第二章光调制

1、2022-4-161第二章第二章 光辐射的调制光辐射的调制o 调制的内容：调制的内容：是指改变光波振幅、强度、相位是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程。或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程。o 调制的目的：调制的目的：光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制o 调制的方法：调制的方法：n传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；n现代方法：利用外场的微扰引起介质的非线性极现代方法：利用外场的微扰引起介质的非线性极化，从而改变介质的光学性质。在外场下利用光和化，从而改变介质的光学性质。在外场下利用光和介质的相互

2、作用而实现对光辐射振幅频率、相位等介质的相互作用而实现对光辐射振幅频率、相位等参数的调制。参数的调制。2022-4-1622022-4-163o 光辐射的现代调制方法：光辐射的现代调制方法：n按调制是在光源内发生还是光源外进行分：按调制是在光源内发生还是光源外进行分： 内调制内调制和和外调制外调制n内调制内调制：将欲传输的信号直接加载于光源，以：将欲传输的信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制；改变光源的输出特性来实现调制； 例：对半导体激光器的驱动电源用调制信号直例：对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所发射激光强度的调制；接控制，实现对所发射激光强度的调制； 又如

3、：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输的又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输的信号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔信号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔参数，从而调制激光输出。参数，从而调制激光输出。2022-4-164n外调制：在光源外的光路上放置调制器，将欲外调制：在光源外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加载于调制器，透过光的物理性质传输的信号加载于调制器，透过光的物理性质将发生变化，实现调制。将发生变化，实现调制。o电光调制电光调制o声光调制声光调制o磁光调制磁光调制o热光效应热光效应n激光外调制激光外调制o体调制体调制o光波导调制光波导调制n光调制光调制o光调制：改变光强或频率光

4、调制：改变光强或频率o光偏转：改变光的方向光偏转：改变光的方向2022-4-1652.1 2.1 机械调制机械调制o 常用方法常用方法:机电振子、旋转调光盘等机电振子、旋转调光盘等o 用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。MtNMtNo 缺点：难进行高频调制、体积较大等缺点：难进行高频调制、体积较大等2022-4-1662.2 2.2 电光调制电光调制o电光调制电光调制就是利用就是利用电光效应电光效应将电信号调制到将电信号调制到传输的光载波上，进而实现光学控制。传输的光载波上，进而实现光学控制。o晶体的电光效应可实现对晶体中传播光波的晶体的电光效应

5、可实现对晶体中传播光波的调制，有相位调制、强度调制和脉冲调制等。调制，有相位调制、强度调制和脉冲调制等。o在实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴在实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成的；的某些特殊方向切割而成的；o电光效应在实际应用中通常有两种方式，即电光效应在实际应用中通常有两种方式，即纵向与横向电光效应；纵向与横向电光效应；2022-4-167一、一、 电光效应电光效应o晶体的折射率因外加电场而改变的现象称为晶体的折射率因外加电场而改变的现象称为电光效应电光效应。各向同性介质各向同性介质外加强电场外加强电场双折射现象双折射现象双折射现象双折射现象双折射变化双折射变化e

6、 e光光晶体的截面晶体的截面O O光光 单色自然光单色自然光 2022-4-168 通常材料的介电常量通常材料的介电常量 与外电场无关，但当外与外电场无关，但当外加电场较强时，介电常量便有微小的变化，从而引加电场较强时，介电常量便有微小的变化，从而引起折射率变化：起折射率变化：220032EEEEnknn 、为常量常量线性电光效应，或线性电光效应，或Pockels效应（效应（KDP、LiNbO3）二次电光效应，或二次电光效应，或Kerr效应效应（BaTiO3、硝基苯液体）、硝基苯液体）、k由介质本身的性质决定，取决于晶体本身的结构和对称性。现在讨论现在讨论线性电光效应线性电光效应 2022-4

7、-169 在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述晶体光学性质的折射率椭球方程为晶体光学性质的折射率椭球方程为 其中下标其中下标1，2，3分别表示坐标分别表示坐标 x、y、z。 2223122221231xxxnnn 当晶体施加任意电场时，晶体的折射率发生变当晶体施加任意电场时，晶体的折射率发生变化，可以把电场对晶体的这种作用归结为折射率椭化，可以把电场对晶体的这种作用归结为折射率椭球系数的改变。因此，当有电场存在时，折射率椭球系数的改变。因此，当有电场存在时，折射率椭球在介电主轴座标系中的方程为球在介电主轴座标系中的方程为ijjiijxxn11,2其中

