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1、14.1 4.1 4.1 4.1 电介质平板波导电介质平板波导电介质平板波导电介质平板波导4.2 4.2 4.2 4.2 对称平板波导中的模式对称平板波导中的模式对称平板波导中的模式对称平板波导中的模式 4.3 4.3 4.3 4.3 非对称平板波导中的模式非对称平板波导中的模式非对称平板波导中的模式非对称平板波导中的模式4.4 4.4 4.4 4.4 波导的耦合波导的耦合波导的耦合波导的耦合4.5 4.5 4.5 4.5 平板波导的色散和失真平板波导的色散和失真平板波导的色散和失真平板波导的色散和失真4.6 4.6 4.6 4.6 集成光器件集成光器件集成光器件集成光器件4.7 4.7 4.
2、7 4.7 总结和讨论总结和讨论总结和讨论总结和讨论第第4 4章章 集成光波导集成光波导4.5 4.5 平板波导的色散和失真平板波导的色散和失真 波波波波在在在在折折折折射射射射率率率率随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化的的的的介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播时时时时，波波波波形形形形会会会会发发发发生生生生展展展展宽宽宽宽(失失失失真真真真)。脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽是是是是一一一一种种种种在在在在任任任任何何何何包包包包含含含含色色色色散散散散材材材材料料料料的的的的电电电电介介介介质质质质结结结结构构构构中中中中都都都都存存存存在在在在的的的的现现现现象象象象。在在
3、在在电电电电介介介介质质质质平平平平板板板板波波波波导导导导和和和和光光光光纤纤纤纤这这这这样样样样的的的的波波波波导导导导中中中中，还还还还有有有有另外两种失真：另外两种失真：另外两种失真：另外两种失真：波导色散和多模失真波导色散和多模失真波导色散和多模失真波导色散和多模失真。即即即即使使使使中中中中心心心心薄薄薄薄膜膜膜膜和和和和衬衬衬衬底底底底材材材材料料料料是是是是非非非非色色色色散散散散的的的的，对对对对于于于于固固固固定定定定的的的的中中中中心心心心薄薄薄薄膜膜膜膜厚厚厚厚度度度度，某某某某个个个个特特特特定定定定模模模模式式式式的的的的有有有有效效效效折折折折射射射射率率率率也也
4、也也会会会会随随随随波波波波长长长长而而而而变变变变化化化化。由由由由图图图图4.54.54.54.5可可可可看看看看到到到到这这这这种种种种变变变变化化化化趋势，即趋势，即趋势，即趋势，即波导色散波导色散波导色散波导色散。4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 波导色散波导色散波导色散波导色散图图图图4.5 4.5 4.5 4.5 对对对对称称称称平平平平板板板板波波波波导导导导的的的的模式图模式图模式图模式图(n(n(n(n1 1 1 1=3.6,n=3.6,n=3.6,n=3.6,n2 2 2 2=3.55)=3.55)=3.55)=3.55)2随随随随波波波波长长长长的的的的变
5、变变变化化化化，有有有有效效效效折折折折射射射射率率率率n n n neffeffeffeff与与与与折折折折射射射射率率率率n n n n一一一一样样样样会会会会导导导导致致致致脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽。在在在在通通通通常常常常情情情情况况况况下下下下，材材材材料料料料是是是是色色色色散散散散的的的的，因因因因此此此此波波波波导导导导色色色色散散散散与与与与材材材材料料料料色色色色散散散散会会会会同同同同时存在。时存在。时存在。时存在。4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 波导色散波导色散波导色散波导色散图图图图4.5 4.5 4.5 4.5 对对对对称称称称平平平平板板板
