第7章电光磁光声光效应及应用

第7章电光/磁光/声光效应及应用7.1电光效应及器件7.2热电效应及热光开关7.3磁光效应及其器件7.4声光效应及其器件1光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1电光效应及器件7.1.1电光效应7.1.2电光调制器工作原理7.1.3电光强度调制器7.1.4电光相位调制器7.1.5马赫-曾德尔幅度调制器7.1.6QPSK光调制器7.1.7电光开关2光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.1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。对于一个入射偏振光，施加的电场强度E对折射率n的影响可用E的泰勒级数表示（7.1.1）式中，和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E引起n的变化 （7.1.2）称为珀克（Pockel）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，=0，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。只有中心非对称晶体，如GaAs晶体，表现为珀克效应。而由于第二项引起n的变化 （7.1.3）称为克尔（Kerr）效应。式中，K是克尔系数。如果取向选择

=0，称为二阶电光效应或克尔效应，所有的材料都表现为克尔效应。3光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.1外加电场对各向同性晶体和

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，对光在给定传输方向上的折射率的影响。在LiNbO3晶体中，沿z方向（光轴）传输的光波，不加外电场时，x方向和y方向经历相同的折射率（nx=ny

=no），不管偏振态如何变化，如图7.1.1（a）所示。然而，在外加平行于y轴的电场Ea时，如图7.1.1（c）所示，外加电场引入沿z轴传播的双折射，即光以平行于x和y轴的两个正交偏振态经历不同的折射率（和）沿着z轴方向传播

4光子学与光电子学原荣邱琪编著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，这种调制器叫做纵向珀克电光效应调制器，如图7.1.1（b）所示；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7.1.1（c）所示，施加的外电场与y方向相同，光的传输方向沿着z方向，外电场在光传播方向的横截面上。调制器通常利用线性电光效应。5光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.2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效应，即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化，n=n(E)，例如LiNbO3、InGaAsP、GaAs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，从而实现对激光的调制。基于InP材料的高速光调制器受到人们的重视，因为它的珀克（Pockel）电光效应虽然比LiNbO3的弱，但是它的折射率n约为3.5，却是较大的。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，从而增强了性能，减小了尺寸，提高了可靠性和可用性。6光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.2横向线性电光效应相位调制器当EY沿横轴传输距离L后，引起相位变化，于是Ex和Ey产生的相位变化为：7光子学与光电子学原荣邱琪编著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。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U=U/2对应于。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d和增加长度L，前者可以增加电场强度，后者可引起更多的相位变化。8光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.3电光强度调制器在图7.1.2（a）所示的相位调制器中，在相位调制器之前和之后分别插入5.2.2节介绍的起偏器（polarizer）和检偏器（Analyzer），我们就可以构成强度调制器，如图7.1.3所示，起偏器和检偏器的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向与y轴有45o角的倾斜，所以进入晶体的Ex和Ey光幅度相等。9光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.3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特性，虚线表示插入/4波片后的特性图中调制器的工作点已用光学的方法（在起偏器之后插入一个四分之一波片）偏置到Q点。10光子学与光电子学原荣邱琪编著横向线性电光效应强度调制器工作原理11光子学与光电子学原荣邱琪编著利用横向线性电光效应

制成的行波马赫-曾德尔调制器PIC

12光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.4电光相位调制器目前，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。13光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.4x切割集成相位调制器14光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.5马赫-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导构成的马赫-曾德尔（M-Z）干涉型调制器，如图7.1.5所示。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Y形波导构成的结构中，理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，在输出端D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通道的相位差有关。15光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.5（a）

马赫-曾德尔

幅度调制器16光子学与光电子学原荣邱琪编著商用相位调制器工作波长1525~1575nm，插入损耗2.5~3.0dB，消光比>25dB，回波损耗45dB，半波电压<3.5V。17光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.5(b)马赫-曾德尔幅度调制器

根据式（3.1.2），当两臂间的相位差是0或2的整数倍时，在D点发生相长干涉，输出光强最大；当两臂间的相位差等于时，在D点出现了相消干涉，输入光强为零。当调制电压引起A、B两臂的相位差在0～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制器的输出端产生了波形相同的光比特流复制。18光子学与光电子学原荣邱琪编著 鈦扩散鈮酸锂电光效应调制器，工作频率16GHz, 波长1550nm,最大调制电压

20V19光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.6QPSK光调制器高速光纤传输系统面临的最大挑战是，采用传统的调制方式时，高速比特速率传输导致的物理损害非常突出。以色散为例，采用传统的非归零（NRZ）调制，色散随着速率呈指数增长，40Gb/s线路的色散是10Gb/s的16倍，100Gb/s串行线路的色散将达到10Gb/s的100倍。一项被广泛视为40

