第5章 光调制器PPT

1、第五章光调制器：1。光调制器的基本原理(电光、声光、磁光、直接调制)2。KDP光调制器3、铌酸锂光调制器4、半导体光调制器。激光是一种频率较高(10131015赫兹)的电磁波，具有良好的相干性，因此可以像以前的电磁波(收音机、电视机等)一样进行传输。)1。调制的基本概念。信息(包括语言、文字、图像、符号等。)通过特定的传输通道(大气、光纤等)被发送到接收器。)，然后由光接收器识别并恢复到原始信息。将信息载入激光的过程称为调制，完成这一过程的设备称为调制器。激光被称为载波。起控制作用的低频信息称为调制信号。解调：调制的反向过程，即把调制信号恢复到原始信息。激光光波的电场强度为：其中，由于激光具有

2、振幅、频率、相位和强度等参数，如果其中一个参数根据调制信号的规律发生变化，激光就会被信号调制，从而达到携带信息的目的。根据调制器与激光器的相对关系，可分为内部调制和外部调制。内部调制：是指调制信号的加载是在激光振荡过程中进行的，即利用调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器的输出特性来实现调制。调制的分类：例如，注入半导体激光器通过调制信号直接改变其泵浦驱动电流，从而调制输出激光强度(也称为直接调制)。另一种内部调制方法是在激光谐振腔中放置一个调制元件，并用调制信号控制该元件的物理特性，以改变谐振腔的参数，从而改变激光器的输出特性(如调Q技术)。外部调制意味着在激光器形成之后，调制器被放置

3、在激光器外部的光路上，并且调制器的物理特性随着调制信号而改变。当激光通过调制器时，光波的某个参数将被调制。外部调制方便，其调制速率比内部调制高(约一个数量级)，调制带宽也宽得多，因此备受关注。根据调制器的工作原理，它可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和直接调制(电源调制)。激光调制根据其调制特性可分为振幅调制、频率调制、相位调制和强度调制。1)调幅，即使载波的幅度按照调制信号的规律变化的振荡。假设激光载波的电场强度为：如果调制信号是时间的余弦函数，即：其中Am和M分别是调制信号的幅度和角频率，激光幅度调制后，激光幅度Ac不再是常数，而是与调制信号成正比。调幅波的表达是：调频或调相是光载波的频

4、率或相位随调制信号的变化而变化的振荡。因为这两种调制波显示了总相位角(t)的变化，所以它们统称为角度调制。2)调频和调相。如果调制信号仍然是余弦函数，调频波的总相角为：这称为调频系数，kf称为比例系数。调制波的表达式是：同样，相位调制意味着相位角不再是常数，而是随着调制信号的变化规律而变化。调制波的总相角为：这里称为相位调制系数。相位调制波的表达式是：频率调制和相位调制波的频谱。因为频率调制和相位调制最终都是调制的总相角，所以它们可以用统一的形式写成。强度调制是激光振荡，其中光载波的强度(光强度)随调制信号规律而变化。激光调制通常采取以下形式另外，脉冲调制和数字调制(也称为脉冲编码调制)目前在

5、光通信中被广泛应用。通常，它们首先执行电调制(模拟脉冲调制或数字脉冲调制)，然后对光载波执行光强度调制。脉冲调制是以间歇周期脉冲序列作为载波，载波的某个参数根据调制信号的规律而变化的一种调制方法。也就是说，某个参数(振幅、宽度、频率、位置等。)由模拟调制信号进行电调制，然后将调制后的电脉冲序列用于光载波的强度调制，从而可以获得相应变化的光脉冲序列。在这种调制中，模拟信号首先被转换成电脉冲序列，然后变成代表信号信息的二进制码(PCM数字信号)，然后光载波被强度调制以传输信息。要实现脉码调制，必须有三个过程：采样、量化和编码。5)脉冲编码调制。虽然激光调制有多种形式，但调制的工作机制主要是基于电光