6、板波波波波 导导导导 的的的的 模模模模 式式式式 图图图图(n(n(n(n1 1 1 1=3.6,n=3.6,n=3.6,n=3.6,n2 2 2 2=3.55)=3.55)=3.55)=3.55)3由由由由波波波波导导导导色色色色散散散散所所所所引引引引起起起起的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽幅幅幅幅度度度度与与与与材材材材料料料料色色色色散散散散所所所所导导导导致致致致的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲展展展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。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。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。宽遵循同样的方
7、程，不同的是要用有效折射率替代材料折射率。4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 波导色散波导色散波导色散波导色散材料色散：材料色散：材料色散：材料色散：波导色散：波导色散：波导色散：波导色散：式式式式中中中中最最最最后后后后一一一一项项项项可可可可从从从从模模模模式式式式图图图图中中中中n n n neffeffeffeff的的的的斜斜斜斜率率率率获获获获得得得得，如如如如同同同同式式式式(3.13)(3.13)(3.13)(3.13)中中中中的的的的n”n”n”n”可由折射率曲线的斜率求得一样。可由折射率曲线的斜率求得一样。可由折射率曲线的斜率求得一样。可由折射率曲线的斜率求得一样
8、。4图图图图3.6 3.6 3.6 3.6 石英玻璃的折射石英玻璃的折射石英玻璃的折射石英玻璃的折射率与波长的关系曲线率与波长的关系曲线率与波长的关系曲线率与波长的关系曲线图图图图4.5 4.5 4.5 4.5 对对对对称称称称平平平平板板板板波波波波导导导导的的的的模模模模式图式图式图式图(n(n(n(n1 1 1 1=3.6,n=3.6,n=3.6,n=3.6,n2 2 2 2=3.55)=3.55)=3.55)=3.55)56Waveguide DispersionWaveguide DispersionMode ChartMode Chart =2-1For a fixed d(sla
9、b thickness),neff varies with .Thus,different wavelengths from the same source travel at different speeds.This yields pulse spreading.This is waveguide dispersion.7Waveguide DispersionSince n1 and n2 also vary with wavelength,material dispersion exists in addition to waveguide dispersion.The total d
10、ispersive pulse spread is the sum of the two.That is:因因因因为为为为材材材材料料料料色色色色散散散散M M M M有有有有可可可可能能能能为为为为负负负负值值值值(例例例例如如如如在在在在石石石石英英英英玻玻玻玻璃璃璃璃中中中中，当当当当工工工工作作作作波波波波长长长长超超超超过过过过1300nm1300nm1300nm1300nm时时时时)，由由由由色色色色散散散散引引引引起起起起的的的的总总总总脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽实实实实际际际际上上上上有有有有可可可可能能能能会会会会因因因因为为为为波波波波导导导导色色色色散散散散的的的的
11、存存存存在在在在反反反反而而而而减小。减小。减小。减小。图图图图3.8 3.8 3.8 3.8 纯纯纯纯siOsiOsiOsiO2 2 2 2的材料色散，的材料色散，的材料色散，的材料色散，与图与图与图与图3.6(c)3.6(c)3.6(c)3.6(c)非常相似非常相似非常相似非常相似*图图图图 D=-M D=-M D=-M D=-M*图图图图 总色散图总色散图总色散图总色散图D=Dm+DwD=Dm+DwD=Dm+DwD=Dm+Dw8当当当当多多多多个个个个模模模模式式式式在在在在同同同同一一一一平平平平板板板板波波波波导导导导中中中中传传传传播播播播时时时时，相相相相对对对对于于于于波波波波
12、导导导导轴轴轴轴的的的的传传传传输输输输速速速速度度度度互互互互不不不不相相相相同同同同。一一一一个个个个入入入入射射射射光光光光束束束束的的的的能能能能量量量量在在在在传传传传输输输输过过过过程程程程中中中中会会会会被被被被分分分分配配配配到到到到若若若若干干干干个个个个模模模模式式式式上上上上，其其其其传传传传播播播播速速速速度度度度各各各各不不不不相相相相同同同同。因因因因此此此此输输输输入入入入波波波波形形形形在在在在传传传传输输输输过过过过程程程程中会产生畸变。中会产生畸变。中会产生畸变。中会产生畸变。各各各各个个个个模模模模式式式式到到到到达达达达输输输输出出出出端端端端的的的的时
