光电子材料调制器

5.1光调制器5.1光调制器的基本原电光调直接调5.15.1.15.15.1.1电光调制或=0…由一次项E尔斯（Pockels）效应；由二次项hE2光的双折4IS寻常光线(o光光的双折4IS寻常光线(o光-----不遵守折射定o光和e光都是线o e实验寻常光非实验寻常光非常光oe——当方解石晶体旋转o当方解石晶体旋转o光不动，e光围绕o光旋双光当方解石晶体旋转o当方解石晶体旋转o光不动，e光围绕o光旋双光当方解石晶体旋转o当方解石晶体旋转o光不动，e光围绕o光旋射当方解石晶体旋转o当方解石晶体旋转o光不动，e光围绕o光旋双OOeO光：一个折射对e光：无数个折射率，各方向速度不同。不一定在O光和e光AAB主平·e主截及两个主平面皆重合，入射光、主平·e主截及两个主平面皆重合，入射光、e光、o光都在主截面内。e光的光振动在主截面内，o光的AA7878°BeDoC双折射现象的解no=n双折射现象的解no=ne=no=ne=cc主折射nnoevvoeBA .BA . ............ 十二波AoAsinA十二波AoAsinAeAo光 n2n2xyz椭球发生“变形”，相应的折射率椭球方程变为(1)(1( n2n2xyz椭球发生“变形”，相应的折射率椭球方程变为(1)(1(1(12(1yz2(1xz2(1xyxyz123456nnnnnn比较上两式可知，由于外电场的作用，折射率椭球各系数(131 ∑ijEj 1n11n31 ∑ijEj 1n11nn12 Ex3EE1z4n15n6KDP(KH2PO4)类晶体属于四方晶系，42m点群KDP(KH2PO4)类晶体属于四方晶系，42m点群，是负单轴晶n0nzne,且ne这类晶体的电光张000000000000000将(4)式代入(3)式，可(1 (1E1，4 nn(1将(4)式代入(3)式，可(1 (1E1，4 nn(1(1 E，5 2n1(1E6 n，3n将(5)式代入(1)式，便得到晶体外加电场E后的新折射率椭球方程xyz241yzEx241xzEy263将(5)式代入(1)式，便得到晶体外加电场E后的新折射率椭球方程xyz241yzEx241xzEy263222将外加电场的方向平行于z轴，即Ez=E，Ex=Ey=0，于是(6)式变n2263xyEzn2ooe寻找新的坐标系(x΄,y΄,z΄)，使椭球方程不含交叉项xyzx=x΄cosαx=x΄cosα-y=111Esin2Esin2z'2Ecos(2)x'y' n n nooe令交叉项为0，即cos(2α)=0，可得α=45°，则(E)x'2(11E)y'2z'(E)x'2(11E)y'2z'2 nnnooe上式为KDP类晶体沿z轴加电场后的新椭球方程，折射率椭球横截面(它与xOy平面的交线)由半径为no的圆变成了椭圆A图5-1加电场后椭球11E nnxo111E nnyo1nnz11E nnxo111E nnyo1nnze112dn，即dnn3d2n2n21n3Ex 21 n3E y2故121n1n3Ex 21 n3E y2故121n 3Eo n 3Ezyo 2nz2.2.令(11)式中z=0，得到椭圆(E)x'2(1)y'2 nno2L12n3Ennxo 2L12n3nEnyyo 2 L22Lnn33E2 L22Lnn33EVnynxyo 当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差(ny-nx)L为半波长(相应的相位差为时所加的电压，称为“半波电压”，通常以U或U/2 2nn233 VVλ2与波长的关系。由图可见，在所测定的范围(400~700nm)内λ2与波长的关系。