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1、电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理目录EOMEOM的定义的定义电光调制的分类电光调制的分类EOM的种类及应用EOM的工作原理EOM的特性参数EOM的操作方法EOM在本次试验中的作用电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理EOM的定义EOM，全称Electrooptic Modulator，即电光调制器，利用电光效应工作的光调制器。将信息加载于激光的过程称之为调制,完成这一过程的装置称为调制器,其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。电光调制属于外调制，即在激光器外的光路中进行调制。目前光通信领域所用的电光调制器大多是铌酸锂材料做的光波导强度调制器。电光调制器强度调制器相位调制
2、器EOM原理电光调制按其调制的性质可以分为电光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强度调调幅、调频、调相及强度调制等制等。振幅调制振幅调制振幅调制就是使载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，振幅调制就是使载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅简称调幅。设激光载波的电场强度为：设激光载波的电场强度为：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即： 其中其中 Am 和和 m m 分别是调制信号的振幅和角频率，当进行激光振幅分别是调制信号的振幅和角频率，当进行激光振幅调制之后，激光振幅调制之后，激光振幅 Ac 不再是常量，而是与调制信号成正比。不
3、再是常量，而是与调制信号成正比。电光调制的分类电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理其调幅波的表达式为：其调幅波的表达式为： 利用三角公式：利用三角公式： 得：得：式式中中， 称称为为调调幅幅系系数数。可可见见调调幅幅波波的的频频谱谱是是由由三三个个频频率率成成分分组组成成的的，其其中中，第第一一项项是是载载频频分分量量，第第二二、三三项项是因调制而产生的新分量，称为边频分量是因调制而产生的新分量，称为边频分量 。调调幅幅波波频频谱谱电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理 调调频频或或调调相相就就是是光光载载波波的的频频率率或或相相位位随随着着调调制制信信号号的的变变化化规规律律而而改改变
4、变的的振振荡荡。因因为为这这两两种种调调制制波波都都表表现现为为总总相相角角 (t) 的变化，因此统称为的变化，因此统称为角度调制角度调制。 中的角频率中的角频率c 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：不再是常数，而是随调制信号而变化，即： 对于调频而言，就是式对于调频而言，就是式频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为： 其中其中 称为调频系数，称为调频系数，kf 称为比例系数。称为比例系数。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理则调制波的表达式为：则调制波的表达式为： 同同样样
5、，相相位位调调制制就就是是相相位位角角不不再再是是常常数数，而而是是随随调调制制信信号的变化规律而变化，调相波的总相角为：号的变化规律而变化，调相波的总相角为： 式中，式中， 称为调相系数。称为调相系数。则调相波的表达式为：则调相波的表达式为： 调调频频和和调调相相波波的的频频谱谱。由由于于调调频频和和调调相相实实质质上上最最终终都都是是调调制制总总相角，因此可写成统一的形式相角，因此可写成统一的形式 利用利用 三角公式展开，得：三角公式展开，得：电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理将式中将式中 两项按贝塞尔函数展开：两项按贝塞尔函数展开：知道了调制系数知道了调制系数m，就可得各阶贝塞尔函
6、数的值。，就可得各阶贝塞尔函数的值。将以上两式代入利用三角函数关系式：将以上两式代入利用三角函数关系式： 可得：可得：电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理可可见见，在在单单频频正正弦弦波波调调制制时时，其其角角度度调调制制波波的的频频谱谱是是由由光光载载频频与与在在它它两两边边对对称称分分布布的的无无穷穷多多对对边边频频所所组组成成的的。各各边边频频之之间间的的频频率率间隔是间隔是 , 各边频幅度的大小各边频幅度的大小 由贝塞尔函数决定。由贝塞尔函数决定。 0.770.440.110.02 角度调制波的频谱角度调制波的频谱如下图是如下图是m=1时的角度调制波的频谱。时的角度调制波的频谱。显
