集成光电子器件及设计 - 集成光无源器件拓展

第五章

集成光无源器件《集成光电子器件及设计》浙江大学光电系第五章

集成光无源器件2

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

光开关

调制器•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件3什么是光开关？•

光开关——能够控制传输通路中光信号通或者断

或进行光路切换作用的器件。•

机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、

棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。其优点

是插入损耗小、

串扰小，适用于各种光纤，技术

成熟。缺点是开关速度慢(ms)，体积较大。•

电子式光开关：用电光效应、磁光效应或声光效

应实现光路切换。优点是开关速度快(μs甚至ns)，

易于集成化。缺点是插入损耗大、

串扰大，只适

用于单模光纤。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件4

光开光作用：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。开关时间：开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。光开关其他重要参数：消光比、插损、串扰、偏振相关性(PDL)。光开光的特性参数应用光路的交换及管理(OADM

、OXC)保护开关光包交换外调制开关时间需求1~10ms1~10ms1ns10ps浙江大学光电系5传统机械光开关的结构示意图

第五章

集成光无源器件机械式光开关

工作原理：通过移动光纤将光直接耦合到输出端或采用棱镜、

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，体积较大、

开关速度慢6移动光纤式光开关V型槽定位导杆定位

金属簧片定位浙江大学光电系

压电陶瓷定位第五章

集成光无源器件7Lenses

MEMS开关阵列图

第五章

集成光无源器件

Reflector

MEMS

2-axis

Tilt

Mirrors浙江大学光电系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

Fibers

Imaging浙江大学光电系8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（a）平行连接状态顶视图侧面图电极

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V=0

侧面图V硅衬底

PLC可升降微反射镜MEMS光开关

第五章

集成光无源器件浙江大学光电系第五章

集成光无源器件9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光开关浙江大学光电系第五章

集成光无源器件10Lucent微反射镜MEMS光开关浙江大学光电系第五章

集成光无源器件11MEMS光开关浙江大学光电系12喷墨气泡热光开关模块

第五章

集成光无源器件

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喷墨气泡热光开关浙江大学光电系13

偏振片P2出射光

第五章

集成光无源器件

液晶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

电场拉伸浙江大学光电系第五章

集成光无源器件14液晶光开关特性曲线浙江大学光电系第五章

集成光无源器件15光波导光开关相互作用

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振幅/相位调制，光路切换，模变换Ti扩散LiNbO3声波-光声光效应折射率变化偏振，衍射，

Ti扩散，模变换

LiNbO3/As2S3磁场-光热-光磁光效应热光效应偏振波面旋转折射率变化非互易性振幅/相位调制YIG膜普通材料光-光非线性效应感应极化参量放大Ti扩散LiNbO3

电光效应•

电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3

)，

导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波

特性发生变化。•

折射率变化

n与外加电场E有着复杂的关系，可近

似地认为

n与(r

E

+R

E

2)成正比。电光开关/调制器主要利用普科尔(Pockels)效应.普科尔(Pockels)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浙江大学光电系第五章

集成光无源器件173

ze

zr

13noEer33n3Ee1

212

no

ne

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浙江大学光电系第五章

集成光无源器件18电光开关•

电光开关的原理一般是利用材料的电光效

应或电吸收效应，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。浙江大学光电系19(a)定向耦合器型光开关(b)

M-Z干涉仪型光开关电光开关原理示意图

第五章

集成光无源器件电光光开关

工作原理：利用电光效应或电吸收效应以及硅材料的等离子体色散效应，在电场的作用下改变材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光强突变或光路转变LiNbO3偏振光输入3Ti

-

LiNbO

波导DC

+Ea--AB

控制信号V

t

共平面条形电极tt输出

输出光控制信号

V

t

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件20

耦合波导

nA

nBA

d

Bns定向耦合器电光光开关

xBA光输入

PA

0

3

/

L0

βxE

EA

EBnA

=nB

>nszPA

z

PB

z

E

0

PB

L0

PA

L0

zPB

L0

/PA

0

100%L0两个沿z方向紧密耦合波导的顶视图，

光场从A开始，逐渐耦合进B波导，在z=L0处所有的光已转移到B波导光波通过距离L后，从波导A到波导B的传输功率比值与相位失配的关系，由外加的电压V控制浙江大学光电系第五章