13、时时时间间间间不不不不同同同同，从从从从而而而而使使使使得得得得波波波波形形形形被被被被展展展展宽宽宽宽，这这这这种种种种现象称为现象称为现象称为现象称为多模失真多模失真多模失真多模失真或或或或模式失真模式失真模式失真模式失真，也常称为，也常称为，也常称为，也常称为多模色散多模色散多模色散多模色散。4.5.1 4.5.1 4.5.1 4.5.1 多模失真（模式色散）多模失真（模式色散）多模失真（模式色散）多模失真（模式色散）注注注注意意意意：多多多多模模模模失失失失真真真真并并并并不不不不取取取取决决决决于于于于光光光光源源源源线线线线宽宽宽宽。一一一一个个个个理理理理想想想想的的的的单单单单
14、频频频频光光光光脉脉脉脉冲冲冲冲(=0)=0)=0)=0)仍仍仍仍然然然然会会会会产产产产生生生生多多多多模模模模展展展展宽宽宽宽，而而而而材材材材料料料料展展展展宽宽宽宽和和和和波波波波导导导导展展展展宽宽宽宽则则则则为零。为零。为零。为零。如如如如果果果果波波波波导导导导只只只只允允允允许许许许一一一一个个个个模模模模式式式式传传传传播播播播，则则则则不不不不会会会会产产产产生生生生多多多多模模模模失失失失真真真真，这这这这就就就就是是是是单模波导的一个优点单模波导的一个优点单模波导的一个优点单模波导的一个优点。910Multimode DistortionMultimode Distor
15、tionConsider the worst case by calculating the difference in arrival times between the lowest mode(axial)and the highest mode(=c)for a highly multimode waveguide.Let L=length of the waveguide11Multimode DistortionMultimode Distortionn1n2n1 n2Axial modeL2n2 cHigher order modeL112Multimode DistortionM
16、ultimode DistortionAxial mode travel time:L1L2(4.25)For the critical angle ray,c13Multimode DistortionMultimode DistortionThe total path of the critical angle ray is then(4.26)The critical angle ray travel time is:14Multimode DistortionMultimode DistortionThe total delay isThis is the modal pulse sp
17、read per unit length in a multimode waveguide.We can write it as(4.27)15Multimode DistortionMultimode Distortionto getUse the fractional refractive index change (4.28)Modal Pulse SpreadIf n1 and n2 are nearly equal16Multimode DistortionMultimode DistortionFinally,in terms of the numerical aperture t
18、he modal spread can be expressed as:(4.29)Modal Pulse Spread17DISPERSION AND DISTORTION IN DISPERSION AND DISTORTION IN THE SLAB WAVEGUIDE THE SLAB WAVEGUIDEThe total pulse spread is given by:184.6 4.6 集成光器件集成光器件 利利利利用用用用集集集集成成成成光光光光学学学学技技技技术术术术可可可可以以以以制制制制造造造造无无无无源源源源器器器器件件件件与与与与有有有有源源源源器器器器件。件。件。件
