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1、 UP DOWN BACK * 共29页 1 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。 3.2 电光调制 UP DOWN BACK * 共29页 2 利用泡克耳斯效应实现电光调制可以分为两种情况。 一、电光强度调制 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，
2、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。 UP DOWN BACK * 共29页 3 1. 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致） 电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x,y。因此，沿z轴入射的光束经起偏器 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： 入射光 P1 Ii x y z x
3、y P2 Io 调制光 V L 起偏器 /4波片检偏器 纵向电光强度调制 UP DOWN BACK * 共29页 4 或采用复数表示， 即 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 (3.2-28) 由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为 UP DOWN BACK * 共29页 5 y Y x X 45o45o 后一步考虑了(3.2-19)式和(3. 2-20)式的关系。 (3.2-29) 与之相应的输出光强为： (3.2-30) 将出射光强与入射光强相比(3.2-29)公式/ (3.2-28)公式得： 注意公式： UP DOWN BACK
4、 * 共29页 6 (3.2-30)式中的T称为调制器的透过率。根据上述关 系可以画出光强调制特性曲线。在一般情况下，调 制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。 V和V/2 是一回事。 UP DOWN BACK * 共29页 7 若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。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： 电调制特性曲线 50 100 透过 率 (%) 0 透射光强 时间 电压 调制电压 V V/2 UP DOWN BACK * 共29页 8 m = Vm/V （相当于3.2-30式中的 ）是相应于外加调
5、制信 号vm的相位延迟。其中Vm sinmt 是外加调制信号电压。 其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 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。 其二，在光路上插入一个14波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体主 轴x成45o 角，使E x和E y二分量间产生 /2 的固定相位差。 (3.2-30)式中的总相位差 UP DOWN BACK * 共29页 9 因此，调制的透过率可表示为 利用贝塞尔函数恒等式将上式 （3.2-31) （3.2-32) 由此可见，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 展开，得 UP DOWN BA
6、CK * 共29页 10 若取 1rad， 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，因而取 谐波控制在允许的范围内。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 (3.2-33) 作为线性调制的判据。 此时 代入（3.2- 32)式得 (3.2-34) (3.2-35) UP DOWN BACK * 共29页 11 sin(m sinmt) 的m 若远远小于1， 则: 为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号调制)，那 么输出的光强调制波就是
7、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，特别在调制频率较 高时，功率损耗比较大。 UP DOWN BACK * 共29页 12 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 袖成45o夹角(晶体为45o-z切割)。 (2)沿x方向加电场(即电场方向垂直于x光袖)，通 光方向垂宜于x铀，并与z轴成45o 夹角(晶体为45o - x切割)。 (3)沿y轴方向加电场，通光方向垂
8、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） UP DOWN BACK * 共29页 13 因为外加电场是沿z轴方向，因此和纵向运用时一样， Ex=Ey=0, Ez=E，晶体的主轴 x, y 旋转45o 至 x，y，相应的三 个主折射率如前面(3.2-17)式所示: UP DOWN BACK * 共29页 14 通光方向与z轴相垂直，并沿着y方向入射(入射光偏振方向 与z袖成450角)，进入晶体后将分解为沿x和z方向振动的两 个分量，其折射率分别为nx和nz；苦通光方向的晶体长度为 L，厚度(两电极间距离)为d，外加电压VEzd，则从晶
9、体出 射两光波的相位差 (3.2-36) UP DOWN BACK * 共29页 15 由此可知，KDP晶体的63 横向电光效应使光波通过晶体 后的相位差包括两项： 第一项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，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而且当 晶体温度变化时，还会带来不利的影响，因此应设法消除( 补偿)掉； 第二项是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压V和 晶体的尺寸(L/d)有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降 低其半波电压。 UP DOWN BACK * 共29页 16 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
10、，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。 在KDP晶体横向调制器中，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，在实际应用 中，除了尽量采取一些措施(如散热、恒温等)以减小晶体温 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。常用的补偿方法有两种：一种方法是，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， UP DOWN BACK * 共29页 17 即一块晶体的y和z轴分别与另一块晶体 的z轴和y轴平行(见图a）。另一种方法 是，两块晶体的z轴和y轴互