Gb/s，乃至串行100

Gb/s的先进的调制方式是差分正交相移键控（DQPSK）。这种调制技术同时调制信号的强度和相位，以尽可能减轻色散的影响。但DQPSK调制方式在实现的过程中需要一种QPSK光调制器。20光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.6马赫-曾德尔单边带调制器（MZM）QPSK光调制器由4个如图7.1.6（c）所示的马赫-曾德尔调制器（MZM）构成。它们是在0.1

mm厚的铌酸锂（LiNbO3）基板上制作的参数相同的双平行马赫-曾德尔调制器（DP-MZM）。DP-MZMDQPSK光调制器包含两个主MZ干涉仪，每一个主干涉仪又内嵌两个子干涉仪。对于DQPSK调制，两个二进制数据流分别加到两个子MZI（MZA和MZB）插拔电极，以便控制同相I成分和正交Q成分。21光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.6（c）使用双平行马赫-曾德尔调制（DP-MZM）的DQPSK光调制器参数相同指的是均为单边带调制器、均采用频移键控（FSK）和行波共平面波导电极等。22光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.6双平行马赫-曾德尔调制器（DP-MZM）DQPSK光调制器QPSK光调制器由4个如图7.1.6a（即图7.1.5b）所示的马赫-曾德尔调制器（MZM）构成，如图7.1.6c所示。/2相移可用5.2.1节介绍的相位延迟片实现。

23光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.7电光开关7.1.1节已介绍了电光效应，利用其原理也可以构成波导光开关。

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；但插入损耗、隔离度、消光比和偏振敏感性指标都比较差。24光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.7马赫-曾德尔11光开关25光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.7马赫-曾德尔11光开关

26光子学与光电子学原荣邱琪编著7.2热电效应及热光开关在图7.1.7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，就可构成热光开关（TOS），如图7.2.1a所示。它具有马赫-曾德尔干涉仪（M-ZI）结构形式，包含两个3dB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0.3%。波导芯尺寸为8m8m，包层厚50m。每个臂上具有Cr薄膜加热器，其尺寸为50m宽，5mm长。该器件的尺寸为303mm。27光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.2.1热光波导开关

在电光波导开关中，用一个薄膜加热器代替加控制电压的电极，就可构成热光开关（TOS）；其交换原理是基于是基于马赫-曾德尔干涉滤波器原理（见3.1.11节），在硅介质波导内的相位变化由热-电效应引起。不加热时，器件处于交叉连接状态；但在通电加热Cr薄膜时，引起它下面波导的折射率和相位变化，切换到平行连接状态。

28光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.2.1c表示热电光开关的输出特性和驱动功率的关系。热驱动功率由0变为0.5W时，可引起输出状态的切换

29光子学与光电子学原荣邱琪编著7.3磁光效应及其器件7.3.1磁光效应7.3.2磁光开关7.3.3光隔离器7.3.4磁光波导光隔离器7.3.5光环行器30光子学与光电子学原荣邱琪编著7.3.1磁光效应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材料时，光偏振面将发生右旋转，这种效应就称作法拉第（Faraday）效应；它由MichaelFaraday在1845年首先观察到。旋转角

和磁场强度H与材料长度L的乘积成比例：（7.3.1）31光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.3.1法拉第磁光效应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；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。如果反射光再一次通过介质，则旋转角增加到2。

32光子学与光电子学原荣邱琪编著法拉第旋转器

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33光子学与光电子学原荣邱琪编著7.3.2磁光开关

当线圈施加电压+5

V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对光束偏振面的旋转分别为45°和45°，所以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1分离为O光束（寻常光）和E光束（非寻常光），然后由方解石2组合为一束，并通过棱镜和玻璃块，最后从端2输出。当线圈施加电压5

V时，光束偏振面共旋转90°（法拉第介质45°，石英介质45°），因此O光束转换为E光束，E光束转换为O光束，由棱镜反射后合成一束，从端3输出。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3。34光子学与光电子学原荣邱琪编著7.3.3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，即光沿正向传输时具有较低的损耗，而沿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。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。35光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.3.3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旋转了45°，变成了90°，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