19、。uu无无无无源源源源器器器器件件件件：定定定定向向向向耦耦耦耦合合合合器器器器、分分分分束束束束器器器器、隔隔隔隔离离离离器器器器、滤滤滤滤波波波波器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等器、复用器、解复用器、透镜、棱镜等uu有有有有源源源源器器器器件件件件：调调调调幅幅幅幅器器器器、调调调调相相相相器器器器、光光光光开开开开关关关关、可可可可变变变变光光光光衰衰衰衰减器、可调滤波器、光源、光检测器等减器、可调滤波器、光源、光检测器等减器、可调滤波器、光源、光检测器等减器、可调滤波器、光源、光检测器等图图图图4.20 4.20 4
20、.20 4.20 集成光透镜集成光透镜集成光透镜集成光透镜4.6.1 4.6.1 4.6.1 4.6.1 无源器件无源器件无源器件无源器件无无无无源源源源器器器器件件件件一一一一般般般般都都都都可可可可以以以以通通通通过过过过改改改改变变变变波波波波导导导导的的的的结结结结构构构构来来来来制制制制作作作作。正正正正如如如如在在在在模模模模式式式式图图图图中中中中所所所所看看看看到到到到的的的的，改改改改变变变变中中中中心心心心薄薄薄薄膜膜膜膜厚厚厚厚度度度度将将将将会会会会改改改改变变变变其其其其等等等等效效效效折折折折射率。根据射率。根据射率。根据射率。根据SnellSnellSnellSn
21、ell定律，厚度的变化会导致光线的偏转。定律，厚度的变化会导致光线的偏转。定律，厚度的变化会导致光线的偏转。定律，厚度的变化会导致光线的偏转。图图图图4.204.204.204.20给出了一个用这种方法构造的集成光透镜。给出了一个用这种方法构造的集成光透镜。给出了一个用这种方法构造的集成光透镜。给出了一个用这种方法构造的集成光透镜。19图图图图4.21 4.21 4.21 4.21 集成集成集成集成光定向耦合器光定向耦合器光定向耦合器光定向耦合器如如如如图图图图4.214.214.214.21为为为为一一一一种种种种波波波波导导导导结结结结构构构构的的的的无无无无源源源源集集集集成成成成光光光
22、光定定定定向向向向耦耦耦耦合合合合器器器器。假假假假设设设设光光光光功功功功率率率率通通通通过过过过端端端端口口口口1 1 1 1进进进进入入入入，部部部部分分分分功功功功率率率率从从从从端端端端口口口口2 2 2 2输输输输出出出出，另另另另一一一一部部部部分分分分功功功功率率率率从端口从端口从端口从端口3 3 3 3输出。理想情况下，没有光到端口输出。理想情况下，没有光到端口输出。理想情况下，没有光到端口输出。理想情况下，没有光到端口4 4 4 4。通通通通过过过过合合合合理理理理选选选选择择择择耦耦耦耦合合合合区区区区长长长长度度度度，耦耦耦耦合合合合进进进进相相相相邻邻邻邻波波波波导导
23、导导光光光光功功功功率率率率的的的的百百百百分分分分比比比比可可可可在在在在0 0 0 0100100之之之之间间间间变变变变化化化化。相相相相邻邻邻邻波波波波导导导导之之之之间间间间的的的的耦耦耦耦合合合合是是是是通通通通过过过过各各各各自自自自消消消消逝逝逝逝场的交迭实现的。场的交迭实现的。场的交迭实现的。场的交迭实现的。20For an ideal(lossless)coupler the relative output powers are given by:P2/P1=cos2(p pL/2Lc)P3/P1=sin2(p pL/2Lc)where Lc is called the c
24、oupling length.Any splitting ratio between the two output ports is possible by appropriate choice of length L.(4.30)(4.31)2122Example:If the actual length L of the coupling region is Lc/2,compute the output coupling.P2/P1=cos2(p p/4)=(0.707)2=0.5P3/P1=sin2(p p/4)=(0.707)2=0.550%of the power exits bo
25、th of the output ports.Since 10 log P2/P1=10 log 0.5=-3 dBthis is a 3-dB coupler.23For the ideal coupler,the coupling to port 4(the isolated port)is zero.Thus,10 log P4/P1=10 log 0=-24An integrated optic power splitter is constructed with the waveguide pattern indicated below:Pin/2PinPin/225Multipor
