第五章 电光调制器

1、电光调制器电光调制器 CONTENTS 1电光调制 2电光效应 3电光调制的主要方式 4电光调制器的分类与应用 目录 5总结 3 w电光效应电光效应某些介质的折射率在外加电场某些介质的折射率在外加电场 的作用下，由于极化现象而出现光学性能的的作用下，由于极化现象而出现光学性能的 改变，影响到光波在晶体中传播特性的一种改变，影响到光波在晶体中传播特性的一种 现象。现象。 w电光效应的实质电光效应的实质在光波电场与外电场的在光波电场与外电场的 共同作用下，使晶体出现非线性的极化过程。共同作用下，使晶体出现非线性的极化过程。 4 2 2 ) 1 (bEaE n 二次电光效应二次电光效应 (克尔效应克

2、尔效应) 线性电光效应线性电光效应 (普克耳效应普克耳效应) w电光效应电光效应某些介质的折射率在外加电某些介质的折射率在外加电 场的作用下而发生变化的一种现象。场的作用下而发生变化的一种现象。 a、b为一次、二次电为一次、二次电 光系数，其值由材料的光系数，其值由材料的 结构和对称性决定。结构和对称性决定。 调制器和开关调制器和开关 在许多情形中，根据输入和输出端口的安排在许多情形中，根据输入和输出端口的安排 以及光波与控制电信号之间相互作用的强度，以及光波与控制电信号之间相互作用的强度， 同一个器件既可以起调制器的作用，又可以具同一个器件既可以起调制器的作用，又可以具 有开关的功能。有开关

3、的功能。在设计或评价调制器和开关时，在设计或评价调制器和开关时， 有许多相同的因素需要加以考虑，因而合在一有许多相同的因素需要加以考虑，因而合在一 起讨论。起讨论。 调制器：器件的主要功能是通过暂时改变光波调制器：器件的主要功能是通过暂时改变光波 的某一特性而将信息加载到光波上。的某一特性而将信息加载到光波上。 开关：改变光线的空间位置，或者是将光导通开关：改变光线的空间位置，或者是将光导通 或断开。或断开。 电光调制电光调制 电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参量的电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参量的 改变而改变。光波作为信息的载波。改变而改变。光波作为信息的

4、载波。 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。 性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低 的偏置电压。的偏置电压。 电光调制器的主要参数有：半波电压、特性阻抗、调制带宽、电光调制器的主要参数有：半波电压、特性阻抗、调制带宽、 调制深度（调制效率）、透过率、消光比、插入损耗、品质因数调制深度（调制效率）、透过率、消光比、插入损耗、品质因数 等。等。 电光调制电光调制 半波电压：是指调制器从关态到开态的驱动电压。半波电压：是指调制器从关态到开态的驱动电压。 调制带宽：强度调制的

5、调制带宽反映了器件工作的频率范围，它调制带宽：强度调制的调制带宽反映了器件工作的频率范围，它 的定义是调制深度落到其最大值的的定义是调制深度落到其最大值的50%50%所对应的上下两频率之差。所对应的上下两频率之差。 调制带宽是量度调制器所能使光载波携带信息容量的主要参数。调制带宽是量度调制器所能使光载波携带信息容量的主要参数。 特性阻抗：要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。特性阻抗：要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。 透过率：调制器的输出光与输入光之比称为透过率。透过率：调制器的输出光与输入光之比称为透过率。 消光比：消光比是衡量电光开关性能的指标。消光比越大越好，消

6、光比：消光比是衡量电光开关性能的指标。消光比越大越好， 因为切断时通过的光越小，切开效果越好。因为切断时通过的光越小，切开效果越好。 插入损耗：插入损耗是反映调制器插入光路引起光功率损耗程度插入损耗：插入损耗是反映调制器插入光路引起光功率损耗程度 的参数。对于外部调制器而言，必须保证器件的插入损耗最小。的参数。对于外部调制器而言，必须保证器件的插入损耗最小。 品质因数：即驱动电压与电极长度的乘积。品质因数：即驱动电压与电极长度的乘积。 电光效应电光效应 电光调制的物理基础：电光效应电光调制的物理基础：电光效应 电光效应：当把电压加到电光晶体上时，电光晶电光效应：当把电压加到电光晶体上时，电光晶

