新型光调制器综述

摘 要：文章介绍了目前较先进的光调制器件，并对各个光调制器件的基本原理、最简单模型、最简单数学原理、优缺点（特别是能否适应于规模化集成等）、发展现状（包括一部分发展史、现阶段状况和是否已经应用于工业实际）等进行了综合分析与比较，为学者或者工程人员们选择光调制器件提供参考。

关键词： 光调制器件；基本原理；优点；集成

中图分类号：TN949.199 文献标识码：B

Analysis of New Light Modulator

WU Ping-fang， XING Jin-yu， JIN Shi-qun

（HeFei University of Technology， Hefei Anhui 230011， China）

Abstract： This paper reported the advanced light modulator at present firstly， and then made a comprehensive analysis and comparison of there rationale， the most simple model， the most simple mathematical principle， advantages and disadvantages （Especially for whether they are suitable for large-scale integration）， current development situation （Including history， present situation and whether it has been used in industry）. To give a suggestion for a scholar or project researchers to choose light modulators.

Keywords： light modulator； rationale； model； mathematical principle； advantages and disadvantages

引 言

光纤通信是一种有线通信，光波沿光导纤维传输。光源可以是激光器（又称半导体激光二极管），也可以是发光二极管。光纤通信传输衰减小、容量大、不受外界干扰、保密性好，可用于大容量国防干线通信和野战通信等。光纤通信的器件主要包括：光发射机、光调制器、光纤（缆）、光放大器、光接收机等，其中光调制器又叫电光调制器，是调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件，它所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Frank-Keldgsh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。通常在整体光通信的光发射、传输、接收过程中，光调制器被用于控制光的强度。它将由电发射机输出的电信号转化成为光信号，解决了输出信号的幅度和频率都随调制电流的变化而改变的问题，同时抑制了“啁啾”特性，调控光发射机发出的光信号的振幅和状态，再进入光纤进行传播[22]。

1 马赫-曾德（Mach-Zehnder. MZ）光调制器

对于要求将模拟信号进行直接调制和传输，MZ型光调制器比较适合，但是，MZ调制的特性曲线非常接近标准的正弦曲线，对于要求高度线性的情况不适合，所以有必要在MZ调制器的基本模型上加以改进，以使其达到高度线性的要求[15]。针对这一问题，有许多学者提供了多种解决方案，其中，Xie等通过对带微环推挽型MZ的研究指出：微谐振环的全通滤波器（APF）结构的超线性相位特性可以补偿MZ调制器的亚线性特性，以达到提高MZ型光调制器的线性特性的目的，并给出在无损情况下器件调制特性曲线的三阶非线性项在合适的设计下可以达到零。Yang等考虑到微环对调制特性的影响，通过研究提出：通过调节微环的结构参数来消除多阶非线性。Tazawa针对调节器的带宽和动态作用范围进行研究指出，在无损的情况下，带微环辅助的MZ调制器比基本MZ调制器的动态范围有显著提高。Wang等总结以上几种情况，提出了一种多微环级联辅助的MZ光调制器，该方案的特点是功耗小，通过增加环的个数来增大微环制作的容差，并且环个数的增加基本不会带来额外的插入损耗。通过修改微环的其它特性参数，进一步削除MZ的高阶非线性分量，获得更高的线性度。但是微环的制作工艺比较复杂，并且小的半径会带来弯曲损耗。所以针对小规模甚至中等规模的集成可以考虑该方案，因为：该方案的结构优点使得其结构紧凑、非线性较小、插入损耗小、动态作用范围大，并且其功耗小、可以全硅化的特点对集成非常有利。对于其缺点：制作工艺复杂以及因集成可能带来的弯曲损耗，是可以解决的，对于制作工艺，现在的集成电路工艺能完全满足在低成本情况下完成对该工艺的支持，对于弯曲损耗可以通过后续的光放大来满足。刘香玲等最近提出了一种利用双平行马赫-曾德调制器产生OSSB+C信号的改进方法，通过调节该M2M调制器的直流偏压，对于任意调制指数，光载波分量和光边带分量之间的功率都能够平衡，得到最优的0dB载边比，并对结果进行仿真，结果显示其稳定性比较明显。

