电光调制的物理基础是电光效应,即某些晶体在外加电场的...

1、UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1 1 电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。变，这种现象称为电光效应。3.2 电光调制电光调制UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 2 2利用泡克耳斯效应实现电光调制可以分为两种情况。利用泡克耳斯效应实现电光调制可以分为两种情况。一、电光强度调制一

2、、电光强度调制 一种是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的但一种是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的但在时间上是变化的当一束光通过晶体之后，可以使一个在时间上是变化的当一束光通过晶体之后，可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，由光波的强度或相位随时间变化的电信号转换成光信号，由光波的强度或相位变化来体现要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、变化来体现要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。光开关等领域。 另一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布，另一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布，形成电场图像，即随形成电场图像，即随x和和y坐标变化的强度透过率或相位

3、分坐标变化的强度透过率或相位分布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进行调制。行调制。UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 3 31. 纵向电光调制纵向电光调制（通光方向与电场方向一致通光方向与电场方向一致） 电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x,y。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x和y方向的两个分量

4、，两个振幅(等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等分别为：入射光入射光P1Iixyzx y P2Io调制光调制光VL起偏器起偏器 /4波片波片检偏器检偏器 纵向电光强度调制纵向电光强度调制UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 4 4或采用复数表示，或采用复数表示， 即即当光通过长度为当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，的晶体后，由于电光效应，E x和和E y二分量间就产生了一个相位差二分量间就产生了一个相位差 ，则，则 (3.2-28)由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为 tAEtAEcycxcos0c

5、os0 tiAEtiAEcycxexp0exp0 iALEALEyxexpUPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 5 5yYxX45o45o后一步考虑了后一步考虑了(3.2-19)式和式和(3. 2-20)式的关系。式的关系。(3.2-29)与之相应的输出光强为：与之相应的输出光强为： (3.2-30)将出射光强与入射光强相比将出射光强与入射光强相比(3.2-29)公式公式/ (3.2-28)公式公式得：得： ,2cosixixeex2cos12sinxx注意公式：注意公式：UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 6 6)

6、192 . 3( V2 E26330z6330nLnyxnn(3.2-30)式中的式中的T称为调制器的透过率。根据上述关称为调制器的透过率。根据上述关系可以画出光强调制特性曲线。系可以画出光强调制特性曲线。在一般情况下，调在一般情况下，调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。)202.3(26330063302ncnV V和和V/2 是一回事。是一回事。UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 7 7若调制器工作在非线性部分若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，

7、可以通过引入一个固定的性调制，可以通过引入一个固定的 /2相位延迟，使调制器的相位延迟，使调制器的电压偏置在电压偏置在T50的工作点上。常用的办法有两种：的工作点上。常用的办法有两种：电调制特性曲线电调制特性曲线50100透 过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/2UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 8 8 m = Vm/V （相当于（相当于3.2-30式中的式中的 ）是相应于外加调制）是相应于外加调制信号信号vm的相位延迟。其中的相位延迟。其中Vm sinmt 是外加调制信号电压。是外加调制信号电压。其一，除了施加信号电压之外，再附加一个其一，除了

8、施加信号电压之外，再附加一个 V/4 的固定偏压，的固定偏压，但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。其二，在光路上插入一个其二，在光路上插入一个14波片波片(3.2-5图图)其快慢轴与晶体其快慢轴与晶体主轴主轴x成成45o 角，使角，使E x和和E y二分量间产生二分量间产生 /2 的固定相位差。的固定相位差。(3.2-30)式中的总相位差式中的总相位差UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 9 9因此，调制的透过率可表示为因此，调制的透过率可表示为利用贝塞尔函数恒等式将上式利用贝塞尔函数恒等式将上式（3.2

9、-31)（3.2-32)由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使调制光发生畸变。为了获得线性调制，必须将高次调制光发生畸变。为了获得线性调制，必须将高次展开，得展开，得UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1010若取若取 1rad， 则则J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以所以I3 /I 1 =0.045，即三次谐波为基波的，即三次谐波为基波的4.5%。在这个范围内可以。在这个范围内可以获得近似线性调制，因而取获得近似线性调制，因而取 谐波控制在允许的范围内。设基频波和高次谐波的幅谐波控制

