3.5 光调制器

光调制（Optic Modulation）有直接调制和外调制两种方式。前者是信号直接调制光源的输出光强，后者是信号通过外调制器对连续输出光进行调制。直接调制是激光器的注入电流直接随承载信息的信号而变化，如图3.5.1a所示，但是用直接调制来实现调幅（AM）和幅移键控（ASK）时，注入电流的变化要非常大，并会引入不希望有的线性调频（啁啾）。

在直接检测接收机中，光检测之前没有光滤波器，在低速系统中，较大的瞬时线性调频影响还可以接受。但是，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，使色散引入脉冲展宽较大，信道能量损失，并产生对邻近信道的串扰，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。外调制方式是让激光器连续工作，把外调制器放在激光器输出端之后，如图3.5.1b所示，用承载信息的信号通过调制器对激光器的连续输出进行调制。只要调制器的反射足够小，激光器的线宽就不会增加。为此，通常要插入光隔离器，最有用的调制器是电光波导调制器和电吸收波导调制器，本节将对此进行介绍。

3.5.1 电光效应和电光调制器（M-ZM）

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称为线性电光效应，即珀克（Pockels）效应，它于1893年由德国物理学家珀克（Pockels）发现。折射率与所加电场强度的二次方成正比的称为二次电光效应，即克尔（Kerr）效应，它于1875年由英国物理学家克尔（Kerr）发现。

电光调制的原理是基于晶体的线性电光效应（Electro-Optic Effects），即电光材料如LiNbO₃晶体的折射率n随施加的外电场E而变化，即n=n（E），从而实现对激光的调制。

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，从而增强了性能，减小了尺寸，提高了可靠性和可用性。

图3.5.2a表示的横向珀克线性电光效应相位调制器，施加的外电场E_a=U/d与y方向相同，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°角的线偏振光E，可以把入射光用沿x和y方向的偏振光E_x和E_y表示，外加电场引入沿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（和）沿着z轴方向传播[5]

式中，γ₂₂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E_a引起的折射率变化Δn=αE_a为

式中，n₀是E=0时材料的折射率，γ_ij是线性电光系数，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E_a的关系为

式中，L是相互作用长度。于是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，因此，出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。可以调整电压来改变介质从四分之一波片到半波片，由3.9.1节可知，产生半波片的半波电压U=U_λ/2对应于Δϕ=π。横向线性电光效应的优点是可以分别独立地减小晶体厚度d和增加长度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。

2.强度调制器

在图3.5.2a所示的相位调制器中，在相位调制器之前和之后分别插入1.3.4节介绍的起偏器（Polarizer）和检偏器（Analyzer），就可以构成强度调制器，如图3.5.3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°角的倾斜，所以进入晶体的E_x和E_y光幅度相等。

当外加电压为零时，E_x和E_y分量在晶体中传输，经历着相同的折射率变化，因此晶体的偏振光输出I₀与输入相同。根据马吕斯（Malus）定律，检偏器的输出光强由式（3.9.2）给出，即I=I₀cos2θ，由于检偏器和起偏器成正交状态，θ=90°，所以探测器探测不到光。

当施加的外电压在两个电场分量间产生相位差Δϕ，且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1.3.3节）。因此，就有一个沿检偏器轴线传输的光强分量，通过检偏器到达探测器，其强度与施加的电压有关

式中，I₀是传输光强曲线的峰值，如图3.5.3b所示。由式（3.5.4）可知，当施加的电压为U_λ/2（U_π）时，I=I₀sin2（π/2），I达到最大。所以，强度调制器需要使外加电压等于U_λ/2，此时，输出偏振光的相位与输入偏振光的比较，发生λ/2的变化，在两个电场分量间产生相位差 π，即Δϕ=πU/U_λ/2=π。

当电信号为数字信号时，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I-U曲线的线性区，也就是说，使工作点处于曲线的I₀/2处，这可以通过在起偏器之后插入一个四分之一波片，以便在晶体的输入端提供圆偏振光（见图3.9.2c），这意味着在外加电压施加前，输入偏振光已经变化了π/4，施加的电压根据其是正还是负，引起增加或减小Δϕ。此时的传输曲线如图3.5.3c的虚线所示，图中调制器的工作点已用光学的方法偏置到Q点。

