电光调制技术

1、2022-6-231 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。 一种是一种是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的但在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变化来体现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、光开关等领域。要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。 一种是一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布，施加在晶体上的

2、电场在空间上有一定的分布，形成形成电场图像，即随电场图像，即随X和和y坐标变化的强度透过率或相位分布，但在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行调制，在后时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进行调制，在后面介绍的空间光调制器就属于这种情况。面介绍的空间光调制器就属于这种情况。本节先讨论前一种情本节先讨论前一种情况的电光强度调制。况的电光强度调制。1 电强度调制电强度调制 电光调制技术电光调制技术2022-6-2321. 纵向电光调制纵向电光调制（通光方向与电场方向一致） 电光晶体电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏置于两个成正交的

3、偏振器之间，其中起偏器器P1的偏振方向平行于电光晶体的的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器轴，检偏器P2的偏振方向平的偏振方向平行于行于y轴，当沿晶体轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转轴方向加电场后，它们将旋转45o变为感应变为感应主轴主轴x,y。因此，沿。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的轴的线偏振光，进入晶体后线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿被分解为沿x和和y方向的两个分量，方向的两个分量，两个振幅两个振幅(等于入射光振幅的等于入射光振幅的 1/21/2）和相位都相等分别为：）和相位都相等分别为：入射光入射光P1IixyzxyP2I

4、o调制光调制光UL起偏器起偏器 /4波片波片检偏器检偏器图图4 4 纵向电光强度调制纵向电光强度调制2022-6-233 或采用复数表示， 即 E x(0)=Aexp(ic t) E y(0)=Aexp(ic t)由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为 当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，E x和E y二分量间就产生了一个相位差 ，则 E x（L）= A E y（L）= Aexp(-i )(1) 222200AEEEEIyxi(0)cos(0)cosxcycEAtEAt2022-6-234那么，通过检偏器后的总电场强度是那么，通过检偏器后的总电场强度是E x(L)和和E y（L）在）

5、在y方方向的投影之和，即向的投影之和，即 yYxX45o45o后一步考虑了后一步考虑了(4）式和）式和(5)式的关系（见下页）。式的关系（见下页）。与之相应的输出光强为：与之相应的输出光强为： (3)将出射光强与入射光强相比将出射光强与入射光强相比(22)公式公式/ (21)公式公式得：得： cos,2ixixeex2cos12sinxx注意公式：注意公式：0()exp( i) 12yAE 200() ()expi1exp i12oyyAIEE 22sinsin22oiIUTIU(2)2022-6-235上式中的上式中的T T称为调制器的透过率称为调制器的透过率。根据上述关系可以画出光强调。根

6、据上述关系可以画出光强调制特性曲线制特性曲线,如图如图5所示。由图可见，在一般情况下所示。由图可见，在一般情况下,调制器的输出调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。特性与外加电压的关系是非线性的。（5）26330063302rr/ncnU22sinsin22oiIUTIU（6）.4）( U2 E26330z6330rrnLnyxnn-2022-6-236 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。则调制光将发生畸变。 为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的 2相位相位延迟，使调制器的电压偏置在延迟，使调制器的电压偏置在

7、T50的工作点上。常用的办的工作点上。常用的办法有两种：法有两种：50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压UU/2m图图5 电光调制特性曲线电光调制特性曲线B2sin2UU2022-6-237式中，式中，m = Um/U （相当于（相当于25式中的式中的 ）是相应于外）是相应于外加调制信号最大电压加调制信号最大电压Um的相位延迟。其中的相位延迟。其中Um sinmt 是外加是外加调制信号电压。调制信号电压。其一其一，在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个，在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个 U/4 的固定偏压，但此法会增加电路的复杂性，而且工作点的固定偏压，但此法会增加

8、电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。的稳定性也差。其二其二，在调制器的光路上插入一个，在调制器的光路上插入一个14波片波片(图图4)其快慢轴其快慢轴与晶体主轴与晶体主轴x成成45o 角，从而使角，从而使E x和和E y二分量间产生二分量间产生 /2 的的固定相位差。于是，固定相位差。于是，(25)式中的总相位差式中的总相位差sinsin22mmmmUttU2022-6-238因此，调制的透过率可表示为因此，调制的透过率可表示为 （7) 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 展开，展开，得得 （8)由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使调制光发生由此可见，输出的调制光中含

