3.5　光调制器

光调制有直接调制和外调制两种方式。直接调制是直接对光源的输出光进行的调制。外调制是通过外调制器对连续光进行的调制。调制方式比较如图3.5.1所示。

直接调制使激光器的注入电流直接随承载信息的信号而变化，但是用直接调制来实现AM和ASK时，注入电流的变化要非常大，并会引入不希望的线性调频（啁啾）。

在直接检测光接收机中，检测装置之前没有光滤波器，在低速系统中，较大的瞬时线性调频的影响还可以接受；但在高速系统、相干系统或用非相干接收的波分复用系统中，激光器可能出现的线性调频使输出线宽增大，色散引起的脉冲展宽较大，并产生信道能量损失和对邻近信道的串扰，从而成为系统设计的主要限制。

如果把激光的产生和调制过程分开，就完全可以避免这些有害影响。如图3.5.1（b）所示的外调制，激光器是连续工作的，把外调制器放在激光器输出端之后，信息电信号通过外调制器对激光器输出的连续光进行调制。只要外调制器的反射系数足够小，激光器的线宽就不会增加。为此，通常要插入法拉第光隔离器，最有用的调制器是电光调制器、电吸收波导调制器，还有声光调制器等。本节介绍这几种外调制器。

3.5.1　电光效应和电光调制器

电光调制基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光效应（Electro-Optic Effects），即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化，n=n（E）。例如，LiNbO3、InGaAsP、GaAs和聚合物这样的电光材料的折射率明显随施加的外电压而改变，从而实现对激光的调制。近年来，基于InP材料的高速电光调制器受到人们的重视，因为它的珀克（Pockel）电光效应虽然比LiNbO3的弱，但是它的折射率n约为3.5，却是较大的。

电光调制器是一种集成光学器件，它把各种光学器件集成在同一个衬底上，从而使其增强了性能、减小了尺寸、提高了可靠性和可用性。

1. 电光效应

电光效应是指某些光学各向同性晶体在电场作用下显示出光学各向异性的效应（即双折射效应）。折射率与所加电场强度的一次方成正比变化的电光效应称为线性电光效应，即珀克（Pockels）效应。折射率与所加电场强度的二次方成正比变化的电光效应称为二次电光效应，即克尔（Kerr）效应。

一束偏振光入射到一个电光晶体上，同时施加电场到该晶体上，施加的电场强度E对晶体折射率n的影响可用E的泰勒级数表示为

式中，α和β分别为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，所以可以将其略去。Δn=αE称为珀克效应，Δn=βE2称为克尔效应。电光效应是各向异性的，并严格取决于输入光相对于晶体轴线的取向。如果取向选择使α=0，此时的电光效应称为二阶电光效应或克尔效应；如果取向选择使β=0，此时的电光效应称为线性电光效应或珀克效应，电光调制器通常就工作在β=0的情况。

外电场对各向同性晶体的影响使其变为各向异性晶体如图3.5.2所示。例如，假如晶体沿x轴、y轴和z轴方向的折射率分别为nx、ny和nz，对于各向同性晶体，则nx=ny=nz；而对于单轴各向异性晶体，则nx=ny≠nz，如图3.5.2（a）所示。如果沿钾二氢磷酸盐（KH2PO4，KDP）晶体z轴施加一个电场Ea，原主轴x逆时针旋转了45°，变为新的主轴x′和y′，折射率nx变为、ny变为，且不等于，这就是说，横截面现在变成了椭圆形，如图3.5.2（b）所示。对于铌酸锂晶体（LiNbO3），一种重要的单轴晶体，如果沿其y轴施加电场Ea，虽然主轴没有旋转方向，但是折射率却由nx变为、ny变为，横截面也是椭圆形的，如图3.5.2（c）所示。

举例来说，在LiNbO3晶体中，沿z方向（光轴）传输的光在不加外电场时，不管偏振态如何变化，x方向和y方向经历相同的折射率（nx=ny=n0），如图3.5.2（a）所示。然而，在外加平行于y轴的电场Ea时，如图3.5.2（c）所示，外电场引入沿z轴传播的双折射，即光以平行于x和y轴的两个正交偏振态经历不同的折射率（）沿着z轴方向传播，此时有