7、 体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的 光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、光波特性的变化，实现对光信号的相位、幅度、 强度以及偏振状态的调制。强度以及偏振状态的调制。 电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应。电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应。 外加电场时晶体的折射率是电场外加电场时晶体的折射率是电场E E的函数，可表的函数，可表 示为示为 . 2 0 bEaEnn. 2 0 bEaEnnn或 线性电光效应 （Pockels效应） 二次电光效应 （Kerr效应） 电光效应电光效应 折射率椭球折射率椭球 在晶体未加外电场时，主轴坐在晶体未加外电

8、场时，主轴坐 标系中折射率椭球的方程为：标系中折射率椭球的方程为： 222 222 123 1 xyz nnn x，y，z为介质的主轴方向，为介质的主轴方向， 在晶体内沿着主轴方向的电位在晶体内沿着主轴方向的电位 移移D和电场强度和电场强度E是互相平行的；是互相平行的； n1、n2、n3为折射率椭球为折射率椭球x，y 和和z方向的折射率方向的折射率(主折射率主折射率)。 折射率椭球方程可以描述光波折射率椭球方程可以描述光波 在晶体中的传播特性。在晶体中的传播特性。 电光效应电光效应 克尔效应：克尔效应： 玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应。内玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克

9、尔效应。内 盛某种液体的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容盛某种液体的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容 器，加电压后产生横向电场。无电场时液体为各向同性，器，加电压后产生横向电场。无电场时液体为各向同性， 光不能通过。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光光不能通过。存在电场时液体具有了单轴晶体的性质，光 轴沿电场方向，此时有光通过。液体在电场作用下产生极轴沿电场方向，此时有光通过。液体在电场作用下产生极 化，这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速，化，这是产生双折射性的原因。电场的极化作用非常迅速， 撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。克尔效撤去电场后在同样短的时间

10、内重新变为各向同性。克尔效 应的这种瞬时反应的性质可用来制造几乎无惯性的光的开应的这种瞬时反应的性质可用来制造几乎无惯性的光的开 关关光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获得了重 要应用。要应用。 电光效应电光效应 泡克耳斯效应：泡克耳斯效应： 一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一 致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双 折射效应。不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射效应。不加电场时，入射光在晶体内不发生双 折射，光不能通过检偏器。加电场后，晶

11、体产生双折射，光不能通过检偏器。加电场后，晶体产生双 折射，有光通过检偏器。大多数压电晶体都能产生折射，有光通过检偏器。大多数压电晶体都能产生 泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与克尔效应一样常用 于光闸、激光器的于光闸、激光器的 Q 开关和光波调制等。开关和光波调制等。 电光效应电光效应 利用利用泡克耳斯泡克耳斯电光效应实现电光调制可以分为两种电光效应实现电光调制可以分为两种 情况：情况： 一是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的。一是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的。 但在时间上是变化的。当一束光通过晶体之后，可但在时间上是变化的。当一束光通过晶

12、体之后，可 以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，由光以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，由光 波的强度或相位变化来体现要传递的信息，这种情波的强度或相位变化来体现要传递的信息，这种情 况主要应用于光通信、光开关等领域。况主要应用于光通信、光开关等领域。 一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的 分布，形成电场图像，即随分布，形成电场图像，即随X X和和y y坐标变化的强度透坐标变化的强度透 过率或相位分布，但在时间上不变或者缓慢变化，过率或相位分布，但在时间上不变或者缓慢变化， 从而对通过的光波进行调制。从而对通过的光波进行调制。 13 光开关光

13、开关 电光调制电光调制 电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用 下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。 根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传 播的方向不同播的方向不同, ,可分为纵向调制和横向调制。可分为纵向调制和横向调制。 纵向电光调制：纵向电光调制：电场方向与光的传播方向平行。电场方向与光的传播方向平行。 横向电光调制：横向电光调制：电场方向与光的传播方向垂直。电场方向与光的传播方向垂直。 电光调制电光调制 由于纵向调制电光器件需要透明电极，器件工艺复杂、由于纵向

