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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