第三讲-电光调制器

第三章电光调制器
内容
•电光调制的基本原理
•铌酸锂（LiNbO3）电光调制器•半导体电吸收调制器（EAM）
电光调制
电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参
量的改变而改变。

光波作为信息的载波。

强度调制的方式
作为信息载体的光载波是一种电磁场：()()
0cos E t eA t ωφ=+r r 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。

在模拟信号的调制中称为AM 、FM 和PM ；在数字信号的调制中称为ASK 、FSK 和PSK 。

调制器：将连续的光波转换为光信号，使光信号随电信号的变化而变化。

性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置电
压。

电光调制的主要方式
直接调制：电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使输出激光强度随电信号而改变。

优点：采用单一器件
成本低廉
附件损耗小
缺点：调制频率受限，与激光器弛豫振荡有关
产生强的频率啁啾，限制传输距离
光波长随驱动电流而改变
光脉冲前沿、后沿产生大的波长漂移
适用于短距离、低速率的传输系统
电光调制的主要方式
外调制：调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、热光或声光等物理效应，从而使通过调制器的激光束的光参量随信号
而改变。

优点：不干扰激光器工作，波长稳定
可对信号实现多种编码格式
高速率、大的消光比
低啁啾、低的调制信号劣化
缺点：额外增加了光学器件、成本增加
增加了光纤线路的损耗
目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器
调制器调制器连续光源
光传输
NRZ 调制格式
其他调制格式: •相位调制
•偏振调制
•相位与强度调制想结合光传输RZ 调制格式
脉冲光源电光调制
折射率的改变通过
电介质晶体Pockels 效应和半导体材料
中的电光效应
光吸收的改变通过半导体材料中的Franz-Keldysh效应量子阱半导体材料中的量子限制的Stark 效应光与物质相互作用
相位调制
偏振调制
(双折射材料)
强度调制强度调制通过-干涉仪结构-定向耦合
光在晶体中的传播－电光效应
在光与物质相互作用中，电场强度（E）与电极化矢量（P）的关系。

在各向同性的介质中，P与E同向：
在各向异性的介质中，P与E一般不同向：光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
泡克耳斯效应（Pockels effect）：
某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。

折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克耳斯发现。

光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
光在晶体中的传播－电光效应
电光系数
•当外加直流电场时，晶体折射率的改变可表示为：
•18个矩阵元描述了晶体的电光特性
•仅有少数的矩阵元不为零，取决于晶体点群的对称性•对于GaAs和InP，属于43m点群，仅需要参数r41就可描述电光特性
•对于LiNbO3晶体，需用3个参量来进行描述。

LiNbO 3晶体特性
•主要参数
–高的电光参数
–在光通信窗口，高的透
明特性
–高T C
–机械与化学的稳定性
–加工的兼容性
•
LiNbO 3和GaAs的矩阵元：•
非零矩阵元的数值与光波长密切相关•
对GaAs波长为900nm 时，r41=1.1pm/V，波长接近1300nm ，增加至1.43pm/V。

•
对InP波长为1060nm 时，r41=1.45pm/V，波长接近1300nm ，降低至1. 3pm/V。

电光系数
•
LiNbO3光波导通常用来制作调制器•
LiNbO3的电光响应受四个参数所支配•
在1500nm处，•
电场的作用沿着晶轴Z向，应选择r 33•
折射率沿着Z轴的变化为：•
当•
当调制器的长度为L时，光相位变化为：•
采用Mach－Zehnder结构，将相位调制转化为幅度调制。

电光波导调制器
•
相位调制器：合适长度的单一光波导•
幅度调制器：双波导的MZ 结构•
重要的设计参数V π：产生π相移的作用电压•
由折射率变化决定电极间隔•
Г为光场与电场的重叠因子，一般取0.5LiNbO 3调制器
•对于3dB 耦合器，
传输的光功率可表示为：•
是由直流偏置，产生的相移•常数K 表示调制效率
•当时，可实现接近的线性响应：•调制器的插入损耗与消光比定义为：
•目前LiNbO3调制器的消光比可达20dB ，插入损耗小于
5dB 。

幅度调制器的时域响应
•AM 调制器会产生频率啁啾
•对于平衡型MZ 干涉仪，光场的传输可表示为：
•
和是两臂上电压引起的相移。

•当
时，•当
时，调制器的输出是啁啾的。

•当时，调制是无啁啾的。

•同时，π相移发生在半波电压处。

•这种调制器可称之为推挽式调制器。

调制器导致的频率啁啾
•
如图为X －切向、Z －切向的LiNbO3调制器。

•
在X －切向的设计中，边电极是接地的。

•
如果其中一臂的折射率增加，另一臂的折射率减少。

调制器的设计
•
LiNbO3调制器可工作在高于10Gb/s 的速率下，RF 的传输将设计成共面波导。

•
这种调制器是指行波调制器。

•
MZ 的输入、输出端与光纤的尾纤相耦合，构成全光纤器件。

调制器的设计
•调制器的设计需要优化几个关键的参数。

•LiNbO 3的折射率在光频处为2.2，但在微波频率处就增加到6。

•需要SiO2的缓冲层减少光波与微波间的速度失配。

•商用化的调制器是十分紧凑的，宽1.5cm ，长12cm ；调制输率为10Gb/s 时，偏置电压<5V 。

•2000年后，就有速率>40Gb/s 的调制器，偏置电压为>10V 。

调制器的设计
封装后的LiNbO3 调制器模块
典型的NRZ信号调制
典型的RZ信号调制
系统对调制器的要求
•DWDM 要求多种多样的数据编码格式和调制技术
•Pockels 效应: Δn =−12n 3rE n = 折射率= 2.2
r 33= 电光系数=30.10-12 Vm -1
E = 作用电场= 作用电压/ 有效的电极间隔
在高速率数字调制系统中，需要用到
不止一对电极电极的放置很关键
选择晶体主轴是关键
与光的偏振方向密切相关
LiNbO 3Substrate
与电极结构相匹配的行波阻抗层
光波导
Mach-Zehnder
干涉仪
LiNbO 3电光调制器小结
LiNbO 3电光调制器小结
From WOOTEN et al :
IEEE J.Selected Topics in
Quantum Electron.,6,1,2000
Mach-Zehnder 强度调制器的关键参数：
•插入损耗: 光的模场分布是关键，对波导优化设计以实现和电场的最佳交叠。