8、其中ijn21是对称二阶张量是对称二阶张量 2022-4-1610lij,21lnijl,21ln采用下标简化形式以采用下标简化形式以 表示表示，则，则的下标为的下标为 11，22，33，23(32)，31(13)，12(21) 1, 2, 3, 4, 5, 6有有6个独立的分量。个独立的分量。0E201211xnn202211ynn203211znn05204211nn01062n无电场时，无电场时，于是，于是1nznynx2z22y22x22022-4-16110E02,22111lllnnnE321,EEE3121kklklEnlk施加电场时施加电场时，折射率椭球系数的改变量，折射率椭球

9、系数的改变量与外加电场与外加电场成正比，即成正比，即 其中其中称为电光系数张量，共有称为电光系数张量，共有18个元素，个元素，可表示为可表示为6 3 的矩阵的矩阵。 2022-4-1612 由于电光晶体的对称性使电光系数减少，由于电光晶体的对称性使电光系数减少，具具有对称中心的晶体，其电光系数都为零，故这种有对称中心的晶体，其电光系数都为零，故这种晶体不产生线性电光效应晶体不产生线性电光效应；在没有对称中心的在没有对称中心的21个点群中，有个点群中，有20个点群具有线性电光系数个点群具有线性电光系数。 常用的电光晶体的电光系数值，可查阅有常用的电光晶体的电光系数值，可查阅有关书籍和技术手册，当

10、掌握了电光系数后，可关书籍和技术手册，当掌握了电光系数后，可由上式解出由上式解出 对电场的依赖关系，最后代入折对电场的依赖关系，最后代入折射率椭球方程式。射率椭球方程式。 ,21ln2022-4-1613 KDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应o常用的电光晶体是一些各向异性的光学晶体，常用的电光晶体是一些各向异性的光学晶体，如磷酸二氢钾如磷酸二氢钾 ， 磷酸二氘钾磷酸二氘钾 ， 磷酸磷酸二氢氨二氢氨 ，铌酸锂，铌酸锂 (记为记为 )等。以等。以下结合下结合 加以说明。加以说明。KDPPKD*ADP3LiNbOLNKDPo 为单轴晶体，属立方晶系的点群。有为单轴晶体，属立方晶系的点群。有 ，

11、 。KDPoyxnnneznn Zxy光轴光轴: 晶体中有一个方向，光沿这个晶体中有一个方向，光沿这个方向传播不发生双折射，这个方向方向传播不发生双折射，这个方向叫做光轴。叫做光轴。2022-4-1614o如果如果沿晶体光轴方向加电场沿晶体光轴方向加电场，由于，由于 ，而而 ，可以得到在介电主轴坐标系中的，可以得到在介电主轴坐标系中的折射率椭球方程为折射率椭球方程为 021 EEEE 31. KDP的纵向电光效应的纵向电光效应纵向电光效应 12216322322221xExnxnxxeo2022-4-1615式中式中63是电光系数的矩阵元。为消除上式中的交是电光系数的矩阵元。为消除上式中的交叉

12、项，使得在新的折射率感应主轴坐标系叉项，使得在新的折射率感应主轴坐标系下成为正椭圆，需进行图下成为正椭圆，需进行图1所示的变换，所示的变换，即即1x1x和（和（yx 2）（2yx ）绕）绕z轴逆时针旋转了轴逆时针旋转了45角。角。 图图. 沿沿KDP晶体光轴方向加电时，在晶体光轴方向加电时，在垂直光轴的平面内折射率主轴发生旋转垂直光轴的平面内折射率主轴发生旋转2022-4-1616在新的感应折射率主轴座标系在新的感应折射率主轴座标系xy下，下，z折射率椭球方程变为折射率椭球方程变为122 22 22 zyxnznynx三个感应主轴的折射率分别为三个感应主轴的折射率分别为ezooyooxnnEn

13、nnEnnn6336332121沿光轴加电场后，沿光轴加电场后，xoy截面由圆变截面由圆变为椭圆为椭圆沿沿x方向偏振的方向偏振的传传播速度加大，播速度加大，沿沿y方向偏振的方向偏振的传播速传播速度减小。度减小。xyxy2022-4-1617oKDP晶体沿晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了轴旋转了450角，角，此转角与外加电场的大小无关。此转角与外加电场的大小无关。2022-4-16182. KDP的横向电光效应的横向电光效应o若若入射光方向与施加电场方向相垂直的入射光方向与施加电场方向相垂直的电光效