由图可见，在所测定的范围(400~700nm)内， 864203.EE2Ecossin2 y3.EE2Ecossin2 y y A12 1)当晶体上未加电场时，Δφ=2nπ(n=0,1,2,…)，则(1)式简化2EEy即Ey=(A2/A1)在z=0处，相位差Δφ=0，光场矢量是沿y即Ey=(A2/A1)在z=0处，相位差Δφ=0，光场矢量是沿y方向的线偏振光1时，式(1)可简)使(n2当晶体上加了电场)2EEy A2A123)当外加电场2)3)当外加电场2)(2n1)时，(1)式可简2Ey即，经过距离L ，经过距离L t1n n3LEco c2E1 tn n3cEL coc2Ey在晶体的出射面(z=L)处两个分量间的相位差在晶体的出射面(z=L)处两个分量间的相位差 cθθθ图5-平板波θθθ图5-平板波导的横截ƒΔεxy，则将引起TE模和TM模之间的互耦合，导致模Δεxy，则将引起TE模和TM模之间的互耦合，导致模mmiTM)z]lll)z]mml mlEx mlExyy4(12)式的积分取极大值时，TE模和TM模的场分布几乎相同，m12n3kE Al=Ao，Am=0，则式(10)和(11)的解ATE(z)iAsinm0Acosl0在长度为L(z=L)的波导中要获得完全的TM→TE功率转换，须满足κL=π/2。此时，光波导的长度LLnk(光栅常数)等于超声波波长。当光波通过这种光栅时，相对ax,tAcosstksn(x,t)dakAsin(tksss1n(x,t)nnsin(tkx)n nPSsin(tk30ss00ss2xt a(x，t)2Anx,t2nsinstsinks1.拉曼-奈斯衍射(频率较低设声光介质中的声波是一个宽度为L、着x方向传播的平面纵波(声柱)，波长λs(角频率为ω)s，波矢量k向x设声光介质中的声波是一个宽度为L、着x方向传播的平面纵波(声柱)，波长λs(角频率为ω)s，波矢量k向x图5-6拉曼奈斯衍SS1S0sinstksnx,tn0nsinstksnxn0nsinks设平面光波在声光介质的入射面y=-L/2处入射，入射光Aexpit经声光介质的传输到达出射面y=+L/2处时，不同的x坐标上Aexp{i[(tn(x)L/经声光介质的传输到达出射面y=+L/2处时，不同的x坐标上Aexp{i[(tn(x)L/q2EPexp{iki[lxLnsin(ks2对Ep进行积分的结果，得Ep的虚部为0，实部sin(lki2rks)q/2sin(lki2rks)q/EPq∑J2rr(lk2rk)q/(lk2rk)q/iSiSsin[lki(2r1)ks]q/2sin[lki(2r1)ks]q/q∑J2r1r[lk(2r1)k]q/[lk(2r1)k]q/isis由上式可以看出，衍射光场Ep取极大值的条件kisin±mks由上式可以看出，衍射光场Ep取极大值的条件kisin±mks=0m=整数 m m(mms nkL2)，mmi2.布拉格2.布拉格(Bragg)衍当声波频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与图5-8度以LL>L图5-8度以LL>L2界奈衍为斯0s000x23CFGE图5-9产生布拉格衍射条件的模x23CFGE图5-9产生布拉格衍射条件的模射的光1′,2′具有同相位的条件是光程差AC-BD等于光波波/n的整倍数， l(coscos)m(ml(coscos)m(midn显然，只有当m=0时，同一镜面上的所有点才能同时满足即入射角等于衍射角。对于相距λs的两个不同镜面上的衍(sinsin)m(msidn考虑到θi=θd，取2sBn22 22 IcosIsin0i1i2 1sin n1n32超声功率Ps与换能器的面积HL(H为换能器的宽度，L为换1度)声速v密度vS密度、22ss211P(HL)v vS) vS2232ssss22Sv3s1 超声功率Ps与换能器的面积HL(H为换能器的宽度，L为换1度)声速v密度vS密度、22ss211P(HL)v vS) vS2232ssss22Sv3s1 n1vv3322ssn62sinsIM2is LHMPs I或i LHMPs I或i②当Ps足够大，使达到时1.1.2.2.P1/S图5-11声光调制特性曲线P1/S图5-11声光调制特性曲线Jn(υ)成比例，若取某一级衍射光作为输出，可利用光阑Jn(υ)成比例，若取某一级衍射光作为输出，可利用光阑2图5-12sI2i(在声功率Ps(或声强Is)较小sI2i(在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍射效率ηs随声2度Is单调地增加(呈线性关系)，M2sBLb图5-12场强度H和光在介质中传播的长度L成正比，这两个这两个圆偏振光无相互作用地以两种微小速度差v+=c/nRv-=c/nL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位1nR2L2L2n12RLn RLA′的偏振方向将随着光波的传播向右ALH0sin(Ht)s0HxT z y图5-15磁光波导模式转换TxT z y图5-15磁光波导模式转换T数字调制是用脉冲编码调制(PCM)的数字信号对光源进换的器件。