14、调制电光器件需要透明电极，器件工艺复杂、 加工成本大，因此常用的电光器件大多采用横向调制设计。加工成本大，因此常用的电光器件大多采用横向调制设计。 电光调制又有调相和调幅之分。电光调制又有调相和调幅之分。 电光调相：不改变输出光的偏振态，只改变其相位。电光调相：不改变输出光的偏振态，只改变其相位。 电光调幅：是借助于晶体的电光效应，使光束的偏振态从电光调幅：是借助于晶体的电光效应，使光束的偏振态从 线偏振光变为椭圆偏振光，再通过检偏器转变为光的强度线偏振光变为椭圆偏振光，再通过检偏器转变为光的强度 调制。调制。 根据电光调制器器件结构的不同，可以分成体型电光调根据电光调制器器件结构的不同，可以

15、分成体型电光调 制器和波导传输型电光调制器。制器和波导传输型电光调制器。 电光调制的主要方式电光调制的主要方式 直接调试：直接调试： 电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使 输出激光强度随电信号而改变。输出激光强度随电信号而改变。 优点：优点： 采用单一晶体、成本廉价、附件损耗小。采用单一晶体、成本廉价、附件损耗小。 缺点：缺点： 调制频率受限、与激光器弛豫振荡有关、产生调制频率受限、与激光器弛豫振荡有关、产生 强的频率啁啾、限制传输距离、光波长随驱动电强的频率啁啾、限制传输距离、光波长随驱动电 流而改变、光脉冲前沿和后沿产生大的波长漂移；流而改变、光

16、脉冲前沿和后沿产生大的波长漂移； 适用于短距离、低速率的传统系统。适用于短距离、低速率的传统系统。 电光调制的主要方式电光调制的主要方式 外调制：外调制： 调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、 热光或声光等物理效应，从而使通过调制器的激光热光或声光等物理效应，从而使通过调制器的激光 束的光参量随信号而改变。束的光参量随信号而改变。 优点：优点： 不干扰激光器工作，波长稳定；可对信号实现多种不干扰激光器工作，波长稳定；可对信号实现多种 编码格式；高速率、大的消光比；低啁啾、低的调编码格式；高速率、大的消光比；低啁啾、低的调 制信号劣化。制信号劣

17、化。 缺点：缺点： 额外增加了光学器件、成本增加、增加了光线线路额外增加了光学器件、成本增加、增加了光线线路 的损耗。的损耗。 纵向电光调制器纵向电光调制器 电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间。 P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，P2的偏振方向平行于y轴。 当沿晶体z轴方向加电场后，x和y轴旋转45变为感应主轴x和y。 因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶 体后被分解为沿x和y方向的两个分量，它们的振幅和相位都相等。 纵向电光强度调制（电光晶体KDP、通光方向与电场方向一致） 纵向电光调制器纵向电光调制器 调制器的透过率与外加电调制器的透过率与外加电 压呈非线性

18、关系，若调制压呈非线性关系，若调制 器工作在非线性电压部分，器工作在非线性电压部分， 调制光将发生畸变。调制光将发生畸变。 为实现线性调制，可引入为实现线性调制，可引入 固定的固定的/2相位延迟，使调相位延迟，使调 制器的电压偏置在制器的电压偏置在T=50% 的工作点上（的工作点上（B点）点） 。 纵向电光调制器纵向电光调制器 改变工作点的常用方法：改变工作点的常用方法： 一是在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个半波电一是在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个半波电 压，但此法增加了电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。压，但此法增加了电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。 二是

19、在调制器的光路上插入一个二是在调制器的光路上插入一个1/41/4波片，使其快慢轴与晶体主波片，使其快慢轴与晶体主 轴轴x x成成4545度角，从而使度角，从而使 ExEx和和EyEy二分量间产生二分量间产生/2/2的固定相的固定相 位差。为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大位差。为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大( (小信号调小信号调 制制) )，那么输出的强调制波就是调制信号的线性复现。，那么输出的强调制波就是调制信号的线性复现。 纵向电光调制器纵向电光调制器 纵向电光调制器纵向电光调制器 优点：优点： 具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折 射的

