电光调制技术解析

1 光调制技术：

使光的强度或者相位随着数据信号变化而变化的技术称为光调制技术

光载波可以用下面公式表示

  (1)

   (2)

其中是电场矢量，是光极化方向的矢量单位，A是振幅，是光的频率，是相位。光调制过程本身就是对，A，和中的一种或者多种参量进行调制。

2 调制方式

调制方式有直接调制和外调制。直接调制，也叫内调制，是利用激光二极管输入的电信号直接驱动激光器产生已调制的输出光信号。外调制是使激光按一定的输出功率工作，用外部的光调制器件进行调制的外部调制方式。如下图

图1 直接调制和外调制

3 外调制

外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行。即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号，使调制器的某些物理特性发生相应的变化，当激光通过它时即得到调制。外调制技术分为电光调制、声光调制、磁光调制等多种实现方式 。

图2  外调制方式

4 电光调制

4.1电光效应

外加电场使物质的折射率发生变化的现象叫做电光效应。电光调制就是利用这种效应，使通过物质的光的相位发生直接变化，利用这种变化进行偏振，相位或者振幅调制等的一种方法。    

电光效应是在外加电场的作用下，光学介质的折射率 发生变化的现象，折射率和电场的关系可以表示为：

        (3)

式中是E=0时的折射率，a和b为常数，其中电场一次项引起的变化称为线性电光效应，也称为Pokels效应，通常发生在无对称中心介质中。二次项引起的变化称为二次电光效应，也称为Kerr效应。Pokels效应通常应用于电光调制器，Kerr效应用于超高速光开关。在无对称中心介质中一次效应比二次效应显著得多，所以通常讨论线性效应。线性电光效应介质折射率的变化Δn与外加电场E成正比：

     (4)

式中为线性电光系数。

电光效应引起的相位差 ΔΦ 也正比于外加电场：

    (5)

L 为作用长度或者称为调制长度，h为电极间距，为入射光波长。

4.2电光晶体

电光晶体，是具有电光效应的晶体材料。在外电场作用下晶体的折射率会发生变化。电光晶体的参数很多，在选取时必须综合考虑晶体的各种参数选出综合性能最佳的电光晶体。常见电光晶体材料有ADP，石英，LiNbO3、LiTaO3、BaTiO3等。下表为几种电光晶体的主要参数

表1 几种电光晶体参数表

比较上表1中的几种晶体，可以得到以下结论

（a）从电光系数来看，石英的电光系数过小0.7，不适宜做电光调制晶体。    

（b）从折射率来看，同一波长发散角相同的光束在不同晶体传播时，折射率大的晶体 中的光束的发散角小。于是当光束满孔径入射到尺寸相同、材料不同的电光晶体中时，折射率大的晶体孔径损耗要小。因此，在同等条件下，折射率大的晶体更适合做电光调制晶体。LiNbO3、LiTaO3、BaTiO3晶体的折射率都在2.2左右。因此 这三种晶体更适合做电光调制晶体

（c）因为电光晶体的形状为长方体，因此从电学的角度可以把电光晶体看成是平板电容。电容越大高频电路的设计越困难在同等条件下平板电容的大小与相对介常数成正比，因此电光晶体的相对介电常数太大不好。晶体BaTiO3相对介电常数太大因此不适合做高频电光调制晶体 。

4.3电光调制的方式

（1）纵向电光调制：加在晶体上的电场方向与通光方平行称纵向电光效应，也称为纵向运用。利用纵向电光效应的调制叫做纵向电光调制。这种调制方式结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响，不需要进行补偿。但由于外加电场的方向与光的传播方向同向，因此在电光晶体的端面电极须做成环行电极或者镀以透明电极，光才能通过。这样给加工带来一定的难度，而且电极对光束有干扰作用。除此之外，该种方式半波电压太高，功率损耗也较大。

（2）横电光调制：通光方向与所加电场方向相垂直。可以增加晶体材料的长度或减少厚度来减小半波电压。缺点是会由自然双折射引起相移对温度敏感。通过采用合适的晶体结构和温度控制技术，可以消除自然双折射及温度对调制效果的影响。横向调制的半波电压明显低于纵向调制的半波电压。

图3  纵向和横向调制方式

（4）横电光调制：随着集成光学及光通信、光信息、处理技术、光计算等应用技术的发展，利用光波导将光束限制在一个微米量级的区域沿着一个方向传播的特性。能够实现波导电光调制。波导传输型电光光强调制器有很多种结构，最常用的一般有两种类型：M-Z干涉仪式和定向耦合器型。

图4 M-Z和定向耦合形波导调制

M-Z干涉仪式调制器结构如图4(a)所示：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，从而使两束光信号到达第二个Y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；若两束光的光程差是波长的1／2，两束光相干抵消，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。    

定向耦合器型强度调制器如图4(b)所示，它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。

　　审核编辑：汤梓红