前面的筆記（[DML激光器與EML激光器]中提到，直調(diào)激光器存在啁啾效應(yīng)，長距離傳輸時(shí)，信號(hào)會(huì)失真，而采用外部調(diào)制的方式，則可以避免這一問題。對(duì)光信號(hào)進(jìn)行外部調(diào)制的器件，就稱為光學(xué)調(diào)制器。它是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。

光學(xué)調(diào)制器可以分為兩大類：1）電吸收型 ，即通過改變材料對(duì)光的吸收，改變光信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)制信號(hào)； 2）折射率改變型，即基于某種物理原理改變材料的折射性質(zhì)，引起光信號(hào)的相位改變，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度的變化。

（一）電吸收型調(diào)制器

電吸收調(diào)制器主要基于Franz–Keldysh效應(yīng)和量子限制的Stark效應(yīng)。Franz-Keldysh效應(yīng)是指在外電場作用下材料吸收邊發(fā)生變化的現(xiàn)象。在外電場的作用下，能帶傾斜，價(jià)帶電子通過隧穿躍遷到導(dǎo)帶的幾率大大增加，有效能隙減小，使得吸收邊發(fā)生紅移，如下圖所示，

( 圖片來自 https://www.leitenstorfer.uni-konstanz.de/en/research/multi-terahertz-physics-and-technology/ )

量子限制Stark效應(yīng)，與Franz–Keldysh效應(yīng)非常類似，也是在外加電場的作用下，能帶發(fā)生傾斜，使得有效帶隙降低，吸收邊紅移。它們的區(qū)別在于，量子限制Stark效應(yīng)發(fā)生在量子阱結(jié)構(gòu)中, 如下圖所示，電子和空穴被束縛在量子阱中。施加電場后，束縛的電子和空穴形成激子（exciton）。

（圖片來自 http://pweb.cc.sophia.ac.jp/shimolab/html-e/qcse-e.html）

而Franz-Keldysh效應(yīng)發(fā)生在體塊材料中。Franz-Keldysh效應(yīng)中，材料的折射率也會(huì)發(fā)生改變。 另一點(diǎn)區(qū)別，量子限制Stark效應(yīng)是偏振敏感的。

另外，InP光芯片中的調(diào)制器正是基于量子限制Stark效應(yīng)，該筆記基于InP的光芯片簡介已經(jīng)提及。

（二）折射率改變型調(diào)制器

導(dǎo)致材料折射率改變的物理效應(yīng)比較多，常用的有電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)和磁光效應(yīng)等。

電光效應(yīng)是指在電場作用下，材料折射率發(fā)生改變的現(xiàn)象。電光效應(yīng)又分為線性電光效應(yīng)（即Pockels效應(yīng)）和二次電光效應(yīng)（即Kerr效應(yīng)）。兩者的差別在于折射率與外電場的一次方還是二次方成正比?；阝壦徜嚲€性電光效應(yīng)的調(diào)制器在光通信中應(yīng)用十分廣泛。典型的電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)如下圖所示，

（圖片來自 https://www.slideshare.net/chinkitkit/chapter-3b-36657198）

信號(hào)進(jìn)過Y型分束器后，分別通過上下兩臂，如果兩臂的相位相同，經(jīng)過合束器后，信號(hào)不發(fā)生變化。如果兩臂的相位相反，兩路的信號(hào)疊加后相消，導(dǎo)致最終輸出的信號(hào)強(qiáng)度為0。如果外加電信號(hào)的改變，可以改變Mach-Zehnder干涉器某一路的相位，進(jìn)而達(dá)到調(diào)控信號(hào)的目的?？梢詫ach-Zehnder干涉器設(shè)計(jì)成多個(gè)級(jí)聯(lián)的方式，從而達(dá)到更復(fù)雜的調(diào)制模式，如下圖所示，

（圖片來自參考文獻(xiàn)1）

聲光效應(yīng)是當(dāng)聲波通過介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)局部發(fā)生壓縮和伸長而產(chǎn)生彈性形變，形變導(dǎo)致折射率改變的現(xiàn)象。該彈性形變隨時(shí)間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，類似一個(gè)相位光柵 。當(dāng)光通過這一受到聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，如下圖所示，

（圖片來自 https://en.wikipedia.org/wiki/Acousto-optic_modulator）

外加電壓施加到壓電陶瓷上產(chǎn)生聲波，聲波的變化導(dǎo)致衍射光波的強(qiáng)度，從而達(dá)到信號(hào)調(diào)制的目的。與電光調(diào)制器相比，聲光調(diào)制器的消光比可以非常高。聲光調(diào)制器常用于激光器的調(diào)Q開關(guān)（Q-switch）。

以上是光學(xué)調(diào)制器中常用的一些物理效應(yīng)的簡單介紹，不是很全面。還有一些物理效應(yīng)（如熱光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等）沒有介紹。硅光芯片中的調(diào)制器，它是基于等離子體色散效應(yīng)（plasma dispersion effect）, 通過載流子濃度的變化，導(dǎo)致折射率的改變。

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參考文獻(xiàn)：

1. Antao Chen，and Edmond J. Murphy, Braodband Optical Modulators