10、在允许的范围内。设基频波和高次谐波的幅值分别为值分别为I1和和I2n+1, 则高次谐波与基频波成分的比值为则高次谐波与基频波成分的比值为(3.2-33)作为线性调制的判据。作为线性调制的判据。 此时此时 代入（代入（3.2-32)式得式得 (3.2-34)(3.2-35)UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1111 sin( m sinmt) 的的 m 若远远小于若远远小于1， 则则: 为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号调制小信号调制)，那，那么输出的光强调制波就是调制信号么输出的光强调制波就是调制信号V

11、=Vm sinmt 的线性复现。如的线性复现。如果果 m 1rad的条件不能满足的条件不能满足(大信号调制大信号调制)，则光强调制波就要，则光强调制波就要发生畸变。发生畸变。 纵向电光调制器具有纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响射的影响等优点。其缺点是等优点。其缺点是半波电压太高，特别在调制频率较半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大高时，功率损耗比较大。UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1212横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：横向电光效应可以分为三种不同的运用方式： (1

12、)沿沿z轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并轴，并与与x或或y 袖成袖成45o夹角夹角(晶体为晶体为45o-z切割切割)。 (2)沿沿x方向加电场方向加电场(即电场方向垂直于即电场方向垂直于x光袖光袖)，通，通光方向垂宜于光方向垂宜于x铀，并与铀，并与z轴成轴成45o 夹角夹角(晶体为晶体为45o -x切割切割)。 (3)沿沿y轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于y轴，并轴，并与与z轴成轴成45o夹角夹角(晶体为晶体为45o -y切割）。切割）。 2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共

13、共2929页页 1313因为外加电场是沿因为外加电场是沿z轴方向，因此和纵向运用时一样，轴方向，因此和纵向运用时一样，Ex=Ey=0, Ez=E，晶体的主轴，晶体的主轴 x, y 旋转旋转45o 至至 x，y，相应的三，相应的三个主折射率如前面个主折射率如前面(3.2-17)式所示式所示:UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1414通光方向与通光方向与z轴相垂直，并沿着轴相垂直，并沿着y方向入射方向入射(入射光偏振方向入射光偏振方向与与z袖成袖成450角角)，进入晶体后将分解为沿，进入晶体后将分解为沿x和和z方向振动的两方向振动的两个分量，其折射率分别为

14、个分量，其折射率分别为nx和和nz；苦通光方向的晶体长度；苦通光方向的晶体长度为为L，厚度，厚度(两电极间距离两电极间距离)为为d，外加电压，外加电压VEzd，则从晶体，则从晶体出射两光波的相位差出射两光波的相位差ezzyzxnnEnnnEnnn63300633002121(3.2-36)UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1515 由此可知，由此可知，KDP晶体的晶体的63 横向电光效应使光波通过晶体横向电光效应使光波通过晶体后的相位差包括两项：后的相位差包括两项：第一项是与外加电场无关的晶体本身的第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射自然双折射

15、引起的引起的相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而且当相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而且当晶体温度变化时，还会带来不利的影响，因此应设法消除晶体温度变化时，还会带来不利的影响，因此应设法消除(补偿补偿)掉；掉；第二项是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压第二项是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压V和和晶体的尺寸晶体的尺寸(L/d)有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降低其半波电压。低其半波电压。UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1616 KDP晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射晶

16、体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场时，通过晶体的引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体因温度线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体因温度变化而引起折射率变化而引起折射率n0和和ne的变化时，两光波的相位差发生漂的变化时，两光波的相位差发生漂移。移。 在在KDP晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调制光发生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应用制光发生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应用中，除了尽量采取一些措施中，除了尽量采取

