光电子技术第七讲--电光调制

《光电子技术》PhotoelectronicTechnique第七讲电光调制周自刚本讲主要内容一、强度调制二、相位调制纵向电光调制横向电光调制泡克耳斯效应（Pockels)：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比的电光效应。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，这种现象称为电光效应。40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。另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。一、强度调制391.纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）yy’xx’45o45o自然光垂直偏振x-yzy’x’输出光水平偏振输出V一、强度调制381.纵向电光调制沿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/）和相位都相等，分别为：2一、强度调制采用复数表示tAEtAEcycxcos0cos0tiAEtiAEcycxexp0exp037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由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为iALEALEyxexp1.纵向电光调制一、强度调制36222*200AEEEEIyxiyy’xx’45o45o与之相应的输出光强为：1.纵向电光调制一、强度调制35]1[exp2)(0iAEy2sin2]1][exp1[exp2222*AiiAEEI2cosixixeex2cos12sinxx注意要用到：怎么来的？将出射光强与入射光强相比，得：1.纵向电光调制一、强度调制V2E26330z6330nLnyxnn34)2(sin)2(sin22VVIITi633022nVVT称为调制器的透过率。从而可以画出光强调制特性曲线。1.纵向电光调制一、强度调制33]cos1[21)2(sin2VVVVTT(%)0V在一般情况下，输出的光强和调制电压并不是线性关系－波形失真。1.纵向电光调制一、强度调制32调制的目的：利用调制传递信息。如果在调制过程中波形失真，使调制的信号不能还原——达不到目的。100T(%)0透射光强时间V调制电压VV1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VV/2一、强度调制311.纵向电光调制其一，除了施加信号电压之外，再附加一个Vλ/4的固定偏压，但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。一、强度调制30自然光x-yz输出光？1.纵向电光调制其二，在光路上插入一个1／4波片其快慢轴与晶体主轴x成45o角，使Ex’和Ey’二分量间产生/2的固定相位差。则总相位差水平检偏器垂直起偏器水平偏振输出出射光V调制器¼波片入射光一、强度调制291.纵向电光调制△m=Vm/V是相应于外加调制信号Vm的相位延迟。Vmsinωmt是外加调制信号电压。入射光P1IixyzxyP2Io调制光~VL起偏器/4波片检偏器一、强度调制28ttVVmmmmsin2sin21.纵向电光调制代入到调制的透过率中利用贝塞尔函数恒等式展开一、强度调制27112)12(sin)(2)sinsin(nmmnmmtnJt)2(sin2iIIT)]sinsin(1[21)sin24(sin2ttIITmmmmittVVmmmmsin2sin2把1.纵向电光调制22cos1sin2xx但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。得一、强度调制26012)12(sin)(21nmmnitnJIIT1.纵向电光调制若取＝1radm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。一、强度调制25),3,2,1,0()()(112112nJJIITmmnn1.纵向电光调制作为线性调制的判据。此时一、强度调制如在sin(△msinωmt)中△m取远远小于1，即:24)sin1(21)]sinsin(1[21ttIITmmmmiradVVmm1mmJ211.纵向电光调制实现线性调制，需调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出的光强调制波就是调制信号V=Vmsinωmt的线性复现。如果△m1rad的条件不能满足(大信号调制)，则光强调制波就要发生畸变。纵向电光调制器：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大等缺点。一、强度调制23结论1.纵向电光调制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．横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）一、强度调制22横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：(2)沿x方向加电场(即电场方向垂直于x光轴)，通光方向垂直于x铀，并与z轴成45o夹角(晶体为45o-x切割)。2．横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）一、强度调制21横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：(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）。2．横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）一、强度调制20外加电场是沿z轴方向，Ex=Ey=0，Ez=E，晶体的主轴x，y旋转45o至x’，y’。电极LDxzyV调制电压传播方向输入光偏振方向一、强度调制192．横向电光调制由于影响输出光强的主要因素是，所以只讨论。由于在z向加场，三个感应主轴的折射率和纵向运用相同。一、强度调制182．横向电光调制3'633'631212xoozyoozzennnEnnnEnn由于沿x’方向通光，入射光的振动方向和z成450，光在晶体中分解为沿z，y’方向振动的两束光。zy/若晶体长度为L，厚度(两电极间距离)为d，外加电压V＝Ezd，则一、强度调制172．横向电光调制e，o光的折射率:een3'6312yoozonnnE这两束光通过晶体后的位相差为:3'63363221()[()]221[()]2yzoeozoeoznnlnnlnEllVnnlnVEdd其中使降低调制电压的途径：在达到一定量相位调制的前提下，①增加晶体长度②减小晶体厚度晶体自然双折射引起的相差与外加电场无关，在实际应用中起偏置作用，对温度非常敏感。一、强度调制162．横向电光调制3'63363221()[()]221[()]2yzoeozoeoznnlnnlnEllVnnlnVEdd其中例题：在长度为10mm的KDP晶体上施加4000V的电压，计算折射率变化情况。lVnEnnnzy63306330x2121||||63123103.710104000106.1051.121＝n一、强度调制152．横向电光调制解：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，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。一、强度调制142．横向电光调制])(21)[(2633VdLnLnnoeo在KDP晶体中，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，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”的结构予以衬偿。一、强度调制132．横向电光调制常用的补偿方法有两种：方法一：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。x1光波z1yV+-调制电压LDV+-x2z2一、强度调制122．横向电光调制方法二：两块晶体的z轴和y’轴互相反向平行排列，中间放置一块1／2波片。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。LDVxyzyxzVxzλ/2波片一、强度调制112．横向电光调制针对方法二讨论：当线偏振光沿x’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y’方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束光的相位差一、强度调制102．横向电光调制LEnnnzoeoxy)21(26331Vy/zλ/2波片若两块晶体的尺寸、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。经过1/2波片后，两束光的偏振方向各旋转900。经过第二块晶体后，原来e1光变成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一、强度调制92．横向电光调制LEnnnzooeyz)21(26332dLVno633212括号内的就是纵向电光效应的半波电压，所以当时，半波电压为例在半波电压对KDP晶体纵向电光调制中，波长为1.06μm时，kVkVnV5.1451.1106.102/()1006.1()2/()(322630632/纵一、强度调制82．横向电光调制LdnVo63322LdVV纵横)()(22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。一、强度调制结论72．横向电光调制主要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，相位的变化为二、相位调制入射光偏振器调制光~VLxyz电光相位调制原理图6Lncxcx因为光波只沿x’方向偏振，相应的折射率为2/cccctEEsintAEcos二、相位调制若外加电场是,在晶体入射面(z＝0)处的光场，则输出光场(z＝L处)就变为5zoxEnnn633021])sin21(cos[6330LtEnnctAmmoccc称为相位调制系数二、相位调制略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则利用贝塞尔函数展开上式，得到4)sincos(tmtAEmccoutLEncLEnmmomoc6336332结论①纵向电光调制a、装置的结构简单，工作稳定，不会受到自然双折射的影响，b