第1章电光开关

本章导读

电光开关作为光交换和光调制技术中比较成熟的技术，不仅在学术界得到广泛研究，在商用的光网络产品中也得到的普遍的应用。本章将结合电光开关中最典型的材料——铌酸锂晶体来介绍电光开关的基本原理，同时介绍几种电光开关的工作原理和制作过程。

电光开关利用波导材料的电光效应实现波导折射率调制，改变光的路径以达到开关的目的，属于波导光开关。电光开关是目前唯一开关时间可以达到亚微秒甚至纳秒量级的光开关，还具有插入损耗低、消光比高及寿命长等优点。

电光开关有两种类型：直接电光效应型和间接电光效应型。直接电光效应型光开关利用了材料的Pockels效应或Franz-Keldysh效应，通过电场的改变来改变材料的折射率。这类器件具有很快的开关响应速度，一般开关时间小于1 ns。通常，构成这类器件的波导材料有较高的电光系数，如铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族化合物以及聚合物等。而间接电光效应型光开关一般为半导体材料波导光开关，如利用半导体材料的等离子色散效应，通过注入电流来实现折射率调制。由于受半导体中的载流子寿命的限制，这类器件的开关时间一般为微秒或亚微秒。最近几年，人们对这种载流子注入电光开关进行了大量的研究，制作了多种半导体材料，如InP基、GaAs基和Si基底的波导光开关。

电光开关有多种结构类型，如传统的Mach-Zehnder（MZ）干涉仪型、定向耦合器型和Y分叉型等，如图1-1所示。

图1-1 几种传统的电光开关结构

在传统光开关结构的基础上，人们又提出了许多新的结构。如基于多模干涉（Multi-mode Interference，MMI）耦合器结构的MZ光开关。利用2×2 MMI耦合器代替传统的定向耦合器或Y分叉器结构，可以大大减少器件的尺寸，同时器件加工简单，制作容差大。

最近，FujiXerox公司研制出了掺镧锆钛酸铅（PLZT）电光波导开关。PLZT即电光系数较大的（Pb, La）（Zr, Ti）O3材料，采用固相外延（Solid Phase Epitaxy，SPE）技术来制作。其他同样具有高电光系数的聚合物，也被用来作为电光开关材料，开关速率可达到GHz的数量级，消光比大于20 dB，损耗降低到1 dB左右。如果合理设计电极结构，开关速度可超过100 GHz。

无论传统或新型结构的电光开关，光波导是制作一切波导光开关的核心，目前，常用的光波导材料有以LiNbO3为代表的晶体、半导体以及聚合物等。其中，LiNbO3光波导是最典型的电光材料，用来制作光调制器和光开关十分理想。它制作在LiNbO3晶体衬底上，首先通过钛（Ti）内扩散或质子交换技术在衬底上形成图案化的光波导，然后在波导上形成电极。为了更好地理解电光开关，本章首先对晶体，特别是LiNbO3晶体中的电光特性进行介绍。

1.1 晶体中的电光效应

电光开关一般是基于材料的电光效应而制作的电控光开关，实现对光路的通、断控制。通常电光开关的材料需要具有较高的电光系数，如铌酸锂（LiNbO3）晶体、Ⅲ-Ⅴ族化合物以及聚合物等。电光开关的结构多种多样，可采用体结构或平面波导结构。从易于集成的角度考虑，研究较多的电光开关均采用平面波导结构，而其中最为成熟的则是以LiNbO3为基片材料的各类平面波导开关，这也是本章节介绍的重点。

1.1.1 光在晶体中的传播特性

要理解晶体的电光效应首先需要了解光在晶体中的传播特性。光在晶体中传播时应满足物质的本构方程，其电位移矢量D′和电场强度E′之间的本构方程为：

其中，ε为晶体的介电常数张量，在直角坐标系中可写成矩阵形式：

晶体的介电常数张量为对称张量，即：

在一定条件下，可选择适当的直角坐标系，使ε成为对角线张量形式：

此时的直角坐标系称为晶体主轴坐标系。若εx=εy=εz，则晶体为各向同性晶体；若εx=εy≠εz，则晶体为单轴晶体；若εx≠εy≠εz，则晶体为双轴晶体。由于光在晶体中沿某一给定方向传播的相速度（或折射率）与偏振方向有关，在分析晶体中沿任意方向传播的波时，问题就变得非常复杂，因此引入一种最方便的方法——折射率椭球，用来分析光在晶体中的传播特性，而电光效应中晶体光学性质的变化就可通过折射率椭球形状、尺寸、方位的变化得以表现。

1. 折射率椭球方程

在直角坐标系下归一化电位移矢量可表示为椭球方程，称为折射率椭球方程，它所描述的椭球面为折射率椭球，可以写成：

其中，ni=（εi/ε0）1/2，变量x，y，z表示在3个主轴方向的分量。折射率椭球的3个主轴方向，就是晶体的3个主轴方向，ni即为晶体的3个主折射率。若nx=ny=nz，折射率椭球实际上是个球体，说明这是各项同性晶体（或介质）；若nx=ny=no，nz=ne，则称为单轴晶体；若nx≠ny≠nz，则称为双轴晶体。

