光电子技术_王俊波_电光调制

UPDOWNBACK2019/8/4共29页1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。§3.2电光调制UPDOWNBACK2019/8/4共29页2利用泡克耳斯效应实现电光调制可以分为两种情况。一、电光强度调制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。UPDOWNBACK2019/8/4共29页31.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/）和相位都相等．分别为：2入射光P1IixyzxyP2Io调制光~VL起偏器/4波片检偏器纵向电光强度调制UPDOWNBACK2019/8/4共29页4或采用复数表示，即当光通过长度为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(3.2-28)由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为tAEtAEcycxcos0cos0tiAEtiAEcycxexp0exp0iALEALEyxexpUPDOWNBACK2019/8/4共29页5yY’xX’45o45o后一步考虑了(3.2-19)式和(3.2-20)式的关系。(3.2-29)与之相应的输出光强为：(3.2-30)将出射光强与入射光强相比[(3.2-29)公式/(3.2-28)公式]得：,2cosixixeex2cos12sinxx注意公式：UPDOWNBACK2019/8/4共29页6)192.3(V2E26330z6330nLnyxnn(3.2-30)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。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。)202.3(26330063302ncnVVπ和Vλ/2是一回事。UPDOWNBACK2019/8/4共29页7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：电调制特性曲线50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/2UPDOWNBACK2019/8/4共29页8△m=Vm/V（相当于3.2-30式中的△）是相应于外加调制信号vm的相位延迟。其中Vmsinωmt是外加调制信号电压。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。其二，在光路上插入一个1／4波片(3.2-5图)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。(3.2-30)式中的总相位差UPDOWNBACK2019/8/4共29页9因此，调制的透过率可表示为利用贝塞尔函数恒等式将上式（3.2-31)（3.2-32)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，必须将高次展开，得UPDOWNBACK2019/8/4共29页10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)sin1(21tIIT谐波控制在允许的范围内。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(3.2-33)作为线性调制的判据。此时代入（3.2-32)式得(3.2-34)(3.2-35)UPDOWNBACK2019/8/4共29页11sin(△msinωmt)的△m若远远小于1，则:)sin1(21tIIT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。UPDOWNBACK2019/8/4共29页12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袖成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铀，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）。2．横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）UPDOWNBACK2019/8/4共29页13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前面(3.2-17)式所示:UPDOWNBACK2019/8/4共29页14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袖成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；苦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V＝Ezd，则从晶体出射两光波的相位差ezzyzxnnEnnnEnnn63300633002121(3.2-36)UPDOWNBACK2019/8/4共29页15由此可知，KDP晶体的γ63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V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。UPDOWNBACK2019/8/4共29页16KDP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”的结构予以衬偿。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，UPDOWNBACK2019/8/4共29页17即一块晶体的y’和z轴分别与另一块晶体的z轴和y’轴平行(见图a）。另一种方法是，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(见图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UPDOWNBACK2019/8/4共29页18UPDOWNBACK2019/8/4共29页19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。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(3.2-37)UPDOWNBACK2019/8/4共29页20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。根据(3.2-37)式，当时，半波电压为UPDOWNBACK2019/8/4共29页21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(3.2-38)二、电光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UPDOWNBACK2019/8/4共29页22这里的因为光波只沿x’方向偏振，相应的折射率为。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，则上式写成(3.2-39)式中称为相位调制系数。利用贝塞尔函数展开上式，便得到(3.1-12)式的形式。2/ctEEsintAEcosUPDOWNBACK2019/8/4共29页23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，总是希望获得高的调制效率及满足要求的调制带宽。前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频率(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且入远大于晶体的长度L，因而在光波通过晶体L的渡越时间内，调制信号电场在晶体各处的分布是均匀的，则光波在各部位所获得的相位延迟也都相同，即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电场的作用。在这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个电容．即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制器。集总参量调制器的颇率特性主要受外电路参数的影响。)/(ncLd)/(ncLd三、电光调制器的电学性能UPDOWNBACK2019/8/4共29页24调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束：当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。1．外电路对调制带宽的限制~VsRsReRC0V电光调制器的等效电路图~VsRsRLL调制器的并联谐振回路C0电光晶体UPDOWNBACK2019/8/4共29页25体调制器：上面讲述过的都是此类。体积大的分离器件，而且整个晶体都受到外界电场的作用。集成光学就是利用光波导把光波限制在微米量级波导区中沿一定方向传播的特性，来实现光学器件的平面化和光学系统集成化。具体地说，就是把激光器、调制器、探测器等有源器件“集成”在同一衬底上，并通过波导、耦合器等无源器件连结起来．构成一个完整的微型光学系统。介质光波导则是集成光学技术的基本组成部件，它主要可分为平面波导和矩形波导两类，而平面波导又分为平板波导和渐变折射率波导两种。平板波导是集成光路中结构最简单最常用的波导，它的结构如图。四、电光波导调制器（一般了解）UPDOWNBACK2019/8/4共29页26光波导调制器的电光、声光等物理效应对光参数的控制过程,有与体调制器相同的一面，即能使介质的介电张量产生微小的变化(即折射率变化)，从而使两传播模间有一相位差；但