集成光电子器件及设计-3-集成光无源器件第二部分

第三章

集成光无源器件II集成光电子器件及设计2Outline

无源光器件I——基本结构及功能

耦合器：DC、MMI耦合器、Y分支

MZI、AWG、MRR

可调控/切换光器件

VOA、光开关、光调制器

可调滤波器

非互易光器件

隔离器(isolator)

环形器(Circulator)光分插复用器（Optical

Add‐Drop

Multiplexer，OADM）;光交叉连接

设备（Optical

Cross

Connextion，

OXC）；OADM:本地环、城域环的分插复用;OXC:负责不同网络之前的链接;

35.1

Background4OXC

LaserModVOAMUXInterleaverEDFADEMUXAddSwitchDropMUXDispersioncompersatorDEMUX5OADM类型参数1310

1550工作波长(nm)

1310

1550

工作带宽(nm)

±40

±40

衰减范围(dB)

0

~

40

0

~

40

原始损耗(dB)

0.3

0.3

调节精度(dB)

＜0.2

回波损耗(dB)

≥50

工作温度(℃)

‐40

~

+70

存储温度(℃)

‐40

~

+85

外形尺寸(mm)

78×68×16

6/_d270191810.htm可调控/切换光器件——VOA

VOA

is

a

device

that

can

incrementally

adjust

the

power

of

the

optical

signal

passing

through

it.

7可调控/切换光器件——Switcher

——实现光信号通断、路径改变的器件

光通信网络信号交互、全光网络。

广泛应用于光线路保护（OLP），光线路监控（OLM），可配置光分插复用模

块（ROADM），网络交叉连接（OXC）等系统和网络节点。

通过光通道的通断和转换，实现光层面上的路由选择、波长选择、光分插复

用、光交叉连接和自愈保护等功能。8可调控/切换光器件——Modulator/group/foc/downloads/services/40gln/ln40gdpsk‐e‐120510.pdf/group/foc/en/services/optical‐devices/40gln/Wavelength

RepeatabilityDimension(L

x

W

x

H)9可调控/切换光器件——Tunable

filter

Dynamic

wavelength

selection

in

DWDM

systems

Signal

demultiplexing

for

DWDMs

Optical

performance

monitoringTunable

optical

noise

filtering

Noise

suppression

for

optical

amplifiers

ParameterUnit50

GHz100GHzWavelength

Tuning

RangeWavelength

Tuning

ResolutionPassband

Width1

@

3.0

dB

nmTHzGHz

C-band:

1528

~

1562

L-band:

1567

~

1603

~

10

pm

or

Calibrated

to

ITU

grids25

(Typical)

50

(Typical)Passband

Width1

@

20

dBPeak

Insertion

LossPolarization

Dependent

Loss1GHz

dB

dB

<

85

<5.0<0.3withinCW±5GHz

-

<3.0<0.4withinCW±10GHz

2Wavelength

TemperatureDependenceReturn

LossMaximum

Input

Optical

Power

GHzpm/°C

dB

mW

±1<±

1

(Typical)

>

40

300Tuning

Speedsec<105

~

10Tuning

Power

ConsumptionTuning

VoltageOperating

TemperatureStorage

Temperature

3mW

V

°C

°Cmm<1800

(Peak);

<300

(Idle)

5

(DC)

0

to

65

-40

to

85

84

x

61

x

16105.2光器件可调控/切换机理和方式

几何光学：机械式

转动/移动元件

光强变化；波动光学：

利用x‐光效应

改变折射率

干涉型、谐振型光学结构改变输出光强/位相/中心波长*

x‐光效应：热光、电光、磁光、声光、光光11A.

几何光学‐可调控/切换光器件

——用机械装置转动/移动元件

——机械式可调控/切换光器件12A.