式中，r22是珀克线性电光系数，其值取决于晶体结构和材料。此时，施加电场引起的折射率

变化Δn为

式中，n0为电场强度为0时材料的折射率；γij为线性电光系数，i、j对应于在适当坐标系统中，输入光相对于各向异性材料轴线的取向。根据式（1.2.8），得到相位差Δϕ和电场强度的关系为

式中，L是相互作用长度。

横向线性电光效应相位调制器原理如图3.5.3所示，施加的外电场Ea=V/d与y方向在同一条直线上，光的传输方向沿着z方向，即外电场在光传播方向的横截面上。假设入射光为与y轴成45°的线偏振光E，我们可以把入射光用沿x和y方向的偏振光Ex和Ey表示，对应的折射率分别为。于是，当Ex沿横轴传输距离L后，它引起的相位变化为

当Ey沿z轴传输距离L后，它引起的相位变化为ϕ2，其表达式与式（3.5.5）类似，只是r22的下标改变了。于是，Ex和Ey产生的相位变化为

因此，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Δϕ，出射光的偏振态被施加的外电压所控制。我们可以调整电压来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V=Vλ/2，对应于Δϕ=π。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d和增加传输距离L，前者可以增加电场强度，后者可引起更多的相位变化。因此Δϕ与L/d成正比，但纵向线性电光效应除外。

很显然，改变外电场（电压），就可以控制光在晶体中的折射率，进而改变光传输的相位，实现相位调制。如果外电场与光传输的z方向相同，如图3.5.2（b）所示，这种调制器称为纵向珀克电光效应调制器；反之，如果外电场与光传输的方向垂直，如图3.5.2（c）所示，这种调制器称为横向珀克电光效应调制器，图3.5.3所示的调制器就属于这种调制器，施加的外电场与y方向相同，光传输沿着z方向，外电场在光传输方向的横截面上。调制器通常利用线性电光效应。

在图3.5.3所示的相位调制器之前和之后分别插入3.11.2节介绍的起偏器和检偏器，我们就可以构成横向线性电光效应强度调制器，如图3.5.4所示，起偏器和检偏器的偏振化方向相互正交。起偏器偏振化方向与y轴有45°的夹角，所以进入晶体的Ex和Ey幅度相等。

当外电压为零时，Ex和Ey分量在晶体中传输，经历着相同的折射率变化。根据马吕斯（Malus）定律（见3.11.2节），检偏器的输出光强I=I0cos2θ，由于检偏器和起偏器成正交状态，θ=90°，所以光探测器探测不到光。

当施加的外电压在两个电场分量间产生相位差Δϕ在0°和45°之间变化时，离开晶体的光就变成椭圆偏振光（见1.3.5节）。因此，就有一个沿检偏器轴线传输的光强分量，通过检偏器到达光探测器，其强度与施加的外电压有关，即

或

式中，I0是传输光强曲线的峰值。光探测器检测到的光强和施加到晶体上的外电压的传输特性（虚线表示插入四分之一波片后的特性）如图3.5.5所示。由式（3.5.7）可知，当施加的外电压为半波电压时，I=I0sin2（π/2），I达到最大。所以，强度调制器要使外电压等于Vλ/2。

当电信号为数字信号时，我们可以接通或断开光脉冲，因此不会产生传输光强的非线性；当电信号为模拟信号时，就必须使工作点处在传输光强曲线的线性区，这可以通过在起偏器之后插入一个四分之一波片，以便在输入端提供圆偏振光，这意味着在外电压施加前，输入偏振光已经变化了π/4，通过施加的外电压（根据其符号）可以控制Δϕ的增加或减小。此时的传输光强曲线如图3.5.5的虚线所示，图中调制器的工作点经插入四分之一波片后已偏置到Q点。

【例3.5.1】电光效应相位调制器

在图3.5.3所示的横向相位LiNbO3调制器中，晶体的外电压为24V，自由空间工作波长为1.3μm，如果要求通过该晶体传输的电场分量Ex和Ey产生的相位差为π（半波片），请问d/L的值是多少？

