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1、,4.1 电介质平板波导4.2 对称平板波导中的模式 4.3 非对称平板波导中的模式4.4 波导的耦合4.5 平板波导的色散和失真4.6 集成光器件4.7 总结和讨论,第4章 集成光波导,4.5 平板波导的色散和失真,波在折射率随波长变化的介质中传播时，波形会发生展宽(失真)。脉冲展宽是一种在任何包含色散材料的电介质结构中都存在的现象。在电介质平板波导和光纤这样的波导中，还有另外两种失真：波导色散和多模失真。,即使中心薄膜和衬底材料是非色散的，对于固定的中心薄膜厚度，某个特定模式的有效折射率也会随波长而变化。由图4.5可看到这种变化趋势，即波导色散。,4.5.1 波导色散,图4.5 对称平板波
2、导的模式图(n1=3.6,n2=3.55),2,随波长的变化，有效折射率neff与折射率n一样会导致脉冲展宽。在通常情况下，材料是色散的，因此波导色散与材料色散会同时存在。,4.5.1 波导色散,图4.5 对称平板波导的模式图(n1=3.6,n2=3.55),3,由波导色散所引起的脉冲展宽幅度与材料色散所导致的脉冲展宽遵循同样的方程，不同的是要用有效折射率替代材料折射率。,4.5.1 波导色散,材料色散：,波导色散：,式中最后一项可从模式图中neff的斜率获得，如同式(3.13)中的n”可由折射率曲线的斜率求得一样。,4,图3.6 石英玻璃的折射率与波长的关系曲线,图4.5 对称平板波导的模式
3、图(n1=3.6,n2=3.55),5,Waveguide Dispersion,Mode Chart,=2-1For a fixed d(slab thickness),neff varies with.Thus,different wavelengths from the same source travel at different speeds.This yields pulse spreading.This is waveguide dispersion.,Waveguide Dispersion,Since n1 and n2 also vary with wavelength,m
4、aterial dispersion exists in addition to waveguide dispersion.The total dispersive pulse spread is the sum of the two.That is:,因为材料色散M有可能为负值(例如在石英玻璃中，当工作波长超过1300nm时)，由色散引起的总脉冲展宽实际上有可能会因为波导色散的存在反而减小。,图3.8 纯siO2的材料色散，与图3.6(c)非常相似,*图 D=-M,*图 总色散图D=Dm+Dw,8,当多个模式在同一平板波导中传播时，相对于波导轴的传输速度互不相同。一个入射光束的能量在传输过程
5、中会被分配到若干个模式上，其传播速度各不相同。因此输入波形在传输过程中会产生畸变。各个模式到达输出端的时间不同，从而使得波形被展宽，这种现象称为多模失真或模式失真，也常称为多模色散。,4.5.1 多模失真（模式色散）,注意：多模失真并不取决于光源线宽。一个理想的单频光脉冲(=0)仍然会产生多模展宽，而材料展宽和波导展宽则为零。如果波导只允许一个模式传播，则不会产生多模失真，这就是单模波导的一个优点。,9,Multimode Distortion,Consider the worst case by calculating the difference in arrival times betw
6、een the lowest mode(axial)and the highest mode(=c)for a highly multimode waveguide.Let L=length of the waveguide,Multimode Distortion,n1,n2,n1 n2,Axial mode,L2,n2,c,Higher order mode,L1,Multimode Distortion,Axial mode travel time:,L1,L2,(4.25),For the critical angle ray,c,Multimode Distortion,The to
7、tal path of the critical angle ray is then,(4.26),The critical angle ray travel time is:,Multimode Distortion,The total delay is,This is the modal pulse spread per unit length in a multimode waveguide.We can write it as,(4.27),Multimode Distortion,to get,Use the fractional refractive index change,(4