11、相反向平行 排列,中间放置一块12 波片(见图b)。 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， 当线偏振光沿x轴方向入射第一块晶体时，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 UP DOWN BACK * 共29页 18 UP DOWN BACK * 共29页 19 因此，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90。，经过第二块晶体 后，原来的e1光变成了o2 光， o1光变成e2光，则它们经过第二块
12、晶体后，其相位差 于是，通过两块晶体之后的总相位差 (3.2-37) UP DOWN BACK * 共29页 20 其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以 可见，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。 根据(3.2-37)式，当 时，半波电压为 UP DOWN BACK * 共29页 21 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
13、 状态，仅改变其相位，相 位的变化为 (3.2-38) 二、电光相位调制 入射光 偏振器 调制光 V L x y z 电光相位调制原理图 UP DOWN BACK * 共29页 22 这里的 因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率为 。若 外加电场是 , 在晶体入射面(z0)处的光场 ，则输出光场(zL处)就变为 略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式写成 (3.2-39) 式中 称为相位调制系数。利用贝塞 尔函数展开上式，便得到(3.1-12)式的形式。 UP DOWN BACK * 共29页 23 渡越时间： 激光通过长度为L的晶体所需时间。 对电光调制器来说，总是希望获得高
14、的调制效率及满足要求的 调制带宽。 前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频 率(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且入远大于晶体的 长度L，因而在光波通过晶体L的渡越时间 内，调制信号 电场在晶体各处的分布是均匀的，则光波在各部位所获得的相位延 迟也都相同，即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电 场的作用。在这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个电 容即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制 器。集总参量调制器的颇率特性主要受外电路参数的影响。 三、电光调制器的电学性能 UP DOWN BACK * 共29页 24 调制带宽：调制信号占据的频带
15、的宽度。 调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法 工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在 晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束： 当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。 1外电路对调制带宽的限制 Vs Rs Re R C0 V 电光调制器的等效电路图 Vs Rs RL L 调制器的并联谐振回路 C0 电光晶体 UP DOWN BACK * 共29页 25 体调制器：上面讲述过的都是此类。体积大的分离器件，而 且整个晶体都受到外界电场的作用。 集成光学就是利用光波导把光波限制在微米量级波导 区中沿一定方向传播的特性，来实现光学器件的平面化
16、和光 学系统集成化。具体地说，就是把激光器、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 源器件连结起来构成一个完整的微型光学系统。 介质光波导则是集成光学技术的基本组成部件，它主 要可分为平面波导和矩形波导两类， 而平面波导又分为平板波导和渐变折射率波导两种。 平板波导是集成光路中结构最简单最常用的波导，它的结构 如图。 四、电光波导调制器（一般了解） UP DOWN BACK * 共29页 26 光波导调制器的电光、声光等物理效应对光参数的控制过程, 有与体调制器相同的一面，即能使介质的介电张量产生微小的变 化(即折射率变化)，从而使两传播模间有一相位差；但由于外
17、场的 作用会导致波导中本征模(如TE模和TM模) （即Transversal Electric Field, Transversal Magnetic Field）传播特性的变化以及 两不同模式之间的耦合转换(称为模耦合调制)，因此，光波导调制 器的基本特性可用介质光波导耦合模理论来描述。 x(a) z(c) y(b) l 电极 LiNbO3衬底 + y(b) z(c) 电极 LiNbO3衬底 光波导电力线 LiNbO3电光波导相位调制器结构示意图 光波导调制器 UP DOWN BACK * 共29页 27 1. 电光波导调制器的调制原理 电光波导调制器实现调制的物理基础是晶体介质的泡克耳斯
18、效应。当波导上加电场时，产生介电张量 (折射率)的微小变 化，将引起波导中本征模传播的变化或不同模式之间功率的耦 合转换。在波导坐标系中，电场引起介电张量变化的各个元素 与不同模之间的耦合具有一一对应关系，如果只含有对角线介 电张量元素 ，则会引起TE模之间或TM棋之间的自 耦合，即只改变其各自的相位，从而产生相对相位延迟，这种 情况与体电光相位调制相似。但是，如果波导坐标系中，介电 张量的变化含有非对角线张量元素 , 则将引起TE模和TM 模之间的互耦合，就会导致模式间功率的转换，即一个输入模 TE(或TM)的功率会转换到输出模TM(或TE)上去，其相应耦合 方程，经过 (量子电子学)推证，
19、可得到如下的简化形式： UP DOWN BACK * 共29页 28 式中 分别为第m阶和第l阶模振幅； 分别为两个模的 传播常数, k为模耦合系数, 其表示式为 (3.2-55) 描述了TE模和TM模间的同向耦合，表明了每个模的振幅变化 是介电张量(折射率)变化、模场分布以及其他模振幅的函数。设波 导中电光材料是均匀的，而且电场分布也是均匀的，TE模和TM模 完全限制在波导薄膜层中，且具有相同的阶次(m=L)时，(3.2-55)式 的积分取极大值，这时TE模和TM模的场分布几乎相同，仅其电矢 量的方向不同，而且 ，则耦合系数 近似为 在相位匹配条件下， ，而且光波是以单一模式输入，Am A0，Al0，则有: UP DOWN BACK * 共29页 29 从(3.2-56)式可见，在长度为L(zL)的波导中，要获得完全的TE -TM 功率转换，必须满足 。此时，光波导的长度 , n0，l，2， (3.2-58) 而功率转换为0时，对应的波导长度为 , n0，l，2， (3.2-59) 可见，这种情况与前面介绍晶体电光调制器的“开”、“关”所需的 条件相同。但在一般情况下，耦合系数小于(3.2-56)式之值，因 此为了达到完全的功率转换所需要的EL乘积应相应地增大。