机械式可调控/切换光器件

主要代表：光开关（数字式：0/1）、VOA（模拟式：0~1）

工作原理：通过移动光纤、或采用棱镜、反射镜切换光路；

特点：偏振无关、插入损耗低、串扰小、光学性能好、体积大、速度慢；13移动光纤式光开关V型槽定位导杆定位

金属簧片定位装配精度要求高14ImagingLensesReflector

MEMS

2-axis

Tilt

MirrorsMEMS开关阵列图

MEMS

(Micro

Electro

Mechanical

systems)

光开关

工作原理：通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜，利用这些微镜片的二维或三维空间运动，将光直接反射到不同的输出端

特点：低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、集成度高、开关速度快

I/O

Fibers15微反射镜MEMS光开关入射光可升降悬臂微反射镜波导沟渠

波导通过光顶视图侧面图V=0电极

硅衬底PLC入射光沟渠微反射镜波导波导反射光（a）交叉连接状态静电力电极顶视图侧面图V硅衬底

PLC（a）平行连接状态

可升降微反射镜MEMS光开关16微反射镜

输出波导1输入波导衬底控制信号V入射光出射光

输出波导2取向1取向2微反射镜

输出光纤1硅衬底PLC控制信号入射光出射光

输出光纤2

镜面旋转轴光纤

出射光可旋转微反射镜MEMS光开关可立卧微反射镜MEMS光开关微反射镜MEMS光开关17Lucent微反射镜MEMS光开关18MEMS光开关阵列19光开关阵列http://www.ntt.co.jp/milab/en/project/pr05_3Dmems.htmlCan

switch

optical

signals

without

converting

them

into

electrical

signals.

Allows

compact

low‐loss

switches

to

be

formed

on

any

scale.

Switching

can

be

performed

in

10‐30

msec.

208x8‐port

fiber‐optic

switch

using

magnetically‐actuated,

electrostatically‐clamped

MEMS

mirrors

/dahorsley/photoalbum.htmlVOA

micromachined

in

SOI.Attenuation

is

achieved

by

introducing

a

metallized

silicon

shutter

into

the

air‐gap

between

two

2122B.波动光学‐可调控/切换光器件

——折射率变化23i.若干种典型x‐光效应

热光效应(Thermoptical)：ΔTΔn；电光效应：ΔV

or

ΔEΔn

；磁光效应：ΔBΔn、法拉第旋光效应

；声光效应（acousto‐optical

effect

）；24热光效应

How

to

make

the

temperature

changed?Electrical‐way

(Ohm

effect

heating);Optical

way

(optical

absorption

heating);25电光效应

定义：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3

)，导致折射率发生变化。

折射率变化Δn与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为：Δn

~

r

|E|

+

R

|E|2

电光开关/调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.电光效应引起的折射率变化量，其大小取决于电光学常数和施加电场的强度3

zr

13noEe12Δno

=e

zr33n3Ee12Δne

=在LiNbO3晶体中，r33是最大的电光学常数。最大击穿电场~10V/mm，此时△n=1.6

×10‐3普科尔(Pocket)效应：

晶体折射率与外加电

场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度

的平方成比例变化电光材料：晶体、聚合物材料26电光材料

在可见波段，实用的电光材料有：氛化磷酸二氢钾(DKDP)、磷

酸二氢胺(ADP)、LiNbO3

和钮酸锉(LT)晶体等。DKDP和ADP晶体

有高的光学

质量和高的光损伤闭值，但是其半波电压较高，而

且要

采用防潮解措施。

LiNbO3和LT晶体有低的半波电压，物化

性能稳定，但是光损伤闭值较低，常用于低、中功率

激光器。

在红外波段，实用的电光材料有砷化稼

(GaAs)和啼化锡(CdTe)等

半导体晶体。

电光聚合物材料：旁链型DR1/PMMA材料。27半导体材料——载流子色散

硅材料（@1550nm）：1e20cm-31e20cm-31e15cm-3IBMT.

Barwicz

et

al.,

J.

Opt.

Netw.

6,

63

(2007)的平面偏振光的偏振方向旋转（在光传播方向上加强磁场）偏转角度：θ＝VLBV是材料的特性常数，称韦尔代常数，单位是：分/特斯拉∙米磁致旋光效应：法拉弟效应

法拉弟发现，许多物质在

磁场的作用下可使穿过它Ｈdβ磁致旋光不可逆性：当光传播方向平行于磁场时，若法拉第效应表现为左旋，则当光线逆反时，法拉第效应表现为右旋。

2829

声光效应光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射现象。由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长λs。当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。其中衍射光偏转角随超声波频率的变化现象称为声光偏转；衍射光强度随超声波功率而变化的现象称为声光调制；布喇格衍射：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。换能器：当电信号作用于压电材料，会激励弹性波。弹性形变会引起介质折射率椭球变化。通过在压电衬底或压电薄膜上制作叉指电极构成。声光晶体：钼酸铅晶体30ii.