7、显然然, 若若调调制制信信号号不不是是单单频频正正弦弦波波, 则则其其频频谱谱将将更更加加复复杂杂。另另外外，当当角角度度调调制制系系数数较较小小（即即m1）时时，其其频频谱谱与与调调幅幅波波有有着着相相同同的的形式。形式。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理 强度调制是光载波的强度强度调制是光载波的强度(光强光强)随调制信号规律而变化的激随调制信号规律而变化的激光振荡光振荡。 激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。 激光的光强度
8、定义为光波电场的平方，其表达式为激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波电光波电场强度有效值的平方场强度有效值的平方): 强度调制强度调制于是，强度调制的光强表达式可写为于是，强度调制的光强表达式可写为 :式中，式中， 为比例系数。设调制信号是单频余弦波为比例系数。设调制信号是单频余弦波将其代入上式将其代入上式, 并令并令 (称为强度调制系数称为强度调制系数)电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布与调幅波的频谱略有不同，其频谱分
9、布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频的两边频之外，还有低频 和直流分量。和直流分量。强度调制强度调制电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理 脉冲调制脉冲调制 以以上上几几种种调调制制形形式式所所得得到到的的调调制制波波都都是是一一种种连连续续振振荡荡的的波波, 称称为为模模拟拟式式调调制制。另另外外, 在在目目前前的的光光通通信信中中还还广广泛泛采采用用一一种种在在不不连连续续状状态态下下进进行行调调制制的的脉脉冲冲调调制制和和数数字字式式调调制制(也也称称为为脉脉冲冲编编码码调调制制)。它它们们一一般般是是先先进进行行电电调调制制（模模拟拟脉脉冲冲调调制制或或数字脉冲调制）数字脉冲调
10、制）, 再对光载波进行光强度调制。再对光载波进行光强度调制。 周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波 脉脉冲冲调调制制是是用用一一种种间间歇歇的的周周期期性性脉脉冲冲序序列列作作为为载载波波，这这种种载载波波的的某某一一参参量量按按调调制制信信号号规规律律变变化化的的调调制制方方法法。即即先先用用模模拟拟调调制制信信号号对对一一电电脉脉冲冲序序列列的的某某参参量量(幅幅度度、宽宽度度、频频率率、位位置置等等)进进行行电电调调制制，使使之之按按调调制制信信号号规规律律变变化化, 成成为为已已调调脉脉冲冲序序列列, 然然后后再再用用这这已已调调电电脉脉冲冲序序列列对对光光载载波波进进行行强强度度调调制制
11、, 就就可以得到相应变化的光脉冲序列。可以得到相应变化的光脉冲序列。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波(a)调制信号调制信号(b)脉冲幅度调制脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制脉冲频率调制(e)脉冲位置调制脉冲位置调制脉冲调制形式脉冲调制形式电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理EOM的种类及应用根据电极结构不同，EOM可以分为集总参数调制器和行波调制器；根据波导结构不同，EOIM可以分为Msch-Zehnder干涉式强度调制器和定向耦合式强度调制器；根据通光方向与电场方向的关系，EOM可以分为纵向调制器和横向调制器。纵向电光调
12、制器具有结构简单、工作稳定（与偏振无关）、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；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，可采用“组合调制器”的结构予以衬偿。电光调制器有很多种，根据不同的标准可以分成不同的类别。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理根据电光晶体材料的不同，可分为KDP晶体，铌酸锂EOM，硝基苯EOM，锂铌酸钾EOM；根据所用电光效应的不同也可分类，若电光材料折射率与调制电压呈线性关系，即称为线性电光效应（泡克尔斯效应），如KDP晶体，铌酸锂；若电光材料的折射率与调制电压的二次方成正比，即克尔效应，如硝
13、基苯，锂铌酸钾；另外，此处还需介绍EAM，电吸收调制器，一种和铌酸锂波导调制器一样应用广泛的调制器，属于是内调制器，主要用于和半导体激光器集成，体积小，功耗低，驱动电压低，但传输性能比EOM稍差，比直接调制的半导体激光器稍好，多用于中短距离传输，发展前途较好。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理 相位调制器 相位调制器是电光波导调制器中最简单的器件，选择合适的晶体取向以便获得最大电光系数 （为获得最大调制深度，一般取Z方向为电场方向），选取合适的波导和电极结构，然后在调制电压信号的作用下，电光晶体的折射率发生相应的改变，晶体中o光和e光经过不同的光程，产生附加相位。如下图所示，电场分量沿水