集成光无源器件21定向耦合器电光光开关•

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，一个传播常数减小光输入输出

-电极ATi

-

LiNbO

3

波导LiNbO

3光纤A电极调制信号

V

t

+

BLiNbO

3耦合波导L0-

dEaB

nAV

t

nB浙江大学光电系第五章

集成光无源器件22工作原理直通态z=0z=L

+耦合区波导

1

波导

2

交叉态

-

L

Lc

2

2

2

Lc

L

3

即

3

时，实现开关功能

Lc浙江大学光电系第五章

集成光无源器件23定向耦合器电光光开关电光定向耦合器的响应曲线浙江大学光电系第五章

集成光无源器件24M-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n

E

n

2

2

n3

VL

0

0d

浙江大学光电系251

3

1

3

V2

2

d

n

对于对称型M-Z干涉仪，L1=L2=L，两臂的相位差为

M-Z干涉仪型光开关波导臂上产生的折射率变化

（2

n）L

令

＝

时的电压为半波电压

2n3

L

V

V

第五章

集成光无源器件

A

1e

i2

l

e

i

1

i(e

i

1)

12

A3

A4

③、④端的透过率为

sin

(

)

2V

2V

不加电压时，V=0，T3=0，T4=1；加半波电压V

时，

T3=1,T4=0，实现了开关作用。浙江大学光电系

第五章

集成光无源器件

26

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，可得全内反射型电光开关浙江大学光电系第五章

集成光无源器件27分支开关浙江大学光电系第五章

集成光无源器件28浙江大学光电系29热光开关原理示意图

第五章

集成光无源器件

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）热光开关波导

A2

2

0

T

2

T

P

PP

3

1sin

P

4

1cos

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件30热光开关1234Cr薄膜加热器

A

B

L

(a)

俯视图

加热W薄膜

薄膜

波导

B

Si衬底

(b)

截面图23

1

2P

P

sin4

12

2P

P

cos

0

02aL设

T0

nL

a

TL2

2

T0

2

T0

浙江大学光电系3100.51.00热光开关输出响应

1.0

相

输

出

功

0.6

率

0.4

0.2

热驱动功率（W）（c）2x2热电光开关响应曲线

第五章

集成光无源器件浙江大学光电系第五章

集成光无源器件32

Y和X型数字光开关

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声光效应•

形变伴随着声波（弹性波）在介质中传播

的效应称为声光效应。•

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。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件3334

声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长

s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。声光晶体等价于一个相位光栅35布喇格衍射产生布喇格衍射条件：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。布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或

1级）衍射光

。浙江大学光电系36声光开关原理示意图

第五章

集成光无源器件

工作原理：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声光开关的光栅

晶体的折射率将沿声波的传输方向呈周期性变浙江大学光电系第五章

集成光无源器件37SAW控制信号LiNbO3反射光声光开关

n

max

n

min透射光输入光

由电声换能器激励一束

声波，在声波的作用下，

声波产生声波V

acoustic

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

48035401Low10ps1ns光开关性能比较浙江大学光电系第五章

集成光无源器件39

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

光开关

调制器•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件40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

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

BiasLaser

Bias

+

DATAModulatorIssues

--

Additional

ComponentCt42输出功率直流偏置

t调制信号

t输出光强信号LD

L

直流偏置~

调制信号(a)

(b)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。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件43PoutIbID

ttI(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

Pout浙江大学光电系44

外调制方式第五章

集成光无源器件激光器光载波外调制器调制光信号输出

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。

电信号外调制方式浙江大学光电系第五章

集成光无源器件45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LD

输出连续光

信息电信号

输出调制光波激光器

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

0

1

0直接调制：电路简单，容易实现，高速率时输出光光谱变宽，易受光纤色散影响；外调制：适合高速率光纤传输系统浙江大学光电系第五章

集成光无源器件46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。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件47高的调制速率

宽的调制带宽低的半波电压

高的消光比低的插入损耗

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：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。48电光效应光调制器输出

-电极ATi

-

LiNbO

3

波导

LiNbO

3浙江大学光电系光纤A电极调制信号

V

t

+

BLiNbO

3耦合波导L0-

dEaB

nAV

t

nB

光输入方向耦合器型电光强度调制器

第五章

集成光无源器件浙江大学光电系第五章

集成光无源器件49电光效应光调制器

M-Z型电光强度调制器电光效应:

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。

调制信号V

t

共平面条形电极输出D偏振光输入

CLiNbO

3偏振光输入调制信号V

t

电极输出BA

DC

ABEa+--AB+-Ea

ABTi-LiNbO3

波导LiNbO

3

(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V

/2V

调制电压

V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

V

/2点上)

