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