集成光電子器件及設計 - 集成光無源器件拓展

第五章

集成光無源器件《集成光電子器件及設計》浙江大學光電系第五章

集成光無源器件2

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調(diào)制器

光開關

調(diào)制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件3什么是光開關？?

光開關——能夠控制傳輸通路中光信號通或者斷

或進行光路切換作用的器件。?

機械光開關：利用電磁鐵或步進電機驅(qū)動光纖、

棱鏡或反射鏡等光學元件實現(xiàn)光路切換。其優(yōu)點

是插入損耗小、

串擾小，適用于各種光纖，技術

成熟。缺點是開關速度慢(ms)，體積較大。?

電子式光開關：用電光效應、磁光效應或聲光效

應實現(xiàn)光路切換。優(yōu)點是開關速度快(μs甚至ns)，

易于集成化。缺點是插入損耗大、

串擾大，只適

用于單模光纖。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件4

光開光作用：通過光通道的通斷和轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)光層面上的路由選擇、波長選擇、光分插復用、光交叉連接和自愈保護等功能。開關時間：開關端口從某一初始狀態(tài)轉(zhuǎn)為通或斷所需的時間。不同的應用場合,對光開關的開關時間要求不同。光開關其他重要參數(shù)：消光比、插損、串擾、偏振相關性(PDL)。光開光的特性參數(shù)應用光路的交換及管理(OADM

、OXC)保護開關光包交換外調(diào)制開關時間需求1~10ms1~10ms1ns10ps浙江大學光電系5傳統(tǒng)機械光開關的結(jié)構(gòu)示意圖

第五章

集成光無源器件機械式光開關

工作原理：通過移動光纖將光直接耦合到輸出端或采用棱鏡、

反射鏡切換光路

特點：偏振無關，插入損耗低、串擾小、光學性能好，體積較大、

開關速度慢6移動光纖式光開關V型槽定位導桿定位

金屬簧片定位浙江大學光電系

壓電陶瓷定位第五章

集成光無源器件7Lenses

MEMS開關陣列圖

第五章

集成光無源器件

Reflector

MEMS

2-axis

Tilt

Mirrors浙江大學光電系MEMS

(Micro

Electro

Mechanical

systems)

光開關

工作原理：通過磁、靜電效應移動或旋轉(zhuǎn)微反射鏡，利用這

些微鏡片的二維或三維空間運動，將光直接反射到不同的輸出端

特點：低損耗、低串擾、低偏振敏感性、高消光比、體積小、

集成度高、開關速度快

I/O

Fibers

Imaging浙江大學光電系8微反射鏡MEMS光開關入射光可升降懸臂微反射鏡波導溝渠

波導通過光（a）平行連接狀態(tài)頂視圖側(cè)面圖電極

硅襯底PLC入射光溝渠微反射鏡波導波導反射光（a）交叉連接狀態(tài)靜電力電極頂視圖V=0

側(cè)面圖V硅襯底

PLC可升降微反射鏡MEMS光開關

第五章

集成光無源器件浙江大學光電系第五章

集成光無源器件9微反射鏡

輸出波導1輸入波導襯底控制信號V入射光出射光

輸出波導2取向1取向2微反射鏡

輸出光纖1硅襯底PLC控制信號入射光出射光

輸出光纖2

鏡面旋轉(zhuǎn)軸光纖

出射光可旋轉(zhuǎn)微反射鏡MEMS光開關可立臥微反射鏡MEMS光開關微反射鏡MEMS光開關浙江大學光電系第五章

集成光無源器件10Lucent微反射鏡MEMS光開關浙江大學光電系第五章

集成光無源器件11MEMS光開關浙江大學光電系12噴墨氣泡熱光開關模塊

第五章

集成光無源器件

工作原理：利用了氣泡（鏡面）對光反射的原理，當入射光照入并要求交換時，一個熱敏硅片會在液體中產(chǎn)生一個氣泡，氣泡將光從入射波導全反射到輸出波導特點：開關速度為ms量級，插損低、串擾小，具有較好的可擴展性噴墨氣泡熱光開關浙江大學光電系13

偏振片P2出射光

第五章

集成光無源器件

液晶光開關扭曲排列的液晶分子具有光波導效

應入射的自然光

偏振片P1

光波導已被

電場拉伸浙江大學光電系第五章

集成光無源器件14液晶光開關特性曲線浙江大學光電系第五章

集成光無源器件15光波導光開關相互作用

效應現(xiàn)象功能典型的波導材料電場-光電光效應折射率變化振幅/相位調(diào)制，光路切換，模變換Ti擴散LiNbO3聲波-光聲光效應折射率變化偏振，衍射，

Ti擴散，模變換

LiNbO3/As2S3磁場-光熱-光磁光效應熱光效應偏振波面旋轉(zhuǎn)折射率變化非互易性振幅/相位調(diào)制YIG膜普通材料光-光非線性效應感應極化參量放大Ti擴散LiNbO3

電光效應?

