电光调制器的应用及原理分析

电光调制器是利用调制信号产生的电场来改变器件的折射率，从而引起光波特性的变化，对光信号的相位、幅度、强度以及偏振状态进行调制。电光调制器可用于光通信系统中外调制器和高速光开关，也可作为激光束的电光频移器，还可在雷达系统中用作宽带光子微波移相器和光子延迟器，在光纤传感系统中用于干涉信号的解调等。

传统光纤/硅波导调制器中，由于光纤纤芯被包层隔离，光的相互作用较弱，且硅的有效模式折射率变化只有10－4量级，导致调制效率较低。因此需要很长光纤或者更大面积和更高能量来实现调制效应，难以实现器件的小型化。现有电光调制器多采用电光晶体，包括铌酸锂晶体（LiNbO3）、砷化稼晶体（GaAs）和钽酸锂晶体（LiTaO3）等，主要基于平板波导的Mach－Zehnder型结构，对材料和工艺要求都很高，成本和集成难度也较大。此外，平板波导调制器材料固有损耗和插入损耗较大，而且存在波导不匹配或者光耦合导致的后散射，对入射光源可能造成损害的风险。随着光纤通信和雷达、电子对抗等向着宽带化、集成化、小型化的方向快速发展，对电光调制器性能和尺寸等提出了更加苛刻的要求。以单一晶体为电光调制介质的传统电光调制器，已难以满足应用需求。复合光纤电光调制器可以融合多种材料的优点，实现更为灵活的调制特性，改善带宽、半波电压、插入损耗以及线性度等，并且更易实现与光纤系统的集成。

2013年，台湾中山大学Wang等采用氧化铟锡（ITO）嵌入式的石英双包层LiNbO3晶体光纤制作光纤电光调制器［275］。复合光纤的半波电压（V）为6.6 V，有效光电系数为23.6 pm/V，传输损耗仅为0.89 dB/cm。随着纤芯直径即ITO电极间距的减小，半波电压降低，有效光电系数增大，当电极间距从70μm降低至50μm时，有效光电系数从27.2 pm/V增大到28.3 pm/V。

D形光纤因纤芯距外表面较近，光纤表面具有较强的倏逝场，当在D形光纤表面涂覆电光材料时，电光材料可与光进行充分作用，从而大幅度提高调制器的调制效率。电子科技大学刘永等将光纤的一段侧面抛光成凹槽，利用ITO作为电光材料并结合微尺寸光纤制作电光调制器［276］，可同时对TE和TM模式光吸收系数进行动态调谐，实现对光波偏振不敏感调制，克服了目前主流电光调制器Mach－Zehnder型LiNbO3调制器对偏振敏感的缺点。值得注意的是，相对于硅基调制器插入损耗25dB，这种抛光光纤的损耗小于1 dB。张艳［277］提出的一种基于级联D形光纤的石墨烯电光调制器，实现消光比为18 dB，调制深度为0.09 dB/μm，3 dB带宽为18 GHz；当最大调制深度为0.23dB/μm时，所需最大驱动电压仅为0.862V。边玉腾等将纤芯刻写相移光纤光栅和有机聚合物相结合，利用相移光纤光栅的窄带透射特性，设计了一种D形结构的全光纤电光调制器［278］。当聚合物折射率变化为10－4时，中心波长漂移量达到10－2 nm；同时，高频电压调制下，相移光纤光栅传输谱的形状以及中心波长还会受光栅长度和调制频率的影响。王建帅等在D形光纤中引入双芯，制成了一种全光纤耦合式电光调制器［279］。在光纤表面涂覆带电极的电光聚合物，当加载电压时，电光聚合物的折射率随电压变化，靠近电光聚合物的纤芯对其折射率变化敏感，而位于中心的纤芯对其不敏感；通过改变加载在电光聚合物两端的电压，两芯的耦合程度发生变化，即可实现光的强度调制。(www.xing528.com)

北京大学刘忠范院士等发明了一种新型的石墨烯光子晶体光纤液态电极电光调制器［280］。该器件在光子晶体光纤表面和内壁覆盖石墨烯薄膜，在光纤内部充入离子液体与电极接触制成离子液体电极，通过调节电压改变石墨烯费米能级来调控光在石墨烯光纤中的透过率，最终实现电光调制。该电光调制器与其它类似的石墨烯电光调制器相比，具有更高的工作带宽和调制效率、更低的能量，光谱响应范围11501600 nm，实现了在较低驱动电压（2 V）下高达20 dB/cm@1550 nm的调制深度［281］。Lu等提出了一种基于磁流体和液晶填充光子晶体光纤的光强度调制器［282］。该器件的电场和磁场都可以在不改变液晶折射率的情况下控制液晶分子排列成一定角度的阵列，光损耗随电场和磁场的变化而变化，从而改变透射强度，在20 Hz时其截止电场为0.899 V/μm，截止磁场为195 mT。这种结构简单、紧凑的光调制器可用于传感领域。

慈龙祥等［283］则提出一种多包层聚合物长周期光纤光栅电光调制器。该器件利用长周期光纤光栅对外界折射率的高敏感性，能够实现低驱动电压下高速信号调制；当驱动电压为3V时即可实现单波长调制，输出功率变化值为19 dB，当驱动电压10 V时可实现双波长调制，输出功率变化值分别为11 dB、45 dB。