图5-16所示为AsGaAl换的器件。图5-16所示为AsGaAl器0.0输出光功率与驱动电流的关系电流密度小于It时器基本上不发光或只发很弱的0与LD的Pout-I特性曲线的比较图5-19LED与LD的Pout-I无论采用LD还是LED作为光源，都要施加偏置电流无论采用LD还是LED作为光源，都要施加偏置电流使其工作点位于LD或LED的Pout-I特性曲线的直线段，如调制电流幅LD:m偏置电流阈值LEDm调制电流偏置电(a)(b)图5-20模拟信号驱动电路及光强(a)(b)图5-20模拟信号驱动电路及光强5.2KDP光调制5.2KDP光调制电光强度调电光相位调电光调制器的电学特设计电光调制器应考虑的问5.2KDP5.2KDPKDP家族晶体(特别是KDP，DKDP晶体)具有较大的在KDP晶体上施加在KDP晶体上施加一电场E，该电场在空间上呈均匀分图5-21所示为利用KDP晶体作为纵图5-21纵向电光强度调制图5-21纵向电光强度调制 Acosct'x Acosct'x Acosct'y IiE |Ex'(0) |Ey'(0)|2和分量间就产生了相位差E'yE'LxE'LAexpiy通过检偏器后的总电场强度是和Ey'在y方向上Aexp(i)(E通过检偏器后的总电场强度是和Ey'在y方向上Aexp(i)(E 22{[expi)1exp(i)1]}2 22I(Ey)o(E)oy2sin2()sinIIVT2222sinV/Vmsint)sinmVmsint)sinmmm224Isinsin sintTmmmI22i利用贝塞尔函数恒等式，将上式中 sinωmt)展I12∑J2n1msin2nT设基波和高次谐波的幅值分别为I1和I2n+1，则高次谐波与基设基波和高次谐波的幅值分别为I1和I2n+1，则高次谐波与基J1mI若取m=1rad，则J1(1)=0.44，J3(1)=0.02，I3/I1=0.045，即3次谐 mV1此时J1mm2I1[1I1[1sintTmmI2i因此，当调制信号为小信号(UmVmsinmt若通光方向的晶体长度为L，厚度(两电极间距离)为d，则若通光方向的晶体长度为L，厚度(两电极间距离)为d，则n)L2212n (L)Vn)L3zoe d差，它与外加电压V和晶②两块晶体的z轴和y轴相互反向平行排列，中oooo★补偿原理 2(nn12n3E1y★补偿原理 2(nn12n3E1yzoe 2(n1 n3E2zyeo 22Ldn3V12 当时，半dLV22n3 当时，半dLV22n3 L22横纵★补偿原理★补偿原理1）当它们经过第一块晶体之后，两束光：即x’2）经过半波片2）经过半波片后，两束光的偏振方向各旋转90度经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2光o1变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差优点：横向优点：横向半波电压是纵向半波电压的d/Ld，增加长度L可以降低半以，对KDP晶体而言，一般不用横向电 cnxx1 n cnxx1 n 3Eo 2所以，若外加电场为Ein=Accosωct，则输出光场(z=L处)1t n sin Ac3cco mc2Accosctmsin图5-26V调制器的等效电容,Re图5-26V调制器的等效电容,Re和R分别为导线电阻1V(1/R)SV V 1V(1/R)SV V RsReRiC0(RSRRe1RR(1/R)Se0实现阻抗匹配的办法是在晶体两端并联一电感L个并联谐振回路，其谐振频率为ω02>(LC0)-1，另外再并若选择RL>>RS，就可使若选择RL>>RS，就