9、有高次诣波分量，使调制光发生畸变。畸变。为了获得线性调制，必须将高次谐波控制在允许的范围内。为了获得线性调制，必须将高次谐波控制在允许的范围内。2sin2oiITI2sinsin4211 sinsin2ommimmITtItsinsinmmt2101sin212onmmniITJntI2022-6-239 设基频波和高次谐波的幅值分别为设基频波和高次谐波的幅值分别为I1和和I2n+1, 则高次谐则高次谐波与基频波成分的比值为波与基频波成分的比值为 (9)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

10、波为基波的4.5%。在这个范围内可以获在这个范围内可以获得近似线性调制得近似线性调制，因而取，因而取 (10)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（8)式得式得 (11)m1(1sin)2ommiITtI2121110,1,2,nmnmJInIJ1mmUradU112mmJ2022-6-2310 此外此外,在在28式中式中 sin(m sinmt) 的的m 若远远小于若远远小于1， 则则(8)式也变为式也变为:1(1sin)2ommiITtI 由此也可得出以上同样的结论。所以为了由此也可得出以上同样的结论。所以为了获得线性调制，获得线性调制，要求调制信号不宜过大要求调

11、制信号不宜过大( (小信号调制小信号调制) )，那么输出的光强调制，那么输出的光强调制波就是调制信号波就是调制信号U=Um sinmt 的线性复现。如果的线性复现。如果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)，则光强调制波就要发生畸变。，则光强调制波就要发生畸变。 以上讨论的纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、以上讨论的纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在不存在自然双折射自然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。2sinsin4211 sinsi

12、n2ommimmITtIt2022-6-23112 2横向电光调制横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）（通光方向与电场方向垂直） 物理光学已经讲过，横向电光效应可以分为三种不同物理光学已经讲过，横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：的运用方式： (1)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，并与轴，并与x或或y 轴成轴成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)，通光方向，通光方向 垂宜于垂宜于x轴，并与轴，并与z轴成轴成45o 夹角夹角(晶体为晶体为45o -x切割切割)。

13、 (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，并与轴，并与z轴成轴成 45o夹角夹角(晶体为晶体为45o -y切割）。切割）。 以下仅以以下仅以KDPKDP类晶体为代表讲述第一种运用方式类晶体为代表讲述第一种运用方式。2022-6-2312横向电光调制如图横向电光调制如图6所示。所示。因为因为外加电场是沿外加电场是沿z z轴方向，因轴方向，因此和纵向运用时一样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 旋旋转转45o 至至 x，y,相应的三个主折射率如下所示相应的三个主折射率如下所示:300 633300 6331212xyz

14、ennn r Ennn r Enn(33)VL zz x输入输入KDP起偏起偏 y输出输出d2022-6-2313 但此时的通光方向与但此时的通光方向与z轴相垂直，并沿着轴相垂直，并沿着y方向入射方向入射(入入射光偏振方向与射光偏振方向与z轴成轴成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方向振动的两个分量，其折射率分别为方向振动的两个分量，其折射率分别为nx和和nz；若通光方；若通光方向的晶体长度为向的晶体长度为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UE3d，则从晶体出射两光波的相位差，则从晶体出射两光波的相位差(34)3300 63221

15、2xeLnnLnnLn rUd2022-6-2314 由此可知，由此可知，KDPKDP晶体的晶体的r r63 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引起引起的相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而的相位延迟，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

16、相位延迟，它与外加电压U和晶体的尺寸和晶体的尺寸(Ld)有关，若适当地选择晶体尺寸，则有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降低其半波电压。可以降低其半波电压。2022-6-2315 KDP晶体横向电光调制的主要缺点晶体横向电光调制的主要缺点是是存在自然双折射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的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体因，当晶体因温度变化而引起折射率温度变化而引起折射率n0和和ne的变化时，两光波的相位差发的变化时，两光波的相位差发生漂移。生漂移。 在在KD