26、t splitters can be constructed by cascading 2-port couplers as indicated schematically below:1 x 8 Coupler4.6.2 4.6.2 4.6.2 4.6.2 有源器件有源器件有源器件有源器件有源器件按其功能可分为两类：有源器件按其功能可分为两类：有源器件按其功能可分为两类：有源器件按其功能可分为两类：uu控制光：控制光：控制光：控制光：光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等光开关、光偏转器、光扫描器、光调制器等uu转转
27、转转换换换换光光光光：光光光光源源源源（将将将将电电电电转转转转换换换换成成成成光光光光）、光光光光检检检检测测测测器器器器（将将将将光光光光转转转转换换换换成电）成电）成电）成电）有有有有源源源源器器器器控控控控制制制制器器器器件件件件依依依依靠靠靠靠电电电电光光光光材材材材料料料料或或或或声声声声光光光光材材材材料料料料的的的的特特特特性性性性来来来来实实实实现现现现对对对对光光光光的控制。的控制。的控制。的控制。uu电光电光电光电光材料根据所施加的电场改变其折射率。材料根据所施加的电场改变其折射率。材料根据所施加的电场改变其折射率。材料根据所施加的电场改变其折射率。uu声声声声光光光光材
28、材材材料料料料依依依依赖赖赖赖声声声声波波波波（由由由由波波波波导导导导表表表表妹妹妹妹压压压压电电电电效效效效应应应应所所所所激激激激发发发发）与与与与光光光光束的相互作用来实现对光的控制。束的相互作用来实现对光的控制。束的相互作用来实现对光的控制。束的相互作用来实现对光的控制。uu所所所所有有有有的的的的有有有有源源源源控控控控制制制制功功功功能能能能都都都都可可可可以以以以通通通通过过过过电电电电光光光光效效效效应应应应或或或或声声声声光光光光效效效效应应应应来来来来实现。实现。实现。实现。26图图图图4.24 4.24 4.24 4.24 电光开关电光开关电光开关电光开关图图图图4.2
29、44.244.244.24是是是是一一一一幅幅幅幅电电电电光光光光开开开开关关关关示示示示意意意意图图图图。中中中中心心心心薄薄薄薄膜膜膜膜必必必必须须须须具具具具有有有有强强强强电电电电光光光光特特特特性性性性，LiNbOLiNbOLiNbOLiNbO3 3 3 3是是是是较较较较合合合合适适适适的的的的材材材材料料料料。图图图图中中中中的的的的中中中中心心心心薄薄薄薄膜膜膜膜嵌嵌嵌嵌在在在在衬衬衬衬底底底底上上上上，通通通通过过过过在在在在LiNbOLiNbOLiNbOLiNbO3 3 3 3衬衬衬衬底底底底上上上上进进进进行行行行钛钛钛钛扩扩扩扩散散散散产产产产生一个较高折射率区来制造。
30、生一个较高折射率区来制造。生一个较高折射率区来制造。生一个较高折射率区来制造。电电电电极极极极置置置置于于于于波波波波导导导导顶顶顶顶部部部部。通通通通过过过过调调调调整整整整耦耦耦耦合合合合长长长长度度度度，使使使使得得得得不不不不加加加加电电电电压压压压时时时时，所所所所有有有有的的的的光光光光都都都都转转转转换换换换到到到到第第第第二二二二个个个个波波波波导导导导。在在在在此此此此种种种种状状状状态态态态下下下下，两两两两个个个个完完完完全全全全相相相相同同同同的波导是满足相位匹配条件的。的波导是满足相位匹配条件的。的波导是满足相位匹配条件的。的波导是满足相位匹配条件的。2728As i
31、n the passive coupler,the power distribution is given by:P2/P1=cos2(p pL/2Lc)P3/P1=sin2(p pL/2Lc)L is the interaction length and Lc is the coupling length.Fig 4.24 Fig 4.24 Fig 4.24 Fig 4.24 Electrooptic SwitchElectrooptic SwitchElectrooptic SwitchElectrooptic Switch29The interaction length L is set