解：在式（3.5.4）中，令Δϕ=π，V=Vλ/2，对于LiNbO3晶体，n0=2.272，r22=3.4×10-12m/V，所以，有

由此可得

这样薄的晶体厚度可用集成光学技术来实现。

2. 相位调制器（Phase Modulator）

目前，大多数调制器是由铌酸锂（LiNbO3）晶体制成的。这种晶体在某些方向有非常大的电光系数。根据式（3.5.6），由LiNbO3晶体可以构成相位调制器，而相位调制器是电光调制器的基础。通过相位调制器，可以实现幅度调制和频率调制。集成横向珀克效应相位调制器如图3.5.6所示。集成横向珀克效应相位调制器是在LiNbO3晶体表面扩散进钛（Ti）原子，制成折射率比LiNbO3晶体高的掩埋波导。加在共平面条形电极的横向电场Ea通过波导，两电极长为L，间距为d，由于珀克效应，产生与外电压有关的折射率变化Δn。衬底是沿x轴切割的LiNbO3晶体片，在电极和衬底间镀上一层很薄的电介质缓冲层（约200nm厚的SiO2），以便把电极和衬底分开。

Ex和Ey产生的相位变化可用式（3.5.6）表示，但是由于施加的外电场没有完全作用于波导中的光场，只有电场和光场相互重叠的部分才产生Δn，所以要引入一个系数Γ，此时产生的相移为

式中，Γ=0.5～0.7。举例来说，对于沿x轴切割的LiNbO3晶体片，如图3.5.6所示，λ=1.5μm，d≈10μm，Vλ/2L≈35Vcm，当L=2cm时，半波电压Vλ/2≈17.5V。对于沿z轴切割的LiNbO3晶体片，光传输方向沿着y轴方向，Ea沿着z轴方向，其珀克效应系数r13和r33比r22大一些，导致Vλ/2L≈5V·cm。

目前，一种用于10Gbit/s的DWDM光发射机LiNbO3马赫-曾德尔调制器，为了降低驱动电压Vλ/2，采用沿z轴切割的LiNbO3晶体片，以及钛扩散波导，其驱动电压Vλ/2=4V，低频时消光比为18dB，10.7Gbit/s时消光比为13dB，插入损耗为6.0dB，工作波长为1.55μm，3dB带宽为8.5GHz，差动输入阻抗为50Ω。

3. 马赫-曾德尔幅度调制器（Mach⁃Zehnder Amplitude Modulator）

最常用的幅度调制器是在LiNbO3晶体表面用钛扩散波导构成的马赫-曾德尔幅度调制器，如图3.5.7所示。使用对两个频率相同但相位不同的光进行干涉的干涉仪，外电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。在图3.5.7（a）所示的由两个Y形波导构成的结构中，在理想的情况下，输入光功率在C点平均分配到两个分支并传输，在输出端口（D点）干涉，所以该结构起着一个干涉仪的作用，其输出光功率幅度与两个分支光通道的相位差有关。两个理想的背对背相位调制器，在外电场的作用下，能够改变两个分支中待调制传输光的相位。由于加在两个分支中的外电场方向相反，如图3.5.7（a）的右上方的截面所示，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，如果在A分支中引入π/2的相位变化，那么在B分支则引入-π/2的相位变化，因此A、B分支将引入相位π的变化。

假如输入光功率在C点平均分配到两个分支并传输，其幅度为A，在输出端口D点的光场为

输出光功率与成正比，所以由式（3.5.9）可知，当ϕ=0时输出光功率最大。当ϕ=π/2时，两个分支中的光场相互抵消干涉，使输出光功率最小，在理想的情况下为零。于是，有

由于外电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外电场也控制着输出光的强度，虽然它们并不呈线性关系。

在图3.5.7（b）所示的调制器中，当外加的调制电压为零时，马赫-曾德尔干涉仪A、B两臂的电场表现出完全相同的相位变化；当外加的调制电压不为零时，调制电压引起A波导折射率变化，从而破坏了马赫-曾德尔干涉仪的相长特性，因此在A臂上引起了附加相移，结果使输出光的强度减小。根据式（3.5.9），当ϕ=π时，A、B两臂间的相位差是π，在D点发生相长干涉，输出光的强度最大；当ϕ=π/2时，当两臂间的相位差为π/2，在D点出现了相消干涉，输入光的强度为零，此时的电压称为半波电压Vλ/2，该电压可以使马赫-曾德尔幅度调制器实现从开到关的切换。当调制电压引起A、B两臂的相位差在0～π变化时，输出光的强度将随调制电压而变化。由此可见，加到马赫-曾德尔幅度调制器上的电比特流信号在其输出端产生了波形相同的光比特流信号。马赫-曾德尔幅度调制器的性能好坏由开关比（消光比）和调制带宽度量。马赫-曾德尔幅度调制器的消光比大于20，调制带宽可达20GHz。

