第7章电光磁光声光效应及应用

1、光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著1第第7章章 电光电光/磁光磁光/声光效应及应用声光效应及应用 7.1 电光效应及器件电光效应及器件 7.2 热电效应及热光开关热电效应及热光开关 7.3 磁光效应及其器件磁光效应及其器件 7.4 声光效应及其器件声光效应及其器件光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著27.1 电光效应及器件电光效应及器件 7.1.1 电光效应电光效应 7.1.2 电光调制器工作原理电光调制器工作原理 7.1.3 电光强度调制器电光强度调制器 7.1.4 电光相位调制器电光相位调制器 7.1.5 马赫马赫-曾德尔幅度调制器曾德尔幅度调制器 7.1.6 QPSK光调制器光调制器 7.

2、1.7 电光开关电光开关光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著37.1.1 电光效应电光效应电光效应是外加电场引起各向异性晶体材料折射率改变的效应。电光效应是外加电场引起各向异性晶体材料折射率改变的效应。对于一个入射偏振光，施加的电场强度对于一个入射偏振光，施加的电场强度E对折射率对折射率n的影响可用的影响可用E的泰勒级数表示的泰勒级数表示 （7.1.1） 式中，式中， 和和 分别表示线性电光效应和二阶电光效应系数，由于分别表示线性电光效应和二阶电光效应系数，由于高阶项的影响很小，所以可以略去不计。由于第一项高阶项的影响很小，所以可以略去不计。由于第一项E引起引起n的变的变化化 （7.1.2） 称

3、为珀克（称为珀克（Pockel）效应，珀克电光效应是各向异性的，并严格）效应，珀克电光效应是各向异性的，并严格取决于输入光相对于材料轴线的取向。对于某个方向，取决于输入光相对于材料轴线的取向。对于某个方向， = 0，称，称为线性电光效应或珀克效应。只有某些晶体材料表现为珀克效应。为线性电光效应或珀克效应。只有某些晶体材料表现为珀克效应。只有中心非对称晶体，如只有中心非对称晶体，如GaAs晶体，表现为珀克效应。晶体，表现为珀克效应。而由于第二项引起而由于第二项引起n的变化的变化 （7.1.3） 称为克尔（称为克尔（Kerr）效应。式中，）效应。式中，K是克尔系数。如果取向选择是克尔系数。如果取向

4、选择 = 0 ，称为二阶电光效应或克尔效应，所有的材料都表现为克，称为二阶电光效应或克尔效应，所有的材料都表现为克尔效应。尔效应。,2nnEEEn22EKEn光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著4图图7.1.1 外加电场对外加电场对各向同性各向同性晶体和晶体和各向异性晶体折射率的影响各向异性晶体折射率的影响 事实上，我们必须考虑沿晶体某个方向施加的电场，对光在给定传输事实上，我们必须考虑沿晶体某个方向施加的电场，对光在给定传输方向上的折射率的影响。方向上的折射率的影响。 在在LiNbO3晶体中，沿晶体中，沿z方向（光轴）传输的光波，不加外电场时，方向（光轴）传输的光波，不加外电场时，x方方向和向

5、和y方向经历相同的折射率（方向经历相同的折射率（nx= ny = no），不管偏振态如何变化，），不管偏振态如何变化，如图如图7.1.1（a）所示。）所示。 然而，在外加平行于然而，在外加平行于y轴的电场轴的电场Ea时，如图时，如图7.1.1（c）所示，外加电场）所示，外加电场引入沿引入沿z轴传播的双折射，即光以平行于轴传播的双折射，即光以平行于x和和y轴的两个正交偏振态经历轴的两个正交偏振态经历不同的折射率（和）沿着不同的折射率（和）沿着z轴方向传播轴方向传播 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著5珀克电光效应调制器珀克电光效应调制器 很显然，改变外加电场（电压），就可以控制很显然，改变外加电