2 多维光栅光调制器

光栅光调制器是利用单模光纤中的光敏性制成的光纤光栅而制成的多种光调节器的总称，该调制器主要用于波长调节。秦子雄等人在2001年提出了一种大调谐范围的等强度梁光纤光栅波长调节器，实现了光栅中心波长双向无啁啾调谐，并且装置构形简单，成本费用低，易于定标和操作，但是因为是单点式的结构不能满足应用需求。2006年张洁等人提出了光栅平动式光调制器结构，该结构是一种有效工作面积大、易于集成面阵、工艺简单的光调制器，并且通过对其参量进行调节可使光调制器的衬比度达到理想值，即无穷大。孙吉勇等人对光栅平动式二维光栅光调节器进行了光学实验，证实了光栅光调制器的可行性。多维光栅光调节器便于集成，工艺相对简单，光调制器的衬比度大，因此比较适合规模集成。

3 半导体量子阱光调制器

半导体量子阱光调制器是把量子阱结构引入到光调制器中形成的一种光调制器，这类通过量子阱能带的剪裁来灵活地控制电子、空穴的波函数分布以及它们在电场下的移动，从而实现更大的折射率改变，达到减小驱动电压和调制器尺寸的最终目的。2001年赵旭等总结了以前学者的工作，给出了以下几种量子阱光调制器。

3.1 基于量子限制Stark效应（QCSE）的调制器

其基本原理是半导体量子阱中电子和空穴的运动受量子阱势垒的限制，当阱宽小于体材料中激子的玻耳直径时，由于电子和空穴的平均空间距离减小，电子-空穴对的库仑能量增加，激子结合能增加。因为这个能量已经可以和载流予的室温平均热能相比拟，载流子以一定的几率以激子态存在，量子阱或超晶格的室温吸收光谱和发射光谱中出现明显的激子共振吸收或发射峰[20]。

3.2 势垒槽和量子阱电子转移结构的调制器

此类调制器的光调制是由带隙填充效应和量子阱中电子、空穴库仑作用的载流子屏蔽作用实现的，其基本原理是：在量子阱层边设置一层由转移势垒隔断的高掺杂n+层作为电子槽，当加正向偏置量时，量子阱的势相对于此处的准Fermi能级就下降，电子由n+层移入，填充量子阱层中导带中的剩余电子态，这导致一些激子的湮灭和带间吸收的减弱，吸收边向高能量移动（蓝移）[22]。

3.3 带内跃迁调制带间光的量子阱光调制器件

此类调制器是第一种组合了带内跃迁和带间跃迁来实现光调制的器件，两种调制机理如图1所示，一种是通过子带间谐振跃迁光调制带间谐振光，另一种方法正好与之相反，通过带间谐振光调制子带间谐振跃迁光[19]。

3.4 非线性谐振量子阱调制器

非线性谐振量子阱调制器的工作机理如图2所示，其工作原理是利用从DBR镜面的反射光和从金镜面的反射光的干涉来实现调制。当无控制光脉冲时，信号光被吸收；当有控制光脉冲时，该器件则反射入射的信号光。该类调制器的优点是可以实现小型化、极化无关和垂直入射，可以实现超快全光交换等[10]。

3.5 量子线与量子点调制器

为了利用量子限制效应来实现高性能的调制器，有学者提出用量子线、量子点结构，进一步增加折射率的改变，并使吸收谱范围更窄。有报道表明，用量子线可使折射率改变达到量子阱结构的140%；用量子点可以达到170%。还有一个优点是量子点的吸收谱有明显的类δ的态密度，使其更容易在不同波长处控制损耗，所以可能研制出低内损耗调制器，但目前报道的只有量子点光学调制器，所以对于此类调制器的研究并不充分。综上所述，半导体量子阱光调制器种类繁多，各自的优缺点都比较明显，但是许多尚处于研究阶段，离实现工业应用还需一段距离，特别是量子线和量子点光调制器的研究更不充分。

4 高速波导声调制器

声光调制是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作声光调制器。声光调制技术比光源的直接调制技术有高得多的调制频率。与电光调制技术相比，它有更高的消光比（一般大于1，000：1）、更低的驱动功率、更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格；与机械调制方式相比，它有更小的体积、重量和更好的输出波形。