17、一些措施(如散热、恒温等如散热、恒温等)以减小晶体温以减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种度的漂移之外，主要是采用一种“组合调制器组合调制器”的结构予以的结构予以衬偿。常用的补偿方法有两种：一种方法是，将两块几何尺衬偿。常用的补偿方法有两种：一种方法是，将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光相互成寸几乎完全相同的晶体的光相互成90o串接排列，串接排列，UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1717即一块晶体的即一块晶体的y和和z轴分别与另一块晶体轴分别与另一块晶体的的z轴和轴和y轴平行轴平行(见图见图a）。另一种方法）。另一种方法是，两块晶体的是，两块晶体

18、的z轴和轴和y轴互相反向平行轴互相反向平行排列排列,中间放置一块中间放置一块12 波片波片(见图见图b)。这两种方法的补偿原理是相同的。外电这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿场沿z轴轴(光轴光轴)方向，但在两块晶体中电方向，但在两块晶体中电场相对于光轴反向，场相对于光轴反向，当线偏振光沿当线偏振光沿x轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方方向向e1光和沿光和沿y方向的方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束光的相位差两束光的相位差 UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共292

19、9页页 1818UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 1919因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然双折射的影响即可得到补偿。然双折射的影响即可得到补偿。经过经过1/2波片后，两束光的偏振方向各旋转波片后，两束光的偏振方向各旋转90。，经过第二块晶，经过第二块晶体后，原来的体后，原来的e1光变成了光变成了o2 光，光， o1光变成光变成e2光，则它们经过第二光，则它们经过第二块晶体后，其相位差块晶体后，其相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差(3.2-3

20、7)UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 2020其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以 可见，横向半波电压是纵向半波电压的可见，横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小倍。减小d，增加，增加长度长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。根据根据(3.2-37)式，当式，当 时，半波电压为时，半波电压为 UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页

21、页 2121由起偏器和电光晶体组成。由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振方向平行于起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴晶体的感应主轴x(或或y)，此时入射晶体的线偏振光此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿不再分解成沿x、y两个两个分量，而是沿着分量，而是沿着x(或或y)轴一个方向偏振，故外电轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位态，仅改变其相位，相位的变化为的变化为 (3.2-38)二、电光相位调制二、电光相位调制入射光入射光偏振器偏振器调制光调制光VLx y z 电光相位调制原理图电光相位调制原理图UPDOWNBACK2022-4-272022

22、-4-27 共共2929页页 2222这里的这里的 因为光波只沿因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率为方向偏振，相应的折射率为 。若若 外加电场是外加电场是 , 在晶体入射面在晶体入射面(z0)处的光场处的光场 ，则输出光场，则输出光场(zL处处)就变为就变为略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式写成略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式写成 (3.2-39)式中式中 称为相位调制系数。利用贝塞称为相位调制系数。利用贝塞尔函数展开上式，便得到尔函数展开上式，便得到(3.1-12)式的形式。式的形式。UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2

23、929页页 2323渡越时间：渡越时间： 激光通过长度为激光通过长度为L的晶体所需时间。的晶体所需时间。 对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的调制带宽。调制带宽。 前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频率率(也就是调制信号波长远远大于光波波长也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且入远大于晶体的，并且入远大于晶体的长度长度L，因而在光波通过晶体，因而在光波通过晶体L的渡越时间的渡越时间 内，调制信号内，调制信号电场在晶体各处的分布是均匀的，则光波在各部

24、位所获得的相位延电场在晶体各处的分布是均匀的，则光波在各部位所获得的相位延迟也都相同，即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电迟也都相同，即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电场的作用。在这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个电场的作用。在这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个电容即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制容即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制器。集总参量调制器的颇率特性主要受外电路参数的影响。器。集总参量调制器的颇率特性主要受外电路参数的影响。)/(ncLd)/(ncLd三、电光调制器的电学性能三、电光调制器的电学性能U

25、PDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 2424调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。 调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束：晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束： 当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。1外电路对调制带宽的限

