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2 7.1 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

2、 7.1.7 电光开关电光开关 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著3 7.1.1 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

3、 （7.1.2） 称为珀克（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

4、取向选择是克尔系数。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，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。 ,2 nnEE En 22 EKEn 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

5、向（光轴）传输的光波，不加外电场时，x方方 向和向和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

6、很显然，改变外加电场（电压），就可以控制很显然，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。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

7、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。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6 7.1.2 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

8、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

9、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： U d L rnn L yx22 3 o 22 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

10、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9 7.1.3 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

11、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7.1.3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

12、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

13、与光电子学 原荣 邱琪 编著13 7.1.4 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15 7

14、.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

15、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 50 dB)

16、，插入损耗也小，插入损耗也小(0.1 dB)，但是这种，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法拉第旋转器和线性偏振片的隔离器不和 基于基于InP的半导体的半导体LD兼容，所以不能集成在一兼容，所以不能集成在一 起。起。 所以科学家们正在开发基于平面集成光路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。）的磁光波导器件。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著40 磁光波导器件磁光波导器件 基于基于PIC的磁光波导器件具有非互易的特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

17、其他器件在同一个基板上集成，适合大 批量生产。批量生产。 随着研究的深入和工艺的改进，它的隔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。不久的将来一定会从实验室进入市场。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著41 集成光隔离器基本工作原理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磁光薄膜的磁光法拉第效应; 按按YIG磁光薄膜磁化方向的不同，光隔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离器可分为纵向型和横向型两

18、类; 纵向型是外加磁场方向平行于光的传输纵向型是外加磁场方向平行于光的传输 方向方向; 横向型是外加磁场方向垂直于光的传输横向型是外加磁场方向垂直于光的传输 方向。方向。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著42 图图7.3.5 非互易相移非互易相移MZI型波导光隔离器型波导光隔离器 该光隔离器基于马赫该光隔离器基于马赫-曾德尔干涉仪（曾德尔干涉仪（MZI）原理，在）原理，在GaInAsP/InP基片基片 上也集成了一个激光器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。首先将铁柘榴石波片键合在马赫-曾德尔干曾德尔干 涉仪波片上，该隔离器由两个涉仪波片上，该隔离器由两个Y形耦合器。形耦

19、合器。 互易相移器由互易相移器由 /4臂长差提供。臂长差提供。MZI设计成在两个臂中传输的前向光波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没有相差（同相），而后向传输的光波有180的相差（反相）。这可的相差（反相）。这可 以选择合适的以选择合适的MZI两臂波导长度，引入两臂波导长度，引入90的非互易相移和的非互易相移和90的互易的互易 相移完成。相移完成。 因此，正向传输的光在出因此，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分支处时的总相移为零，两光相长干涉而增 强（见强（见7.1.5节节M-Z干涉幅度调制器）；干涉幅度调制器）； 而反向传输的光在

20、出而反向传输的光在出Y1分支处时的总相移为分支处时的总相移为 ，两光相消干涉而抵消。，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。灵活，工艺制作简单，更具有实际应用价值。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著43 7.3.5 光环行器光环行器 光环行器除了有多个端口外，其工作原光环行器除了有多个端口外，其工作原 理与光隔离器类似，也是一种单向传输理与光隔离器类似，也是一种单向传输 器件；器件； 主要用于单纤双向传输系统和光分插复主要用于单纤双向传输系统和

21、光分插复 用器中；用器中； 方向性一般大于方向性一般大于 50 dB。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著44 端口端口 1 输入的光信号只有在端口输入的光信号只有在端口 2 输出，端口输出，端口 2 输入的光信号只有输入的光信号只有 在端口在端口 3 输出。在所谓输出。在所谓“理想理想”的环行器中的环行器中, 在端口在端口 3 输入的信号只输入的信号只 会在端口会在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的。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因此，大多数商用环行器都设计成“非理想非理想”状态，即吸收从端口状态，即吸收从端口 3 输入

22、的任何信号，方向性一般大于输入的任何信号，方向性一般大于 50 dB。 图图7.3.6 光环行器光环行器-用于单纤双向传输系统用于单纤双向传输系统 光光发发 射射机机1 1 光光发发 射射机机2 2 光光接接 收收机机1 1 光光环环 形形器器 光光环环 形形器器 光光接接 收收机机2 2 1 1 2 2 3 3 1 1 2 2 3 3 光光纤纤 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著45 图图7.3.7 光环行器原理图光环行器原理图 由偏振分光由偏振分光/合光器、光隔离器、相位延迟器构成；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光环行器的插入损耗一般为0.51.5 dB，反射

23、损耗和，反射损耗和 方向性均大于方向性均大于50 dB。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著46 图图7.3.8 光分插复用器（光分插复用器（OADM） 在在WDM网络中，需要网络中，需要OADM，在保持其他信道传输不变，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。的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入。 图图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。需要的波长，而让其他波长信道通过。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著47 7.4 声光效应及其器件声光效应及其器件 7

24、.4.1 声光效应及声光滤波器声光效应及声光滤波器 7.4.2 声光调制器声光调制器 7.4.3 声光开关声光开关 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著48 7.4.1 声光效应及声光滤波器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）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（见引起，前者称为电光效应（见7.1.1节），后者节），后者 则称为声光效应。则称为声光效应。 声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中 传输时，它使介质密度产

25、生局部的密集和疏松，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。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。加在压电晶体（如）上的射频信

26、号产生。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著49 图图7.4.1 声光调谐滤波器（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，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。只有满足布拉

27、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声波引起折射率的周期性变化可表示为 （7.4.1） 式中式中S是声波信号产生的应力，是声波信号产生的应力，p是光弹性系数。是光弹性系数。 pS n 2 1 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著50 图图 7.4.1 声光声光 调谐调谐 滤波滤波 器）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（产生表面声波（SAW），其作用是使光偏振态从），其作用是使光偏振态从TE横电模转化到横电模转化到TM横磁

28、模横磁模 ； 入射入射WDM信号中的信号中的 m信号，被第一个偏振分光器分割成两个正交的偏振成分，信号，被第一个偏振分光器分割成两个正交的偏振成分， 即横电模即横电模TE和横磁模和横磁模TM，分别在，分别在AOTF的上臂和下臂传输，因为它们满足布拉的上臂和下臂传输，因为它们满足布拉 格（谐振）衍射条件格（谐振）衍射条件 （7.4.2） 所以发生模式转换，即上臂的所以发生模式转换，即上臂的TE模转换成模转换成TM模，下臂的模，下臂的TM模转换成模转换成TE模，然模，然 后由偏振合光器合波，在输出端后由偏振合光器合波，在输出端3输出。输出。 其他波长的信号由于没有满足布拉格（谐振）衍射条件，则不会发生模式转换，其他波长的信号由于没有满足布拉格（谐振）衍射条件，则不会发生模式转换， 在端口在端口4输出。输出。 n m 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著51 7.4.2 声光调制器声光调制器 如果如果 满足式（满足式（7.4.4），入射光束将产生衍射。简单地选择声波波长），入射光束将产生衍射。简单地选择声波波长 ，使入射光束发