6、场（电压），就可以控制折射率，进而改变相位，实现相位调制。折射率，进而改变相位，实现相位调制。 如果外电场与光传播的方向相同，这种调制器如果外电场与光传播的方向相同，这种调制器叫做纵向珀克电光效应调制器，如图叫做纵向珀克电光效应调制器，如图7.1.1（b）所示；所示； 反之，如果外电场与光传播的方向垂直，这种反之，如果外电场与光传播的方向垂直，这种调制器就叫做横向珀克电光效应调制器，如图调制器就叫做横向珀克电光效应调制器，如图7.1.1（c）所示，施加的外电场与）所示，施加的外电场与y方向相同，方向相同，光的传输方向沿着光的传输方向沿着z方向，外电场在光传播方方向，外电场在光传播方向的横截面上

7、。向的横截面上。 调制器通常利用线性电光效应。调制器通常利用线性电光效应。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著67.1.2 电光调制器工作原理电光调制器工作原理 电光调制基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光调制基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光效应，即电光材料的折射率电光效应，即电光材料的折射率n随施加的外随施加的外电场电场E而变化，而变化，n = n(E)，例如，例如LiNbO3、InGaAsP 、GaAs和聚合物这样的电光材料，和聚合物这样的电光材料，它的折射率明显随施加的外电场而改变，从而它的折射率明显随施加的外电场而改变，从而实现对激光的调制。基于实现对激光的调制。基于InP材料的高速

8、光调材料的高速光调制器受到人们的重视，因为它的珀克（制器受到人们的重视，因为它的珀克（Pockel）电光效应虽然比电光效应虽然比LiNbO3的弱，但是它的折射的弱，但是它的折射率率n约为约为3.5，却是较大的。，却是较大的。 电光调制器是一种集成光学器件，即它把各种电光调制器是一种集成光学器件，即它把各种光学器件集成在同一个衬底上，从而增强了性光学器件集成在同一个衬底上，从而增强了性能，减小了尺寸，提高了可靠性和可用性。能，减小了尺寸，提高了可靠性和可用性。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著7图图7.1.2 横向线性电光效应相位调制器横向线性电光效应相位调制器 当当EY沿横轴传输距离沿横轴传输

9、距离 L 后，引起相位变化，于是后，引起相位变化，于是Ex 和和 Ey 产生的相位变化为：产生的相位变化为：UdLrnnLyx223o22光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著8横向线性电光效应相位调制器横向线性电光效应相位调制器 施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差，因此出射光波的偏振态可被施加整的相位差，因此出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。的外电压控制。 可以调整电压来改变介质从四分之一波片到半可以调整电压来改变介质从四分之一波片到半波片，产生半波片的半波电压波片，产生半波片的半波电压U = U /2对应对应于于 。 横向线性电光效应

10、的优点是我们可以分别独立横向线性电光效应的优点是我们可以分别独立地减小晶体厚度地减小晶体厚度 d 和增加长度和增加长度 L，前者可以增，前者可以增加电场强度，后者可引起更多的相位变化。加电场强度，后者可引起更多的相位变化。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著97.1.3 电光强度调制器电光强度调制器 在图在图7.1.2（a）所示的相位调制器中，在）所示的相位调制器中，在相位调制器之前和之后分别插入相位调制器之前和之后分别插入5.2.2节节介绍的起偏器（介绍的起偏器（polarizer）和检偏器）和检偏器（Analyzer），我们就可以构成强度调），我们就可以构成强度调制器，如图制器，如图7.1

11、.3所示，起偏器和检偏器所示，起偏器和检偏器的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向与与y轴有轴有45o角的倾斜，所以进入晶体的角的倾斜，所以进入晶体的Ex和和Ey光幅度相等。光幅度相等。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著10图图7.1.3 横向线性电光效应强度调制器横向线性电光效应强度调制器（a）在相位调制器之前和之后分别插入起偏器和检偏器）在相位调制器之前和之后分别插入起偏器和检偏器可构成强度调制器可构成强度调制器（b）探测器检测到的光强和施加到晶体上的电压的传输）探测器检测到的光强和施加到晶体上的电压的传输特性，虚线表示插入特性，虚线表示插入 /4波片后的特性

12、波片后的特性 图中调制器的工作点已用光学的方法（在起偏器之后图中调制器的工作点已用光学的方法（在起偏器之后插入一个四分之一波片）偏置到插入一个四分之一波片）偏置到Q点。点。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著11横向线性电光效应强度调制器工作原理横向线性电光效应强度调制器工作原理 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著12利用横向线性电光效应利用横向线性电光效应制成的行波马赫制成的行波马赫-曾德尔调制器曾德尔调制器PIC 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著137.1.4 电光相位调制器电光相位调制器 目前，大多数调制器是由铌酸锂目前，大多数调制器是由铌酸锂（LiNbO3）晶体制成的，这种晶体在某）晶