20、影响等。射的影响等。 缺点：缺点： 半波电压太高，特别在调制频率较高时，功半波电压太高，特别在调制频率较高时，功 率损耗比较大。率损耗比较大。 横向电光调制器横向电光调制器 横向电光调制器（通光方向与电场方向垂直） 若沿若沿 z 轴方向加电场，晶体的主轴不会发生旋转，仍为轴方向加电场，晶体的主轴不会发生旋转，仍为 x，y，z 方向，此时的通光方向与方向，此时的通光方向与 z 轴垂直，并沿轴垂直，并沿 y 方向方向 入射，若入射光偏振方向与入射，若入射光偏振方向与 z 轴成轴成 45角，进入晶体分角，进入晶体分 解为解为 x 和和 z 方向振动的两个分量。方向振动的两个分量。 横向电光调制器横向

21、电光调制器 由此可知，由此可知，x x 轴与轴与 z z 轴的综合电光效应使光波通过轴的综合电光效应使光波通过 晶体后的相位差包括两项：晶体后的相位差包括两项： 第一是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相第一是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相 位延迟，这对调制器的工作没有贡献，而且会因温度变化引位延迟，这对调制器的工作没有贡献，而且会因温度变化引 起折射率的变化而导致相位差漂移，进而使调制光发生畸变，起折射率的变化而导致相位差漂移，进而使调制光发生畸变， 甚至使调制器不能正常工作，应设法消除或补偿双折射现象；甚至使调制器不能正常工作，应设法消除或补偿双折射现象； 第二项是外

22、加场作用产生的相位延迟，它与外加电场和晶第二项是外加场作用产生的相位延迟，它与外加电场和晶 体的尺寸有关。可以采取组合调制器或者体的尺寸有关。可以采取组合调制器或者 1/2 1/2 波片补偿的波片补偿的 办法。办法。 横向电光调制器横向电光调制器 T与与V的关系是非线性的，的关系是非线性的， 若工作点选择不适合，若工作点选择不适合， 会使输出信号发生畸变。会使输出信号发生畸变。 但在但在 附近有一近似附近有一近似 直线部分，这一直线部直线部分，这一直线部 分称作线性工作区。分称作线性工作区。 为了获得线性调制，可为了获得线性调制，可 以通过引入一个固定的以通过引入一个固定的 /2相位延迟，使调

23、制器相位延迟，使调制器 的电压偏置在的电压偏置在T=50%的的 工作点上。工作点上。 2 V 横向电光调制器横向电光调制器 优点：优点： 半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。 缺点：缺点： 存在自然双折射引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场存在自然双折射引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场 时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在， 当晶体因温度变化而引起折射率的变化时，两光波的相位差发当晶体因温度变化而引起折射率的变化时，两光波的相位差发 生漂移。生漂移。 在在KDPKDP晶体横向调

24、制器中，自然双折射的影响会导致调制光发晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调制光发 生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应用中，除了生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应用中，除了 尽量采取一些措施尽量采取一些措施( (如散热、恒温等如散热、恒温等) )以减小晶体温度的漂移之以减小晶体温度的漂移之 外，主要是采用一种外，主要是采用一种“组合调制器组合调制器”的结构予以补偿。的结构予以补偿。 相位调制相位调制 工作原理：工作原理： 电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。 起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴（起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主

25、轴（xx或或yy），此时入射晶体的），此时入射晶体的 线偏振光不再分解成沿线偏振光不再分解成沿xx和和yy两个分量，而是沿着两个分量，而是沿着xx或或yy轴轴 一个方一个方 向偏振，外电场不改变出射光的偏振态，仅改变相位。向偏振，外电场不改变出射光的偏振态，仅改变相位。 体型电光调制器体型电光调制器 小功率体型电光调制器是将电光晶体置于起偏器和检偏器之间，小功率体型电光调制器是将电光晶体置于起偏器和检偏器之间， 起偏器和检偏器的偏振方向互相垂直。电光晶体经过特殊切割并在其起偏器和检偏器的偏振方向互相垂直。电光晶体经过特殊切割并在其 上下两面制作一对电极。当不施加电场时，入射线偏振光通过晶体偏上