電光效應：電壓施加于某些電光晶體(如LiNbO3

)，

導致晶體折射率發(fā)生變化，引起通過該晶體的光波

特性發(fā)生變化。?

折射率變化

n與外加電場E有著復雜的關系，可近

似地認為

n與(r

E

+R

E

2)成正比。電光開關/調(diào)制器主要利用普科爾(Pockels)效應.普科爾(Pockels)效應：

晶體折射率與外加電場

幅度成線形變化

克爾(Kerr)效應：晶體折射率與外加電場幅

度的平方成比例變化電光效應?

電光效應引起的折射率變化量，其大小取

決于電光學常數(shù)和施加電場的強度浙江大學光電系第五章

集成光無源器件173

ze

zr

13noEer33n3Ee1

212

no

ne

在LiNbO3晶體中，r33是最大的電光學常數(shù)最大擊穿電場~10V/mm，此時△n=1.6

×10-3浙江大學光電系第五章

集成光無源器件18電光開關?

電光開關的原理一般是利用材料的電光效

應或電吸收效應，在電場作用下改變材料

的折射率和光的相位，再利用光的干涉或

偏振等使光強突變或光路轉(zhuǎn)變?

電光效應馳豫的時間很短，僅有10-11s量級，

外場的施加或撤銷導致的折射率變化或恢

復瞬間即可完成，因而可用作高速調(diào)制器、

高速開關等。浙江大學光電系19(a)定向耦合器型光開關(b)

M-Z干涉儀型光開關電光開關原理示意圖

第五章

集成光無源器件電光光開關

工作原理：利用電光效應或電吸收效應以及硅材料的等離子體色散效應，在電場的作用下改變材料的折射率和光的相位，再利用光的干涉或者偏振等方法使光強突變或光路轉(zhuǎn)變LiNbO3偏振光輸入3Ti

-

LiNbO

波導DC

+Ea--AB

控制信號V

t

共平面條形電極tt輸出

輸出光控制信號

V

t

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件20

耦合波導

nA

nBA

d

Bns定向耦合器電光光開關

xBA光輸入

PA

0

3

/

L0

βxE

EA

EBnA

=nB

>nszPA

z

PB

z

E

0

PB

L0

PA

L0

zPB

L0

/PA

0

100%L0兩個沿z方向緊密耦合波導的頂視圖，

光場從A開始，逐漸耦合進B波導，在z=L0處所有的光已轉(zhuǎn)移到B波導光波通過距離L后，從波導A到波導B的傳輸功率比值與相位失配的關系，由外加的電壓V控制浙江大學光電系第五章

集成光無源器件21定向耦合器電光光開關?

在定向耦合器的兩個波導上設置電極，并施加電

壓，耦合器的兩個波導內(nèi)產(chǎn)生大小相等，方向相

反的電場?

一個傳播常數(shù)增加，一個傳播常數(shù)減小光輸入輸出

-電極ATi

-

LiNbO

3

波導LiNbO

3光纖A電極調(diào)制信號

V

t

+

BLiNbO

3耦合波導L0-

dEaB

nAV

t

nB浙江大學光電系第五章

集成光無源器件22工作原理直通態(tài)z=0z=L

+耦合區(qū)波導

1

波導

2

交叉態(tài)

-

L

Lc

2

2

2

Lc

L

3

即

3

時，實現(xiàn)開關功能

Lc浙江大學光電系第五章

集成光無源器件23定向耦合器電光光開關電光定向耦合器的響應曲線浙江大學光電系第五章

集成光無源器件24M-Z干涉儀型光開關由兩個3dB耦合器DC1，DC2及帶有電極的兩個干涉臂L1，L2構(gòu)成n

E

n

2

2

n3

VL

0

0d

浙江大學光電系251

3

1

3

V2

2

d

n

對于對稱型M-Z干涉儀，L1=L2=L，兩臂的相位差為

M-Z干涉儀型光開關波導臂上產(chǎn)生的折射率變化

（2

n）L

令

＝

時的電壓為半波電壓

2n3

L

V

V

第五章

集成光無源器件

A

1e

i2

l

e

i

1

i(e

i

1)