14、平方向（x切y晶体）或者垂直方向（y切x晶体）加在铌酸锂基片上，光波导传输的模式应为TE模（水平偏振），即晶体中的e光。产生的附加相位为根据调制参量的不同，可以分为相位调制器和强度调制器。切，表示的是基片取向，如z切，即表示晶体的z轴垂直于晶体光滑表面，电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理强度调制器 强度调制的实质仍然是相位调制产生的。激光经过第一个3dB耦合器分成两部分，每个分支光波导所发生的现象均是相位调制，通过第二个3dB耦合器，相位调制才转变为强度调制。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。 常见的强度调制器是Msch-Zehnder干涉式强度调制器和定向耦合
15、式强度调制器，但由于前者数学模型简单而且驱动电压低，所以商用的强度调制器多数为M-Z干涉式强度调制器。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理 电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场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。输特性就受到影响而改变。 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。晶体折射率折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相
16、关。晶体折射率可用施加电场可用施加电场E的幂级数表示，即的幂级数表示，即 电光调制的物理基础电光调制的物理基础或写成或写成式中，式中， E E 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性电光效应或泡克耳斯光效应或泡克耳斯(Pockels)效应；由二次项效应；由二次项 bE2 引起的折射引起的折射率变化，称为二次电光效应或克尔（率变化，称为二次电光效应或克尔（Kerr ）效应。对于大多）效应。对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著，可略去二次数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著，可略去二次项，故在本章只讨论线性电光效应。项，故在本章只讨论
17、线性电光效应。EOM的工作原理电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理 对对电电光光效效应应的的分分析析和和描描述述有有两两种种方方法法：一一种种是是电电磁磁理理论论方方法法，但但数数学学推推导导相相当当繁繁复复；另另一一种种是是用用几几何何图图形形折折射射率率椭椭球球体体(又又称称光光率率体体)的的方方法法，这这种种方方法法直直观观、方方便便，故故通通常常都都采采用用这这种种方法。方法。 1.电致折射率变化电致折射率变化 在在晶晶体体未未加加外外电电场场时时，主主轴轴坐坐标标系系中中，折折射射率率椭椭球球由由如如下方程描述：下方程描述：式式中中，x，y，z 为为介介质质的的主主轴轴方方向向，
18、也也就就是是说说在在晶晶体体内内沿沿着着这这些些方方向向的的电电位位移移D和和电电场场强强度度E是是互互相相平平行行的的；nx，ny，nz 为为折折射射率率椭球的主折射率。椭球的主折射率。 当当晶晶体体施施加加电电场场后后，其其折折射射率率椭椭球球就就发发生生“变变形形”，椭椭球球方方程变为程变为 如下形式：如下形式：电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理式式中中，ijij 称称为为线线性性电电光光系系数数； i取取值值1，6；j取取值值1，2，3。上式可以用张量的矩阵形式表式为：。上式可以用张量的矩阵形式表式为：由由于于外外电电场场的的作作用用，折折射射率率椭椭球球各各系系数数 随随之之发
19、发生生线线性性变变化化，其变化量其变化量 可定义为可定义为电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理式式中中， 是是电电场场沿沿 方方向向的的分分量量。具具有有 元元素素的的 矩矩阵阵称称为为电电光光张张量量，每每个个元元素素的的值值由由具具体体的的晶晶体体决决定定，它它是是表表征征感感应应极极化化强强弱弱的的量量。将将LN晶晶体体的的电电光光张张量量矩矩阵阵代代入入式式中得到中得到 如果外加电场平行于光轴，如果外加电场平行于光轴，即即 ，则，则可以看出，加了电场后，折射率椭球没有旋转，可以看出，加了电场后，折射率椭球没有旋转，仍为单轴晶体，但其折射率发生了变化。仍为单轴晶体，但其折射率发生了变
