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