14、电光效应称为横向电光效应。电场可以沿晶体的任一应称为横向电光效应。电场可以沿晶体的任一介电主轴（介电主轴（ x、y或或z轴）加于晶体。例如，电场轴）加于晶体。例如，电场沿沿z方向施加，光沿方向施加，光沿x轴方向入射，如图所示。轴方向入射，如图所示。ZxyV入射光的偏振方向垂直于入射偏振光调制光2022-4-1619o横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受温度影响。采用组合调制器进行补偿。温度影响。采用组合调制器进行补偿。o因外加电场仍沿因外加电场仍沿z轴，与纵向运用时一样，晶体的主轴，与纵向运用时一样，晶体的主轴轴x和和y旋转旋转45o。o

15、但此时通光方向与但此时通光方向与z垂直，且入射光偏振方向与垂直，且入射光偏振方向与z成成45o ，沿，沿x方向入射，进入晶体后将分解为沿方向入射，进入晶体后将分解为沿y和和z方方向振动的两个分量，向振动的两个分量，ZxyV调制光36321()2zoeoyLnn LnVd2022-4-1620二、电光相位延迟二、电光相位延迟o以以外加电场平行于光轴的外加电场平行于光轴的KDP晶体为例晶体为例，一束线偏，一束线偏振光沿振光沿z轴方向入射晶体，且轴方向入射晶体，且E矢量沿矢量沿 x方向，进入方向，进入晶体后分解为沿晶体后分解为沿x和和y方向的两个垂直偏振分量。方向的两个垂直偏振分量。o光波沿光波沿z

16、方向传播距离方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为后，两偏振光之间的相位差为330633063ooxyk nE lk nV 完全由电光效应完全由电光效应引起引起电光相位延迟电光相位延迟。2022-4-1621电光相位延迟电光相位延迟xyzExEyxyxyOxyxyo当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时（相当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时（相位差为位差为 ）所加的电压称）所加的电压称为半波电压为半波电压，6330onkV bacdefghi2022-4-1622o进行纵向电光效应的实验装置如图所示，它由一对平行进行纵向电光效应的实验装置如图所示，它由一对平行偏振器和一块晶体组成。偏

17、振器和一块晶体组成。330633063ooxyk nE lk nV1. 纵向电光强度调制纵向电光强度调制三、电光强度调制三、电光强度调制2022-4-16232200sinsin22VIIIV其中其中0I为检偏器的最大输出光强。为检偏器的最大输出光强。V的函数。的函数。0V时，光强有最大值时，光强有最大值0I当当VV 时，时，0I，出现消光现象。，出现消光现象。 显然，检偏器的输出光强是电压显然，检偏器的输出光强是电压当当 可见出射光强随外加电压而变，如果把信号加在晶体上，输出光强就随信号而变，就为信号所调制。VnI调制信号变实现光强调制2022-4-16240III 输出V 输入tt 下图画

18、出了 曲线的一部分以及光强调制的情形。0IIo由于调制器的工作点在透射曲线的非线性区，故输出光由于调制器的工作点在透射曲线的非线性区，故输出光信号失真，光信号的频率为调制信号的两倍。为了获得信号失真，光信号的频率为调制信号的两倍。为了获得线性调制，可引入一个固定的线性调制，可引入一个固定的 /2/2相位延迟，常在调制相位延迟，常在调制器的光路中插入一个器的光路中插入一个 /4/4波片。波片。2sin2VV2022-4-1625 I/I0-V曲线p 为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压流偏压 来完成。（插入来完成。（插入1/41/

19、4波片）波片） 2V2022-4-1626 由于检偏器的输出光强是晶体上电压的函数，由于检偏器的输出光强是晶体上电压的函数，只要将电信号加载到晶体上，那么就能用电信号只要将电信号加载到晶体上，那么就能用电信号调制光信号，故电光调制可以实现模拟信号和低调制光信号，故电光调制可以实现模拟信号和低频数字信号的光传输。频数字信号的光传输。 o优点：结构简单、工作稳定、不存在自然优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响；双折射的影响；o缺点：半波电压太高，特别在调制频率太缺点：半波电压太高，特别在调制频率太高时，功耗较大。高时，功耗较大。2022-4-1627纵向调制纵向调制3632xVn r