透射光强

t浙江大学光电系第五章

集成光无源器件51声光效应调制器

声光效应调制器工作原理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。

常用材料：压电晶体(石英、铌酸锂)或压电半导体弹光效应：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。52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

cos

,I1

Ii

sin2sin

B

2n

s衍射光入射光布喇格型声光调制器布喇格型声光调制器工作原理如图所示。

布拉格方程λs

(sin

i

+sin

d

)＝m

λ/n

fs

2nvs

53

调制信号

2

v

v

2

2

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／λI1

/Ii

sin

[

(

)

nL)]

s=I1

2L22

cos

54

tPsId(fm)

0

fm(Is)声光调制特性曲线

布喇格型声光调制器响应布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图所示。由图可以看出：衍射效率

s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。s声光材料的品质因数

M2

n6P2

/

p

3

2

1

2

2

2

2

M2IsIi

B

cos

B

2

cos2

B

H

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件552

22M2L2Is

P

HLIs

s

2M

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，要

得到100％的调制所需要的声强度为I1

Ii

sin

Ii

sinBV浙江大学光电系第五章

集成光无源器件56声光波导调制器声波产生

的光栅O

sin

SAW

sin

nmax

nminO

输入光

B

A

x

nnmax

nmin实际折射率射频输入

LiNbO3

理想折射率

P,

Q

2

x

声波V

acoustic

A'B'

输出光

x

x

声波

强度

nnmax

nminAA'B'

nminnmax

Bnmaxnmax输入光输出光(反射光)

V

acoustic声波

Q

sin

声波波前

O

P

sin

O'

2

Δ

2

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件57

第五章

集成光无源器件•

集成光无源器件概述•

典型的集成光无源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉仪

微环谐振器

波分复用器•

光开关与调制器

光开关

调制器•

磁光隔离器与环形器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件58光隔离器

(Isolator)

用途

只允许光波往一个方向传播，阻止光波往其

他方向特别是反方向传输的。

主要用在激光器或光放大器的后面，以消除

反射光的影响，使系统工作稳定。

主要参数要求

插入损耗小（典型值约为0.5

dB）

隔离度大（典型值约在40~50dB之间）

PDL小（<0.2

dB）

•

典型的非互易性器件59场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振

方

向

旋

转（在光的传播方向上加上强磁场时）

浙江大学光电系

法拉第效应（磁致旋光效应）•

法拉第发现，

许多物质在磁Ｈ

d第五章

集成光无源器件

浙江大学光电系第五章

集成光无源器件60·法拉第旋转器（Faraday

Rotator）对于给定的磁光材料，光振动面旋转的角度

与光在该物质中通过的距离L和磁感应强度

B成正比，

＝VLBV是材料的特性常数，称韦尔代常数，单位是：

分/特斯拉

米。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件61磁光效应光调制器

磁光调制原理图法拉第效应：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。

常用材料：钇铁石榴石(YIG)或掺镓YIG晶体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双折

Gd:YIG双

检

折

棱射分

晶体

射

偏

分

镜离

器离方解石1

分

45石英双折射起偏

离

器

1检离2

器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件622光纤磁光开关

线圈施加

电压+5V时32透镜透镜透镜玻璃块

0旋转器1

光纤光纤

透镜O+E3光纤1

光纤

透镜

电磁铁透镜1

光纤

透镜

线圈施加

电压-5V时起偏器玻璃块0-55端口1-3端口1-2

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

30

传

输

损

20

耗(dB)

10

方解石2

分

偏(a)双折射4545

C

法拉90浙江大学光电系第五章

集成光无源器件63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0ooo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工作原理厚膜Gd：YIG构成的隔离器结构磁致旋光不可逆性：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。J.

Fujita,

et

al.,

APL,

2000光波导型光隔离器O

Zhuromskyy,

et

al.,

Optical

and

Quantum

Electronics，2005光波导型光隔离器28dB光波导型光隔离器浙江大学光电系第五章

集成光无源器件67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。

（1）插入损耗

插入损耗是指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)iPo

P

IL

10log显然，其值越小越好。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件68ii

光隔离器的性能指标

（2）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射光信号的衰减。回波损耗RL为

P

PRL值越大越好。

（3）隔离度

隔离度是指在逆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损耗。有

Iso

10log

(dB)其中，P

为反向输入光隔离器的光信号功率，Po

为反向通过光隔离器的光功率。隔离度越大越好。浙江大学光电系第五章

集成光无源器件69光隔离器的性能指标

（4）偏振相关损耗（PDL）

是指输入光偏振态发