36光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.3.4厚膜Gd:YIG构成的隔离器结构

37光子学与光电子学原荣邱琪编著

光隔离器38光子学与光电子学原荣邱琪编著7.3.4磁光波导光隔离器光纤通信发展的趋势是将光源、光放大器、光调制器和探测器等光器件集成在一起。而光隔离器在这个集成器件中是必不可少的。虽然块状自由空间光隔离器尺寸小，隔离度大(>50dB)，插入损耗也小(<0.1dB)，但是这种基于法拉第旋转器和线性偏振片的隔离器不和基于InP的半导体LD兼容，所以不能集成在一起。所以科学家们正在开发基于平面集成光路（PIC）的磁光波导器件。39光子学与光电子学原荣邱琪编著磁光波导器件基于PIC的磁光波导器件具有非互易的特点，成本低，体积小，稳定性好，能与其他器件在同一个基板上集成，适合大批量生产。随着研究的深入和工艺的改进，它的隔离度会提高，插入损耗也会降低，相信不久的将来一定会从实验室进入市场。40光子学与光电子学原荣邱琪编著集成光隔离器基本工作原理集成光隔离器基本工作原理是基于YIG磁光薄膜的磁光法拉第效应;按YIG磁光薄膜磁化方向的不同，光隔离器可分为纵向型和横向型两类;纵向型是外加磁场方向平行于光的传输方向;横向型是外加磁场方向垂直于光的传输方向。41光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.3.5非互易相移MZI型波导光隔离器该光隔离器基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）原理，在GaInAsP/InP基片上也集成了一个激光器LD。首先将铁柘榴石波片键合在马赫-曾德尔干涉仪波片上，该隔离器由两个Y形耦合器。互易相移器由/4臂长差提供。MZI设计成在两个臂中传输的前向光波没有相差（同相），而后向传输的光波有180°的相差（反相）。这可以选择合适的MZI两臂波导长度，引入90°的非互易相移和90°的互易相移完成。因此，正向传输的光在出Y2分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增强（见7.1.5节M-Z干涉幅度调制器）；而反向传输的光在出Y1分支处时的总相移为，两光相消干涉而抵消。这类器件无需精确的相位匹配和复杂的外加磁场控制，且波导结构设计灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。42光子学与光电子学原荣邱琪编著7.3.5光环行器光环行器除了有多个端口外，其工作原理与光隔离器类似，也是一种单向传输器件；主要用于单纤双向传输系统和光分插复用器中；方向性一般大于50dB。43光子学与光电子学原荣邱琪编著端口1输入的光信号只有在端口2输出，端口2输入的光信号只有在端口3输出。在所谓“理想”的环行器中,在端口3输入的信号只会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。因此，大多数商用环行器都设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号，方向性一般大于50dB。图7.3.6光环行器---用于单纤双向传输系统44光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.3.7光环行器原理图由偏振分光/合光器、光隔离器、相位延迟器构成；光环行器的插入损耗一般为0.5～1.5dB，反射损耗和方向性均大于50dB。45光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.3.8光分插复用器（OADM）在WDM网络中，需要OADM，在保持其他信道传输不变的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入。图7.3.8b为可编程分插复用器，通过对光纤光栅调谐取出所需要的波长，而让其他波长信道通过。46光子学与光电子学原荣邱琪编著7.4声光效应及其器件7.4.1声光效应及声光滤波器7.4.2声光调制器7.4.3声光开关47光子学与光电子学原荣邱琪编著7.4.1声光效应及声光滤波器晶体折射率的周期性变化，不但可由施加的电场（波）引起，而且也可以由施加的声场（波）引起，前者称为电光效应（见7.1.1节），后者则称为声光效应。声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传输时，它使介质密度产生局部的密集和疏松，发生相应的弹性形变，使折射率产生周期性的变化，这就相当于一个光栅，该光栅间距等于声波波长。当光波通过这种光栅时，同样也会发生光的衍射，衍射光的传输方向、偏振、频率和强度都随声波的变化而变化。声光滤波器光栅由声波动态产生，声波又由施加在压电晶体（如）上的射频信号产生。

48光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.4.1声光调谐滤波器（AOTF）AOTF基于光弹性效应的布拉格原理，即通过声光材料传输的声波或超声波信号产生随声波幅度周期性变化的应力，使该材料的密度发生周期性的变化，相当于使折射率n产生周期性的变化，其结果是声波产生了可以对光束衍射的光栅，只有满足布拉格条件的波长才能通过滤波器，因此对波长具有选择性。声波引起折射率的周期性变化可表示为 （7.4.1）式中S是声波信号产生的应力，p是光弹性系数。49光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.4.1声光调谐滤波器）

射频调制信号通过电极施加在压电晶体上，压电效应使晶体表面产生应力，从而产生表面声波（SAW），其作用是使光偏振态从