电光调制器-强度调制器-相位调制器-EOM原理

EOM的工作原理QQ775332295目录•EOM的定义•电光调制的分类•EOM的种类及应用•EOM的工作原理•EOM的特性参数•EOM的操作方法•EOM在本次试验中的作用EOM的定义•EOM，全称ElectroopticModulator，即电光调制器，利用电光效应工作的光调制器。将信息加载于激光的过程称之为调制,完成这一过程的装置称为调制器,其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。电光调制属于外调制，即在激光器外的光路中进行调制。目前光通信领域所用的电光调制器大多是铌酸锂材料做的光波导强度调制器。电光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强度调制等。振幅调制振幅调制就是使载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。设激光载波的电场强度为：()cos()ccccetAt如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：()cosmmatAt其中Am和ωm分别是调制信号的振幅和角频率，当进行激光振幅调制之后，激光振幅Ac不再是常量，而是与调制信号成正比。电光调制的分类)cos(cos1)(ccmacttmAte其调幅波的表达式为：利用三角公式：)cos()cos(21coscos得：cmccacmccaccctAmtAmtAte)(cos2)(cos2)cos()(式中，称为调幅系数。可见调幅波的频谱是由三个频率成分组成的，其中，第一项是载频分量，第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量。cmaAAm调幅波频谱2caAmmccmcm22caAmcA调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为角度调制。()()()ccfttkat)cos()(cccctAte中的角频率ωc不再是常数，而是随调制信号而变化，即：对于调频而言，就是式频率调制和相位调制━━调频和调相若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：()()()()(cos)sinccfccfccfmmccfmcttdtkatdttkatdttkAtdttmt其中称为调频系数，kf称为比例系数。mmmffAkm则调制波的表达式为：()cos(sin)ccfmcetAtmt同样，相位调制就是相位角不再是常数，而是随调制信号的变化规律而变化，调相波的总相角为：式中，称为调相系数。mAkmtAkttakttmmcccccos)()()coscos()(cmcctmtAte则调相波的表达式为：调频和调相波的频谱。由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式cmcctmtAtesincos)(利用三角公式展开，得：sinsincoscos)cos()sinsin(sin()sincos(cos()())tmttmtAtemccmccc将式中两项按贝塞尔函数展开：)sinsin()sincos(tmtmmm和02cos(sin)()2()cos(2)1mnmmtJmJmntn112)12(sin)(2)sinsin(nmnmtnmJtm知道了调制系数m，就可得各阶贝塞尔函数的值。将以上两式代入利用三角函数关系式：)cos()cos(21sinsin)cos()cos(21coscoscmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJAtmJtmJtmJtmJtmJAte)(1cos)1()cos()()cos()()2(cos)()2(cos)()(cos)()(cos)()cos()()(022110可得：可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是,各边频幅度的大小由贝塞尔函数决定。m)(mJn0.770.440.110.02m6mc角度调制波的频谱1fm如下图是m=1时的角度调制波的频谱。显然,若调制信号不是单频正弦波,则其频谱将更加复杂。另外，当角度调制系数较小（即m1）时，其频谱与调幅波有着相同的形式。强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波电场强度有效值的平方):222()()cos()cccItetAt强度调制于是，强度调制的光强表达式可写为:)(cos)(12)(22ccpcttakAtI式中，为比例系数。设调制信号是单频余弦波pk)cos()(tAtamm将其代入上式,并令pmpmAk(称为强度调制系数))(coscos12)(22ccmpcttmAtIm光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频和直流分量。t()It载波调制信号强度调制脉冲调制以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡的波,称为模拟式调制。另外,在目前的光通信中还广泛采用一种在不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制(也称为脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）,再对光载波进行光强度调制。周期脉冲序列载波脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化,成为已调脉冲序列,然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制,就可以得到相应变化的光脉冲序列。