3.相位调制器

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（3.5.3）可以构成相位调制器，它是电光调制器的基础，通过相位调制，可以实现幅度调制和频率调制。图3.5.4表示集成横向珀克（Pockel）效应相位调制器，它是在LiNbO₃晶体表面扩散进钛（Ti）原子，制成折射率比LiNbO₃高的掩埋波导，加在共平面条形电极的横向电场E_a通过波导，两电极长为L，间距为d。衬底是x切割的LiNbO₃，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。由于珀克效应，入射光分解为沿x和y方向的偏振光E_x和E_y，所对应的折射率分别变为和，于是当E_x和E_y沿z传输距离L后，产生随施加调制信号U（t）变化的折射率变化Δn=-。

由式（3.5.3）可知，E_x和E_y就产生与外加调制信号同步的相位变化

式中，Г的取值范围为[0.5，0.7]，是由于施加的电场没有完全作用于波导中的光场而引入的系数，从而实现了相位调制。

商用相位调制器的工作波长1525～1575nm，插入损耗2.5～3.0dB，消光比> 25dB，回波损耗45dB，半波电压<3.5V。

【例3.5.1】电光效应相位调制器

在图3.5.2表示的横向珀克相位LiNbO₃调制器中，晶体施加电压为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E_x和E_y产生的相位差为π（半波片），请问d/L的值是多少？

解：在式（3.5.3）中，令Δϕ=π，U=U_λ/2，对于LiNbO₃晶体，n₀=2.272，γ₂₂=3.4×10-12m/V，所以

由此得到

这样薄的厚度d可用集成光学技术实现。

4.马赫-曾德尔幅度调制器

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（M-Z）干涉型调制器，如图3.5.5所示。

马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, M-ZI）可以用来观测从同一光源发射的光束分裂成两道准直光束后，经不同路径产生的相对相移变化。该仪器以德国物理学家路德维希·马赫和路德维·曾德尔命名。曾德尔首先于1891年提出这一构想，马赫于1892年发表论文对这一构想加以改良。

马赫-曾德尔（M-Z）干涉型调制器使用两个频率相同但相位不同的偏振光波进行干涉，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。在图3.5.5a表示的由两个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传输，在输出端D干涉，所以该结构扮演着一个干涉仪的作用，其输出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电场方向相反，如图3.5.5a的右上方的截面图所示，所以在两个分支中的折射率和相位变化也相反，例如若在A分支中引入π/2相位的变化，那么在B分支则引入-π/2相位的变化，因此A、B分支将引入π相位的变化。

假如输入光功率在C点平均分配到两个分支传输，其幅度为A，在输出端D的光场为

输出功率与成正比，所以由式（3.5.6）可知，当ϕ=0时输出功率最大，当ϕ=π时，两个分支中的光场相互抵消干涉，使输出功率最小，在理想的情况下为零。于是

由于外加电场控制着两个分支中干涉波的相位差，所以外加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3.5.5b表示的强度调制器中，在外调制电压为零时，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；当加上外电压后，电压引起A波导折射率变化，从而破坏了该干涉仪的相长特性，因此在A臂上引起了附加相移，结果使输出光的强度减小。作为一个特例，当两臂间的相位差等于π时，在D点出现了相消干涉，输入光强为零；当两臂的光程差为0或2π的倍数时，干涉仪相长干涉，输出光强最大。当调制电压引起A、B两臂的相位差在0～π时，输出光强将随调制电压而变化。由此可见，加到调制器上的电比特流在调制器的输出端产生了波形相同的光比特流复制。

5.外腔调制器的技术指标

外腔调制器的性能由消光比（开关比）和调制带宽度量。

消光比定义为相长干涉（相当于“开”）时的插入损耗和相消干涉（相当于“关”）时的插入损耗之比。例如一个调制器，“开”状态时插入损耗为8dB，“关”状态时为34dB，则该调制器的消光比为26dB。LiNbO₃调制器的消光比大于20dB，插入损耗为百分之几（零点几dB）。

