2 有源器件——光调制器
• 外调制工作频率更高，不受光源响应时间影响；
光、电光、磁光以及其他效应，通过改变激光束的某一个或
几个参数，将信息加载到光波上的调制方式，称之为外调制 • 与外调制对应，内调制是信号对光源本身直接调制，通常是 通过激光器电源，改变激光输出幅度 • 通常，10Gbps是一条分界线，内调制只能工作在10Gbps以
打开 关闭
P2/P1 = cos2 (p/2) = 0 P3/P1 = sin2 (p/2) = 1
和 0导致输出波导有或者无光功率输出。
光功率输入
由外加电压V形成的 电场
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28
7
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4.6.2 有源器件——光调制器
4.6.2 有源器件——光调制器
M-Z调制器的传输特性方程为：
集成光调制器示意图如下图所示，称为为M-Z干涉仪，
17
18
4.6.1 无源器件——定向耦合器
对于理想情况下没有损耗的耦合，功率比为：
4.6.1 无源器件——定向耦合器
例：如果耦合区域的实际长度 L 为 Lc/2,，试计算输出耦合比。
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc)
(4.30)
P2/P1 = cos2 (p/4) = (0.707)2 = 0.5
21
22
4.6.1 无源器件——功率分配器
通过Y型功分器的级联，可以形成更多输出口的分束器 0.125Pin
4.6.2 有源器件
有源器件按其功能可分为两类：

控制光：光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等
转换光：光源（电光转换）、光检测器（光电转换）
电光材料根据所施加的电场改变其折射率。 声光材料依赖声波（由波导表面压电效应所激发）与光束 所有的有源控制功能都可以通过电光或声光效应来实现。
造而来
ห้องสมุดไป่ตู้中心薄膜使用LiNbO3，具有强电光特性，通过在LiNbO3衬底
上进行钛扩散产生一个较高折射率区
P2/P1 = cos2 (pL/2Lc) P3/P1 = sin2 (pL/2Lc) L 是作用长度 Lc 是耦合长度
打开 关闭
光功率输入
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由外加电压V形成的 电场
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4.6.2 有源器件——电光开关
即最低阶模式以90°角传播，最高阶模式以临界角传播。 设 L为波导长度。 注意，两个模式具有相同的波长。 n2 n1 L1 c
集合了材料色散和波导色散的总脉冲展宽可以写成：
/ L M M g
因为材料色散M 有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工
作波长超过 1300nm时 )，由色散引起的总脉冲展宽实际上 有可能会因为波导色散的存在反而减小。再次说明了为
4.7 总结和讨论
2
4.5.1 波导色散
4.5.1 波导色散
波导色散与材料色散同时存在 波导色散与材料色散拥有同样的公式形式
波导色散： / L neff '' M g c 材料色散： / L n '' M c
d 2
4.6.3 光电子集成光学
光中继器组成：

工作原理：光电光

GaAs衬底、GaAs光检测器、完成所有电功能的GaAs金
光电导器件接收来自光纤的光信号，从而阻抗改变，输出电 对于模拟系统电信号放大后调制半导体激光器的输出，输出
属半导体场效应管、AlGaAs半导体激光器光源。
流将随光变化，光信号转换成电信号。
有源器器件靠电光材料或声光材料的特性实现对光的控制

P in

的相互作用来实现对光的控制。 8端口分束器

0.125Pin
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4.6.2 有源器件——电光开关
4.6.2 有源器件——电光开关
作为无源耦合器，功率分配满足下式：
下图为电光开关示意图。由无源定向耦合器顶部铺设电极改
(4.29)
模式脉冲展宽与数值孔径的平方成正比
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4.5.2 多模失真
小结： （ 1）波导色散针对的是同一模式下，光源线宽内不同波 长的光等效折射率不同而产生的展宽 （ 2）多模失真针对的是单频光源由于不同模式产生的传 播路径长度不同造成的展宽
4.5.2 多模失真
结论：
为了减小脉冲展宽： ①光源线宽越窄越好； ②波导模式越少越好； ③波长长点好。
(4.31)
P3/P1 = sin2 (p/4) = (0.707)2 = 0.5
50% 功率从2口和3口输出，因此 10 log P2/P1 = 10 log 0.5 = -3 dB 这是一个3dB定向耦合器。
其中 Lc 是能量完全偶合进下面波导所需要的长度，称为耦
合长度 ，通过选择合适的L，可以实现0-100%的耦合。
总延时为：
4.5.2 多模失真
代入相对折射率差公式
t临界角传输 t轴向传输 n n 1 1 L n 2c c
n 1(n1 n 2 ) L cn 2
长度上的模式脉冲展宽时间。可以记为：
2