3.5.2　电吸收调制器（EAM）

电吸收调制器（Electro Absorption Modulator，EAM）是一种P-I-N半导体器件，其I层由多量子阱（Multiple Quantum Well，MQW）波导构成。电吸收调制器的结构如图3.5.8所示。电吸收调制器透光率和反向偏置电压的关系如图3.5.9所示。I层对光的吸收损耗与反向偏置电压（外加的调制电压）有关。当调制电压使P-I-N反向偏置时，入射光完全被I层吸收。换句话说，因势垒的存在，入射光不能通过I层，相当于输出“0”码；反之，当反向偏置电压为零时，势垒消失，入射光不能通过I层，相当于输出“1”码，从而实现对入射光的调制。电吸收调制器的工作原理如图3.5.10所示。

电吸收调制器的电光转换特性可用透光程度T（V）来表示，其表达式为

式中，γ为MQW有源区和波导区的重叠程度，约占16%；L为波导长度；α（V）为在施加反向偏置电压V的情况下MQW波导的吸收系数。这个吸收系数和波长有关，也与施加的反向偏置电压有关。电吸收调制器吸收系数和波长的关系如图3.5.11所示，施加反向偏置电压可引起电吸收频谱红移（当反向偏置电压增加时，向短波长方向移动），改变波导的结构和掺杂成分可以使电吸收调制器工作于1.5μm波长。

一种工作在1.3μm波长的电吸收调制器的典型尺寸为宽度W=3μm，高度D=0.49μm，长度与3dB带宽有关，当L=100μm时，3dB带宽为38GHz；当L=180μm时，3dB带宽为23GHz；当L=370μm时，3dB带宽为10GHz，入射光的饱和强度超过17dBm。

电吸收调制器有着许多优点，虽然在高速和啁啾特性方面不如LiNbO3调制器，但具有体积小、驱动电压低的特点，通过这种调制器与激光器进行单片集成，不仅可以发挥调制器本身的优点，激光器与调制器之间也不需要光耦合装置，并且可以降低损耗，从而达到高可靠性和高效率。目前，已有将电吸收调制器和λ/4相移的MQW DFB激光器集成在一起的器件，工作波长为1.5μm，调制速率为2.5Gbit/s，内置光隔离器、检测光敏二极管、热敏电阻和热电制冷器。激光器工作在连续波（CW）状态，当调制电压为2VP-P时，消光比大于10dB，传输距离达到400km。用户可以按照ITU-T关于DWDM的标准选择波长。工作在1.3μm波长的电吸收调制器在CATV系统和微波副载波（SCM）系统中也有广泛的应用前景。

3.5.3　DQPSK光调制器

高速光纤传输系统面临的最大挑战是：采用传统调制方式，高速比特率传输导致的物理损害非常突出。以色散为例，采用传统的非归零（NRZ）码调制，色散随着比特率呈指数增长，40Gbit/s线路的色散是10Gbit/s的16倍，100Gbit/s串行线路的色散将达到10Gbit/s的100倍。一种用于100Gbit/s及其以上比特率系统的先进调制方式是差分正交相移键控（Differential Quadrature Phase-Sheft Keying，DQPSK）调制方式。这种调制方式同时调制信号的强度和相位，以尽可能减小色散的影响。但DQPSK调制方式在实现的过程中需要一种DQPSK光调制器。

马赫-曾德尔调制器的结构及电光响应传输特性如图3.5.12所示。DQPSK光调制器的结构及频谱特性如图3.5.13所示。DQPSK光调制器由4个如图3.5.12（a）所示的马赫-曾德尔调制器构成。这4个马赫-曾德尔调制器是在0.1mm厚的LiNbO3晶体基片上制作的参数相同的双平行马赫-曾德尔调制器。其中，参数相同指的是这4个马赫-曾德尔调制器均为单边带调制器、均采用频移键控（FSK）和行波共平面波导电极等[80]。DQPSK光调制器包含两个主马赫-曾德尔干涉仪，每个主马赫-曾德尔干涉仪又内嵌两个子干涉仪。对于DQPSK方式，两个二进制数据流分别加到MZA和MZB插拔电极，以便控制同相成分I和正交成分Q。通常，LiNbO3马赫-曾德尔调制器3dB带宽约为35GHz，20dB带宽为75～96GHz。