调制带宽定义为Δf_mod=(πRC)-1，式中C是调制器的集总电容，R是与C并联的等效电路负载电阻。当R=50Ω，C=2pF时，Δf_mod=3.2GHz。马赫-曾德尔幅度调制器调制带宽可达20GHz。

表3.5.1列出几种商用LiNbO₃ M-Z调制器的性能比较。

3.5.2 QPSK光调制器及其在偏振复用相干检测系统中的应用

高速光纤传输系统面临的最大挑战是，采用传统调制方式，高比特速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，色散随着速率呈指数增长，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及其以上速率系统的先进的调制方式是差分正交相移键控（Differential Quadrature Phase-Shift Keying, DQPSK）。这种调制技术同时调制信号的强度和相位，以尽可能减轻色散的影响。但DQPSK调制方式在实现的过程中需要一种QPSK光调制器。

图3.5.6a所示的DQPSK光调制器由4个如图3.5.5b所示的马赫-曾德尔调制器（M-ZM）构成，它们是在0.1mm厚的铌酸锂（LiNbO₃）晶体基板上制作的参数相同的双平行马赫-曾德尔调制器（Dual Parallel Mach-Zehnder Modulater, DP-MZM），参数相同指的是均为单边带调制器、均采用频移键控（FSK）和行波共平面波导电极等。DP-MZM DQPSK光调制器包含两个主M-Z干涉仪，每一个主干涉仪又内嵌两个子干涉仪。对于DQPSK调制，两个二进制数据流分别加到两个子M-ZI（M-Z_A和M-Z_B）插拔电极，以便控制同相I成分和正交Q成分。该调制器的传输特性及其对调制电信号的电光响应如图3.5.3b和图3.5.3c所示，其频谱特性如图3.5.6b所示。通常，LiNbO₃ MZ调制器3dB带宽约35GHz，20dB带宽75～96GHz。

图3.5.7表示差分正交相移键控（DQPSK）调制技术用于偏振复用相干系统，激光器发出的连续光经过偏振分光器（PS）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调制，然后x、y正交偏振光通过偏振光合波器（PC）复用，从而得到一路PM-DQPSK光信号。

图3.5.8表示输入光为行波的MZM DQPSK PIC芯片显微图，芯片尺寸为7.5mm×1.3mm，电光相互作用长度3mm，π/2相移长度1.5mm，射频输入为差分输入。

3.5.3 电吸收波导调制器（EAM）

电吸收波导调制器是一种P-I-N半导体器件，其I层由多量子阱（Multiple Quantum Well, MQW）波导构成，如图3.5.9所示。I层对光的吸收损耗（即归一化透光强度）与外加调制电压（即反向偏置电压）有关，如图3.5.10所示。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，当偏置电压为零时，势垒消失，入射光不被I层吸收而通过它，相当于输出“1”码，从而实现对入射光的调制，如图3.5.11所示。

电吸收调制器的电光转换特性可用透光强度T（U）来表示，其表达式为

式中，γ表示MQW有源区和波导区的重叠程度，大概占16%，L为波导长度，α（U）表示在外加反向偏压U的情况下MQW波导的吸收系数，如图3.5.12所示，吸收系数和波长有关，也与施加的反向偏压有关，改变波导的结构和掺杂成分可以使电吸收调制器用于1.5μm波段。3dB带宽与波导长度L有关，L=100μm时，3dB带宽为38GHz；L=370μm时，3dB带宽为10GHz。

商用EAM指标为：插入损耗7.5～9dB，偏振相关损耗0.5dB，消光比17～20dB，调制带宽>30GHz，工作电压2.5～3U_pp，内置热电制冷器和直流偏置电路，输出光纤为普通单模光纤或保偏光纤。一种集成了DFB激光器的40Gbit/s EAM，可提供>5dBm的连续输出功率。

EAM体积小、驱动电压低，可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，而且可以降低损耗，从而达到高可靠性和高效率，但是，这种调制器在高速和啁啾特性方面不如LiNiO₃调制器，所以目前广泛使用的100Gbit/s及其以上速率的光驱动器均使用LiNiO₃调制器。