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光学调制器的物理基础

首先向大家致歉,最近这段时间工作比较忙,没太多时间写公众号,距离上一篇笔记已经半个多月了,十分抱歉。还是不能停下来。

前面的笔记中提到,直调激光器存在啁啾效应,长距离传输时,信号会失真,而采用外部调制的方式,则可以避免这一问题。对光信号进行外部调制的器件,就称为光学调制器。它是光通信系统中的关键部件。

光学调制器可以分为两大类:1)电吸收型 ,即通过改变材料对光的吸收,改变光信号的强度,进而调制信号; 2)折射率改变型,即基于某种物理原理改变材料的折射性质,引起光信号的相位改变,进而导致信号强度的变化。

(一)电吸收型调制器

电吸收调制器主要基于Franz–Keldysh效应和量子限制的Stark效应。Franz-Keldysh效应是指在外电场作用下材料吸收边发生变化的现象。在外电场的作用下,能带倾斜,价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加,有效能隙减小,使得吸收边发生红移,如下图所示,

( 图片来自 https://www.leitenstorfer.uni-konstanz.de/en/research/multi-terahertz-physics-and-technology/ )

量子限制Stark效应,与Franz–Keldysh效应非常类似,也是在外加电场的作用下,能带发生倾斜,使得有效带隙降低,吸收边红移。它们的区别在于,量子限制Stark效应发生在量子阱结构中, 如下图所示,电子和空穴被束缚在量子阱中。施加电场后,束缚的电子和空穴形成激子(exciton)。

(图片来自 http://pweb.cc.sophia.ac.jp/shimolab/html-e/qcse-e.html)

而Franz-Keldysh效应发生在体块材料中。Franz-Keldysh效应中,材料的折射率也会发生改变。 另一点区别,量子限制Stark效应是偏振敏感的。

另外,InP光芯片中的调制器正是基于量子限制Stark效应,该笔记基于InP的光芯片简介已经提及。

(二)折射率改变型调制器

导致材料折射率改变的物理效应比较多,常用的有电光效应、声光效应和磁光效应等。

电光效应是指在电场作用下,材料折射率发生改变的现象。电光效应又分为线性电光效应(即Pockels效应)和二次电光效应(即Kerr效应)。两者的差别在于折射率与外电场的一次方还是二次方成正比。基于铌酸锂线性电光效应的调制器在光通信中应用十分广泛。典型的电光调制器结构如下图所示,

(图片来自 https://www.slideshare.net/chinkitkit/chapter-3b-36657198)

信号进过Y型分束器后,分别通过上下两臂,如果两臂的相位相同,经过合束器后,信号不发生变化。如果两臂的相位相反,两路的信号叠加后相消,导致最终输出的信号强度为0。如果外加电信号的改变,可以改变Mach-Zehnder干涉器某一路的相位,进而达到调控信号的目的。可以将Mach-Zehnder干涉器设计成多个级联的方式,从而达到更复杂的调制模式,如下图所示,

(图片来自参考文献1)

声光效应是当声波通过介质时,介质局部发生压缩和伸长而产生弹性形变,形变导致折射率改变的现象。该弹性形变随时间和空间作周期性变化,使介质出现疏密相间的现象,类似一个相位光栅 。当光通过这一受到声波扰动的介质时就会发生衍射现象,如下图所示,

(图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Acousto-optic_modulator)

外加电压施加到压电陶瓷上产生声波,声波的变化导致衍射光波的强度,从而达到信号调制的目的。与电光调制器相比,声光调制器的消光比可以非常高。声光调制器常用于激光器的调Q开关(Q-switch)。

以上是光学调制器中常用的一些物理效应的简单介绍,不是很全面。还有一些物理效应(如热光效应、磁光效应等)没有介绍。硅光芯片中的调制器,它是基于等离子体色散效应(plasma dispersion effect), 通过载流子浓度的变化,导致折射率的改变。

文章中如果有任何错误和不严谨之处,还望不吝指出!欢迎大家留言讨论。

参考文献:

1. Antao Chen,and Edmond J. Murphy, Braodband Optical Modulators

本文分享自微信公众号 - 光学小豆芽(photonwalker),作者:Photonwalker

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原始发表时间:2017-08-31

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