(n1 n 2 ) n1
(4.27)
得到
n1 L cn 2
n1 L c
2
这就是同一波长的光波在波导中以不同模式传输时单位
如果 n1 和 n2 非常接近，则有： (4.28)
n1 n1 n 2 L cn n n 1 2 1
即为模式脉冲展宽
4.5.2 多模失真
4.5.2 多模失真
以相对折射率差表示的数值孔径为：
平板波导中的总脉冲展宽可以写成：
NA n1 2
因此模式脉冲展宽可以写成其与数值孔径的关系
L
L L mod dis
2
2
NA 2 L 2cn 1
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20
5
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4.6.1 无源器件——定向耦合器
对于理想的耦合器，端口4（称为隔离端口）的输出
4.6.1 无源器件——功率分配器
下图展示的是一个集成光功率分配器，又称为Y型功 分器 :
为0，因此：
10 log P4/P1 = 10 log 0 = -

P in
0.5Pin
0.5Pin 光从左边进入，然后在右端被平均分成了两路
（ 3）单模光纤没有模式展宽，但是有波导色散
（ 4）单频光源没有波导色散，但有模式展宽
4.6 集成光器件
利用集成光学技术可以制造无源器件与有源器件。

4.6.1 无源器件—透镜
无源器件：定向耦合器、分束器、隔离器、滤波 有源器件：调幅器、调相器、光开关、可变光衰
无源器件一般都可以通过改变波导的结构来制作 下图给出了一个用这种方法构造的集成光透镜
光电子集成电路(OEIC)

可一个基片上实现光器件与电器件的功能，一般采用半导 半导体材料提供了将光源、光检测器和电子线路组合在同
体基片和薄膜波导制作。

（3）高速链路和相干检测系统（第10章讨论）
一基片上的可能。
光中继器是基于这种概念的一个具体应用
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4.6.3 光电子集成光学
• 外调制不改变激光的波长，而内调制不然，内调制改变波长
和线宽的现象称之为“啁啾”
下，而外调制的频率可以高达数十Gbps，原因如下：
高斯非啁啾分布
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高斯负啁啾分布
高斯正啁啾分布
34
4.6.2 有源器件——光调制器 4.6.3 光电子集成光学
• 以下应用情况，啁啾的存在将严重影响系统性能： （ 1）信道间隔很小的光复用（第9章介绍） （ 2）工作在最小色散波长的光纤通信系统
器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等

减器、可调滤波器、光源、光检测器等
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4.6.1 无源器件——定向耦合器
4.6.1 无源器件——定向耦合器
图为定向耦合器，设光功率通过端口1进入，如果两个波导
的传播因子相同，部分功率从端口2 输出，另一部分功率从 端口 3输出。理想情况下，没有光到端口4。
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总结与讨论
材料色散 输入光 1 2 波导色散 输入光 1 2
5.9 41
总结与讨论
模式色散 输入光 1 1
5.9
42
11
光输入
光输出 光输入 光输出
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4.6.2 有源器件——光调制器
M-Z调制器的输出特性曲线为： Pout/Pin
4.6.2 有源器件——光调制器
输出特性曲线图
Pout pV 0.5 1 cos Pin Vp
电压 (4.32) 信号电压
Pout pV 0.5 1 sin Pin Vp
(4.33)
线性输出区域在0.5Vp附近 ，可以通过施加-Vp/2偏置电压的方 法将该点作为工作点，在输出特性方程中用V-Vp/2替代V ，可 得：
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由图可见，线性区域已经迁移到0电压附近，该设备即可用于 数字调制，也可用于模拟调制。
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4.6.2 有源器件——光调制器
• 如同前面介绍的集成光开关和光调制器，使用传输介质的声