电光调制技术

2019/12/211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、光开关等领域。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X和y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况的电光强度调制。§1电强度调制电光调制技术2019/12/2121.纵向电光调制（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，两个振幅(等于入射光振幅的1/21/2）和相位都相等．分别为：入射光P1IixyzxyP2Io调制光~UL起偏器/4波片检偏器图4纵向电光强度调制2019/12/213或采用复数表示，即Ex’(0)=Aexp(iωct)Ey’(0)=Aexp(iωct)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，Ex’和Ey’二分量间就产生了一个相位差，则Ex’（L）=AEy’（L）=Aexp(-i)(1)222200AEEEEIyxi(0)cos(0)cosxcycEAtEAt2019/12/214那么，通过检偏器后的总电场强度是Ex’(L)和Ey’（L）在y方向的投影之和，即yY’xX’45o45o后一步考虑了(4）式和(5)式的关系（见下页）。与之相应的输出光强为：(3)将出射光强与入射光强相比[(22)公式/(21)公式]得：cos,2ixixeex2cos12sinxx注意公式：0()exp(i)12yAE200()()expi1expi12oyyAIEE22sinsin22oiIUTIU(2)2019/12/215上式中的T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,如图5所示。由图可见，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。（5）26330063302rr/ncnU22sinsin22oiIUTIU（6）.4）(U2E26330z6330rrφφφnLnyxnn--2019/12/216若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的／2相位延迟，使调制器的电压偏置在T＝50％的工作点上。常用的办法有两种：50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压UU/2m图5电光调制特性曲线B2sin2UU2019/12/217式中，△φm=Um/U（相当于25式中的△φ）是相应于外加调制信号最大电压Um的相位延迟。其中Umsinωmt是外加调制信号电压。其一，在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个Uλ/4的固定偏压，但此法会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。其二，在调制器的光路上插入一个1／4波片(图4)其快慢轴与晶体主轴x成45o角，从而使Ex’和Ey’二分量间产生/2的固定相位差。于是，(25)式中的总相位差sinsin22mmmmUttU2019/12/218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展开，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。2sin2oiITI2sinsin4211sinsin2ommimmITtItsinsinmmt2101sin212onmmniITJntI2019/12/219设基频波和高次谐波的幅值分别为I1和I2n+1,则高次谐波与基频波成分的比值为(9)若取＝1rad，则J1(1)=0.44,J3(1)=0.02,所以I3/I1=0.045，即三次谐波为基波的4.5%。在这个范围内可以获得近似线性调制，因而取(10)作为线性调制的判据。此时代入（8)式得(11)m1(1sin)2ommiITtI2121110,1,2,nmnmJInIJ1mmUradU112mmJ2019/12/2110此外,在28式中sin(△φmsinωmt)的△φm若远远小于1，则(8)式也变为:1(1sin)2ommiITtI由此也可得出以上同样的结论。所以为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出的光强调制波就是调制信号U=Umsinωmt的线性复现。如果△φm1rad的条件不能满足(大信号调制)，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、不存在自然双折射的影响等优点。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。2sinsin4211sinsin2ommimmITtIt2019/12/21112．横向电光调制（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的运用方式：(1)沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x或y轴成45o夹角(晶体为45o-z切割)。(2)沿x方向加电场(即电场方向垂直于x光袖)，通光方向垂宜于x轴，并与z轴成45o夹角(晶体为45o-x切割)。(3)沿y轴方向加电场，通光方向垂直于y轴，并与z轴成45o夹角(晶体为45o-y切割）。以下仅以KDP类晶体为代表讲述第一种运用方式。2019/12/2112横向电光调制如图6所示。因为外加电场是沿z轴方向，因此和纵向运用时一样，Ex=Ey=0,Ez=E，晶体的主轴x,y旋转45o至x’，y’,相应的三个主折射率如下所示:3006333006331212xyzennnrEnnnrEnn(33)VL'zz'x输入KDP起偏'y输出d2019/12/2113但此时的通光方向与z轴相垂直，并沿着y‘方向入射(入射光偏振方向与z轴成450角)，进入晶体后将分解为沿x’和z方向振动的两个分量，其折射率分别为nx’和nz；若通光方向的晶体长度为L，厚度(两电极间距离)为d，外加电压U＝E3d，则从晶体出射两光波的相位差(34)3300632212xeLnnLnnLnrUd2019/12/2114由此可知，KDP晶体的r63横向电光效应使光波通过晶体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自然双折射引起的相位延迟，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)掉；第二项是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压U和晶体的尺寸(L／d)有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降低其半波电压。2019/12/2115KDP晶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n0和ne的变化时，两光波的相位差发生漂移。在KDP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，在实际应用中，除了尽量采取一些措施(如散热、恒温等)以减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种“组合调制器”的结构予以补偿。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90o串接排列，2019/12/2116即一块晶体的x’和z轴分别与另一块晶体的z轴和x’轴平行(见图7(a))。另一种方法是，两块晶体的z轴和x’轴互相反向平行排列,中间放置一块1／2波片(见图7(b))。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿z轴(光轴)方向，但在两块晶体中电场相对于光轴反向，当线偏振光沿y’轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方向e1光和沿x’方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束光的相位差31300633212xennnrEL(35)7-x’-x’y’y’-x’-x’y’y’2019/12/2117经过1／2波片后，两束光的偏振方向各旋转90。，经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2光,o1光变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差(37)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。3230633212xeonnnrEL3120632LnrUd(36)2019/12/2118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。/230632dUnrL/2/2dUUL横纵2019/12/2119§2电相位调制图8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。起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴x’(或y’)，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x’、y’两个分量，而是沿着x’(或y’)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，相位的变化为(38)入射光偏振器调制光~ULxyz图8电光相位调制原理图xxnLc2019/12/2120这里的因为光波只沿x’方向偏振，相应的折射率。若外加电场是,在晶体入射面(z＝0)处的光场，则输出光场(z＝L处)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，则上式可写成(39)式中称为相位调制系数。2/csinzmmEEtcosincEAt363321Ennnoox30631cossin2occoommEAtknnrEtLcossinoutcEAtmt3063,2omknrUmUEL2019/12/2121相位调制的频谱相位调制的结果，总相位是时间的函数，也使光的频率变化，频率是总相位角的导数。(1)当mΦ1时(2)当mφ较大时coscmmdttmtdt－－频率变化()cossinsin11coscos[()]cos[()]22ccccmccccmccmEtAtAtmtAtmAtmAt0112233()cos(sin)[coscos(sin)sinsin(sin)][()cos()cos()()cos()()cos(2)()cos(2)()cos(3)()cos(3)ccmccmcmcccmcmcmcmcmcmEtAtmtAtmttmtAJmtJmtJmtJmtJmtJmtJmt2019/12/2122§3电光调制器的电学性能渡越时间：激光通过长度为L的晶体所需时间。对电光调制器来说，总是希望获