8、.28),Modal Pulse Spread,If n1 and n2 are nearly equal,Multimode Distortion,Finally,in terms of the numerical aperture the modal spread can be expressed as:,(4.29),Modal Pulse Spread,DISPERSION AND DISTORTION IN THE SLAB WAVEGUIDE,The total pulse spread is given by:,4.6 集成光器件,利用集成光学技术可以制造无源器件与有源器件。无源
9、器件：定向耦合器、分束器、隔离器、滤波器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等有源器件：调幅器、调相器、光开关、可变光衰减器、可调滤波器、光源、光检测器等,图4.20 集成光透镜,4.6.1 无源器件,无源器件一般都可以通过改变波导的结构来制作。正如在模式图中所看到的，改变中心薄膜厚度将会改变其等效折射率。根据Snell定律，厚度的变化会导致光线的偏转。图4.20给出了一个用这种方法构造的集成光透镜。,19,图4.21 集成光定向耦合器,如图4.21为一种波导结构的无源集成光定向耦合器。假设光功率通过端口1进入，部分功率从端口2输出，另一部分功率从端口3输出。理想情况下，没有光到端口4。通过合理选择
10、耦合区长度，耦合进相邻波导光功率的百分比可在0100之间变化。相邻波导之间的耦合是通过各自消逝场的交迭实现的。,20,For an ideal(lossless)coupler the relative output powers are given by:P2/P1=cos2(pL/2Lc)P3/P1=sin2(pL/2Lc)where Lc is called the coupling length.Any splitting ratio between the two output ports is possible by appropriate choice of length L.,
11、(4.30),(4.31),21,22,Example:If the actual length L of the coupling region is Lc/2,compute the output coupling.P2/P1=cos2(p/4)=(0.707)2=0.5P3/P1=sin2(p/4)=(0.707)2=0.550%of the power exits both of the output ports.Since 10 log P2/P1=10 log 0.5=-3 dBthis is a 3-dB coupler.,23,For the ideal coupler,the
12、 coupling to port 4(the isolated port)is zero.Thus,10 log P4/P1=10 log 0=-,24,An integrated optic power splitter is constructed with the waveguide pattern indicated below:,Pin/2,Pin,Pin/2,25,Multiport splitters can be constructed by cascading 2-port couplers as indicated schematically below:,1 x 8 C
13、oupler,4.6.2 有源器件,有源器件按其功能可分为两类：控制光：光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等转换光：光源（将电转换成光）、光检测器（将光转换成电）有源器控制器件依靠电光材料或声光材料的特性来实现对光的控制。电光材料根据所施加的电场改变其折射率。声光材料依赖声波（由波导表妹压电效应所激发）与光束的相互作用来实现对光的控制。所有的有源控制功能都可以通过电光效应或声光效应来实现。,26,图4.24 电光开关,图4.24是一幅电光开关示意图。中心薄膜必须具有强电光特性，LiNbO3是较合适的材料。图中的中心薄膜嵌在衬底上，通过在LiNbO3衬底上进行钛扩散产生一个较高折射率区来制造。
14、电极置于波导顶部。通过调整耦合长度，使得不加电压时，所有的光都转换到第二个波导。在此种状态下，两个完全相同的波导是满足相位匹配条件的。,27,28,As in the passive coupler,the power distribution is given by:P2/P1=cos2(pL/2Lc)P3/P1=sin2(pL/2Lc)L is the interaction length and Lc is the coupling length.,Fig 4.24 Electrooptic Switch,29,The interaction length L is set equal
15、to the coupling length Lc,so that all the light is transferred from the waveguide on the left(ports 1 and 2)to the waveguide on the right(ports 3 and 4)when no voltage is applied.That isP2/P1=cos2(p/2)=0P3/P1=sin2(p/2)=1,Fig 4.24 Electrooptic Switch,在电极上加一定电压时，产生的电场导致两种波导的折射率都发生变化。如图所示，由于加在两个波导上的电场方