13、体制成的，这种晶体在某些方向具有非常大的电光系数。根据式些方向具有非常大的电光系数。根据式（7.1.5）可以构成相位调制器，它是电）可以构成相位调制器，它是电光调制器的基础，通过相位调制，可以光调制器的基础，通过相位调制，可以实现幅度调制和频率调制。实现幅度调制和频率调制。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著14图图7.1.4 x切割集成相位调制器切割集成相位调制器光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著157.1.5 马赫马赫-曾德尔幅度调制器曾德尔幅度调制器 最常用的幅度调制器是在晶体表面用钛扩散波最常用的幅度调制器是在晶体表面用钛扩散波导构成的马赫导构成的马赫-曾德尔（曾德尔（M-Z）干涉型调

14、制器，）干涉型调制器，如图如图7.1.5所示。所示。 在这种调制器中，使用两个频率相同但相位不在这种调制器中，使用两个频率相同但相位不同的偏振光波，进行干涉，外加电压引入相位同的偏振光波，进行干涉，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。在图的变化可以转换为幅度的变化。在图7.1.5（a）表示的由两个表示的由两个Y形波导构成的结构中，理想的形波导构成的结构中，理想的情况下，输入光功率在情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分点平均分配到两个分支传输，在输出端支传输，在输出端D干涉，所以该结构扮演着干涉，所以该结构扮演着一个干涉仪的作用，其输出幅度与两个分支光一个干涉仪的作用，其输出幅度与两

15、个分支光通道的相位差有关。通道的相位差有关。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著16图图7.1.5（a） 马赫马赫-曾德尔曾德尔幅度调制器幅度调制器光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著17商用商用相位调制器相位调制器 工作波长工作波长15251575 nm，插入损耗，插入损耗2.53.0 dB，消光比消光比 25 dB，回波损耗，回波损耗45dB，半波电压，半波电压3.5 V。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著18图图7.1.5(b) 马赫马赫-曾德尔曾德尔幅度调制器幅度调制器 根据式（根据式（3.1.2），当两臂间的相位差是），当两臂间的相位差是0或或2 的整数倍时，的整数倍时，在在D点发生相

16、长干涉，输出光强最大；点发生相长干涉，输出光强最大； 当两臂间的相位差等于当两臂间的相位差等于 时，在时，在D点出现了相消干涉，输入光点出现了相消干涉，输入光强为零。强为零。 当调制电压引起当调制电压引起A、B两臂的相位差在两臂的相位差在0 时，输出光强将随时，输出光强将随调制电压而变化。由此可见，加到调制器上的电比特流在调调制电压而变化。由此可见，加到调制器上的电比特流在调制器的输出端产生了波形相同的光比特流复制。制器的输出端产生了波形相同的光比特流复制。LiNbO3 tV电极偏振光输入调制信号输出AB波导3LiNbO-TiDCEa+-AB(b) 调制电压施加在单臂上光子学与光电子学 原荣

17、邱琪 编著19鈦扩散鈦扩散鈮酸锂鈮酸锂电光效电光效应调制应调制器，工器，工作频率作频率16 GHz,波长波长1550 nm,最大调最大调制电压制电压 20V光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著207.1.7 电光开关电光开关 7.1.1节已介绍了电光效应，利用其原理节已介绍了电光效应，利用其原理也可以构成波导光开关。也可以构成波导光开关。 开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）；开关时间短（毫秒到亚毫秒量级）； 体积非常小，而且易于大规模集成；体积非常小，而且易于大规模集成； 但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。感性指标都比较差。光子学与光电子学 原荣

