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1、第五章 光调制技术-光信息系统的信号加载与控制,5.1 晶体光学基础 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制,2018/8/23,2,第二章 光辐射的调制,调制的内容：是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程。,调制的目的：光信息系统的信号加载与控制,调制的方法： 传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）； 现代方法：利用外场的微扰引起介质的非线性极化，从而改变介质的光学性质。在外场下利用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频率、相位等参数的调制。,2018/8/23,3,二 、光调制分类,调制位置,调制光波的参量,内调制(直接
2、调制),外调制(间接调制),电光调制,声光调制,磁光调制,振幅调制,相位调制,偏振调制,物理效应,调制形式,模拟调制,数字调制,脉冲调制,其他 (如:电吸收调制),内调制 将调制信号直接注入激光器，从而改变输出激光的参数的调制方式 外调制 在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输信号加载到调制器上，使输出光的特性随信号而变的调制方式,1875年，英国的Kerr发现了电光效应中的Kerr效应，利用这一效应制作的Kerr盒是一种用途广泛的电光调制器； 利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应也可以制作电光调制器； 利用Pokels效应也可以制作电光调制器； 利用超声波作用下介质折射率周期性变化的
3、声光效应可以制作声光调制器； 利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器。 利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行超细光谱分析与激光稳频。,5.2光在晶体中的传播,5.2.1晶体的极化率与介电系数介质极化强度P与入射光强度 E：晶体在不同方向上的极化率 不同，P不再与E同向，表现为极化率 成为二阶张量，具有九个分量：,于是，各向异性晶体中P每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系，P不再与E同向； 坐标系确定后 均为常数， 的大小取决于晶体的结构和三个坐标轴相对于晶格结构的选择情况。坐标系选择任意，但被描述物理性质客观存在，不因坐标系而变化选择坐标系为晶体的主介电坐标系，则张量非对角元素为
4、零：,由电磁场物质方程得,与 都是对称二阶张量， 、简化下标得：,在主介电坐标系中上式简化为：,根据光的电磁理论， 光在晶体中的传播特性仍然由麦克 斯韦方程组描述。1. 麦克斯韦方程组在均匀、不导电、非磁性的各向异性介质(晶体)中，若 没有自由电荷存在，麦克斯韦方程组为：,物质方程为 为简单起见，我们只讨论单色平面光波在晶体中的传播 特性。这样处理，可不考虑介质的色散特性，同时，对于任 意复杂的光波，因为光场可以通过傅里叶变换分解为许多不 同频率的单色平面光波的叠加，所以也不失其普遍性。,2. 光波在晶体中传播特性的一般描述（1）.单色平面光波在晶体中的传播特性 A.晶体中光电磁波的结构波动方
5、程,B.能量密度 根据电磁能量密度公式有：,图 4-1 平面光波的电磁结构,C.相速度和光线速度 相速度vp：光线速度vr：相速度与光线速度之间的关系：,图 4-2 vp与vr的关系 (AB表示波阵面),(2).光波在晶体中传播特性的描述 A.晶体光学的基本方程广义本征值方程由矢量叉乘的恒等式得到：即,A(BC)=B(AC)-C(AB),D=0n2E-k(kE),图 4-3 E和D的定义,B.菲涅耳方程 .菲涅耳方程的第一种形式波法线菲涅耳方程(即波法线方程),.菲涅耳方程的第二种形式,.菲涅耳方程的第三种形式,图 4-4 与给定的k相应的D、E和s,.菲涅耳方程的第四种形式光线菲涅耳方程(光
6、线方程),3. 光在几类特殊晶体中的传播规律上面从麦克斯韦方程组出发，直接推出了光波在晶体中 传播的各向异性特性，并未涉及具体晶体的光学性质。下 面，结合几类特殊晶体的具体光学特性，从晶体光学的基本 方程出发，讨论光波在其中传播的具体规律。 (1).各向同性介质或立方晶体各向同性介质或立方晶体的主介电系数 1=2=3=n02根据前面讨论的有关确定晶体中光波传播特性的思路， 将波法线菲涅耳方程通分、整理,得到：,代入1=2=3=n02，并注意到k21+k22+k23=1，该式简 化为：由此得到重根 n=n=n0。这就是说，在各向同性介质 或立方晶体中，沿任意方向传播的光波折射率都等于主折射率 n
7、0 ，或者说，光波折射率与传播方向无关。进一步，把n=n=n0的结果代入(4-42)式，可以得到三 个完全相同的关系式：,k1E1+k2E2+k3E3=0,图 4-5 各向同性介质中D, E, k, s的关系,(2).单轴晶体单轴晶体的主介电系数为：其中，neno的晶体，称为正单轴晶体；ne no 时，称为负 单轴晶体。 A.两种特许线偏振光波(本征模式),2. 折射率椭球 单轴晶体,取光轴为z轴，沿x、y轴的主折射率相等，说明xoy平面内传播光D、E方向一致，与各向同性介质中光波性质一样，称寻常光，相应主折射率为寻常折射率，记为no 沿光轴的主折射率称非常折射率，记为ne 正单轴晶体 , 折
8、射率椭球为长椭圆形(橄榄型)， 负单轴晶体 ，折射率椭球为扁椭圆形(药片型)。,2. 折射率椭球 单轴晶体,2. 折射率椭球 单轴晶体折射率椭球特性,xoy平面与椭球截面是一个圆，其半径为no。 表明当光波沿着z轴方向传播时，即ki平行于光轴时，只存在一种折射率no，光波电位移矢量D可取垂直于Z轴的任何方向，于是，不产生双折射。z轴即单轴晶体光轴。 xoz、yoz平面，或其它含z轴的椭球截面为一椭圆，其两半轴长度分别为 、 。 表明当光垂直于光轴入射(ki垂直于光轴，处于xoy平面内)时，可允许两个彼此正交的线偏振光传播，其中一个光波偏振方向平行于光轴、折射率为 ，另一光波偏振方向垂直于光轴、