16、向刚好相反，因此两个波导的折射率变化也恰好相反。此时，两种波导的折射率不再相同，相位匹配条件不再成立，导致交叉耦合减小到零。于是所有的光沿输入波导继续传播，即P2/P1=1，P3/P1=0。,Fig 4.24 Electrooptic Switch,31,Electrooptic Modulator,The electrooptic switch can also function as a digital modulator.The applied voltage turns the light beam in either output channel either on or off a
17、ccording to the digital data stream.,图4.25为一种集成光调制器的设计示意图。为M-Z干涉仪，由平行的LiNbO3衬底上采用钛扩散形成的波导构成。工作原理：如果不加电压，在输出端获得最大幅度的传输光。如果施加一个合适的电压在电极上，两个光束之间可能有180的相位差，使得输出最小。工作在吉比特范围、需要10V左右电压的这类器件已经制造出来。更先进的调制器在3V4V电压下可以在2.5Gbps范围内实现光的开关，在5V7V电压下可在10Gbps范围内进行光的开关。,图4.25 集成光M-Z干涉调制器,33,Mach-Zehnder Modulator,V is
18、the applied voltage and Vp is the voltage required for complete a 180o differential phase shift and thus complete destructive interference of the two combining waves.Vp is the half-wave voltage.,The transfer characteristic is given by:,34,Mach-Zehnder Modulator,Plot of the transfer characteristic:,v
19、oltage,The linear region is around 0.5Vp.We can operate around that point by applying a fixed bias voltage of-Vp/2.In the transfer characteristic,replace V by V-Vp/2.,Pout/Pin,(4.32),35,The plot show that the linear region has been shifted to the zero signal voltage point.This device can act as a di
20、gital or an analog modulator.,Pout/Pin,signal voltage,(4.33),Plot of the transfer characteristic:,调制器与光开关是很重要的器件，主要体现在以下几个方面：相对于LED、LD的直接调制，外调制可以在较高的频率内进行。使用集成光外调制器或其他外调制器，可以获得几个GHz的带宽。,调制器与光开关是很重要的器件，主要体现在以下几个方面：对半导体激光器的直接调制可能会改变其输出波长，增加其线宽（啁啾现象），但外调制会降低这种效应。在一些应用中，是不允许波长与线宽发生改变的，包括：信道间隔很小的光复用；工作在最
21、小材料色散波长的光纤通信系统；高速链路和相干检测系统。啁啾效应会增加光束的谱宽，使得色散影响增大（由3.2节的讨论可知将导致线路容量降低）。正因为在高速系统中要求色散尽可能小，因此外调制器得到了广泛应用。,4.6.3 光电子集成光学,光电子集成电路(OEIC)可以在同一个基片上实现光器件与电子器件的功能，一般采用半导体基片和薄膜波导制作。半导体材料提供了将光源、光检测器和电子线路组合在同一基片上的可能。光中继器是基于这种概念的一个具体应用，如图4.28。,38,图4.28 光中继器,光中继器组成：一个GaAs衬底、一个GaAs光检测器、一个完成所有电功能的GaAs金属半导体场效应管、一个AlG
22、aAs半导体激光器光源。,图4.28 光中继器,工作原理：微弱的光信号从光纤中投射出来，照射在一个光电导器件上，从而改变其阻抗。光电导器件两端的电压是恒定的，因此其电流将随光调制特性变化，即将光信号转换成电信号。然后电信号被放大，再用放大了的电流来调制半导体激光器。于是，激光器的输出就是输入光信号的放大形式。此时，又重新将电信号转换成了光信号。最后，激光器的输出光束耦合进光纤进行更远距离的传输。,图4.28 光中继器,光电子集成系统的优点：可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产更为经济。参考资料9介绍了采用GaAs材料制作的工作波长在0.8m0.9m，以及InP材料制作的工作波长在1.3m 1.3m 1.6m 的OEIC集成发送机和接收机。有时也将OEIC称作光集成回路（PIC），利用这种技术可以为大容量的光纤通信系统提供相应的电接口。,