可调控/切换光器件实现方式相互作用效应现象功能典型的波导材料电场‐光电光效应折射率变化路切换、模变换振幅/相位调制、光

Ti扩散LiNbO3声波‐光声光效应折射率变化偏振、衍射、Ti扩散，磁场‐光磁光效应

模变换偏振波面旋转

非互易器件、调制LiNbO3/As2S3YIG膜热场‐光热光效应折射率变化振幅/相位调制普通材料光场‐光非线性效应

感应极化调制、开关Ti扩散LiNbO331可调控/切换光器件结构形式

加热电极应用开关时间光路交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关1~10ms光包交换1ns外调制10ps32(1)

光开关

除了传统的机械式光开关、MEMS开关

外，还有磁光开关、M‐Z型干涉式光开

关、热光开关、声光开关、液晶开关等。

不同的实现原理和工艺特点使其在性能

指标上各不相同，如：插损（IL），串

扰（Crosstalk），偏振相关度（PDL），

波长相关度（WDL），温度相关性

（TDL），重复性等等上的差异导致各

自应用方式不同，同时成本也是供应商

和系统商非常看重的因素之一。33各种原理的光开关对比表/2837/a679547.html34a.

热光开关35喷墨气泡热光开关模块(1).

基于全反射原理的热光开关:喷墨气泡

工作原理：利用了气泡（镜面）对光反射的原理，当入射光照入并要求

交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个气泡，气泡将光从入射波导

全反射到输出波导

特点：

开关速度为ms量级

插损低

串扰小

具有较好的可扩展性36(2).基于全反射原理的热光开关

Design

of

the

Thermal

Optical

Switch

based

on

Total

Internal

Reflection37(1).基于全反射原理的光开关38(2)

MZI干涉型热光开关

工作原理：通过电流加热的方法，使介质的温度变化，导致光在介

质中传播的折射率和相位发生改变，进而实现光信号的通断

典型材料：SiO2、Si、LiNbO3和有机聚合物等

特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）Δφ=

PP

3

1sin2

ΔφΔφ

=

ΔnL

=⎛π

ΔT

⎞⎛π

ΔT

⎞λ0式中

ΔT0

=

2143B薄膜Si衬底(b)

截面图A

B波导

A波导薄膜

L(a)

俯视图

加热W24

12

2P

=

P

cosaΔTL3

1

2π

2π

λ0

λ0P

=

P

sin2

⎜

⎟⎝

2

ΔT0

⎠4

1P

=

P

cos2

⎜

⎟

2aL⎝

2

ΔT0

⎠01.03900.20.60.41.00.8相对输出功率

0.5

热驱动功率（W）（c）2x2热电光开关响应曲线(2)

MZI热光开关

Cr薄膜加热器40(3)

Y和X型数字式光开关对于Y分支，不加热时，主臂的有效折射率大于支臂，光从主臂通过，当对支臂加热时，其折射率增大，光束从支臂通过；对于X分支，不加热时，主臂的有效折射率大于支臂，光束1、2分别通过支臂和主臂，当对支臂加热时，其折射率增大，光束1、2实现通路交换；数字式：当输入电压变化时，输出光强呈阶跃特性41

b.

电光开关电光开关的原理一般是利用材料的电光效应、电吸收效应、等离子体色散效应，在电场作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或偏振等使光强突变或光路转变；电光效应驰豫的时间很短，仅有10‐11s量级，外场的施加或撤销导致的折射率变化或恢复瞬间即可完成，因而可用作高速调制器、高速开关等。42(1)

定向耦合器电光光开关(利用相位失配)在定向耦合器的两个波导上设置电极，并施加电压，耦合器的两个波导内产生大小相等，方向相反的电场；一个传播常数增加，一个传播常数减小；V(t)电极光输入输出Ea-ABTi

-

LiNbO3

波导LiNbO3光纤A

+B电极调制信号

V(t)LiNbO3耦合波导L0-dnAnB(π

3)/

L0ΔβPB(L0)/PA(0)

100%q

=

κ

2

+δ

2⎛

L

⎞⎛

ΔβL⎞V=V0,直通态输出：⎜

⎟

+⎜

⎟

=(2v)243定向耦合器电光光开关工作原理直通态波导

1

波导

2z

=0z=L交叉态-

+耦合区V=0,

交叉态输出：Δβ

=

0,

L

=

2v+1

Lc(v

=

0,1,2,...)2

2(v

=1,2,...)⎝

Lc

⎠

⎝

π

⎠

3πLc当

Δβ

=时，实现开关功能(2)

