2 相位调制器的结构

2 相位调制器的结构

2.1 “lxl”形式的光相位调制器

传统的光学相位调制器 (体相位调制器或波导相位调制器)，只有一条基本的光路，仅考虑单频光通过一个相位调制器的基本结构，即如图3所示的形式，我们称之为“lxl”形式的光相位调制器。

图3 相位调制器的基本结构图

当光信号通过相位调制器之后，输出光场的表达式为公式为：

()

()

0+2+=A

=A

m j t jf t j f t jf t LW

LW

out E e

e

ωπ （4）

本论文中，假设f(t)是单频正弦波信号，即：

()()()

00sin 2sin RF

RF

m m f t A f t A

t πϕωϕ=+=+ （5）

2.1.1 体相位调制器

我们知道单轴晶体妮酸铿晶体 (3LiNbO

) 以及与之同类型的 3L iT aO

、3

BaTaO

酸铿等晶体，属于同一类晶体点群。它们光学均匀性好，不潮解，因此在光电子技术中经常使用。并且此类晶体在被施加外加电场之后，其折射率椭球就会发生“变形”。 以妮酸铿电光材料为例，将该晶体用于相位调制器，可以有以下几种基本的应用方式:

情况1:入射光沿

1

x 方向入射

精况1.l ：入射光沿3x 方向偏振 情况1.2：入射光沿

2

x 方向偏振

情况2:入射光沿3x

方向入射

这里只讨论情况1.1，如下图(图4)所示:

图4 体相位调制器的基本结构图

如果入射光是万方向的线偏振光，外加电场信号V(t)，则在该方向上的折射率变为:

'

3

23333

12

e e n n n n E γ==-

（7）

光通过该调制器后的相位变化为:

()3

23312z e e V t n l n n l c

c d ω

ωϕγ⎛

⎫=

=

- ⎪⎝⎭

（8）

体相位调制器是一种电光调制器，具有较大体积的分离器件。为了使通过的光波受到调制，需要改变晶体的光学性质，而这需要给整个晶体施加外加相当高的电压。

2.1.2 波导相位调制器

光波导相位调制器件可以把光波限制在微米量级的波导区中，并使其沿一定的方向传播。

光波导相位调制器是通过使用电光材料(如 lithium niobate(LN)， lithium tantalate(LT)，gallium arsenide(GaAs)等等)的电光特性以及一定的光波导结构，来实现光的相位调制的。

光波导相位调制器能使介质的介电张量(折射率)产生微小的变化，从而使两传播模式之间有一定的相位差，并且由于外场的作用导致波导中本征模传播特性的变化以及两不同模式之间的藕合。 以

3

LiNbO 晶体为例子，实际应用中常见的光波导相位调制器结构如下图(图5)所示:

图5 波导相位调制器的结构示意图

2.2 “2x2”形式的相位调制网络

如2.1.2节中所示的的相位调制结构，可以构造波导干涉器，也可以构造Phase Shifter Pairs。

下图(图6)描述了PS Pairs的基本结构。

图6 Phase Shifter Pairs 的结构示意图。

图中的Etched slot 将两个平行的波导隔开，从而避免了两条光路之间的藕合。在电信号的控制下，两路光具有可以控制的相位差。

方向耦合器(Directional coupler switches (DC))与PS Pairs 具有类似的结构，不同的是两路波导之间没有Etched slot 用来阻止在两路波导之间传播的光之间的藕合。

下图(图7)描述了方向耦合器的基本结构。

图7 方向藕合器的结构示意图

利用PS (phase shifter pairs)和DC (Directional Coupler，方向性藕合器)组成的相位调制网络，我们称之为“2x2”形式的相位调制网络(如图8所示)。

图8 相位调制网络的结构示意图

图8中，上一路光路为x路，下一路光路为y路。如果相位调制网络中的两路光具有相同的频率，只是具有不同的相位，我们只需将上一路的光类比于某x方向上的偏振光，而将另一路的光类比于y方向上的偏振光。这样，相位调制网络的结构，就可以用相应的Jones矩阵和Stocks矩阵来表示。

2.3 平面波导结构的相位调制

平行波导结构中，最简单最基本的结构，便是常见的MZ(Mach-Zehnder)结构。该类结构中，每一路波导上都存在一个基本的相位调制器和一个Phase Shifter。在下图(图3)中，描述了N=8路平行波导的结构。

图3 N=8路平行平面波导的结构示意图

设每一路上的相位调制信号表示为：

()cos 2RF

m m m

A f t πϕ+ （5）

每一路上的Phase Shifter 表示为l

m

ϕ (下标m 表示第m 路)，假设每一路具有相同的调制

频率

m

f ，则输出的合成的光场的表达式可以表示为:

()()

01

1exp cos 2c N

j t

RF

L

out m

m m

m

m E E e

j A f t N

ωπϕϕ

=⎡⎤=++⎣

⎦

∑ ()()

011exp 2c N j t

k

RF

L

k m m m m m k E e i J A ik f t N ωπϕϕ+∞

==-∞=∙++∑∑

()()()

01

1exp 2exp c N

j t

k

RF

L

k

m

m m m m k E e

J A ik f t i jk j N

ωπ

ϕϕ+∞

==-∞

=∙∙

+∑∑

（6）

从上式可以看出，输出的光场具有无穷多个频谱分量，显然，在特定的N 路波导中，

通过合理的选择

R F

m

ϕ和

L

m

ϕ，可以使得第k 个频谱的电场幅度为0。