26、制外电路对调制带宽的限制VsRsReRC0V电光调制器的等效电路图电光调制器的等效电路图VsRsRLL 调制器的并联谐振回路调制器的并联谐振回路C0电光晶体电光晶体UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 2525体调制器：上面讲述过的都是此类。体积大的分离器件，而体调制器：上面讲述过的都是此类。体积大的分离器件，而且整个晶体都受到外界电场的作用。且整个晶体都受到外界电场的作用。集成光学就是利用光波导把光波限制在微米量级波导集成光学就是利用光波导把光波限制在微米量级波导区中沿一定方向传播的特性，来实现光学器件的平面化和区中沿一定方向传播的特性，来实现光学器件的

27、平面化和光学系统集成化。具体地说，就是把激光器、调制器、探光学系统集成化。具体地说，就是把激光器、调制器、探测器等有源器件测器等有源器件“集成集成”在同一衬底上，并通过波导、耦在同一衬底上，并通过波导、耦合器等无源器件连结起来构成一个完整的微型光学系统。合器等无源器件连结起来构成一个完整的微型光学系统。 介质光波导则是集成光学技术的基本组成部件，它主介质光波导则是集成光学技术的基本组成部件，它主要可分为平面波导和矩形波导两类，要可分为平面波导和矩形波导两类，而平面波导又分为平板波导和渐变折射率波导两种。而平面波导又分为平板波导和渐变折射率波导两种。平板波导是集成光路中结构最简单最常用的波导，它

28、的结平板波导是集成光路中结构最简单最常用的波导，它的结构如图。构如图。 四、电光波导调制器（一般了解）四、电光波导调制器（一般了解）UPDOWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 2626光波导调制器的电光、声光等物理效应对光参数的控制过程光波导调制器的电光、声光等物理效应对光参数的控制过程, 有与体调制器相同的一面，即能使介质的介电张量产生微小的变有与体调制器相同的一面，即能使介质的介电张量产生微小的变化化(即折射率变化即折射率变化)，从而使两传播模间有一相位差；但由于外场的，从而使两传播模间有一相位差；但由于外场的作用会导致波导中本征模作用会导致波导中本征模(如

29、如TE模和模和TM模模) （即（即Transversal Electric Field, Transversal Magnetic Field）传播特性的变化以及）传播特性的变化以及两不同模式之间的耦合转换两不同模式之间的耦合转换(称为模耦合调制称为模耦合调制)，因此，光波导调制，因此，光波导调制器的基本特性可用介质光波导耦合模理论来描述。器的基本特性可用介质光波导耦合模理论来描述。x(a)z(c)y(b)l电极电极LiNbO3衬底衬底 +y(b)z(c)电极电极LiNbO3衬底衬底光波导光波导电力线电力线 LiNbO3电光波导相位调制器结构示意图电光波导相位调制器结构示意图光波导调制器UPD

30、OWNBACK2022-4-272022-4-27 共共2929页页 27271. 电光波导调制器的调制原理电光波导调制器的调制原理 电光波导调制器实现调制的物理基础是晶体介质的泡克耳斯电光波导调制器实现调制的物理基础是晶体介质的泡克耳斯效应。当波导上加电场时，产生介电张量效应。当波导上加电场时，产生介电张量 (折射率折射率)的微小变的微小变化，将引起波导中本征模传播的变化或不同模式之间功率的耦化，将引起波导中本征模传播的变化或不同模式之间功率的耦合转换。在波导坐标系中，电场引起介电张量变化的各个元素合转换。在波导坐标系中，电场引起介电张量变化的各个元素 与不同模之间的耦合具有一一对应关系，如果只含有对角线介与不同模之间的耦合具有一一对应关系，如果只含有对角线介电张量元素电张量元素 ，则会引起，则会引起TE模之间或模之间或TM棋之间的自棋之间的自耦合，即只改变其各自的相位，从而产生相对相位延迟，这种耦合，即只改变其各自的相位，从而产生相对相位延迟，这种情况与体电光相位调制相似。但是，如果波导坐标系中，介电情况与体电光相位调制相似。但是，如果波导坐标系中，介电张量的变化含有非对角线张量元素张量的变化含有非对角线张量元素 , 则将引起则将引起TE模和模和TM模之间的互耦合，就会导致模式间功率的转换，即一个输入模模之