M‐Z干涉仪型光开关由两个3dB耦合器DC1、DC2及带有电极的两个干涉臂L1、L2构成，形成双臂偏压的工作方式（有时采用单臂偏压）。

44n

γE

=n

γ2π

2πn3γVLλ0

0dλ451

3

1

3

V2

2

dΔn

=对于对称型M‐Z干涉仪，L1=L2=L，两臂的相位差为令Δφ＝π

时的电压为半波电压则

M‐Z干涉仪型光开关波导臂上产生的折射率变化Δφ

=⋅（2⋅Δn）L

=

λ0d2n3γLVπ

=πV

VπΔφ

=⎜

⎜⎟

⎟

=A

1e−i2βl⎜

⎜⎛

e−iΔφ

−1

⎞+1)⎟

⎠⎟i(e⎝12−iΔφ⎠

⎜sin2(

)⎟

2Vπ

⎟

⎝

2Vπ

⎟不加电压时，V=0，T3=0，T4=1；加半波电压Vπ时，T3=1,T4=0，实现了开关作用。

46

⎛

A3⎞

⎝A4⎠③、④端的透过率为

M‐Z干涉仪型光开关设①端输入光的振幅为A1,从③、④端输出的信号的振幅为A3

、A4,利用耦合器的传输方程，可得47/global/news/pr/archives/month/2010/20101109‐02.html

Electrical‐Optical

Switch

(from

Fujitsu)电光开关48

(3)

液晶电光开关扭曲排列的液晶分子具有光

波导效应

入射的自然光

偏振片P1

光波导已被

电场拉伸

偏振片P2出射光49分支开关分支点的截面图及有效折射率分布50

c.

声光开关

利用声光效应，即声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期性变化，形成等效的位相光栅，其光栅常数等于声波波长，因而能提供一种方便地控制光的强度、频率和传播方向的手段。51SAW的光栅输入光

声波产生控制信号LiNbO3声波V

acoustic反射光声光开关

nmax

nmin透射光由电声换能器激励一束声波，在声波的作用下，晶体的折射率将沿声波的传输方向呈周期性变化，在介质中形成布拉格光栅，利用其对入射光的衍射效应实现开关功能。开关速度快(ns)，但插损比较大，且成本较高；EOOEOE检偏器棱镜方解石3插入损耗(dB)串音(dB)开关时间(ms)最小电压(V)1.3~1.7-2530±5EOEO偏器

晶体45石英52d.

磁光开关2光纤1

光纤

透镜透镜

线圈施加电压+5V时32透镜透镜透镜电磁铁玻璃块

0旋转器(a)1

光纤光纤方解石1起偏器方解石2

检偏器O+E3光纤1

光纤

透镜透镜

线圈施加电压-5V时棱镜玻璃块030-55端口1-3端口1-2传

0施加电压(V)(b)表

3.6.1磁光式光开关的特性O+EGd:YIG

晶体起

Gd:YIG

检偏

器

输

损

20

耗(dB)

105354e.

光‐光开关：All

optical

switchersOptical

absorption

Optical

absorption

Heating;

Change

carriers’

concentration;Optical

force

Move

structures;55http://www.switching.fotonik.dtu.dk/Overview.aspx

2.

全关开关In

order

to

increase

the

data

rates

while

maintaining

a

fixed

power,

one

must

lower

the

energy

required

per

switching

event,

and

this

may

be

achieved

with

optical

microcavities

in

which

the

local

electric

field

strength

is

dramatically

enhanced.

563.

Optical

switcher

with

optical‐forcesLipson’s

group

at

Cornell

Univ.The

nanoscale

resonators

developed

at

Cornell

can

exert

relatively

strong

forces

on

tiny

particles,

leading

the

way

to

important

advancements

in

MEMS

and

MOMS

systems.