12

A3

A4

③、④端的透過率為

sin

(

)

2V

2V

不加電壓時，V=0，T3=0，T4=1；加半波電壓V

時，

T3=1,T4=0，實現(xiàn)了開關作用。浙江大學光電系

第五章

集成光無源器件

26

M-Z干涉儀型光開關設①端輸入光的振幅為A1,從③、④端輸出的信號的振幅為A3、A4,利用耦合器的傳輸方程，可得全內(nèi)反射型電光開關浙江大學光電系第五章

集成光無源器件27分支開關浙江大學光電系第五章

集成光無源器件28浙江大學光電系29熱光開關原理示意圖

第五章

集成光無源器件

工作原理：通過電流加熱的方法，使介質(zhì)的溫度變化，導致光在介質(zhì)中傳播的折射率和相位發(fā)生改變，進而實現(xiàn)光信號的通斷典型材料：SiO2、Si、LiNbO3和有機聚合物等特點：可以集成、開關速度優(yōu)于機械式（ms）熱光開關波導

A2

2

0

T

2

T

P

PP

3

1sin

P

4

1cos

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件30熱光開關1234Cr薄膜加熱器

A

B

L

(a)

俯視圖

加熱W薄膜

薄膜

波導

B

Si襯底

(b)

截面圖23

1

2P

P

sin4

12

2P

P

cos

0

02aL設

T0

nL

a

TL2

2

T0

2

T0

浙江大學光電系3100.51.00熱光開關輸出響應

1.0

相

輸

出

功

0.6

率

0.4

0.2

熱驅(qū)動功率（W）（c）2x2熱電光開關響應曲線

第五章

集成光無源器件浙江大學光電系第五章

集成光無源器件32

Y和X型數(shù)字光開關

對于Y分支，不加熱時，主臂的有效折

射率大于支臂，光從主臂通過，當對支

臂加熱時，其折射率增大，光束從支臂

通過

對于X分支，不加熱時，主臂的有效折

射率大于支臂，光束1，2分別通過支

臂和主臂，當對支臂加熱時，其折射率

增大，光束1，2實現(xiàn)通路交換數(shù)字式：當輸入電壓變化時，輸出光強呈階躍特性聲光效應?

形變伴隨著聲波（彈性波）在介質(zhì)中傳播

的效應稱為聲光效應。?

換能器：當電信號作用于壓電材料，會激

勵彈性波。彈性形變會引起介質(zhì)折射率橢

球變化。通過在壓電襯底或壓電薄膜上制

作叉指電極構(gòu)成。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件3334

聲波在介質(zhì)中傳播時，使介質(zhì)產(chǎn)生彈性形變，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應的周期性變化。這如同一個光學“相位光柵”，光柵常數(shù)等于聲波長

s。當光波通過此介質(zhì)時，會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。聲光晶體等價于一個相位光柵35布喇格衍射產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或

1級）衍射光

。浙江大學光電系36聲光開關原理示意圖

第五章

集成光無源器件

工作原理：利用聲光效應，即聲波在某些介質(zhì)中傳播時，該介質(zhì)會產(chǎn)生與聲波信號相應的、隨時間和空間周期變化的彈性形變，從而導致介質(zhì)折射率的周期性變化，形成等效的位相光柵，其光柵常數(shù)等于聲波波長，因而能提供一種方便地控制光的強度、頻率和傳播方向的手段聲光開關的光柵

晶體的折射率將沿聲波的傳輸方向呈周期性變浙江大學光電系第五章

集成光無源器件37SAW控制信號LiNbO3反射光聲光開關

n

max

n

min透射光輸入光

由電聲換能器激勵一束

聲波，在聲波的作用下，

聲波產(chǎn)生聲波V

acoustic

化，在介質(zhì)中形成布拉

格光柵，利用其對入射

光的衍射效應實現(xiàn)開關功能。開關速度快(ns)，但插損比較大，且成本較高類型大小插損(dB)串擾(dB)PDL(dB)開關時間機械式8

83550.210ms熱光開關SilicaPolymer8

88

810101530LowLow2ms2ms電光開關LiNbO3SOA4

44

48035401Low10ps1ns光開關性能比較浙江大學光電系第五章

集成光無源器件39

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調(diào)制器

光開關

調(diào)制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件40光調(diào)制?光調(diào)制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上,完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。

直接調(diào)制(內(nèi)調(diào)制)：把承載信息的電信號作為驅(qū)動電流直接施加在激光器上即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制

直接調(diào)制和外調(diào)制

?