•偏振相关性: 入射的光纤要采用保偏光纤
•切换电压: 与调制器长度、电场与光场的交叠程度有关
•调制器的速度: 受限于光波与微波的速度失配。

厚(>10µm) 电极可减少速度失配。

•啁啾: 来自于干涉仪两臂不平衡的光场与电场作用. 有些结构设计成电场与光场分别进入两臂。

•直流偏移: 需要对直流的反馈控制。

•相位调制器：采用单一直波导。

•定向耦合器：采用两个平行光波导
应用于2×2快速（ns级）空间光交换
•对称注入的定向耦合器结构可增强线性调制范围
•偏振调制器：利用各向异性的电光效应(r 52)
•很高的频率的带通调制器：利用相位反转或谐振腔电极
应用于光信号的微波传输
LiNbO 3电光调制器小结
可选择的调制器结构：
电吸收效应
effects）：在体材料•弗朗兹-凯尔迪什效应（Franz-Keldysh effects
中，外电场使能带倾斜，当外电场很强时，价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加，有效带隙减少，使得吸收边红移。

•在吸收系数的后沿，呈指数衰减，减少了带隙。

•陡峭的吸收边沿，变得更加缓变。

•
对于较薄的光波导，量子阱效应十分重要。

•
在低于带隙的光谱范围内，激子效应占主导地位。

•
量子限制的Stark 效应：在作用电场下，吸收谱将发生变化。

•
调制器利用的半导体材料，其带隙稍大于需调制的光波的光子能量。

光波导中的电吸收效应
电吸收调制器
•基本的设计与半导体激光器的结构相似。

•量子的带隙大于调制光波的光子能量。

•在无电偏置的情况下光场透明传输。

•在有电压偏置的情况下，信号光场被吸收而损耗掉。

•在反偏电压为2－3V时，调制速率可达40Gb/s，消
光比>15dB.
电吸收调制器（EAM）的优点
•零偏置电压（直流偏置）
•低的驱动电压（交流峰值）
•低/负的啁啾
•高速率
•可与DFB激光器进行集成
电吸收调制器的基本结构
•光波导类型被普遍采用。

•横向传输类型不会产生足够高的消光比。

Franz-Keldysh效应
在体材料中，外电场使能带倾斜，当外电场很强时，价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加，有效带隙减少，使得吸收边红移。

Franz－Keldysh效应的特点：属于带间跃迁，加上材料抛物线型能态密度，使得体材料调制器具有吸收系数、折射率随电压变化缓慢、调制电压高、消光比低等缺点。

量子限制的Stark 效应
在量子阱生长方向的电场作用下，电子、空穴的波函数向相反的
方向移动，对应激子吸收峰的光子能量向低能的方向移动，即“红移”，同时激子束缚能下降，吸收谱中激子吸收峰值下降、吸收谱线
展宽。

QCSE的特点：由于量子阱的束缚，电子和空穴需要相对更长时间才能通过隧道穿透效应从量子阱中逸出；量子阱层的厚度很小，使得束缚在其中的电子与空穴之间的库仑作用非常明显；激子共振可以存在于很大的外电场下，而不被离子化，改善了半导体电吸收调制器的性能。

电吸收调制器的设计
•工作原理
•消光比
•插入损耗
•调制效率
•频率啁啾与优化
•集成与封装
基于量子限制的Stark 的EMA
•平行于量子阱生长方向施加电压, 吸收系数将在合适的波长下发生急剧的变化。

消光比
•消光比直接影响系统的误码率（BER）。

•增加调制器的长度，可提高消光比。

•但是光的传输损耗也将会增加。

[]L V R dB R e e V V P V P R off on off on L V L off out on out off on )0()(343.4)log(10)()()0(//)()0(/αααα−⋅======−−
插入损耗
•吸收损耗
–调制器越长，附加损耗越大.
–需与消光比这种考虑
•与单模光纤的耦合损耗
–采用波导耦合器可减少耦合损耗
–最低可降至1 dB
–典型的损耗数值为：5-6 dB
L in
out in e P V P P )0(1)0(Loss α−−==−=
调制效率
•调制效率可量化成需要多少的电压来调制光信号
•小的失谐可增加调制效率。

然而，同时也增加了附加损耗。

[]F
V L V V R off
on ΔΔ=Δ−=Δααα343.4)0()(343.4/
时域响应
•如图，在三种不同波长下，透射率与调制器电压的关系。

•输出光功率可表示为：
•如果在吸收期间，产生的载流子很快被迁移走的话，EAM 的时域响应将会很快。

•电吸收调制器能工作在40Gb/s的速率下。

•α限制了工作波长范围为20nm。

•实际上，在EAM中，PM伴随着AM。

•通过Kramers－Kronig关系，吸收系数的改变导致折射率的变化：•由于折射率随时间变化，相位的也随之间而变化。

•EAM中产生的啁啾不会很大。

•EAM的啁啾可以通过应变量子阱来控制。

调制引入的啁啾。