类型大小插损(dB)串扰(dB)PDL(dB)开关时间机械式8×83550.210ms热光开关SilicaPolymer8×88×810101530LowLow2ms2ms电光开关LiNbO3SOA4×44×48035401Low10ps1ns57光开关性能比较58Optical

modulators光调制

光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称

为调制器。直接调制(内调制)：把承载信息的电信号作为驱动电流直接施加在激光器上即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。

59

60直接调制和外调制

•

Direct

Modulation

of

Laser

Diode

Bias

+

DATA

Laser

Issues

--

Complex

Dynamics

Yield

•

External

Modulation

of

Laser

Diode

BiasLaserBias

+

DATA

ModulatorIssues

--

Additional

ComponentC61输出功率直流偏置t

t调制信号

t输出光强信号(b)~LD

L

直流偏置调制信号(a)半导体激光器调制

(a)

电原理图；(b)

调制特性曲线内调制方式-直接调制半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。62PoutIbIDttI(b)OIOt(a)(a)

LED数字调制特性(b)

加Ib后LD数字调制特性内调制-数字调制特性

Pout63激光器光载波外调制器

外调制方式调制光信号输出电信号

外调制方式

外调制：通过光调制器，将携带信息的电信号与输入光调制器的连续光载波相作用。包括：幅度调制、频率调制、相位调制、偏振调制。调制方式比较激光器

输出调制光

信息电信号

连续光信号外调制器信息电信号输出调制光波LD

输出连续光激光器

输出调制光信息电信号信息电信号输出调制光波（a）

直接调制（b）外调制01

0

1

001

010直接调制：电路简单、易实现、高速率时输出光谱变宽，易受光纤色散影响；外调制：适合高速率光纤传输系统

6465光调制器

光调制器——外调制方式中采用，把激光的产生和调制分开，

可

避免对光源直接调制产生线性调频的限制。调制器一般用电光效

应或声光效应使折射率改变，或用磁光效应使光的透过率变化实

现光调制。

调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包

括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光

波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的

信息。

与光开关的区别：如果一个器件的主要作用是通过暂时改变光波

的某一特性将信息加到光波上去，则为调制器；而光开关则是改

变光线的空间线路或控制其通断。66高

光调制器的性能参量光调制器的性能参量：半波电压、消光比、调制带宽、插入损耗；光纤通信系统对调制器的要求：高调制速率、大调制带宽、低半波电压的消光比、低插入损耗；

外调制技术分类：

•

电光调制

Electrooptic

Effects

•

电致吸收

Electro‐Absorption

Effects

•

磁光调制

Magnetooptic

Effects

•

声光调制

Acoustic

Modulators

其中电光调制和电致吸收最为常用。67电光调制器V(t)电极输出Ea-ABTi

-

LiNbO3

波导LiNbO3光纤A

+B电极调制信号

V(t)LiNbO3耦合波导L0-dnAnB光输入

方向耦合器型电光强度调制器电光效应光调制器电光效应:

在较强外电场作用下，介质的极化强度以及折射率会各向异性的发生变化。电光效应驰豫的时间很短，仅有10-11s量级，外场的施加或撤销导致的折射率变化或恢复瞬间即可完成，因而可用作高速调制器、高速开关等。

68

调制信号V(t)

共平面条形电极输出D偏振光输入

CLiNbO3偏振光输入调制信号V(t)

电极输出BA

DC

ABEa+--AB+-Ea

ABTi-LiNbO3

波导LiNbO3

(a)

调制电压施加在两臂上

Ti-LiNbO3

波导(b)

调制电压施加在单臂上透射光强调制电压光强转换到最大光强所需的电压69Vπ/2Vπ调制电压透射光强t

Vπ

π

半波电压V是把调制器从最小光强转换到最大光强所需的电

压注意：在调制的区域要求器件的线性度高。若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。

电光调制器响应电光调制的透过率(调制器被偏置在Vπ/2点上)声光效应调制器声波的应变场改变某些晶体的折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的结构，从而对入射的光波产生调制。

70弹光效应：超声波引起晶体的应变场，使入射晶体中的光被这种弹性波衍射。常用材料：压电晶体(石英、铌酸锂)或压电半导体。71

71

声光调制器的工作原理声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。I0

=

Ii

cos2(

)I1

=

Ii

sin2(

)72

衍射光调制信号布喇格型声光调制器fs

λ2nvs

λ2nλs=sinθB

=入射光

布拉格方程ν是光波穿过长度为L的超声场所产生的附加相位延迟:ν=2πΔnL／λλs

(sin

θi

+sin

θd

)＝m

λ/n

θi

=

θd

=

θB

,

称为布拉格角v2v2当入射光强为Ii时，布拉格声光衍射的0级和1级衍射光强为I1

/

Ii

=sin

[

(

)ΔnL)]I1

π

2L22λ

cos

θM

2

=

n

P

/ρυ73η

tPsId(fm)0

fm(Is)声光调制特性曲线M2Isηs=

≈

2

2Ii

B

布喇格型声光调制器响应衍射效率ηs与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。式中声光材料的品质因数6