32、 equal 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 p/2)=0P3/P1=sin2(p p/2)=1Fig 4.24 Fig 4.24 Fig 4.24 Fig 4.24 Electrooptic SwitchElectrooptic S
33、witchElectrooptic SwitchElectrooptic Switch在在在在电电电电极极极极上上上上加加加加一一一一定定定定电电电电压压压压时时时时，产产产产生生生生的的的的电电电电场场场场导导导导致致致致两两两两种种种种波波波波导导导导的的的的折折折折射射射射率率率率都都都都发发发发生生生生变变变变化化化化。如如如如图图图图所所所所示示示示，由由由由于于于于加加加加在在在在两两两两个个个个波波波波导导导导上上上上的的的的电电电电场场场场方方方方向向向向刚刚刚刚好好好好相相相相反反反反，因因因因此此此此两两两两个个个个波波波波导导导导的的的的折折折折射射射射率变化也恰好相反。
34、率变化也恰好相反。率变化也恰好相反。率变化也恰好相反。此此此此时时时时，两两两两种种种种波波波波导导导导的的的的折折折折射射射射率率率率不不不不再再再再相相相相同同同同，相相相相位位位位匹匹匹匹配配配配条条条条件件件件不不不不再再再再成成成成立立立立，导导导导致致致致交交交交叉叉叉叉耦耦耦耦合合合合减减减减小小小小到到到到零零零零。于于于于是是是是所所所所有有有有的的的的光光光光沿沿沿沿输输输输入入入入波波波波导导导导继继继继续续续续传传传传播播播播，即即即即P P P P2 2 2 2/P/P/P/P1 1 1 1=1=1=1=1，P P P P3 3 3 3/P/P/P/P1 1 1 1=
35、0=0=0=0 。Fig 4.24 Fig 4.24 Fig 4.24 Fig 4.24 Electrooptic SwitchElectrooptic SwitchElectrooptic SwitchElectrooptic Switch31Electrooptic ModulatorElectrooptic ModulatorThe electrooptic switch can also function as a digital modulator.The applied voltage turns the light beam in either output channel ei
36、ther on or off according to the digital data stream.图图图图4.254.25为为为为一一一一种种种种集集集集成成成成光光光光调调调调制制制制器器器器的的的的设设设设计计计计示示示示意意意意图图图图。为为为为M-ZM-Z干干干干涉涉涉涉仪仪仪仪，由由由由平平平平行的行的行的行的LiNbOLiNbO3 3衬底上采用钛扩散形成的波导构成。衬底上采用钛扩散形成的波导构成。衬底上采用钛扩散形成的波导构成。衬底上采用钛扩散形成的波导构成。工工工工作作作作原原原原理理理理：如如如如果果果果不不不不加加加加电电电电压压压压，在在在在输输输输出出出出端端端端获
37、获获获得得得得最最最最大大大大幅幅幅幅度度度度的的的的传传传传输输输输光光光光。如如如如果果果果施施施施加加加加一一一一个个个个合合合合适适适适的的的的电电电电压压压压在在在在电电电电极极极极上上上上，两两两两个个个个光光光光束束束束之之之之间间间间可可可可能能能能有有有有180180的相位差，使得输出最小。的相位差，使得输出最小。的相位差，使得输出最小。的相位差，使得输出最小。工工工工作作作作在在在在吉吉吉吉比比比比特特特特范范范范围围围围、需需需需要要要要10V10V左左左左右右右右电电电电压压压压的的的的这这这这类类类类器器器器件件件件已已已已经经经经制制制制造造造造出出出出来来来来。更
38、更更更先先先先进进进进的的的的调调调调制制制制器器器器在在在在3V4V3V4V电电电电压压压压下下下下可可可可以以以以在在在在2.5Gbps2.5Gbps范范范范围围围围内内内内实实实实现现现现光光光光的的的的开关，在开关，在开关，在开关，在5V7V5V7V电压下可在电压下可在电压下可在电压下可在10Gbps10Gbps范围内进行光的开关。范围内进行光的开关。范围内进行光的开关。范围内进行光的开关。图图图图4.25 4.25 4.25 4.25 集成光集成光集成光集成光M-ZM-ZM-ZM-Z干涉调制器干涉调制器干涉调制器干涉调制器33Mach-Zehnder ModulatorMach-Ze