Direct

Modulation

of

Laser

Diode

Bias

+

DATA

Laser

Issues

--

Complex

Dynamics

Yield

?

External

Modulation

of

Laser

Diode

BiasLaser

Bias

+

DATAModulatorIssues

--

Additional

ComponentCt42輸出功率直流偏置

t調(diào)制信號

t輸出光強信號LD

L

直流偏置~

調(diào)制信號(a)

(b)半導體激光器調(diào)制

(a)

電原理圖；(b)

調(diào)制特性曲線

內(nèi)調(diào)制方式-直接調(diào)制半導體激光器調(diào)制原理以及輸出光功率與調(diào)制信號的關系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件43PoutIbID

ttI(b)OIOt(a)(a)

LED數(shù)字調(diào)制特性(b)

加Ib后LD數(shù)字調(diào)制特性內(nèi)調(diào)制-數(shù)字調(diào)制特性

Pout浙江大學光電系44

外調(diào)制方式第五章

集成光無源器件激光器光載波外調(diào)制器調(diào)制光信號輸出

外調(diào)制：通過光調(diào)制器，將攜帶信息的電信號與輸入光調(diào)制器的連續(xù)光載波相作用。包括：幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制。

電信號外調(diào)制方式浙江大學光電系第五章

集成光無源器件45調(diào)制方式比較激光器

輸出調(diào)制光

信息電信號

連續(xù)光信號外調(diào)制器LD

輸出連續(xù)光

信息電信號

輸出調(diào)制光波激光器

輸出調(diào)制光信息電信號

信息電信號輸出調(diào)制光波（a）

直接調(diào)制（b）外調(diào)制01

0

1

001

0

1

0直接調(diào)制：電路簡單，容易實現(xiàn)，高速率時輸出光光譜變寬，易受光纖色散影響；外調(diào)制：適合高速率光纖傳輸系統(tǒng)浙江大學光電系第五章

集成光無源器件46光調(diào)制器?

光調(diào)制器——外調(diào)制方式中采用，把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分

開，

可避免對光源直接調(diào)制產(chǎn)生線性調(diào)頻的限制。調(diào)制器

一般用電光效應或聲光效應使折射率改變，或用磁光效應

使光的透過率變化實現(xiàn)光調(diào)制。?

調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號變化而變化，這些

參數(shù)包括光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長等。承載

信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測器系統(tǒng)解調(diào)，

然后檢測出所需要的信息。?

與光開關的區(qū)別：如果一個器件的主要作用是通過暫時改

變光波的某一特性將信息加到光波上去，則為調(diào)制器；而

光開關則是改變光線的空間線路或控制其通斷。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件47高的調(diào)制速率

寬的調(diào)制帶寬低的半波電壓

高的消光比低的插入損耗

光調(diào)制器的性能參量

光調(diào)制器的性能參量

半波電壓、消光比、調(diào)制帶寬、插入損耗光纖通信系統(tǒng)對調(diào)制器的要求：外調(diào)制技術分類：?電光調(diào)制

Electrooptic

Effects?電致吸收

Electro-Absorption

Effects?磁光調(diào)制

Magnetooptic

Effects?聲光調(diào)制

Acoustic

Modulators其中電光調(diào)制和電致吸收最為常用。48電光效應光調(diào)制器輸出

-電極ATi

-

LiNbO

3

波導

LiNbO

3浙江大學光電系光纖A電極調(diào)制信號

V

t

+

BLiNbO

3耦合波導L0-

dEaB

nAV

t

nB

光輸入方向耦合器型電光強度調(diào)制器

第五章

集成光無源器件浙江大學光電系第五章

集成光無源器件49電光效應光調(diào)制器

M-Z型電光強度調(diào)制器電光效應:

在較強外電場作用下，介質(zhì)的極化強度以及折射率會各向異性的發(fā)生變化。電光效應馳豫的時間很短，僅有10-11s量級，外場的施加或撤銷導致的折射率變化或恢復瞬間即可完成，因而可用作高速調(diào)制器、高速開關等。

調(diào)制信號V

t

共平面條形電極輸出D偏振光輸入

CLiNbO

3偏振光輸入調(diào)制信號V

t

電極輸出BA

DC

ABEa+--AB+-Ea

ABTi-LiNbO3

波導LiNbO

3

(a)

調(diào)制電壓施加在兩臂上

Ti-LiNbO3

波導(b)

調(diào)制電壓施加在單臂上V

/2V

調(diào)制電壓

V半波電壓V

是把調(diào)制器從最小光強轉(zhuǎn)換到

最大光強所需的電壓注意：在調(diào)制的區(qū)域要求器件的線性度高。若調(diào)制器工作在非線性部分,則調(diào)制光將發(fā)生畸變。電光調(diào)制器響應

電光調(diào)制的透過率(調(diào)制器被偏置在

V

/2點上)

透射光強

t浙江大學光電系第五章

集成光無源器件51聲光效應調(diào)制器

聲光效應調(diào)制器工作原理聲波的應變場改變某些晶體的折射率，由于聲波的周期性，會引起折射率的周期性變化，產(chǎn)生類似于光柵的結(jié)構(gòu)，從而對入射的光波產(chǎn)生調(diào)制。

常用材料：壓電晶體(石英、鈮酸鋰)或壓電半導體彈光效應：超聲波引起晶體的應變場，使入射晶體中的光被這種彈性波衍射。52聲光調(diào)制器的工作原理

聲光調(diào)制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。

調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應的電信號轉(zhuǎn)化為變化的超聲場，當光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。I0

Ii

cos

,I1

Ii

sin2sin

B

2n

s衍射光入射光布喇格型聲光調(diào)制器布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖所示。

布拉格方程λs

(sin

i

+sin

d

)＝m

λ/n

fs

2nvs

53

調(diào)制信號

2

v

v

2

2

是光波穿過長度為L的超聲場所產(chǎn)生的附加相位延遲

ν＝2πΔnL／λI1

/Ii

sin

[

(

)

nL)]

s=I1

2L22

cos

54

tPsId(fm)

0

fm(Is)聲光調(diào)制特性曲線

布喇格型聲光調(diào)制器響應布喇格聲光調(diào)制特性曲線與電光強度調(diào)制相似，如圖所示。由圖可以看出：衍射效率

s與超聲功率Ps是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。s聲光材料的品質(zhì)因數(shù)

M2

n6P2

/

p

3

2

1

2

2

2

2

M2IsIi

B

cos

B

2

cos2

B

H

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件552

22M2L2Is

P

HLIs

s

2M

2

L

所需的聲功率可見，聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100%的衍射效率所需要的聲功率越小。而且電聲換能器的截面應做得長（L大）而窄（H小）。布喇格型聲光調(diào)制器響應聲光調(diào)制器的一個重要參量是衍射效率，要

得到100％的調(diào)制所需要的聲強度為I1

Ii

sin

Ii

sinBV浙江大學光電系第五章

集成光無源器件56聲光波導調(diào)制器聲波產(chǎn)生

的光柵O

sin

SAW

sin

nmax

nminO

輸入光

B

A

x

nnmax

nmin實際折射率射頻輸入

LiNbO3

理想折射率

P,

Q

2

x

聲波V

acoustic

A'B'

輸出光

x

x

聲波

強度

nnmax

nminAA'B'

nminnmax

Bnmaxnmax輸入光輸出光(反射光)

V

acoustic聲波

Q

sin

聲波波前

O

P

sin

O'

2

Δ

2

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件57

第五章

集成光無源器件?

集成光無源器件概述?

典型的集成光無源器件

耦合器：定向耦合器、多模干涉耦合器、Y分支

MZ干涉儀

微環(huán)諧振器

波分復用器?

光開關與調(diào)制器

光開關

調(diào)制器?

磁光隔離器與環(huán)形器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件58光隔離器

(Isolator)

用途

只允許光波往一個方向傳播，阻止光波往其

他方向特別是反方向傳輸?shù)摹?/p>

主要用在激光器或光放大器的后面，以消除

反射光的影響，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

主要參數(shù)要求

插入損耗?。ǖ湫椭导s為0.5

dB）

隔離度大（典型值約在40~50dB之間）

PDL小（<0.2

dB）

?