17、PKDP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。制光发生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应所以，在实际应用中，除了尽量采取一些措施用中，除了尽量采取一些措施(如散热、恒温等如散热、恒温等)以减小晶以减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种体温度的漂移之外，主要是采用一种“组合调制器组合调制器”的结的结构予以补偿。构予以补偿。常用的补偿方法有两种常用的补偿方法有两种：一种方法是，将两块几何尺寸几一种方法是，将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光相互成乎完全相同的晶体的光相互成90o串接排列，串接排列，2022-6

18、-2316即即一块晶体的一块晶体的x x和和z z轴分别与另轴分别与另一块晶体的一块晶体的z z轴和轴和x x轴平行轴平行(见见图图7(a)。另一种方法是，另一种方法是，两块晶体的两块晶体的z z轴轴和和x x轴互相反向平行排列轴互相反向平行排列, ,中间中间放置一块放置一块1 12 2 波片波片(见图见图7(b)。这两种方法的补偿原理是相同这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿的。外电场沿z轴轴(光轴光轴)方向，方向，但在两块晶体中电场相对于光但在两块晶体中电场相对于光轴反向，轴反向， 当线偏振光沿当线偏振光沿y y轴方向入射第一块晶体时轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿，电矢量分解为沿

19、z方向方向e1光和沿光和沿x方向的方向的o1光两个分量，当它们光两个分量，当它们经过第一块晶体经过第一块晶体之后，两束光的相位差之后，两束光的相位差 31300 633212xennn r EL(35)7-x-xyy-x-xyy2022-6-2317 经过经过1 12 2波片波片后，后，两束光的偏振方向各旋转两束光的偏振方向各旋转9090。，经过。，经过第二块晶体后，原来的第二块晶体后，原来的e1光变成了光变成了o2 光光, o1光变成光变成e2光，则它光，则它们经过第二块晶体后，其相位差们经过第二块晶体后，其相位差于是，通过两块晶体之后于是，通过两块晶体之后的的总相位差总相位差 (37)因此

20、，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则因此，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自然双折射的影响即可得到补偿。3230 633212xeonnn r EL3120 632Ln r Ud (36)2022-6-2318根据(37)式，当 时，半波电压为 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d/L倍。减小d，增加长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。/230 632dUn rL/2/2dUUL横纵2022-6-2319 2 2 电相位调制电相位调制 图图8

21、所示的是一电光相位调制的原理图，它由起偏器和电光所示的是一电光相位调制的原理图，它由起偏器和电光晶体组成。晶体组成。起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴x x( (或或y y) )，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x x、y y两个分量，而是沿两个分量，而是沿着着x x( (或或y y) )轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位仅改变其相位，相位的变化为相位的变化为 (38)入射光偏振器调制光ULxyz图8 电光相位调制原理图xxn Lc 2022-6-

22、2320这里的这里的 因为光波只沿因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率方向偏振，相应的折射率 。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，则上式可写成式可写成 (39)式中式中 称为相位调制系数。称为相位调制系数。2/csinzmmEEtcosincEAt363321Ennnoox30631cossin2occoommEAtknn r Et LcossinoutcEAtmt3063,2omk n r UmUE

23、 L2022-6-2321相位调制的频谱相位调制的频谱相位调制的结果，总相位是时间的函数，也使光的频率变相位调制的结果，总相位是时间的函数，也使光的频率变化，频率是总相位角的导数。化，频率是总相位角的导数。v(1)当当mRe,大部分调制电压降在晶体上大部分调制电压降在晶体上,所以所以L越越小小,容许调制频率越高。能提高调制效率，但阻抗仅在频带容许调制频率越高。能提高调制效率，但阻抗仅在频带间隔间隔内才较高所以内才较高所以其频带宽度就要受到约其频带宽度就要受到约束：束： 对于正弦调制信号，调制器消耗的功率为对于正弦调制信号，调制器消耗的功率为0122mLfR C2222030 63/4mmmmm

24、mAPuCfuA LffLn r 2/2mLPuR330 630 6322mmn r Un r u 0122mLfR C 称为称为“体调制器体调制器”。其缺点在于要给整个晶体施加外。其缺点在于要给整个晶体施加外电场，要改变晶体的光学性能，需要加相当高的电压，电场，要改变晶体的光学性能，需要加相当高的电压，从而使通过的光波受到调制从而使通过的光波受到调制2022-6-2326330 630 6322( )( )( )n rn r E zLULdz 2 2高频率调制渡越时间的影响高频率调制渡越时间的影响当调制频率极高时，在光波通过晶体的渡越时间内，当调制频率极高时，在光波通过晶体的渡越时间内，最场