39、hnder ModulatorV is the applied voltage and Vp p is the voltage required for complete a 180o differential phase shift and thus complete destructive interference of the two combining waves.Vp p is the half-wave voltage.The transfer characteristic is given by:34Mach-Zehnder ModulatorMach-Zehnder Modul
40、atorPlot of the transfer characteristic:voltageThe linear region is around 0.5Vp p.We can operate around that point by applying a fixed bias voltage of-Vp p/2.In the transfer characteristic,replace V by V-Vp p/2.Pout/Pin(4.32)35The plot show that the linear region has been shifted to the zero signal
41、 voltage point.This device can act as a digital or an analog modulator.Pout/Pinsignal voltage(4.33)Plot of the transfer characteristic:调调调调制制制制器器器器与与与与光光光光开开开开关关关关是是是是很很很很重重重重要要要要的的的的器器器器件件件件，主主主主要要要要体体体体现现现现在在在在以以以以下下下下几几几几个个个个方方方方面：面：面：面：uu相相相相对对对对于于于于LEDLED、LDLD的的的的直直直直接接接接调调调调制制制制，外外外外调调调调制制制制可可
42、可可以以以以在在在在较较较较高高高高的的的的频频频频率内进行。率内进行。率内进行。率内进行。uu使使使使用用用用集集集集成成成成光光光光外外外外调调调调制制制制器器器器或或或或其其其其他他他他外外外外调调调调制制制制器器器器，可可可可以以以以获获获获得得得得几几几几个个个个GHzGHz的带宽。的带宽。的带宽。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：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：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：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：uu对对对对半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器的的的
43、的直直直直接接接接调调调调制制制制可可可可能能能能会会会会改改改改变变变变其其其其输输输输出出出出波波波波长长长长，增增增增加加加加其其其其线线线线宽宽宽宽（啁啁啁啁啾啾啾啾现现现现象象象象），但但但但外外外外调调调调制制制制会会会会降降降降低低低低这这这这种种种种效效效效应应应应。在在在在一一一一些些些些应应应应用用用用中中中中，是是是是不不不不允允允允许许许许波波波波长长长长与与与与线线线线宽宽宽宽发发发发生生生生改改改改变变变变的的的的，包包包包括括括括：信信信信道道道道间间间间隔隔隔隔很很很很小小小小的的的的光光光光复复复复用用用用；工工工工作作作作在在在在最最最最小小小小材材材材料料
44、料料色色色色散散散散波波波波长长长长的的的的光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信系系系系统统统统；高高高高速速速速链链链链路路路路和和和和相相相相干干干干检检检检测测测测系系系系统统统统。啁啁啁啁啾啾啾啾效效效效应应应应会会会会增增增增加加加加光光光光束束束束的的的的谱谱谱谱宽宽宽宽，使使使使得得得得色散影响增大（由色散影响增大（由色散影响增大（由色散影响增大（由3.23.23.23.2节的讨论可知将导致线路容量降低）。节的讨论可知将导致线路容量降低）。节的讨论可知将导致线路容量降低）。节的讨论可知将导致线路容量降低）。正正正正因因因因为为为为在在在在高高高高速速速速系系系系统统统统中中中中要要要
