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1、光电子技术光电子技术 PhotoelectronicPhotoelectronic Technique Technique 第七讲第七讲 电光调制电光调制 周自刚周自刚 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。
2、 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 39 1. 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致） y y x x 45o45o 自然光 垂直偏振 x -y z y x 输出光 水平偏振输出 V 一、强度调制 38 1. 纵向电光调制 沿z轴入射的
3、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： 一、强度调制 采用复数表示 37 当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，E x和E y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 1. 纵向电光调制 一、强度调制 36 y y x x 45o45o 与之相应的输出光强为： 1. 纵向电光调制 一、强度调制 35 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 34 T称为调制器的透过率。从而 可以画出光强调制特
4、性曲线。 1. 纵向电光调制 一、强度调制 33 T (%) 0 V 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。 100 T(% ) 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T50 的工作点上。常用的办法有两 种： 50 100 透过率 (%) 0 透射光强 时间 电压 调制电压 V V/2 一、强度调制 31 1. 纵向电光调制 其一，除了施加信号电压之外，再附
5、加一个 V/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 -y z 输出光 ？ 1. 纵向电光调制 其二，在光路上插入一个14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 波片 入射光 一、强度调制 29 1. 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。 Vm sinmt 是外加调制信号电压。 入射光 P1 Ii x y z x y P2 Io 调制光 V L 起偏器 /4波片检偏器 一、强度调制 28 1.
6、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 把 1. 纵向电光调制 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 1. 纵向电光调制 若取 1rad 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 /I 1 =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 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s
7、in(m sinmt) 中m 取远远小于1， 即: 24 1. 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=Vm sinmt 的线性复现。 如果m 1rad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
8、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 L D x z
9、y V调制电压 传播方向 输入光偏 振方向 一、强度调制 19 2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 18 2横向电光调制 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。 z y/ 若晶体长度为L，厚度(两电极间距离)为d，外加电压VEzd，则 一、强度调制 17 2横向电光调制 e，o光的折射率: 这两束光通过晶体后的位相差为: 使降低调制电压的途径： 在达到一定量相位调制的前 提下， 增加晶体长度 减小晶体厚度 晶体自然双折射引 起的相差与外加电场无
10、关，在实际应用中起偏 置作用，对温度非常敏 感。 一、强度调制 16 2横向电光调制 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。 一、强度调制 15 2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 14 2横向电光调制 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
11、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 13 2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 z1 y V + - 调制电压 L D V + - x2 z2 一、强度调制 12 2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12 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。 L D V x y z y x z V x z /2波片 一、强度调制 11 2横向电光调制 针对方法二讨论： 当线偏振光沿x轴方向
12、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 10 2横向电光调制 V y/ z /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 9 2横向电光调制 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1.06m时，
13、一、强度调制 8 2横向电光调制 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 7 2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 V L x y z 电光相位调制原理图 6 因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率为 二、相位调制 若 外加电场是
14、, 在晶体入射面(z0)处的光场 ，则输出光场(zL处)就变为 5 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 结论 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、缺点：半波电压太高，高压电源的制作困难。 c、调制频率较大时，还会产生较大的功率损耗。 横向电光调制 a、相位延迟与晶体的长度与厚度之比有关，因此通过改变晶体的长度 与厚度可使半波电压降低。而纵向调制的相位延迟与晶体的长度与厚度 之比无关。 b、缺点：自然双折射引起的相位延迟。 3 问答题 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制，纵 向和横向电光调制各有什么优缺点？ 答：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，特别是在调制频率较高时， 功率损耗比较大。横向效应运用时，存在自然双折射产生的固有相位延 迟，它们和外加电场无关。在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量 通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设 法消除。横向效应运用时，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且 与晶体的长宽比