9、折射率为 。,晶体的双折射,指光在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏振方向不同的光，向两个方向折射 介电晶体各向异性的最重要、最直观的结果之一,单轴晶体中，对应不同的界面相对于光轴取向(背景)关系下双折射情况示意图。,5.3 电光调制,外加电场能引起某些晶体各向异性的折射率变化 分析外加电场如何引起晶体的光学性质变 如何利用这一性质进行光调制。 5.3.1 电光效应 电光效应当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化的现象 电光效应弛豫时间很短，仅有10-11量级 外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成 可用作
10、高速调制器、高速开关等,为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件,外加电场相对光场为低频 外加电场频率接近或达到光频时属非线性光学研究范畴 所研究介质为无对称中心的晶体本节研究线性电光效应，只能存在于无对称中心晶体中 外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体此时D与E的方向一致，因而D只随E的大小变化。,1 泡克尔斯(Pockels)效应 与克尔(Kerr)效应,当外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体,、,、,均为常数。,为不加电场时的介电,常数，称线性介电常数。 定义D(E)的斜率为加电场后的介电常数：,取二阶近似为线性电光系数 ，对于 所决定的效应，n的变化与外加电场的一次方成正比，称为线性电光
11、效应或泡克尔斯(Pockels)效应；为二次电光系数， 所决定的效应，n与外加电场平方成正比，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。,2 晶体的电光系数,引入逆介电张量 ： 则不加外场时在xyz主介电坐标系中的折射率椭球又可表示为：电场存在情况下，新椭球方程,外加电场E对n的影响可以方便用 的变化 来表示，即 是外加电场引起的，对于线性电光效应，它应与E成正比：是对称张量，因而 也是对称张量,非中心对称晶体的电光系数矩阵,常用晶体的电光系数,5.3.2KDP晶体的线性电光效应,KDP晶体是人工生长的KH2PO4单晶的简称 . 不加外场时，其折射率椭球为：当晶体受到外加电场作用后，其线性电光效
12、应矩阵为：,由此得新的折射率椭球为：外加电场引起了折射率椭球中的后三项，即“交叉项”，它们与xy、yz、xz有关，这意味着加上电场后，椭球的主轴不再是x、y、z轴，而是有所偏转。新主轴、的方向和大小与E的关系就确定了电场对光传播的影响。,1 外加电场平行于光轴,设新主轴 相对旧主轴 旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系在新主轴坐标系 中，折射率椭球方程变为：,结论： 1 施加外场E3后，椭球的xoy截面由圆变为椭圆，折射率椭球由旋转椭球面变为一般椭球面，KDP由单轴晶体变为双轴晶体。 2 沿 方向偏振的光传播相速度加大，而沿 方向偏振的光传播速度减小，因此 轴称为快轴， 轴为慢轴。,2外加电场垂
13、直于光轴,外加电场垂直于光轴也就是E处于xoy平面内新折射率椭球方程 设新主轴 相对旧主轴 旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系,得新主轴坐标系 中，折射率椭球方程变为：新主轴坐标系中三个主折射率近似为,结论：,施加外场E2后，新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕y旋转角后形成的，与外加电场成正比，但一般是一个小值。 施加外场E2后，折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球，单轴晶体变为双轴晶体，双轴晶体的光轴方向之一仍为原z轴，另一光轴位于以 轴为对称轴且和z对称的方向上。,5.3.3电光调制,利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原
14、理对光进行的调制就称为电光调制，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。 1 电光相位延迟 以外加电场平行于光轴的KDP晶体为例，,将E沿 、 轴方向分解得：光波沿z方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为,某一时刻,、,的变化曲线及相应的光场矢量变化情形,当相位延迟时，光场为x方向偏振的线偏振光，当/2时，光场为圆偏振光，当时，光场又变成沿y方向偏振的线偏振光。 与对应的偏振光相对入射光旋转了90，其相应的电压称为半波电压 晶体的电光系数越大，相应半波电压越低 . 通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。,表5-4 部分四方晶系晶体 的和,2 纵向电光强度调制,图5-8 纵向电光强度调制器,
15、设：入射光经起偏片后强度为02，即：经过长l的晶体后，,再经/波片，,检偏器出射光总场强为 出射光强为：,图5-9纵向电光调制器调制特性曲线,使用电光调制器的光通信线路,3横向电光强度调制,说明通过外加调制电压可以实现位相调制。,2018/8/23,63,由于检偏器的输出光强是晶体上电压的函数，只要将电信号加载到晶体上，那么就能用电信号调制光信号，故电光调制可以实现模拟信号和低频数字信号的光传输。,优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响； 缺点：半波电压太高，特别在调制频率太高时，功耗较大。,2018/8/23,64,纵向调制,1m，V= 9.7kv,横向调制,V可为伏量级,2、横向电光强度调制,缺点：存在自然双折射引起的相位差，易受温度环境影响，导致调制光发生畸变。,式中第一项表示天然双折射造成的相位差， 第二项由电光效应引起，为电光延迟。,由第一项确定工作点位置后，根据第二项 正比于l/d，恰当选择长宽比，以实现有效 的电光调制。,4 相位调制,5 波导电光调制器,波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场加在通光波导区，由于E3V/d，因而可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。,波导调制器的单位带宽驱动功率比体调制器的低得多，因而调制效率要高得多。,