45、要求求求求色色色色散散散散尽尽尽尽可可可可能能能能小小小小，因因因因此此此此外外外外调调调调制制制制器器器器得得得得到到到到了了了了广泛应用。广泛应用。广泛应用。广泛应用。4.6.3 4.6.3 4.6.3 4.6.3 光电子集成光学光电子集成光学光电子集成光学光电子集成光学光电子集成电路光电子集成电路光电子集成电路光电子集成电路(OEIC)(OEIC)(OEIC)(OEIC)uu可可可可以以以以在在在在同同同同一一一一个个个个基基基基片片片片上上上上实实实实现现现现光光光光器器器器件件件件与与与与电电电电子子子子器器器器件件件件的的的的功功功功能能能能，一一一一般采用半导体基片和薄膜波导制作
46、。般采用半导体基片和薄膜波导制作。般采用半导体基片和薄膜波导制作。般采用半导体基片和薄膜波导制作。uu半半半半导导导导体体体体材材材材料料料料提提提提供供供供了了了了将将将将光光光光源源源源、光光光光检检检检测测测测器器器器和和和和电电电电子子子子线线线线路路路路组组组组合合合合在在在在同一基片上的可能。同一基片上的可能。同一基片上的可能。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，如图光中继器是基于这种概念的一个具体应用，如图光中继器是基于这种概念的一个具体应用，如图光中继器是基于这种概念的一个具体应用，如图4.284.28。38图图图图4.28 4.28 4.28 4.28 光
47、中继器光中继器光中继器光中继器光中继器组成：光中继器组成：光中继器组成：光中继器组成：uu一一一一个个个个GaAsGaAsGaAsGaAs衬衬衬衬底底底底、一一一一个个个个GaAsGaAsGaAsGaAs光光光光检检检检测测测测器器器器、一一一一个个个个完完完完成成成成所所所所有有有有电电电电功功功功能能能能的的的的GaAsGaAsGaAsGaAs金金金金属属属属半半半半导导导导体体体体场场场场效效效效应应应应管管管管、一一一一个个个个AlGaAsAlGaAsAlGaAsAlGaAs半半半半导导导导体体体体激激激激光器光源。光器光源。光器光源。光器光源。40图图图图4.28 4.28 4.28
48、 4.28 光中继器光中继器光中继器光中继器工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：uu微微微微弱弱弱弱的的的的光光光光信信信信号号号号从从从从光光光光纤纤纤纤中中中中投投投投射射射射出出出出来来来来，照照照照射射射射在在在在一一一一个个个个光光光光电电电电导导导导器器器器件件件件上上上上，从从从从而而而而改改改改变变变变其其其其阻阻阻阻抗抗抗抗。光光光光电电电电导导导导器器器器件件件件两两两两端端端端的的的的电电电电压压压压是是是是恒恒恒恒定定定定的的的的，因因因因此此此此其其其其电电电电流将随光调制特性变化，即将光信号转换成电信号。流将随光调制特性变化，即将光信号转换成电信号。流将随光调制
49、特性变化，即将光信号转换成电信号。流将随光调制特性变化，即将光信号转换成电信号。uu然然然然后后后后电电电电信信信信号号号号被被被被放放放放大大大大，再再再再用用用用放放放放大大大大了了了了的的的的电电电电流流流流来来来来调调调调制制制制半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器。于于于于是是是是，激激激激光光光光器器器器的的的的输输输输出出出出就就就就是是是是输输输输入入入入光光光光信信信信号号号号的的的的放放放放大大大大形形形形式式式式。此此此此时时时时，又又又又重重重重新将电信号转换成了光信号。新将电信号转换成了光信号。新将电信号转换成了光信号。新将电信号转换成了光信号。uu最后，
50、激光器的输出光束耦合进光纤进行更远距离的传输。最后，激光器的输出光束耦合进光纤进行更远距离的传输。最后，激光器的输出光束耦合进光纤进行更远距离的传输。最后，激光器的输出光束耦合进光纤进行更远距离的传输。图图图图4.28 4.28 4.28 4.28 光中继器光中继器光中继器光中继器光电子集成系统的优点：光电子集成系统的优点：光电子集成系统的优点：光电子集成系统的优点：uu可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产更为经济。可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产更为经济。可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产更为经济。可靠性高、易于接入到较大的网络、大批量生产更为经济。参参参参 考考考考