其工作原理简述如下：声光调制器由声光介质和压电换能器构成，当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射，如图3 所示。

衍射模式有布拉格衍射和拉曼-奈斯型衍射。激光腔外使用的声光调制器一般采用布拉格型，衍射角为：sinθd≈θd=（λ0/V）f1，一级光衍射效率η为：η1=I1/IT=sin2（ΔΨ/2）， ΔΨ=（π/λ■）■，式中λ0为光波长，V为声光介质中的声速，I1为一级光衍射强度，L为声光互作用长度，H为声光互作用宽（高）度，M2为声光品质因数，Pa为声功率。当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时，超声强度随此信号变化，衍射光强也随之变化，从而实现了对激光的振幅或强度调制；当外加信号仅为载波频率且不随时间变化时，衍射光的频率发生变化而达到移频。目前常见的有两种声光调制器：自由空间式声光调制器和光纤耦合声光调制器（或称为全光纤声光调制器）。

标准的自由空间声光调制器用于对激光束的数字或模拟的强度调制，其原理是使用数字RF驱动器，外控TTL信号可以快速开关激光束；使用模拟RF驱动器，可以调节输出激光功率和输入激光功率的比率，典型调节范围为0%到85%。最大调制带宽或光学上升沿时间是超声波穿越激光束时间的函数。因此，为了获得最快的速度，一般将激光束聚焦在调制器中最小光斑。光线耦合声光调制器又叫全光纤声光调制器，比较适合光纤通信。应用声光调制器件，可以快速完成电、声、光信息间的传递与转换，可随意改变激光束的传播方向，实现对光束的自动选频、分光、扫描等。由于光波导技术和声表面技术的进展，发展了利用表面声波和导光波之间互作用的表面波声光器件。因为表面声波和导光波均集中在介质表面厚度仅仅为波长数量级的薄层内，能量非常集中，因此表面波声光器件只需要很小的驱动功率。同时表面波声光器件由平面工艺制成，工艺比较简单灵活，很容易做出结构复杂的换能器，且便于集成，因而可以得到比体波更大的带宽。后来，工作者对声表面波进行改进，降低了插入损耗，提高了功率承受能力，因此更适合应用，但是因为其体积较大、牵涉声学特性等，使其向集成方向发展有一定的困难。

5 特殊化合物和混合物光调制器

特殊化合物和混合物光调制器可分为特殊化合物光调制器和特殊混合物光调制器。

5.1 特殊化合物光调制器

硅化合物是比较常用的光调制器，因为其很容易通过在光纤中掺杂其它元素来获得，所以比较容易应用和研究。不过人们发现，有许多非硅化合物类光调制器的性能比硅化合物要好的多，所以尽管在与光纤耦合时相对比较困难，但对这些材料的研究仍很有意义，并获得了许多成果。目前较优秀的化合物光调制器有基于LiNb03的光调制器、纳米金属复合结构光调制器、高组分稀磁半导体超晶格的光调制器以及Al/GaAs等化合物的表面量子阱光调制器，因为表面量子阱类光调制器前节已经讲过，所以不再赘述。

5.1.1 基于LiNb03的光调制器

学者们认为LiNb03调制器是MZ调制器的一种，是主要用于光强调制的一种光调制器，其基本结构如图5所示。该调制器的工作原理可以认为是一种干涉状态，具体为：利用Y形分支器（3dB分束器）将输入的光信号分为功率相等的两束，分别通过两路由电光材料制成的光波导传输；此处光波导的折射率随外加电压K（r）、K（f）的变化而变化，两路信号到达第二个Y形分支器（3dB分束器）处的光程差随外加电压的不同而不同。若两束光的相位差为0度，则相干加强；若两束光的相位差是180度，则相干抵消；在此中间则产生0%～100%的光强信号。因此通过多电压的调制可以产生50%RZ、33%Rz、CSRz（67%Rz）的调制效果。基于LiNb03调制器各种高速光调制码型的选择与应用已成为40Gbit/s高速DWDM光传输系统中的关键技术，如何充分发挥其自身优势，产生非线性容忍度和色散容忍度都较高的码型将是以后研究的重点[5]。

