1.6 掺镧锆钛酸铅（PLZT）电光开关

以上所述的电光开关大多基于铌酸锂晶体中的电光效应，虽然铌酸锂晶体是一种具有很多优势的电光材料，但同时也存在偏振敏感、DC漂移和驱动电压高等劣势。近年来，提出了一种新型的镧锆钛酸铅（PLZT）陶瓷材料，通过在锆钛酸铅材料中掺入镧元素能够实现较好的透明性，通常用Pb1−xLax（ZryTi1−y） 的通式来表示其化学组成。其中，x和y表示组分，x的范围是0.01～0.30。La，Zr，Ti的成分一般用x/y/z来表示。通过改变La，Zr，Ti的比例，就可得到电光性能不同的任一种透明陶瓷。

PLZT的电光效率比铌酸锂晶体高得多（克尔系数大），具有响应时间短、偏振不敏感、驱动电压低、损耗小、易于生长等优点，近年来在新型高速电光器件研究中备受瞩目。作为一种陶瓷电光材料，PLZT在未加电场时呈现各向同性，而在外场作用下，将呈现负单轴折射率椭球特性，其轴向只与外电场方向相关，克服了铌酸锂等单晶材料在应用中对加工的苛刻要求，使其应用更加灵活。

1.6.1 PLZT的电光特性

PLZT材料主要具有两种电光效应：其一是颗粒度为2μm以上的极化的粗晶粒陶瓷片具有的散射光的强度随着极化轴的角度发生变化的特性，其二是2 μm以下的微细晶粒陶瓷片呈现以极化方向为光轴的单轴负双折射光学各向异性，同时，双折射率随偏置电压而变化。

PLZT材料的电控双折射效应是通过加载电场的方法改变其双折射率来实现的。当一束线偏振光通过PLZT材料且其振动方向与极化轴方向不同时，该偏振光的相位量根据电场的大小而变化。这时不同组分和外加电场将表现出不同特点的电控双折射行为。实验测试简图如图1-19所示。

由起偏器出射的与PLZT材料的快轴方向（即电场E方向）成θ角的线偏振光入射PLZT材料，当光通过该材料时，只存在二次光电效应，电场导致的折射率变化为二次指数形式：

其中，κ, n0, E0分别为克尔系数、材料折射率和外加电场强度。产生的延迟为：

其中，L为样品通光路径的长度（这个长度与电极在通光方向的长度一致），λ为入射光波长。两个光电探测探测器分别得到光强I‖和I⊥。其中，当起偏器和检偏器垂直放置时：

当起偏器和检偏器平行放置时：

可以看出，实验测得的光强随电场强度的变化规律应该符合正弦或余弦的平方关系。

1.6.2 PLZT电光开关

基于PLZT电光效应的光开关可以采用定向耦合结构和偏分复用结构。

图1-20所示是FujiXerox公司研制出的波导型PLZT电光开关结构示意图，它是在平面型定向耦合器的基础上沉积适当结构的电极而制成的，通过施加外电场，改变波导的折射率，从而实现光路的转换。这种开关的优点是速度快，开关速度为20 ns，开关电压为10 V。

图1-21是一种基于PLZT和光纤环镜结构的2×2电光开关，以两个环形器的端口1作为光开关输入端口，环形器端口2连接光纤环形镜，环形器端口3作为光开关的输出端口。采用标准光纤准直器实现PLZT相位延迟器与两端光纤的耦合，固定后的插入损耗的典型值小于2 dB。在未对PLZT加电压时，光纤环镜内顺、逆时针传播的光的相位差为零，所以在耦合器内干涉后由一个输出端口输出；在垂直光传播方向上对PLZT加电压时，改变了光纤环镜内顺、逆时针传输的光的相位差，在耦合器内干涉后由另一个输出端口输出，实现了电光开关功能。由于PLZT材料的折射率很高，端面的菲涅耳反射很大，可在PLZT材料的入射和出射端面上蒸镀Al2O3薄膜以降低反射损耗。采用了中科院硅酸盐所研制的9.5/65/35PLZT材料（厚度1mm，通光长度10mm）得到的电光开关，消光比大于25 dB；进一步以不同方向线偏振光入射，获得开关的消光比波动小于1 dB；系统偏振相关损耗（PDL）小于1 dB，光开关响应时间小于3 μs。

图1-22所示的电光开关为空间光路型的PLZT电光开关，它基于对光偏振态的控制来实现开关功能；通过偏振分束器（PBS）实现光的分束和合束，通过两块PLZT控制光的偏振态。

近几年，PLZT电光开关受到人们越来越多的关注和研究。短的响应时间，使PLZT型电光开关适合于高速应用，在2008年OFC会议中，报导了开关响应时间小于2.5 ns的1×2 PLZT电光开关，并将其应用于640（2×32λ×10）Gbps的偏分复用OPS网络。此外，由于PLZT材料具有驱动电压低、损耗小、尺寸小等优点，基于PLZT的光开关矩阵不断升级，1×8、4×4和8×8分别得以实现。