25、可能发生较大的变化，则相位延迟应由积分给出最场可能发生较大的变化，则相位延迟应由积分给出由于光波通过晶体的时间为及由于光波通过晶体的时间为及/ ,dnL c20 632( )dn r E t ctdd / ,zc t n设外加电场为单频正弦信号设外加电场为单频正弦信号220 630 63221dmm dmdititittdn r ecn r cetei 1m dimdei 渡越时间引起的峰值相位延迟的减小（渡越时间引起的峰值相位延迟的减小（缩减缩减）0.9,/224mmdmcfnL 1,1md 当当无缩减，当调制限度无缩减，当调制限度2022-6-2327 4 电光波导调制器体调制器：上面讲述

26、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。集成光学集成光学就是利用光波导把光波限制在微米量级波导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。 介质光波导介质光波导则是集成光学技术的基本

27、组成部件，它主则是集成光学技术的基本组成部件，它主要可分为要可分为平面波导平面波导和和矩形波导矩形波导两类，两类，而而平面波导平面波导又分为平板波导和渐变折射率波导两种。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1.2-14所示。所示。 2022-6-2328光波导调制器的特点：a.a.加电场的区域很小，薄膜附近加电场的区域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量级。薄膜厚度微米量级。驱动功率比体调制器小驱动功率比体调制器小1-21-2个数量级。材料的要求：至少个数量级。材料的要求：至少有一种满足调

28、制器的要求，材料有确定的相对固定的折有一种满足调制器的要求，材料有确定的相对固定的折射率。射率。b.b.利用电光、声光控制时，折射率利用电光、声光控制时，折射率n的变化，使两传播模的变化，使两传播模间有一相位差间有一相位差。与体调制器不同的地方：由于外场的作。与体调制器不同的地方：由于外场的作用导致波导中本征模（如用导致波导中本征模（如TETE模和模和TMTM模）传播特性的变化模）传播特性的变化以及两不同模式之间的耦合转换（模耦合调制）。以及两不同模式之间的耦合转换（模耦合调制）。1.电光波导调制器的调制原理电光波导调制器的调制原理()( )exp() TETMexp () ( )4TETMT

29、ETMmlmlTMTETETMlmmlmlabxyyxdAi AizdzdAi Aizdzix EE dx 与模耦合方程：其中(1)l模的振幅模的振幅传播常数传播常数2022-6-2329v通常可简化：如果波导中电光材料均匀，加电场均匀。通常可简化：如果波导中电光材料均匀，加电场均匀。TE，TM完全完全限制在波导薄膜层中，阶次相同，限制在波导薄膜层中，阶次相同，m=l，这时积分取极大值。这时，这时积分取极大值。这时，TE模模和和TM模的场分布几乎相同，仅电矢量的方向不同。且模的场分布几乎相同，仅电矢量的方向不同。且 v如果如果相位匹配相位匹配 ,(1)式变为：式变为：v要获得要获得完全的完全的

30、TETM功率转换功率转换，必须满足：，必须满足：v无转换无转换时：时： v波导调制器的输出光强波导调制器的输出光强(TM)与输入光强之比为：与输入光强之比为：d-波导薄膜厚度波导薄膜厚度 00TETMmlkn。3012oijn k r E TETMml00( )sin( )cosTMlTEmAziAzAzAz 22LL0,1,2,nLn322sin,2()2o ijn rLkLUd0II2022-6-23302.2.电光波导相位调制电光波导相位调制设传播的波为设传播的波为TM波，电场方向波，电场方向Ez，相位变化：，相位变化：363ozn r E lx(a)z(c)y(b)l电极LiNbO3衬底+y(b)z(c)电极LiNbO3衬底光波导电力线图4 LiNbO3电光波导相位调制器结构示意图2022-6-2331( )mmmmdAiAxdz v对于电光波导相位调制不涉及不同模之间耦合对于电