---------耦合模理论在电光调制器中的应用 电光调制器浅谈 ---------耦合模理论在电光调制器中的应用

耦合模理论的应用范围 同一波导中不同模式之间的耦合，例如：光栅 不同波导之间的耦合问题，是分析各种类型的半导体耦合器、定向耦合型调制器与光开关、阵列半导体激光器等光电子器件工作原理的理论依据。

两波导之间的横向耦合 在两个正规光波导互相平行靠近时，它们光场的横向耦合可用模式的横向耦合来描述。

在弱耦合条件下，即在两波导的间距足够大，以及在不改变各自模式场分布形式的条件下，可以证明，存在线性的模式耦合方程组：

式中 为两个模式的波动项，包括了模式的缓变包络项和迅变项 ； 表示横向耦合系数。

由模式耦合方程所规定的模耦合系数，具有如下对称性： 耦合模方程变为：

当两光波导折射率完全相同，显然有 由 耦合模方程可以化简为

可以证明模式耦合只能在两个相互简并的模之间发生，即：

k是一个与z无关，而只与模式场的横向分布有关的常数，所以上述方程为常微分方程，可以解得： 如果 ，则

传输功率在两个波导之间周期性交替传递

耦合模理论的应用----Mach-Zehnder干涉仪

证明 ：当 时， 经过中间单模光纤的传输 ：

Interleaver 滤波器 通过两个中心波长交错而频率间隔均为目标间隔两倍的普通复用/解复用器组合使用一个专门配合偶信道，另一个专门配合奇信道再接续一个可以将信号按奇偶信道分开的Interleaver， 就可以实现目标频率间隔。 如果级联两级Interleaver，即可实现1/4普通解复用器频率间隔的密集波分复用

Interleaver 滤波器

耦合器的分类： 光纤熔锥型耦合器 集成光波导型耦合器

熔锥型耦合器是先将两根光纤稍微扭绞一下，然后加热，最后拉细成型。 熔融拉锥型耦合器 熔锥型耦合器是先将两根光纤稍微扭绞一下，然后加热，最后拉细成型。 优点： (1)极低的附加损耗目前，利用熔锥法制作的标准X(或Y)型耦合器的附加损耗已低于0.05dB。 (2)方向性好。这类器件的方向性指标一般都超过60dB，保证了传输信号的定向性，并极大地减少了线路之间的串扰。 (3)良好的环境稳定性。在经过适当保护后，受环境条件的影响可以限制到很小的程度。 (4)控制方法简单、灵活。可以方便地改变器件的性能参数。 (5)制作成本低廉、适于批量生产。 缺点： 波长依赖性 不便于大规模集成

波导型耦合器 沉积、光刻、扩散。 缺点: 价格高，一般为拉锥型耦合器的几倍 插入损耗大

熔融拉锥型耦合器的参数 工作波长(nm)        1310或1550 带宽(nm)           ±10 附加损耗(dB)       <0.12 均一性,dB(50:50)   0.7 热稳定系数(dB／℃) <0.003 偏振稳定度(dB)      <0.1 端口配置           1×2,2×2 分光比              1:99～50:50 方向性(dB)          >50 工作温度(℃)        -40-85 储存温度(℃)        -55-85

偏振相关损耗PDL是光器件或系统在所有偏振状态下的最大传输差值。它是光设备在所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率 其中 和 分别表示测试器件（DUT）的最大传输和最小传输

检测电路

直流光信号、10GbpsNRZ信号眼图以及它们对应的光谱图

10GbpsNRZ信号眼图以及它们对应的光谱图

直流光信号眼图

直接调制 间接调制

电光调制器的基本原理 　电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动,从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪型调制器能调制光的强度。

电光调制器的种类 现在适合用于光纤通信系统的调制器材料有铌酸锂（LiNbO3）、砷化镓（GaAs）和聚合物（Polymer）。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们与单模光纤光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多。聚合物调制器的长期稳定性尚不理想。因此当前实用光纤通信系统中都选用铌酸锂调制器。

LiNbO3调制器的分类 X切，Y切，Z切。 体调制器和集成调制器 行波电极和集总电极 集总电极铌酸锂调制器的调制带宽与电极长度乘积约小于2.2GHz•cm,而实验验证行波电极铌酸锂调制器有大于200GHz•cm的调制带宽与电极长度乘积。

行波调制器 SCPS:对称共面带线电极

为光波的等效折射率 为微波的等效折射率， 由于LiNbO3晶体的介电常数比较大，因此微波和光波之间的速度失配较大，调制带宽受到限制，如果要提升器件的带宽，需要对波导和电极作复杂的设计，目前商用器件的带宽可达40GHz左右。

微谐振环滤波器 微谐振环示意图

单波导与微谐振环的耦合

将耦合模方程简化为 ： 其中 并且：

通过上面的三个方程，我们可以求得： 当在谐振状态下（ ），我们可以得到： 当 时，

当 时，

图3-3 谐振器与双波导耦合 在谐振状态下， 在无损耗 ，

微谐振环滤波器性能分析 环形谐振器仅支持在谐振腔内完成总相移为零的那些波长从下话路输出，这些波长即为谐振器的谐振波长，可表示为： 相邻的两中心波长或频率之差为自由光谱范围

微谐振环滤波器性能分析 在无损的情况下的输出功率图

微谐振环滤波器性能分析

有机聚合物微谐振环电光调制器 掺杂发色团的有机聚合物在极化之后具有一定的电光效应 这里 假设 我们将得到：

有机聚合物微谐振环电光调制器 假设光的极化沿Z轴，那么这种经过极化调制的折射率可由下式给出： 这里V是加到器件上的电压。

微谐振环进行调制的示意图

多波长传输系统中的应用

DWDM系统中的微环调制器

有机聚合物微谐振环电光调制器 掺杂了某些特殊物质的有机聚合物在强电场极化之后具有线性电光效应。 通过电光效应改变微谐振环的有效折射率，从而改变谐振波长，起到调制通过的光功率的效果。 由于微谐振环的滤波曲线为周期性的，所以具有某些特殊的性能。

总结 简单证明了弱耦合理论 利用弱耦合理论证推导了M-Z干涉仪的滤波特性及其在Interleaver 中的应用 铌酸锂调制器的特点。 利用偶合模理论推导了微谐振环的滤波性能。 简单分析了微谐振环调制器的特点