DQPSK光调制器在偏振复用相干检测系统发送端中的应用如图3.5.14所示。激光器（LD）发出的连续光经过偏振分光器（PBS）一分为二，每束光通过并联马赫-曾德尔调制器，对x偏振光和y偏振光分别进行DQPSK方式调制，然后调制后的x、y正交偏振光通过偏振光合波器（PBC）复用，从而得到一路PM-DQPSK光信号。

输入光为行波的MZM DQPSK PIC芯片显微图如图3.5.15所示，该芯片尺寸为7.5×1.3mm2，电光相互作用长度为3mm，π/2相移长度为1.5mm，射频输入为差分输入。

3.5.4　声光调制器

声光（Acousto-Optic）调制器基于光弹性效应，通过电极施加在压电晶体上的射频调制信号在晶体表面产生应力，从而产生表面声波（Surface Acoustic Wave，SAW）。该声波通过声光材料传输时，产生随声波幅度周期性变化的应力，使声光材料的密度产生局部的密集和疏松，相当于使折射率产生周期性的变化，从而使声波产生了可以对光束衍射的光栅。声光调制器如图3.5.16所示。入射光A和B为平行相干光，由于声光材料折射率的变化，这些光将在点O和O′反射为A′和B′光。假如A′和B′光同相，它们将相互加强，构成衍射光。假如声波波长为Λ，则声生光栅的折射率变化周期也是Λ。A′和B′光的光程差为PO′Q，它等于2Λsinθ。根据布拉格衍射条件，光程差应是波长的整数倍，其值为

式中，λ为自由空间光波长；n为介质折射率；θ为入射光与声波的传输波面的夹角。由式（3.5.12）可知，对于给定的材料，n是常数，所以λ/n也是常数，所以Λ和sinθ成反比。

如果θ满足式（3.5.12），入射光将产生衍射，θ称为布拉格角。因此我们可以简单地选择声波波长Λ，就可以使入射光发生不同的倾斜（改变θ）。很显然，在射频调制电压的作用下，声波波长Λ的变化将引起入射光衍射角θ的变化。

假如ω是入射光的角频率，由于多普勒（Doppler）效应，衍射光随着声波传输的方向，其频率要么高一点，要么低一点。假如Ω是声波的频率，衍射光具有一个多谱勒频移，其值为

当声波传输方向与入射光相对传输时，此时衍射光的频率ω′=ω+Ω；当声波传输方向与入射光束同向传输时，ω′=ω-Ω。很显然，声波频率Ω的变化将引起衍射（反射）光频率的变化，如果用传输的电信号驱动电声变换器，就可以实现对光的调制。

当光源和接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的光频率不等于光源和接收器相对静止时的频率，两频率之差就是多普勒频移。显然，多普勒频移直接与光源和接收器之间相对运动的速度有关，利用这个原理可以测量飞行器喷射气流的速度等。

入射光经光栅衍射后，除大部分反射外，也有一部分穿过光栅透射出去。反射光的幅度取决于产生的疏密材料折射率变化Δn，即取决于声波强度。衍射光强与Δn2成正比，改变声波强度（改变调制射频电压的大小），就可以调制衍射光强。

声光调制是利用声光效应将信息加载于光载波上的一种物理过程。调制电信号加在电声换能器上，产生超声波，当光通过声光介质时，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。布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。衍射（反射）光强随超声波（调制电信号）强度的变化特性如图3.5.17所示。衍射（反射）光强随超声波（调制电信号）强度的变化并不总是呈线性关系的。为了使其工作在线性区，就要对电声换能器加偏置电压。

除LiNbO3晶体可用于电光效应调制外，最近聚合物材料也很受重视，因为这种材料是用旋压涂覆方法大面积喷镀的，在固化过程中对聚合物材料施加电压，对聚合物材料所要求的光各向异性特性就被“冻结”起来，构成各向异性材料，而且它的价格十分便宜。

【例3.5.2】声光调制器

假如在LiNbO3晶体的表面产生f=250MHz的声波，在LiNbO3晶体中的声速vac为6.57km/s，折射率为2.2，调制光为λ=632.8nm的He-Ne光。请计算声波波长、倾斜角和多普勒频移。

解：假如f是声波频率，声波波长为

由式（3.5.12）可得

由此得θ=0.31°或倾斜角2θ=0.62°。多普勒频移就是声波的频率250MHz。