6、、声光和磁光等物理效应。下面讨论电光调制的基本原理和调制方法。电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体或液体的折射率在外部电场的作用下会发生变化，当光波通过这种介质时，它们的传输特性会受到影响而发生变化。电光调制中，光波在介质中的传播规律受介质折射率分布的制约，而折射率分布又与其介电常数(介电常数)密切相关。晶体的折射率可以用外加电场e的幂级数表示，即可以制成光调制器件、光偏转器件和电光滤波器件。1)电光调制的物理基础，或写成，其中e是线性项，由这个项引起的折射率变化称为线性电光效应或普克耳斯效应；由二次项bE2引起的折射率变化称为二次电光效应或克尔效应。对于大多数电光晶体材料，初级效应比次级

7、效应更显著，次级项可以省略。因此，本章只讨论线性电光效应，主要包括以下几点：一、电光折射率的变化；二、电光相位延迟；三、光偏振态的变化。分析和描述电光效应的方法有两种：一种是电磁理论方法，但数学推导相当复杂；另一种是几何图形折射率椭球(也称光学指标)法，直观方便，所以通常采用。电引起的折射率变化。在主轴坐标系中，折射率椭球由以下等式描述：其中x、y和z是介质的主轴方向，也就是说，晶体中沿着这些方向的电位移d和电场强度e彼此平行；Nx、ny和nz是折射率椭球的主要折射率。当电场作用于晶体时，其折射率椭球体将“变形”，椭球体方程将变为以下形式：(1)由于外加电场的作用，折射率椭球体的系数将线性变化

8、，变化量可定义为，其中ij称为线性电光系数；我拿1，6；j的值是1，2和3。上述公式可以用张量的矩阵形式表示如下：其中是电场沿方向的分量。含有元素的矩阵称为电光张量，每个元素的值由特定的晶体决定，晶体是表示激发极化的量。以常用的KDP晶体为例进行分析。磷酸二氢钾(KDP)和磷酸二氢钾(DKDP)因其优异的紫外透过率、高损伤阈值和高双折射系数而被广泛应用于许多工业应用(具有低非线性系数)。这两种晶体通常用作Nd:YAG激光器的第二、第三和第四倍频器件(室温下)。在添加中，KDP(KH2PO4)晶体属于四方晶系，42m点群，并且是负单轴晶体，因此这种晶体的电光张量为：此外，这种晶体只有两个独立的电

9、光系数，其可以如下获得：在施加外部电场e之后，从该系数获得新的折射率椭球方程3360。从上述公式可以看出，外部电场导致折射率椭球方程中的“交叉”。结果表明，施加电场后，椭球体的主轴不再平行于X轴、Y轴和Z轴。因此，有必要找出一个新的坐标系，并使上述公式的主轴在这个坐标系中，从而确定电场对光传播的影响。为了简单起见，所施加电场的方向平行于Z轴，也就是说，为了找到一个新的坐标系(x，y，Z)，椭球方程不包含交叉项，也就是说，它具有以下形式：其中x，y，Z是施加电场后椭球的主轴方向，通常称为感应主轴；是新坐标系中的主折射率。因为x和y是对称的，所以x和y坐标可以绕z轴旋转，所以从旧坐标系到新坐标系的

10、转换关系是：这是沿z轴施加电场后KDP晶体的新椭球方程，如图所示。椭球长轴的一半长度由以下公式确定：让交叉项为零，即方程变为，因为63非常小(约10-10m/V)，通常为63EZ，通过使用微分公式，可以得到：因此，当沿着Z(主)轴施加电场时，KDP晶体从单轴晶体变为双轴晶体，并且折射率椭球体的主轴围绕Z轴旋转。这是利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。下面分析电光效应如何引起相位延迟。一是电场的方向与光的传播方向一致，这就是所谓的纵向电光效应；另一种是电场垂直于光传输的方向，这就是所谓的横向电光效应。以类KDP晶体为例，当沿晶体的Z轴施加电场时，椭球折射率发生变化。如果光波沿Z方

11、向传播，其双折射取决于椭球和垂直于Z轴的平面相交形成的椭圆。假设Z=0，椭圆方程为：b电光相位延迟，椭圆的一个象限显示在图的阴影部分。它的长半轴和短半轴与x和y重合，x和y是两个分量的偏振方向，相应的折射率是nx和ny。当一束线偏振光沿Z轴进入晶体并进入晶体(z=0)时，它被分解成沿X和Y方向的两个垂直偏振分量。由于折射率不同，沿X方向振动的光传播速度快，而沿Y方向振动的光传播速度慢。当它们通过长度L时，它们的光路分别是nxL和nyL。这样，两个偏振分量的相位延迟分别为：因此，当两个光波通过晶体时会有相位差，其中V=Ez L是沿Z轴施加的电压；当确定电光晶体和透射光波长时，相位差的变化仅取决于

