激光器件与技术第一章 2讲

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1、第1章 激光调制与偏转技术,本章主要内容,以调制为重点。对偏转技术不作重点要求。 调制基本概念 振幅调制和强度调制（定义，调制方法） 频率调制和相位调制（定义，调制方法） 电光调制、声光调制和磁光调制 激光偏转技术（简单）,1.1 调制的基本概念,一、调制 1. 目的：通过调制进行信息的传递。 2. 调制：把信息加到载波的过程即调制。 定义：利用调制信号去改变载波的某一参数，使其参数 按调制信号的规律发生变化的过程。,从定义看出调制的含义： 1) 调制信号：把需要调制的信息转化为电信号，即调制信号。 2) 载 波：为传递信息附加的载体。载波一般用无线电波，光波等，需要频率较高，而且频率固定。,

2、1.1 调制的基本概念,二激光调制 1. 激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程。 1)单色性好 2) 激光发散角小 3) 具有较好的时间相干性和空间相干性 2. 如何调制？ 激光电场： 利用某种物理方法改变光波的某一参量，使其按调制信号的规律变化，则激光受到调制，达到运载信息的目的。 3. 调制器：完成激光调制的装置。,理想传递信息的载波！,(1),1.2 调制的分类,三. 调制的分类 根据调制器与激光器的相对关系，分为内调制和外调制： 1) 内调制：在激光形成过程中，以调制信号的规律去改变激光振荡的某一参数。即用调制信号控制着激光的形成。 举例：半导体激光器调制驱动电流；腔内放置调制元件

3、调Q技术 2) 外调制：把调制器放在激光器的外面。,1.2 调制的分类,外调制: 优 点： a. 因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。 b. 调制器的带宽不受谐振腔通带的限制。 缺 点：调制效率低。,内调制: 优 点：调制效率高。 缺 点： a. 由于调制器放在腔内，等于增加腔内的损耗,降低了输出功率。 b. 调制器带宽受谐振腔通带的限制,1.2 调制的分类,三. 调制的分类 根据调制的性质，可分为振幅调制、频率调制、相位调制和强度调制等。 激光电场：,(1),1.2 调制的分类,1. 振幅调制（调幅） (1) 定义：以调制信号去改变激光的振幅，使其振幅按调制信号的规律变化。 调

4、制前： 调制后： 激光振幅Ac不在是常量，而是与调制信号成正比的函数：,(2),(3),(4),(5),1.2 调制的分类,1,2,3,1.2 调制的分类,(2) 调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。 振幅的最大值 振幅的最小值 振幅的最大增量 由 可得 m主要由K，A0决定，即比例系数K和调制信号的振幅A0,对m的要求： m1,保证调制信号在传输过程中不畸变。 m1时，使调制信号失真。,(6),1.2 调制的分类,调幅波含三个不同的频率 ： 第一项为调制前的激光振荡波（载频） 第二项激光频率和调制频率之和（边频） 第三项激光频率和调制频率之差 （边频）,(3) 调幅波的频谱分析,1.

5、2 调制的分类,2频率调制和相位调制（调频和调相) (1) 定义：以调制信号去改变激光振荡的频率（相位），使激光的频率（相位）按调制信号的规律变化的过程称频率（相位）调制。,调频,调相,(7),(8),c,1.2 调制的分类,总相位： 调频和调相以后使总相位(t)变化按调制信号的规律变化。因此两者可归为一类。两者的差别是实现方法不同。 调相：,(9),(1),(10),(11),1.2 调制的分类,调频 ：,(12),(13),(14),1.2 调制的分类,(2) 频谱分析 调频和调相以后，总相位角按调制信号的规律变化，激光的频率是时间的函数。根据傅里叶分析，它是许多不同频率波形之和。 以上面