周期脉冲序列载波(a)调制信号(b)脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制(e)脉冲位置调制脉冲调制形式EOM的种类及应用•根据电极结构不同，EOM可以分为集总参数调制器和行波调制器；•根据波导结构不同，EOIM可以分为Msch-Zehnder干涉式强度调制器和定向耦合式强度调制器；•根据通光方向与电场方向的关系，EOM可以分为纵向调制器和横向调制器。纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定（与偏振无关）、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；KDP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，可采用“组合调制器”的结构予以衬偿。电光调制器有很多种，根据不同的标准可以分成不同的类别。•根据电光晶体材料的不同，可分为KDP晶体，铌酸锂EOM，硝基苯EOM，锂铌酸钾EOM；•根据所用电光效应的不同也可分类，若电光材料折射率与调制电压呈线性关系，即称为线性电光效应（泡克尔斯效应），如KDP晶体，铌酸锂；若电光材料的折射率与调制电压的二次方成正比，即克尔效应，如硝基苯，锂铌酸钾；•另外，此处还需介绍EAM，电吸收调制器，一种和铌酸锂波导调制器一样应用广泛的调制器，属于是内调制器，主要用于和半导体激光器集成，体积小，功耗低，驱动电压低，但传输性能比EOM稍差，比直接调制的半导体激光器稍好，多用于中短距离传输，发展前途较好。相位调制器相位调制器是电光波导调制器中最简单的器件，选择合适的晶体取向以便获得最大电光系数（为获得最大调制深度，一般取Z方向为电场方向），选取合适的波导和电极结构，然后在调制电压信号的作用下，电光晶体的折射率发生相应的改变，晶体中o光和e光经过不同的光程，产生附加相位。如下图所示，电场分量沿水平方向（x切y晶体）或者垂直方向（y切x晶体）加在铌酸锂基片上，光波导传输的模式应为TE模（水平偏振），即晶体中的e光。产生的附加相位为•根据调制参量的不同，可以分为相位调制器和强度调制器。33r切，表示的是基片取向，如z切，即表示晶体的z轴垂直于晶体光滑表面，GVnLLne3332•强度调制器强度调制的实质仍然是相位调制产生的。激光经过第一个3dB耦合器分成两部分，每个分支光波导所发生的现象均是相位调制，通过第二个3dB耦合器，相位调制才转变为强度调制。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。常见的强度调制器是Msch-Zehnder干涉式强度调制器和定向耦合式强度调制器，但由于前者数学模型简单而且驱动电压低，所以商用的强度调制器多数为M-Z干涉式强度调制器。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，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。晶体折射率可用施加电场E的幂级数表示，即电光调制的物理基础20nnEbE20nnnEbE或写成式中，γE是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或泡克耳斯(Pockels)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（Kerr）效应。对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著，可略去二次项，故在本章只讨论线性电光效应。EOM的工作原理对电光效应的分析和描述有两种方法：一种是电磁理论方法，但数学推导相当繁复；另一种是用几何图形───折射率椭球体(又称光率体)的方法，这种方法直观、方便，故通常都采用这种方法。2222221xyzyxznnn1.电致折射率变化在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折射率椭球由如下方程描述：式中，x，y，z为介质的主轴方向，也就是说在晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是互相平行的；nx，ny，nz为折射率椭球的主折射率。当晶体施加电场后，其折射率椭球就发生“变形”，椭球方程变为如下形式：2222222123422561111211221xyzyznnnnxzxynn式中，γij称为线性电光系数；i取值1，…，6；j取值1，2，3。上式可以用张量的矩阵形式表式为：由于外电场的作用，折射率椭球各系数随之发生线性变化，其变化量可定义为21n3211ijjijEn1211121322212223323132334142434251525352616263621()1()1()1()1()1()xyznnEnEEnnn式中，是电场沿方向的分量。具有元素的矩阵称为电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，它是表征感应极化强弱的量。将LN晶体的电光张量矩阵代入式中得到zyxEEE,,zyx,,ij36如果外加电场平行于光轴，即，则可以看出，加了电场后，折射率椭球没有旋转，仍为单轴晶体，但其折射率发生了变化。下面分析一下电光效应如何引起相位延迟。实际应用中的LN晶体是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成的，且外电场也是沿某些特殊方向加到晶体上的。根据电场的方向与通光的关系，分为两种方式：电场方向与通光方向一致称为纵向电光调制：电场方向与通光方向垂直，称为横向电光调制。以铌酸锂晶体为例，分析电光相位延迟外加电场沿Z轴方向应用，折射率椭球不发生旋转，在一定条件下可以避免自然双折射的问题；为了在同样条件下获得更显著的电光效应，应该利用的方向，而这正是z方向，因此选取电