5.1.2 纳米金属复合结构光调制器

纳米金属复合结构光调制器是随着非线性光学的发展而发现的一种非线性光调制器件。1983年R. K .Jain和R. C. Lind首次研究了掺杂CdS.Se半导体纳米微晶玻璃的非线性光学性质，发现具有大的三阶光学非线性系数和较快的光学非线性响应速度。1985年D. Ricard等在Maxwell-Garnett理论上提出掺金属纳米颗粒的玻璃的三阶非线性极化率得到大大的提高，在实验上测量了掺纳米金属颗粒的玻璃的三阶非线性极化率，发现当只掺杂少量的金颗粒（金纳米颗粒的占空比P～10-5～10-6）时，复合材料的χ（3）值要比没有掺杂的纯净玻璃高出几个数量级，这标志着研究纳米金属颗粒复合材料的非线性光学性质的开端。为了研究不同类型复合材料的有效非线性光学性质，物理学家发展了T矩阵、微扰展开和谱表示等方法。所以，这是光通讯学的一个新的方向，可以直接对非线性光进行调制等，更适合现代光学的需要，而且纳米金属颗粒复合薄膜的光学非线性不仅与所选的金属材料有关，同时也与所选的基质材料有关[8]。与无机材料相比，有机聚合物非线性材料作为主体基质具有以下特点：（1）种类繁多，结构灵活多变，可根据需求对分子进行设计改进和优化；（2）价格低廉；（3）电光活性高，适合于薄膜形态使用，有利于在大规模集成光路中使用；（4）吸收相对较低，信息容量大。因此它具有一定的实际应用价值，己成为三阶非线性材料研究的热点。近年来，随着新的刻蚀技术和化学方法的改进，纳米金属复合结构的发展，从无序化结构如大小不一的无序金属颗粒排列，到有序化结构如纳米金属多层膜、纳米金属孔径阵列等。有序化纳米金属复合结构中LSP激发效率要高很多，可以产生很强的场增强效应，有利于三阶非线性光学效应的研究，在新型全光器件上有良好的应用前景。但是因为该分支发展比较晚，许多特征还只停留在实验阶段，离工业应用还有一段距离。

最近，新型光调制器不断被报道，主要有：翟雷应等提出的基于MEMS静电微镜驱动器的光纤相位调制器，其基本原理是：MEMS静电驱动器采用垂直梳齿驱动技术，驱动硅微反射镜沿其法线方向的垂直平移运动以实现入射光波的光相。MEMS静电微镜驱动器与光纤准直器耦合构成MEMS光纤相位调制器，避免了拉伸光纤或改变折射率的困难，具有MEMS技术批量制造、低成本等优势。2012年董正芳等对亚微米硅基波导光学相位调制器的优化方法进行了分析，并提出了一些优化建议。此外，为满足红外成像导引头对半实物仿真目标模拟器环境的要求，2012年田义等提出了一种一维光子晶体红外空间光调制器的构想，并对该理论进行了理论研究，同样，该方法如用于光通信，也应该同样有很好的结果。

6 结 论

本文对五大类光调制器件及各自的基本与原理、最简单模型、最简单数学原理、优缺点（特别是能否适应于规模化集成等）、发展现状（包括一部分发展史、现阶段状况和是否已经应用于工业实际）等进行了综合分析与比较，发现马赫-曾德（Mach-Zehnder，MZ）光调制器、多维光栅光调制器、半导体量子阱光调制器更适合于普通光学通信用，并且马赫-曾德光调制器和多维光栅光调制器比半导体量子阱光调制器更适合硅化集成（适合与一定规模的集成电路集成）；高速波导声调制器有比较好的特性，但是不便于集成；特殊化合物和混合物光调制器一般都用于特殊的领域，比如非线性光通讯等，其中纳米金属复合结构光调制器的光学特性比较好，适合规模集成，但是研究尚不充分，需要继续研究。

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作者简介：吴平方（1986-），男，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院硕士研究生，研究方向为现代精度理论及应用，E-mail：kenvinwu@126.com。邢金玉，男，合肥工业大学仪器科学与光电工程学院硕士研究生，研究方向为现代精度理论及应用，E-mail：chixian@sina.com。金施群，女，合肥工业大学国防装备技术研究院副院长、教授。