前面的筆記（[DML激光器與EML激光器]中提到，直調激光器存在啁啾效應，長距離傳輸時，信號會失真，而采用外部調制的方式，則可以避免這一問題。對光信號進行外部調制的器件，就稱為光學調制器。它是光通信系統中的關鍵部件。

光學調制器可以分為兩大類：1）電吸收型 ，即通過改變材料對光的吸收，改變光信號的強度，進而調制信號； 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，引起光信號的相位改變，進而導致信號強度的變化。

（一）電吸收型調制器

電吸收調制器主要基于Franz–Keldysh效應和量子限制的Stark效應。Franz-Keldysh效應是指在外電場作用下材料吸收邊發生變化的現象。在外電場的作用下，能帶傾斜，價帶電子通過隧穿躍遷到導帶的幾率大大增加，有效能隙減小，使得吸收邊發生紅移，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，與Franz–Keldysh效應非常類似，也是在外加電場的作用下，能帶發生傾斜，使得有效帶隙降低，吸收邊紅移。它們的區別在于，量子限制Stark效應發生在量子阱結構中, 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效應發生在體塊材料中。Franz-Keldysh效應中，材料的折射率也會發生改變。 另一點區別，量子限制Stark效應是偏振敏感的。

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

（二）折射率改變型調制器

導致材料折射率改變的物理效應比較多，常用的有電光效應、聲光效應和磁光效應等。

電光效應是指在電場作用下，材料折射率發生改變的現象。電光效應又分為線性電光效應（即Pockels效應）和二次電光效應（即Kerr效應）。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。基于鈮酸鋰線性電光效應的調制器在光通信中應用十分廣泛。典型的電光調制器結構如下圖所示，

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

信號進過Y型分束器后，分別通過上下兩臂，如果兩臂的相位相同，經過合束器后，信號不發生變化。如果兩臂的相位相反，兩路的信號疊加后相消，導致最終輸出的信號強度為0。如果外加電信號的改變，可以改變Mach-Zehnder干涉器某一路的相位，進而達到調控信號的目的。可以將Mach-Zehnder干涉器設計成多個級聯的方式，從而達到更復雜的調制模式，如下圖所示，

（圖片來自參考文獻1）

聲光效應是當聲波通過介質時，介質局部發生壓縮和伸長而產生彈性形變，形變導致折射率改變的現象。該彈性形變隨時間和空間作周期性變化，使介質出現疏密相間的現象，類似一個相位光柵 。當光通過這一受到聲波擾動的介質時就會發生衍射現象，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生聲波，聲波的變化導致衍射光波的強度，從而達到信號調制的目的。與電光調制器相比，聲光調制器的消光比可以非常高。聲光調制器常用于激光器的調Q開關（Q-switch）。

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

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參考文獻：

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