26、下两面制作一对电极。当不施加电场时，入射线偏振光通过晶体偏 振方向不发生改变，这时输出光强是零。当施加电场以后，由于电场振方向不发生改变，这时输出光强是零。当施加电场以后，由于电场 作用，晶体的折射率椭球发生改变，入射线偏振光经过晶体后偏振方作用，晶体的折射率椭球发生改变，入射线偏振光经过晶体后偏振方 向发生旋转，输出光强不为零，这样实现了输出光强的电光调制。向发生旋转，输出光强不为零，这样实现了输出光强的电光调制。 体型电光调制器体型电光调制器 这种调制器几乎是整个晶体材料都要这种调制器几乎是整个晶体材料都要 受到外加电场的作用，因此必须施加很强受到外加电场的作用，因此必须施加很强 的外电场

27、才能改变整个晶体的光学特性，的外电场才能改变整个晶体的光学特性， 达到调制晶体中光波的目的。所以这种调达到调制晶体中光波的目的。所以这种调 制器的缺点是调制电压比较高（几百伏甚制器的缺点是调制电压比较高（几百伏甚 至上千伏），因为目前电光晶体的电光系至上千伏），因为目前电光晶体的电光系 数都比较小，因而要在传播方向上实现偏数都比较小，因而要在传播方向上实现偏 振面振面9090的旋转需要施加很高的电压，所的旋转需要施加很高的电压，所 以目前很少使用这种类型的调制器。以目前很少使用这种类型的调制器。 波导电光调制器波导电光调制器 波导电光调制器也是利用晶体介质的泡克耳斯效应使介质的波导电光调制器也

28、是利用晶体介质的泡克耳斯效应使介质的 介电张量产生微小的变化来产生相差，但由于波导调制器基本上介电张量产生微小的变化来产生相差，但由于波导调制器基本上 只是对很小的包膜区施加外电场，将场限制在薄膜区附近，因此只是对很小的包膜区施加外电场，将场限制在薄膜区附近，因此 它需要的驱动功率比体调制器要小一到两个数量级。具体到波导它需要的驱动功率比体调制器要小一到两个数量级。具体到波导 电光调制器来说，为了利用最大的电光系数，常常使外加电场取电光调制器来说，为了利用最大的电光系数，常常使外加电场取 z z 向，为避免双折射效应，光波的偏振方向与外加电场一致，这向，为避免双折射效应，光波的偏振方向与外加电

29、场一致，这 样不会出现非对角的张量变化，当工作模式设计为单模传输，可样不会出现非对角的张量变化，当工作模式设计为单模传输，可 以不考虑模式间的耦合问题。以不考虑模式间的耦合问题。 波导电光相位调制器波导电光相位调制器 M-Z 干涉仪式调制器干涉仪式调制器 M-Z 干涉仪式调制器结构：输入光波经过一段光路后在一个干涉仪式调制器结构：输入光波经过一段光路后在一个Y 分支处，被分成相等的两束，分别通过两个光波导传输，光波分支处，被分成相等的两束，分别通过两个光波导传输，光波 导是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，导是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化， 从而使两束光信号

30、到达第二个从而使两束光信号到达第二个 Y 分支处产生相位差。若两束光分支处产生相位差。若两束光 的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程的光程差是波长的整数倍，两束光相干加强；若两束光的光程 差是波长的差是波长的 1/2，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此通，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此通 过控制电压就能对光信号进行调制。过控制电压就能对光信号进行调制。 M-Z 干涉仪式调制器干涉仪式调制器 在在 M-Z M-Z 干涉仪式调制器中，调制带宽受到光波速度和电微干涉仪式调制器中，调制带宽受到光波速度和电微 波或毫米波速度之差、电极特征阻抗和电极传播损耗的限制，波或毫米波速度

31、之差、电极特征阻抗和电极传播损耗的限制， 尤其是光波和电毫米波之间的速度匹配和微波衰减是影响行波尤其是光波和电毫米波之间的速度匹配和微波衰减是影响行波 调制器性能的两个关键问题。目前可通过对行波电极构形的设调制器性能的两个关键问题。目前可通过对行波电极构形的设 计来解决这两个问题。如采用计来解决这两个问题。如采用 Z Z 切不对称条状线（切不对称条状线（ASLASL）电极）电极 构形可比其它电极构形有更好的阻抗匹配，从而减小损耗；或构形可比其它电极构形有更好的阻抗匹配，从而减小损耗；或 采用采用 Z Z 切共面波导（切共面波导（CPWCPW）电极，可获得更低的驱动功率，也）电极，可获得更低的驱