根据折射率椭球，可求出晶体中任意传播方向上两个光波模式的折射率及相应的偏振方向（⇀的方向）。此处以一个单轴晶体为例来说明这种方法。图1-2（a）为一个单轴晶体的折射率椭球：

由于折射率椭球关于z轴（光轴）旋转对称，可以将问题简化到yoz平面来考虑[见图1-2（b）所示]。假设yoz平面内光传播的方向为S方向，则作通过原点与传播方向S垂直的平面，此平面与折射率椭球相交显然为一个椭圆曲线，此椭圆曲线的两个轴在长度上等于2no和2n′，其中no和n′就是所求的两种折射率，两个轴的方向就是所求的两个偏振Do⇀ 和De⇀ 的方向，如图1-2（b）所示。显然，随着传播方向的不同，始终有一种光波模式的折射率为no，此种模式也称“寻常光”或“o光”，其偏振方向垂直于传播方向S和光轴z所成的平面。而另外一种光波模式的折射率随传播方向的改变而改变，也称“非寻常光”或“e光”，其偏振方向在传播方向S和光轴z所成的平面内。“o光”和“e光”的偏振方向始终相互垂直，所以也称它们是正交的。

图1-2（a）单轴晶体的折射率椭球（b）相应于S方向上的椭圆曲线

2. 晶体中的电光效应

晶体中光波的传播特征完全由折射率椭球描述，电场对传播影响的最方便的表达是折射率椭球的常数如何改变，通常，采用电光张量来表征折射率椭球常数与外加电场之间的关系，即：

式中，γij为电光张量的各分量。

在外加电场时，由于折射率的变化，原来标准形式的折射率椭球必然会在形状大小和方位上发生变化，由于坐标原点保持不变，所以该椭球无平移，只是发生坐标旋转的位置变化。这样在外加电场下，标准形式的折射率椭球方程为：

利用电光张量矩阵，在外加电场作用下折射率椭球的普遍表达式可写为：

由式（1-9）可见，在外加电场作用下，晶体的折射率椭球不仅可能发生形状的变化，还可能发生坐标旋转（坐标交叉项出现）的变化，因此原来的主轴已不再是变化后椭球的主轴。为了计算光波在晶体中的传播特性，一般需要求得新的主轴坐标系。这是一个比较复杂的计算过程，此处不再赘述。

由于晶体的对称性，电光张量矩阵18个电光系数大部分等于零，只有少部分系数不为零，且其中还有一些是相等的，所以在实际应用中，式（1-9）可得到很大简化。

1.1.2 铌酸锂晶体的电光特性

铌酸锂是一种无色或淡黄色透明的单轴人工晶体，分子式为LiNbO3或简写为LN。LiNbO3有着优异的光折变性能，并具有压电、热电、铁电、电光、声光、非线性及激光活性等多种效应，是迄今为止，人们所发现的光学性能最多、综合指标最好的人工晶体，被称为“通用型”晶体。同时，铌酸锂晶体易于生长成大块优质的单晶，且生长效率高，成本低廉，性能稳定，易于产业化生产，此外，实施不同掺杂后，铌酸锂晶体能呈现出各种各样的特殊性能。铌酸锂晶体已经被制成多种光学及压电器件，如声表面波器件、光调制器、光倍频器和光学参量振荡器等，广泛应用于全息存储与识别、光放大和光通信等领域。光通信系统中广泛使用的外调制器即是用铌酸锂晶体实现的，且绝大部分高速电光开关及矩阵也均采用铌酸锂晶体实现，因此它是光通信领域最基本和最重要的功能材料之一。

基于铌酸锂晶体的平面波导光开关和外调制器主要利用了铌酸锂晶体的线性电光效应，已在高速光通信系统和网络中获得了重要应用，这主要是由于以下几个原因：

● 铌酸锂晶体具有很大的电光系数，特别是在其光轴（z轴）方向γ1233=30.8 × 10−V/m，应用中一般均在铌酸锂晶体光轴方向加电场，因此，铌酸锂光开关具有较低的开关电压或调制电压；

● 铌酸锂晶体具有极快的电光响应时间（10−19s），所以铌酸锂光开关可以达到纳秒（10−9s，ns）甚至皮秒（10−12s，ps）级的开关速度；

● 铌酸锂光开关具有很低的串扰和较低的插入损耗，且其材料成本低，工艺相对简单，制作工艺较成熟。

然而，铌酸锂开关和调制器的制作工艺与半导体工艺兼容性低，与无源光器件的可集成性也较差，从而无法实现与半导体光电器件的集成，无疑是个较大的缺点。

根据上述的基本理论，下面介绍表征铌酸锂晶体光学性质的折射率椭球方程以及铌酸锂晶体中的电光效应。

1. 铌酸锂晶体的折射率椭球方程

铌酸锂晶体是一种单轴晶体，它的电光张量矩阵为：