23s2

1

2π

2

λ超声强度材料密度

声速弹光系数

弹性应变幅值λ2

cos2θB

⎛

H

⎞74λ2cos2θB

2M2L

2Is

=⎜

⎟P

=

HLIs

=s2M

2

⎝

L

⎠所需的声功率可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。

布喇格型声光调制器响应声光调制器的一个重要参量是衍射效率，η=100％时所需声强度为⎟

=

Ii

sinBVI1

=

Ii

sin

2⎜B'75声光波导调制器OΛ

sinθSAWΛsinθθnmax

nminO

θ输入光

B

A

声波产生

的光栅Λx

nnmax

nmin实际折射率射频输入

LiNbO3

理想折射率

P,

Q

2θ

x

声波Vacoustic

A'

输出光

x

x

声波

强度

nnmax

nminB'Λnmin

nmax

Bnmax

nmax输入光

A输出光(反射光)

A'

Vacoustic声波θ

QΛsinθ

声波波前

θ

O

P

θΛsinθ

O'Λλ⎛Δϕ

⎞⎝

2

⎠76

半导体光调制器

电场

载流子浓度变化

折射率实部、虚部变化

相位、吸收系数变化；电致吸收：为吸收边陡峭，热稳定性良好，而且外加合适的反向电场时，激子吸收峰会明显的向长波方向移动，外电场取消后吸收光谱又能可逆的还原。这种材料是通过设计多量子阱结构的阱和垒的组分和厚度以及周期数来实现的，这就是通常所说的“能带工程”。77新型电光调制器——硅光电调制器

Intel’s

silicon

optical

modulator78Silicon

hybrid

EAMSilicon

optical

modulator

with

grapheneMing

Liu,

Xiaobo

Yin,

Erick

Ulin‐Avila,

Baisong

Geng,

Thomas

Zentgraf,

Long

Ju,

Feng

Wang,

Xiang

Zhang.

A

graphene‐based

broadband

optical

modulator.

Nature,

2011;

DOI:

10.1038/nature10067

7980非互易光器件非互易光器件

用途

只允许单向光传播，防止反向传输。

用于激光器或光放大器之后，以消除反射光的影

响，使系统工作稳定。

主要参数要求

低插入损耗（~0.5

dB）

高隔离度（40~50dB）光环形器与光隔离起工作原理基本相同，只是光隔离器一般为两端口器件，而光环形器则为多端口器件。在光网络中用于信号的上、下载。

81隔离器

环形器82磁光效应光调制器常用材料：钇铁石榴石(YIG)或掺镓YIG晶体法拉第效应：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转。4545

C

法拉光隔离器的基本结构GRIN透镜GRIN透镜起偏振器检偏振器法拉第旋转器0oo90o入射光反射光出射光反射光自聚焦透镜

0第旋转器永磁铁

方解石（检偏振器）

方解石（起偏振器）Gd：YIG膜PA

磁场法拉第旋转隔离器厚膜Gd:YIG隔离器起偏器使入射光的垂直偏振分量通过，调整法拉第旋转器（YIG）的磁场强度，使偏振面旋转45°，然后通过检偏器。反射光返回时，通过法拉第旋转器又一次旋转45°，正好与入射光偏振面正交，因此受到隔离。

8384光隔离器的性能指标

插入损耗和隔离度是光隔离器的两个主要性能参数，另还有回波损

耗、偏振相关损耗和偏振模色散。

•插入损耗：在光隔离器通光方向上传输的光信号由于引入光隔离

器而产生的附加损耗。如果输入的光信号功率为Pi，经过光隔离器

后的功率为Po，则插入损耗IL为(dB)iP

oP

IL=

−10log显然，其值越小越好。的损耗。有其中，

为反向输入光隔离器的光信号功率，

为反向通过光隔离器的光功率。隔离度越大越好。

85r•

回波损耗

回波损耗是指由于构成光隔离器的各元件、光纤以及空气折射率失配引起的反射造成的对入