18、邱琪 编著21图图7.1.7 马赫马赫-曾德尔曾德尔1 1光开关光开关LiNbO3 tV共平面共平面条形电极条形电极偏振光输入偏振光输入波导波导3LiNbO-Ti输出输出DCEa+ +- - -A AB B控制信号控制信号控制信号控制信号t tt t输出光输出光 tV光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著22图图7.1.7马赫马赫-曾曾德尔德尔1 1光光开关开关 LiNbO3 tV共共平平面面条条形形电电极极偏偏振振光光输输入入波波导导3LiNbO-Ti输输出出DCEa+ +- - -A AB B控控制制信信号号控控制制信信号号t tt t输输出出光光 tVtAEcoscos2output光子学与

19、光电子学 原荣 邱琪 编著237.2 热电效应及热光开关热电效应及热光开关 在图在图7.1.7表示的电光波导开关中，用一个薄膜表示的电光波导开关中，用一个薄膜加热器代替加控制电压的电极，就可构成热光加热器代替加控制电压的电极，就可构成热光开关（开关（TOS），如图），如图7.2.1a所示。所示。 它具有马赫它具有马赫-曾德尔干涉仪（曾德尔干涉仪（M-ZI）结构形式，）结构形式，包含两个包含两个3 dB定向耦合器和两个长度相等的波定向耦合器和两个长度相等的波导臂。波导芯和包层的折射率差较小，只有导臂。波导芯和包层的折射率差较小，只有 0.3%。波导芯尺寸为。波导芯尺寸为8 m 8 m， 包层厚包

20、层厚50 m。每个臂上具有。每个臂上具有Cr薄膜加热器，其尺寸为薄膜加热器，其尺寸为50 m宽，宽，5 mm长。该器件的尺寸为长。该器件的尺寸为 30 3 mm。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著24图图7.2.1 热光波导开关热光波导开关 在电光波导开关中，用一在电光波导开关中，用一个薄膜加热器代替加控制个薄膜加热器代替加控制电压的电极，就可构成热电压的电极，就可构成热光开关（光开关（TOS）；）； 其交换原理是基于是基于其交换原理是基于是基于马赫马赫-曾德尔干涉滤波器原曾德尔干涉滤波器原理（见理（见3.1.11节），在硅介节），在硅介质波导内的相位变化由热质波导内的相位变化由热-电效应引起

21、。电效应引起。 不加热时，器件处于交叉不加热时，器件处于交叉连接状态；连接状态； 但在通电加热但在通电加热Cr薄膜时，薄膜时，引起它下面波导的折射率引起它下面波导的折射率和相位变化，切换到平行和相位变化，切换到平行连接状态。连接状态。 1234薄膜加热器W加热AB薄膜衬底截面图AB(a) 俯视图波导波导薄膜LCrSi(b)光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著25 图图7.2.1c 表示热表示热电光开电光开关的输关的输出特性出特性和驱动和驱动功率的功率的关系。关系。 热驱动热驱动功率由功率由0变为变为0.5 W时，时，可引起可引起输出状输出状态的切态的切换换 00.51.001.00.20.40.

22、60.8热驱动功率相对输出功率热电光开关响应曲线/W/W(c) 2 2x光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著267.3 磁光效应及其器件磁光效应及其器件 7.3.1 磁光效应磁光效应 7.3.2 磁光开关磁光开关 7.3.3 光隔离器光隔离器 7.3.4 磁光波导光隔离器磁光波导光隔离器 7.3.5 光环行器光环行器光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著277.3.1 磁光效应磁光效应 把非旋光材料如玻璃放在强磁场中，当把非旋光材料如玻璃放在强磁场中，当平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光平面偏振光沿着磁场方向入射到非旋光材料时，光偏振面将发生右旋转，这种材料时，光偏振面将发生右旋转，这种效应就称作法

23、拉第（效应就称作法拉第（Faraday）效应；）效应； 它由它由Michael Faraday在在1845年首先观察年首先观察到。旋转角到。旋转角 和磁场强度和磁场强度H与材料长度与材料长度L的乘积成比例：的乘积成比例：（7.3.1）HL光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著28图图7.3.1 法拉第磁光效应法拉第磁光效应 磁场由包围法拉第介质的稀土磁环产生；磁场由包围法拉第介质的稀土磁环产生； 起偏器由双折射材料如方解石担当；起偏器由双折射材料如方解石担当； 法拉第介质可由掺杂的光纤或者具有大的维德常数的材料法拉第介质可由掺杂的光纤或者具有大的维德常数的材料构成，如钇铁石榴石晶体。构成，如钇铁石