32、动功率，也 可提供较好的阻抗匹配。可提供较好的阻抗匹配。 M-Z 干涉仪式调制器干涉仪式调制器 在在MZ干涉仪型强度调制器中，为了提高其调制深度及降低干涉仪型强度调制器中，为了提高其调制深度及降低 插入损耗，必须采取以下措施：插入损耗，必须采取以下措施： 分支张角不宜太大（一般为分支张角不宜太大（一般为1 左右），因为张角越大，左右），因为张角越大， 辐射损耗越大。辐射损耗越大。 波导必须设计成单模，防止高阶模被激励。波导必须设计成单模，防止高阶模被激励。 波导和电极在结构上应严格对称，使两个调相波的固波导和电极在结构上应严格对称，使两个调相波的固 定相位差等于零。定相位差等于零。 此外，电光

33、波导强度调制器还有走向耦合调制器、折射率此外，电光波导强度调制器还有走向耦合调制器、折射率 分布调制器、电光光栅调制器等类型。分布调制器、电光光栅调制器等类型。 定向耦合器定向耦合器 定向耦合器型强度调制器是由两个平行且距离很小的两个光波导组成，定向耦合器型强度调制器是由两个平行且距离很小的两个光波导组成， 一个波导的光能够横向耦合到另一个波导内，电极电场的作用是改变波导一个波导的光能够横向耦合到另一个波导内，电极电场的作用是改变波导 的传播特性和促进两波导间的横向光耦合。在光的一个耦合周期的长度内，的传播特性和促进两波导间的横向光耦合。在光的一个耦合周期的长度内， 当电极上无电压时，一个波导

34、内传播的光完全耦合到另一个波导传播，最当电极上无电压时，一个波导内传播的光完全耦合到另一个波导传播，最 终导致原波导无光输出，所有的光均耦合到另一个波导输出。当电极上有终导致原波导无光输出，所有的光均耦合到另一个波导输出。当电极上有 电压时，进入一个波导内的光，耦合后将完全再返回原波导传播和输出。电压时，进入一个波导内的光，耦合后将完全再返回原波导传播和输出。 这种方式既可作为强度调制，又可作为光开关。这种方式既可作为强度调制，又可作为光开关。 定向耦合器定向耦合器 M-Z 干涉仪式调制器与干涉仪式调制器与定向耦合器比较：定向耦合器比较： 这两种调制器的动态范围和品质因数都类似，但这两种调制器

35、的动态范围和品质因数都类似，但M- Z结构的数学模型要简单得多，定向耦合器对耦合段结构的数学模型要简单得多，定向耦合器对耦合段 波导长度要求非常严格，实际制作比较困难，另外定波导长度要求非常严格，实际制作比较困难，另外定 向耦合结构的消光比除了受长度制作公差所制约外，向耦合结构的消光比除了受长度制作公差所制约外， 还受波导间的串音干扰限制，而且在同等条件下，定还受波导间的串音干扰限制，而且在同等条件下，定 向耦合器结构的驱动电压大约为向耦合器结构的驱动电压大约为M-Z结构的结构的1.7倍，因倍，因 此实际商用化的调制器多采用此实际商用化的调制器多采用M-Z结构。结构。 衍射电光调制器衍射电光调

36、制器 衍射型调制器一般基于布拉格效应，它由交错的梳衍射型调制器一般基于布拉格效应，它由交错的梳 状电极组成。施加在叉指表面电极上的电压使该电极下状电极组成。施加在叉指表面电极上的电压使该电极下 面的折射率受到扰动，于是在波导内形成一个有效光栅，面的折射率受到扰动，于是在波导内形成一个有效光栅， 此光栅改变了光束的传输方向。如果调节波导内光束的此光栅改变了光束的传输方向。如果调节波导内光束的 传输方向，使它以等于布拉格角的角度入射到光栅条上，传输方向，使它以等于布拉格角的角度入射到光栅条上， 光就会沿与入射光束成光就会沿与入射光束成2 2倍布拉格角的方向以最大的效倍布拉格角的方向以最大的效 率衍