6、的调频为例:,(15),(16),1.2 调制的分类,3. 强度调制 (1) 定义：以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信号规律变化的过程。,考虑经过光强调制以后，不失真，则平均光强选在 I0/2。,(17),(18),1.2 调制的分类,(2) 频谱分析 设 ，则光强调制系数为： 调制后的光强为：,(19),(20),1.2 调制的分类,4脉冲调制 (1). 脉冲调制 如果用光脉冲作为载波，这种载波受到调制信号的控制，使脉冲的幅度、位置、频率等随之发生变化而传递信息。,(2). 脉冲调制的类型： 脉冲调幅（PAM） 脉冲强度调制（PIM） 脉冲调频（PFM） 脉冲调位（PPM） 脉冲调

7、宽（PWM） 脉冲编码调制（PCM）,调制的基本概念 小结,什么是调制？什么是激光调制？如何进行激光调制？ 根据调制的性质，可将调制分为哪几类？ 试以振幅调制为例，分析 情况下的调制系数和调幅波的频谱情况。 什么是脉冲调制？脉冲调制的类型包括哪些？,1.3 电光调制,电光效应：晶体或液体外加电场作用折射率发生变化（电光效应）光波通过时，传播特性改变。 1. 电光调制的物理基础： 光波在介质中传播受介质折射率分布的制约折射率的分布与介电常量相关介电常量与电荷分布有关晶体上加电压，电荷重新分布离子晶格微小变化介电常量改变随电场的方向和大小而改变。,线性电光效应或泡克尔斯效应,二次电光效应或克尔效应

8、,(1),本小节主要内容,纵向电光调制 横向电光调制,电致折射率变化 电光相位延迟 光偏振态的变化,基本原理 电光数字式偏转,电光调制,1.3 电光调制,1). 电致折射率变化（折射率椭球法）,未加电场时：,施加电场后：,x、y、z分别为折射率椭球的主轴，即在晶体内沿着这些方向的电位移D和电场强度E是相互平行的；nx、ny、nz分别是三个方向主折射率。,(2),(3),1.3 电光调制,折射率椭球各系数变化量：,张量的矩阵形式如式：,电光张量，由晶体参数决定。,(4),(5),1.3 电光调制,以KDP晶体为例，负单轴晶体。,设外加电场平行于z轴：,折射率变化与电场成正比，这就是利用电光效应实

9、现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。,(6),(7),(8),表1-2-1 KDP型(42m晶类)晶体的半波电压和 (波长0.5um),1.3 电光调制,2). 电光相位延迟 一束线偏振光沿z轴入射，可分解为沿x和y方向的两个垂直偏振分量。使得两方向的光经过长度L后走的光程不一样。相位延迟：,穿过晶体后的相位差：,产生的相位延迟与所加电压成正比。,(9),(10),1.3 电光调制,相位差改变时，所加的电压，称为半波电压： 半波电压是表征电光晶体性能优劣的一个重要参数。这个电压越低越好。,(11),1.3 电光调制,3). 光偏振态的变化,一般情况下，入射的线偏振光通过加电压的晶体后，出射光

10、为一椭圆偏振光：,相位延迟与所加电压成正比，选择合适电压，可使出射光的偏振态发生改变 。,(12),(10),1.3 电光调制,(13),(14),(15),1.3 电光调制,当外加电压在0 V/2变化时，出射光偏振态变化：线偏振椭圆偏振圆偏振线偏振。,1.3 电光调制,2. 电光强度调制 1). 纵向电光调制（电场方向与通光方向一致）,由于电光效应引起的双折射，从晶体出射的两分量的相位差：,通过检偏器的输出光强：,当加在晶体上的电压V的改变使 从0到之间变化，则I从0I0变化,(10),(16),1.3 电光调制,由于：输出的光强和调制电压并不是线性关系波形失真. 措施： （1）在调制晶体上

11、额外附加V/4电压增加电路复杂性，工作点稳定性差； （2）光路中加入1/4波片，快慢轴分别平行于感应主轴x和y，使Ex和Ey间产生固定相位差。,评价：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射；缺点：半波电压太高，功耗大！,(16),1.3 电光调制,2). 横向电光调制（电场方向与通光方向垂直）,外加电场沿z轴方向，Ex=Ey=0，Ez=E，晶体主轴x、y旋转45o至x、y。通光方向y方向，偏振方向与z轴成45o。经过晶体后分解为沿x和z方向振动的两个分量，其折射率分别为nx和nz。从晶体出射的两分量间的相位差为：,(17),1.3 电光调制,相位差包括两部分： 1）晶体本身自然双折射引起的相位差