20、化。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理 下下面面分分析析一一下下电电光光效效应应如如何何引引起起相相位位延延迟迟。实实际际应应用用中中的的LN晶晶体体是是沿沿着着相相对对光光轴轴的的某某些些特特殊殊方方向向切切割割而而成成的的，且且外外电电场场也也是是沿沿某某些些特特殊殊方方向向加加到到晶晶体体上上的的。根根据据电电场场的的方方向向与与通通光光的的关关系系，分分为为两两种种方方式式：电电场场方方向向与与通通光光方方向向一一致致称称为为纵纵向向电电光光调调制制：电电场场方方向向与与通通光光方方向向垂垂直直，称称为为横横向向电光调制。电光调制。以铌酸锂晶体为例，分析以铌酸锂晶体为例，分析电光
21、相位延迟电光相位延迟外加电场沿Z轴方向应用，折射率椭球不发生旋转，在一定条件下可以避免自然双折射的问题；为了在同样条件下获得更显著的电光效应，应该利用 的方向，而这正是z方向，因此选取电场方向为z方向。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理根据下图来讨论LN晶体的横向电光应用。由于外加电场是沿z轴方向，晶体的主轴不会发生旋转，仍为x，y，z方向，此时的通光方向与z轴垂直，并沿Y方向入射，若入射光偏振方向与z轴成45角，进入晶体分解为X和z方向振动的两个分量，其折射率分别为 ；若通光方向的晶体长度为若通光方向的晶体长度为L，厚度，厚度(电极间电极间距距)为为d，外加电压，外加电压V=Ezd，则
22、从晶体出射，则从晶体出射的两光波的相位差为的两光波的相位差为电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理由此可知，x轴与z轴的综合电光效应使光波通过晶体后的相位差包括两项：第一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，这对调制器的工作没有贡献，而且会因温度变化引起折射率(no和ne)的变化而导致相位差漂移，进而使调制光发生畸变，甚至使调制器不能正常工作，应设法消除或补偿双折射现象；第二项是外加场作用产生的相位延迟，它与外加电场和晶体的尺寸有关。另外若采取组合调制器或者12波片补偿的办法可以使总相差为当相位差为 时，此时的电压为半波电压，它反映了调制功率的大小，此处的半波电压表示为如果入
23、射光偏振方向为Z方向，那么光束通过LN晶体不会有双折射现象，经过L长距离的晶体后，其感应的相位变化为其半波电压为电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理从上式可以看出，第一种方法的半波电压较小些，但由于该效应是寻常光和非寻常光电光效应之差，同样会有温度导致的相位差漂移现象；而且它必须要两块晶体，体积较大，而且还需加检偏装置，结构复杂，而且尺寸加工要求较高，故这类晶体的横向调制多采用第二种方法。从上面可知，可以通过减小晶体厚度，增加电光互作用长度来降低半波电压。根据表中的电光系数，在同样的条件下，二者的半波电压的关系为纵向电光调制如图所示，经计算知，在同样长度和厚度条件下，纵向半波电压是第二种横
24、向的半波电倍，从这个角度考虑，实用化的LN电光调制器多采用横向运用的方式，尽管纵向运用有与偏振无关的优点。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理EOM的特性参数(1)、光参数a)工作波长：一般在1.525m1.605m之间，中心波长大约为155mb)插入损耗：一般小于5dB，主要包括波导与光纤的耦合损耗（最低0.15dB）、波导的传输损耗（0.20.5dB/cm）、电极损耗等，其中耦合损耗是主要损耗因素，目前铌酸锂强度调制器的插入损耗已经可以达到34dB（3.2dB）。c)消光比：直流条件下要求大于20 dB（35dB）。d)光反射：要求不超过-50dB(2)、电参数a)半波电压：尽可能的小
25、，一般小于6V，本实验所用为。b)直流偏置电压：表明了调制器所需要的驱动电压的大小，一般小于8V，本实验为。b)3 dB电带宽：主要由电极结构决定，高速条件一般指大于10GHz（12GHz）c)电反射：即电sll参数，商用化的典型值小于一10dB（-14.2dB）d)输入特征阻抗：50(3)、其他参数a)最大输入电功率：一般在二十几dBm,(28dBm)。b)最大输入光功率：几十到一百毫瓦，(100mw)c)储存温度：-4085d)工作温度：-4070(070)e)啁啾参量：电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理EOM的操作方法使用保偏光纤输入输出，并且在实验中对尾纤不能施加任何额外的温度或者压力；在每次使用之前必须检查清洁光纤端面和光纤连接器；用干风清洁RF连接器，并且用扭矩压紧接口；如果光纤接口是熔接的，则有利于避免损坏；电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理EOM在本次试验中的作用电光调制器作为激光移频器，产生具有一阶布里渊频移的激光，作为斯托克斯光进行布里渊相干放大实验。电光调制器在脉冲信号的控制下，产生脉冲光，作为泵浦光或者种子光进行SBS相干实验。电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理
