Whoscored(中国·中文)官网-专注足球数据分析的专业平台

微波光子技术中常用的光学以及光电子器件

简介

微波光子学是一门跨学科领域，结合了微波工程和光子学，以克服传统电子系统的局限性。利用两个领域的优势，在带宽、速度、信号质量和能效方面实现性能提升。本文概述了微波光子系统中使用的关键光学器件，包括光纤、光源、探测器、调制器和无源元件。

光纤

光纤是微波光子系统中主要的波导介质。标准光纤由一个圆柱形芯和包层组成，两者均由电介质材料制成。芯的折射率略高于包层，从而允许光通过全内反射进行引导。

图1：光纤的几何结构

根据折射率分布，光纤可分为阶跃型或渐变型。阶跃型光纤在纤芯-包层界面处折射率发生突变，而渐变型光纤的折射率从纤芯中心向外逐渐减小。

光纤中的光传播可用麦克斯韦方程组描述。对于纤芯和包层折射率差较小的弱导光纤，其解可近似为线性偏振（LP）模式。支持的模式数量取决于光纤参数和波长。单模光纤仅支持LP01基本模式，因其色散低、带宽高，因此是大多数微波光子应用的首选。

图2：光纤模式的传播常数与归一化频率的关系

单模光纤的一个重要参数是色散，它会导致不同波长的光以不同的速度传播。这会导致数字系统中的脉冲展宽和模拟系统中的衰落效应。色散可以用传播常数的泰勒级数展开来建模。

光源

半导体激光二极管体积小巧、效率高、可直接调制，是微波光子学领域应用最广泛的光源。其基本工作原理是在正向偏压的p-n结中实现人口反转，从而产生受激辐射。

图3：半导体激光器的材料增益光谱

常见的激光结构包括：

法布里-珀罗激光器：使用切割面作为反射镜形成腔体。发射多个纵向模式。
分布式反馈（DFB）激光器：在有效区域中加入一个光栅，以选择单一模式。提供窄线宽发射。

图4：DFB和λ/4偏移DFB激光器的布局

分布式布拉格反射镜（DBR）激光器：在腔的两端使用布拉格反射镜。允许波长调整。
垂直腔面发射激光器（VCSEL）：垂直于晶圆表面发射。输出光束呈圆形，非常适合光纤耦合。

图5：垂直腔面发射激光器结构

激光器的关键性能参数包括输出功率、阈值电流、调制带宽、相对强度噪声（RIN）和线宽。动态特性由载流子和光子密度的速率方程描述。

量子阱结构通常用于有源区，以提升性能。与体半导体激光器相比，多量子阱（MQW）激光器可实现更高的调制带宽。

探测器

光电探测器将光信号转换为电信号。微波光子学中最常用的类型是p-i-n光电二极管。它由一个反向偏压的p-n结组成，中间有一个本征（未掺杂）区域，用于增加耗尽宽度。

图6：p-i-n光电二极管结构

当能量大于带隙的光子被吸收时，它们会产生电子-空穴对，并被电场扫出，产生光电流。关键参数包括响应度、带宽和噪声。

p-i-n光电二极管的带宽受传输时间效应和RC时间常数的限制。行波结构可以克服RC限制，实现超过100 GHz的带宽。单行波载波（UTC）光电二极管使用独立的吸收和收集区域，同时实现高功率处理和带宽。

调制器

对于高于10 GHz的频率，直接调制激光器变得效率低下。此时需要使用外部调制器，将射频信号施加到连续波光载波上。主要有两种类型：

1. 电光调制器：利用Pockels效应通过施加电压改变折射率。常用的材料包括铌酸锂和III-V族半导体。最常用的配置是马赫-曾德干涉仪（MZI）结构。

图7：马赫-曾德干涉仪调制器布局

2. 电吸收调制器：利用多量子阱结构中的量子受限斯塔克效应，通过外加电场改变吸收。

图8：电吸收调制器结构

当以推挽式结构驱动时，马赫-曾德调制器具有高消光比和无啁啾操作的特点。关键参数包括Vπ（π相移电压）、带宽和插入损耗。采用行波电极设计可实现带宽>100 GHz。

电吸收调制器可在较低电压下工作，并可与激光器集成，但插入损耗较高。其传递函数是非线性的，可用于谐波生成等应用。

光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅（FBG）是沿光纤芯的折射率周期性扰动。它们充当波长选择性反射器，在布拉格波长处出现峰值反射，其计算公式为：

λB = 2neffΛ

其中neff为有效折射率，Λ为光栅周期。

图9：光纤布拉格光栅的结构和光谱

FBG是通过将光敏纤维暴露于紫外干涉图案中而制成的。常见的方法包括双光束干涉测量法和相位掩膜技术。

FBG的关键参数包括反射率、带宽和色散。周期随长度变化的啁啾光栅可以提供色散补偿。利用渐消技术可以抑制反射光谱中的旁瓣。

FBG在微波光技术学中可用作滤波器、色散补偿器和延迟线。它们可以通过施加应变或改变温度来调节。

阵列波导光栅

阵列波导光栅（AWG）是一种平面光波电路，可作为波长多路复用器/解复用器。它们由输入/输出波导、两个自由传播区域（FPR）以及一组相邻波导间路径长度差恒定的波导阵列组成。

图10：阵列波导光栅布局

其工作原理基于不同阵列波导光线的建设性干涉。AWG可以将不同波长的光传输到不同的输出端口，因此可用于波分复用。关键设计参数包括自由光谱范围、通道间距和串扰。

微波光子系统中常用的其他无源器件包括：

1.耦合器：用于分离/合并光信号。基于渐逝场耦合或模态干扰的2x2耦合器最为常见。其工作由耦合系数k描述。

2.隔离器：只允许光沿一个方向传播。利用非互易的法拉第旋转实现>60 dB的隔离度。

3.循环器：多端口非互易器件，可将光从一个端口以循环方式传输到下一个端口。用于分离反向传播的信号。

这些元件的特性参数包括插入损耗、隔离比和串扰。

总结

本文概述了微波光子系统中使用的关键光学器件。了解这些器件的原理和特性对于设计和分析微波光子链路、信号处理器和其他应用很重要。随着该领域不断进步，利用光子集成、新材料和量子效应的新型器件不断涌现，进一步推动性能极限。

微波工程与光子学之间的协同作用在带宽、低损耗和抗电磁干扰方面具有独特的能力。通过利用两个领域的优势，微波光子学为下一代通信、传感和信号处理系统开辟了新的可能性。

参考资料

[1] J. Yao, J. Capmany, and M. Li, “Microwave Photonics”. Hoboken, NJ: Wiley-IEEE Press, 2024.