37、射出来。率衍射出来。 反射性电光调制器反射性电光调制器 应用线性电光效应来减小波导层内的折射率，从而引起光束的全应用线性电光效应来减小波导层内的折射率，从而引起光束的全 内反射。是由四个喇叭形锥形通道波导构成一个平面波导的输入端和内反射。是由四个喇叭形锥形通道波导构成一个平面波导的输入端和 输出端，此平面波导内有一个可通过施加电压而使折射率减小的波导输出端，此平面波导内有一个可通过施加电压而使折射率减小的波导 区。如果不施加电压，从端口区。如果不施加电压，从端口1 1入射的光束将遇到折射率不变化的交界入射的光束将遇到折射率不变化的交界 面，而自由的通过端口面，而自由的通过端口4 4。如果小心的

38、设计和制作喇叭形锥形器，使散。如果小心的设计和制作喇叭形锥形器，使散 射和模式转换最小，这样在端口射和模式转换最小，这样在端口3 3内的串扰将非常小。然而，当施加适内的串扰将非常小。然而，当施加适 当极性的电压，使两电极间的折射率的电极减小时，在不同区域的折当极性的电压，使两电极间的折射率的电极减小时，在不同区域的折 射率之间，就产生了两个界面。如果在第一个界面上入射角大于临界射率之间，就产生了两个界面。如果在第一个界面上入射角大于临界 角，就会发生全内反射，因而部分光束被切换到端口角，就会发生全内反射，因而部分光束被切换到端口3 3中。中。 集总参数式光波导调制器集总参数式光波导调制器 集成

39、电光调制器除了光路即光波导外，集成电光调制器除了光路即光波导外， 还包括电路组成部分，即电极部分。为了还包括电路组成部分，即电极部分。为了 加强电信号对光的作用，常常将电极设计加强电信号对光的作用，常常将电极设计 成共面波导的结构，从而能够以较小的驱成共面波导的结构，从而能够以较小的驱 动功率实现对光载波的调制。电光调制器动功率实现对光载波的调制。电光调制器 电极分成集总参数电极和分布参数电极即电极分成集总参数电极和分布参数电极即 行波电极两大类。行波电极两大类。 集总参数式光波导调制器集总参数式光波导调制器 随着低损耗光纤的迅速发展，光波导调制器取代了体调制随着低损耗光纤的迅速发展，光波导调

40、制器取代了体调制 器。其实现方案是利用某种工艺技术使晶体中的某一部分形器。其实现方案是利用某种工艺技术使晶体中的某一部分形 成相对高的折射率区域，即介质波导，光纤通过介质光波导成相对高的折射率区域，即介质波导，光纤通过介质光波导 的两端对接，因而大大降低了光损耗。同时为了加强电信号的两端对接，因而大大降低了光损耗。同时为了加强电信号 对光的作用，将电极改成共面结构，调制信号加在电极上，对光的作用，将电极改成共面结构，调制信号加在电极上， 从而能够以较小的信号驱动功率实现对光的调制，这就是集从而能够以较小的信号驱动功率实现对光的调制，这就是集 总参数电极调制器。总参数电极调制器。 行波电极光波导

41、调制器行波电极光波导调制器 行波电极实际上就是一种传输线结构，以电极作为行波电极实际上就是一种传输线结构，以电极作为 共面微带传输线，让光波与微波沿共面电极的同一方共面微带传输线，让光波与微波沿共面电极的同一方 向传播，且信号以行波的形式加到晶体上使高频电场向传播，且信号以行波的形式加到晶体上使高频电场 以行波形式与光波场互相作用，并让光波与调制信号以行波形式与光波场互相作用，并让光波与调制信号 在晶体内始终具有相同的相速，这样光波的波前在晶在晶体内始终具有相同的相速，这样光波的波前在晶 体中受到的调制是相同的，理论上可以消除渡越时间体中受到的调制是相同的，理论上可以消除渡越时间 的影响。而传输线相对于集总