典型的非互易性器件59場的作用下可使穿過它的平面偏振光的偏振

方

向

旋

轉(zhuǎn)（在光的傳播方向上加上強磁場時）

浙江大學光電系

法拉第效應（磁致旋光效應）?

法拉第發(fā)現(xiàn)，

許多物質(zhì)在磁Ｈ

d第五章

集成光無源器件

浙江大學光電系第五章

集成光無源器件60·法拉第旋轉(zhuǎn)器（Faraday

Rotator）對于給定的磁光材料，光振動面旋轉(zhuǎn)的角度

與光在該物質(zhì)中通過的距離L和磁感應強度

B成正比，

＝VLBV是材料的特性常數(shù)，稱韋爾代常數(shù)，單位是：

分/特斯拉

米。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件61磁光效應光調(diào)制器

磁光調(diào)制原理圖法拉第效應：當一束平面偏振光通過磁場作用下的某些物質(zhì)時，其偏振面受到正比于外加磁場平行于傳播方向分量的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

常用材料：釔鐵石榴石(YIG)或摻鎵YIG晶體EOOEOE檢偏器棱鏡方解石3插入損耗(dB)串音(dB)開關時間(ms)最小電壓(V)1.3~1.7-2530±5EOEO雙折

Gd:YIG雙

檢

折

棱射分

晶體

射

偏

分

鏡離

器離方解石1

分

45石英雙折射起偏

離

器

1檢離2

器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件622光纖磁光開關

線圈施加

電壓+5V時32透鏡透鏡透鏡玻璃塊

0旋轉(zhuǎn)器1

光纖光纖

透鏡O+E3光纖1

光纖

透鏡

電磁鐵透鏡1

光纖

透鏡

線圈施加

電壓-5V時起偏器玻璃塊0-55端口1-3端口1-2

0施加電壓(V)

(b)表

3.6.1磁光式光開關的特性O+EGd:YIG

晶體

30

傳

輸

損

20

耗(dB)

10

方解石2

分

偏(a)雙折射4545

C

法拉90浙江大學光電系第五章

集成光無源器件63光隔離器的基本結(jié)構(gòu)GRIN透鏡GRIN透鏡起偏振器檢偏振器法拉第旋轉(zhuǎn)器0ooo入射光反射光出射光反射光自聚焦透鏡

0第旋轉(zhuǎn)器永磁鐵

方解石（檢偏振器）

方解石（起偏振器）Gd：YIG膜PA

磁場法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器工作原理厚膜Gd：YIG構(gòu)成的隔離器結(jié)構(gòu)磁致旋光不可逆性：當光傳播方向平行于磁場時，若法拉第效應表現(xiàn)為左旋，則當光線逆反時，法拉第效應表現(xiàn)為右旋。J.

Fujita,

et

al.,

APL,

2000光波導型光隔離器O

Zhuromskyy,

et

al.,

Optical

and

Quantum

Electronics，2005光波導型光隔離器28dB光波導型光隔離器浙江大學光電系第五章

集成光無源器件67光隔離器的性能指標插入損耗和隔離度是光隔離器的兩個主要性能參數(shù)，另還有回波損耗，偏振相關損耗和偏振模色散。

（1）插入損耗

插入損耗是指在光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的附加損耗。如果輸入的光信號功率為Pi，經(jīng)過光隔離器后的功率為Po，則插入損耗IL為(dB)iPo

P

IL

10log顯然，其值越小越好。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件68ii

光隔離器的性能指標

（2）回波損耗

回波損耗是指由于構(gòu)成光隔離器的各元件、光纖以及空氣折射率失配引起的反射造成的對入射光信號的衰減?；夭〒p耗RL為

P

PRL值越大越好。

（3）隔離度

隔離度是指在逆光隔離器通光方向上傳輸?shù)墓庑盘栍捎谝牍飧綦x器而產(chǎn)生的損耗。有

Iso

10log

(dB)其中，P

為反向輸入光隔離器的光信號功率，Po

為反向通過光隔離器的光功率。隔離度越大越好。浙江大學光電系第五章

集成光無源器件69光隔離器的性能指標

（4）偏振相關損耗（PDL）

是指輸入光偏振態(tài)發(fā)