24、榴石晶体。 如果反射光再一次通过介质，则旋转角增加到如果反射光再一次通过介质，则旋转角增加到2 。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著29法拉第法拉第旋转器旋转器 它能使光纤上任意一点出射光的偏振它能使光纤上任意一点出射光的偏振态与入射光的偏振态正交态与入射光的偏振态正交 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著307.3.2 磁光磁光开关开关当线圈施加电压当线圈施加电压+5 V时，电磁铁对时，电磁铁对Gd：YIG晶体施加磁场，因为法拉第介质和石英介质晶体施加磁场，因为法拉第介质和石英介质对光束偏振面的旋转分别为对光束偏振面的旋转分别为 45和和45，所以光束通过这两个元件的总偏振旋转角为零。，所以

25、光束通过这两个元件的总偏振旋转角为零。入射光束由方解石入射光束由方解石1分离为分离为O光束（寻常光）和光束（寻常光）和E光束（非寻常光），然后由方解石光束（非寻常光），然后由方解石2组合组合为一束，并通过棱镜和玻璃块，最后从端为一束，并通过棱镜和玻璃块，最后从端2输出。输出。当线圈施加电压当线圈施加电压 5 V时，光束偏振面共旋转时，光束偏振面共旋转90（法拉第介质（法拉第介质45，石英介质，石英介质45），），因此因此O光束转换为光束转换为E光束，光束，E光束转换为光束转换为O光束，由棱镜反射后合成一束，从端光束，由棱镜反射后合成一束，从端3输出。输出。因此通过控制加在线圈上的电压极性就可以

26、控制输入光信号是到达输出光纤因此通过控制加在线圈上的电压极性就可以控制输入光信号是到达输出光纤2还是还是3。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著317.3.3 光隔离器光隔离器 连接器、耦合器等大多数无源器件的输入和输出端是连接器、耦合器等大多数无源器件的输入和输出端是可以互换的，称为互易器件。可以互换的，称为互易器件。 然而光通信系统也需要非互易器件，如光隔离器和光然而光通信系统也需要非互易器件，如光隔离器和光环形器。环形器。 光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，即光沿光隔离器是一种只允许单方向传输光的器件，即光沿正向传输时具有较低的损耗，而沿反向传输时却有很正向传输时具有较低的损耗，而沿

27、反向传输时却有很大的损耗，因此可以阻挡反射光对光源的影响。大的损耗，因此可以阻挡反射光对光源的影响。 对光隔离器的要求是隔离度大、插入损耗小、饱和磁对光隔离器的要求是隔离度大、插入损耗小、饱和磁场低和价格便宜。某些光器件特别是激光器和光放大场低和价格便宜。某些光器件特别是激光器和光放大器，对于从诸如连接器、接头、调制器或滤波器反射器，对于从诸如连接器、接头、调制器或滤波器反射回来的光非常敏感，引起性能恶化。因此通常要在最回来的光非常敏感，引起性能恶化。因此通常要在最靠近这种光器件的输出端放置光隔离器，以消除反射靠近这种光器件的输出端放置光隔离器，以消除反射光的影响，使系统工作稳定。光的影响，使

28、系统工作稳定。光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著32图图7.3.3 法拉第旋转隔离器工作原理法拉第旋转隔离器工作原理 反射光经检偏器返回时，通过法拉第介质偏振方向又一次反射光经检偏器返回时，通过法拉第介质偏振方向又一次旋转了旋转了45，变成了，变成了90，正好和起偏器的偏振方向正交，正好和起偏器的偏振方向正交，因此不能够通过起偏器，也就不会影响到入射光因此不能够通过起偏器，也就不会影响到入射光 透镜透镜起偏振器检偏振器法拉第旋转器磁场0oo4590o入射非偏振光出射线性偏振光反射非偏振光PAGRINGRIN无反射光o45光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著33 图图7.3.4 厚膜厚膜Gd:YIG构成的构成的隔离器隔离器结构结构 自聚焦透镜（起偏振器）（检偏振器） 法拉第旋转器永磁铁方解石方解石Gd:YIG 膜o45光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著34光光隔隔离离器器光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著35