12、，与外加电场无关； 2）外加电场作用产生的相位差，与晶体尺寸有关可降低半波电压。 自然双折射温度变化引起no、ne变化率不同，相位差漂移。 补偿措施： 散热、恒温，减小温漂； 组合调制器。,(17),1.3 电光调制,线偏振光沿x方向入射到第一块晶体时，电矢量分解为沿z轴方向的e1光和沿y方向的o1光，经过第一块晶体后，两束光的相位差为：,经过1/2波片后，两束光的偏振方向各旋转90o；经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2光，o1光变成了e2光，则它们经过第二块晶体时，相位差为：,总相位差为：,可见，自然双折射得到补偿。合理选择晶体的纵横比，可降低半波电压。 评价：两块晶体结构复杂、尺寸加

13、工要求高；降低半波电压。,(17),(18),(19),KDP横向运用时存在自然双折射，组合调制器可消除，但结构复杂，尺寸加工精度要求高：长度差0.1mm，温度变化1时，相位变化0.6故一般不采用横向调制方式. 采用LiNbO3晶体的横向运用，既没有自然双折射的影响，又能降低半波电压，所以目前一般采用LN作横向运用晶体。 当LN晶体沿y(或x)方向加场时，相应的感应折射率为：,1.3 电光调制,y向加场，感应主轴不动，x向加场，感应主轴转动45o。 所以当沿y(或x)方向加场，z向通光时，进入晶体的光束 要分解为沿x,yx,y方向振动的两束光，两束光的相位 差为：,从上式可以看出： 只与加在晶

14、体上的电压V和晶体的尺寸有关，可改变晶体的尺寸，降低半波电压。 不存在自然双折射的影响，因此可以得到广泛的应用。 LN的最大缺点是光损伤功率密度低，不能用于大功率密度的激光器。,(20),(21),1.3 电光调制,3. 电光相位调制 区别： 电光相位调制：起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴x或y 电光强度调制：起偏器的偏振轴平行于晶体的主轴x或y。,入射晶体的线偏振光不再分解成沿x和y两个分量，而是沿x轴（或y轴）一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振态，仅改变其相位。,1.3 电光调制,相位变化为：,光波只沿x方向偏振，则：,外加电场：,在晶体入射面z=0处的光场为：,则z=L处的光场

15、为：,(22),(23),(24),(25),(26),1.3 电光调制,4. 电光波导调制 (1). 体调制器：前面讲的各种电光调制器，具有较大体积尺寸的分离器件。 特点：几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，加的电场强。 (2). 光波导调制器： 定义：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、耦合器等无源元件连接起来，构成一个完整的微型光学系统. 分类：,1.3 电光调制,特点： 1）加电场区域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量级，因此驱动功率比体调制器小1-2个数量级。组成材料至少两种，其中一种应满足调制器的要求，且两种材料有确定的相对固定的折射率。 2）体调制器相同之处，也能产生折射率变化，使两传播模间有一相位差。不同之处，外场作用会导致波导中本征模（如TE模和TM模）传播特性变化以及两不同模式之间的耦合转换，所以光波导调制器的基本特性用介质光波导耦合理论来描述。,组成： 由夹在低折射率的衬底层和覆盖层之间的 高折射率的薄膜波导构成。 折射率nfnsne。波导层厚一般在微米 量级。光波在薄膜上、下两界面上发生全 发射，光被限制在横向尺寸为光波长量级的薄膜层内，呈锯齿形光路传播。从外界 输入信号对薄膜中传播的光波加以控制，就构成了光波导调制器。,晶体长度为L，厚度为d，光束沿y方向入射，则x方向晶体的折射率可表示为(假设线性变化)： 其中