12、所施加的电压，也就是说，只要电压改变，相位就可以成比例地改变。当光波的两个垂直分量ex和ey之间的光程差为半个波长(相应的相位差为0)时，所施加的电压称为“半波电压”，通常由下式表示。半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数。电压越小越好。特别是在宽频带和高频的情况下，半波电压越小，调制功率越小。半波电压通常可用静态法(加上DC电压)测量，电光系数可用上述公式计算。下表显示了KDP型(42m晶体)的半波电压与电光系数(波长0.55米)之间的关系。根据t在正常情况下，输出的合成振动是椭圆偏振光，数学上表示为：光偏振态的变化。这里我们有一个相位延迟晶体(相当于可调节的偏振态转换器),它随施加的电压

13、成比例地变化，因此我们可以通过电学方法将入射光波的偏振态转换成所需的偏振态。首先，研究了几种特殊情况下偏振态的变化：(1)当没有电场作用于晶体时，上述方程简化为：这是一个直线方程，表明合成光通过晶体后仍然是线偏振光，与入射光的偏振方向一致。这种情况相当于“全波板”的作用。(2)当电场()作用于晶体时，它可以简化为一个正椭圆方程。当A1=A2时，合成光变成圆偏振光，相当于“四分之一波片”。合成的光场矢量变成圆偏振光。(3)当施加的电场V/2使=(2n=1)时，上述公式表明合成光再次变为线偏振光，但是偏振方向相对于入射光旋转了2度角(如果=450，即沿Y方向旋转了900)，并且晶体充当“半波片”。

14、总而言之，假设一束线偏振光垂直入射到xy平面上，并且(电矢量e)沿x轴振动。当它进入晶体(Z=0)时，它被分解成两个相互垂直的偏振分量，x和y。经过距离l后，晶体出射面(zL)处两个分量之间的相位差可以从上述两个公式中的指数差得到(x分量大于y分量)。上图显示了一个力矩和两个分量(为了便于观察，两个垂直分量分开画出)，还显示了在路径上不同点沿光场矢量顶部扫描的轨迹。在z0 (a)，相位差，光场矢量是沿X方向的线偏振光；在点e，合成光场矢量变成顺时针圆偏振光。在点I，合成光矢量变成沿y方向的线性偏振光，其相对于入射偏振光旋转90。如果垂直于入射光偏振方向的偏振器放置在晶体的输出端，当施加到晶体的

15、电压在0。检偏器输出的光只是椭圆偏振光的Y分量，所以偏振态的变化可以转化为光强的变化(强度调制)。半波电压：指调制器从关态到开态的驱动电压。在KDP的垂直应用中，电光调制器的技术参数、特性阻抗和驱动功率Pdri，其中：c是真空中的光速，c是每单位电极长度的电容，C0是使用空气代替所有波导材料的每单位电极长度的电容。为了获得良好的特性阻抗，有必要降低电极和波导材料的电容。调制器是微波系统中的一个负载，它有自己的特征阻抗。通常，微波输入端的匹配阻抗为50。如果两者不相等，即阻抗不匹配，将在调制器电极的输入端引起微波反射，驱动功率不能完全进入调制器。从上述公式可以看出微波驱动功率与进入调制器的功率之间的关系，只有当阻抗匹配时，所有的驱动功率才能进入调制器。因此，它是优化设计中的一个重要参数，受电极宽度、厚度、间距和波导位置的影响。电光调制器技术参数，调制带宽：强度调制的调制带宽反映了器件的工作频率范围，定义为调制深度降至最大值的50%(3dB)时对应的上下频率之差。调制带宽是衡量光载波信息容量的主要参数，可由调制器承载。行波电光调制器的调制带宽由光波和调制波的匹配度决定。行波调制器的带宽可以表示为：也就是说，对于线性调制器，要求信号不失真，并且调制器的透射率应该与调制电压具有良好的线性关系。电光调制器技术参数消光比：定义为消光比，是衡量电光开关性能的一个指