激光技術(shù)-第一講電光調(diào)制調(diào)制的基本概念第四章激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)一、調(diào)制的基本概念1.目的：通過(guò)調(diào)制進(jìn)行信息的傳遞2.調(diào)制：把信息加到載波的過(guò)程即調(diào)制

定義：利用調(diào)制信號(hào)去改變載波的某一參數(shù)，使其參數(shù)按調(diào)制訊號(hào)的規(guī)律發(fā)生變化的過(guò)程。從定義看出調(diào)制的含義：1)調(diào)制信號(hào)：需要調(diào)制的信息需轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，即調(diào)制信號(hào)2)載波：為傳遞信息附加的載體。載波一般用無(wú)線電波、光波等，需要頻率較高，而且頻率固定。第一節(jié)調(diào)制的基本概念二．激光調(diào)制1.激光調(diào)制：利用激光作為載波進(jìn)行調(diào)制的過(guò)程激光頻率高，可利用的帶寬很寬單色性好，發(fā)散角小3)具有較好的時(shí)間相干性和空間相干性2.調(diào)制器：完成激光調(diào)制的裝置3.調(diào)制的分類

1)內(nèi)調(diào)制：在激光形成過(guò)程中，以調(diào)制信號(hào)的規(guī)律去改變激光振蕩的某一參數(shù)。即用調(diào)制信號(hào)控制激光的形成

2)外調(diào)制：把調(diào)制器放在激光器的外面，用調(diào)制信號(hào)改變光波的參量?jī)?yōu)點(diǎn)：調(diào)制效率高缺點(diǎn)：

a.調(diào)制帶寬受到泵浦源和諧振腔參數(shù)的限制

b.調(diào)制器放在腔內(nèi)，增加腔內(nèi)的損耗,降低了平均輸出功率1）內(nèi)調(diào)制調(diào)制泵浦功率優(yōu)點(diǎn)：

a.因?yàn)檎{(diào)制器和激光形成無(wú)關(guān),不影響激光器的輸出功率

b.調(diào)制帶寬不受諧振腔參數(shù)的限制，適于高速調(diào)制缺點(diǎn)：調(diào)制效率相對(duì)較低2）外調(diào)制4.1.1振幅調(diào)制(1)定義：以調(diào)制信號(hào)去改變激光的振幅，使其振幅按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化調(diào)制前：

調(diào)制信號(hào)：調(diào)制后：調(diào)幅系數(shù)：

調(diào)幅波含三個(gè)不同的頻率：第一項(xiàng)為調(diào)制前的激光振蕩波第二項(xiàng)激光頻率和調(diào)制頻率之和第三項(xiàng)激光頻率和調(diào)制頻率之差(2)調(diào)幅波的頻譜分析4.1.2相位調(diào)制和頻率調(diào)制1.定義：以調(diào)制信號(hào)去改變激光振蕩的相位（頻率），使激光的相位（頻率）按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過(guò)程稱相位（頻率）調(diào)制，統(tǒng)稱為角度調(diào)制調(diào)頻調(diào)相總相位：調(diào)頻和調(diào)相以后使總相位

(t)變化——按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變。因此兩者可歸為一類，兩者的差別是實(shí)現(xiàn)方法不同。

調(diào)相：

調(diào)頻：調(diào)頻系數(shù)2.頻譜調(diào)頻和調(diào)相實(shí)質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可以寫(xiě)成統(tǒng)一的形式在單頻正弦波調(diào)制時(shí)，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載波與在它兩邊對(duì)稱分布的無(wú)窮多對(duì)邊頻所組成的。各邊頻之間的頻率間隔為

m，各邊頻幅度的大小由貝塞爾函數(shù)決定。4.1.3強(qiáng)度調(diào)制

(1)定義:以調(diào)制信號(hào)去改變激光的光強(qiáng)，使光強(qiáng)按著調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過(guò)程。光強(qiáng)調(diào)制波的頻譜與調(diào)幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除了載頻及對(duì)稱分布的兩邊頻之外，還有低頻

m和直流分量。以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩的波，稱為模擬式調(diào)制。4.1.4脈沖調(diào)制1.脈沖調(diào)制的概念在目前的光通信中，廣泛采用一種在不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（也稱為脈沖編碼調(diào)制）。它們一般是先進(jìn)行電調(diào)制（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字調(diào)制），再對(duì)光載波進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制。

2.脈沖調(diào)制的類型：

脈沖調(diào)幅（PAM） 脈沖強(qiáng)度調(diào)制（PIM） 脈沖調(diào)頻（PFM） 脈沖調(diào)位（PPM） 脈沖調(diào)寬（PWM）

脈沖編碼調(diào)制（PCM）4.2.1電光調(diào)制器的物理基礎(chǔ)

利用晶體的電光效應(yīng)－晶體光學(xué)中已經(jīng)講過(guò)。1.自然雙折射－o光、e光2.電光效應(yīng) 如果在晶體中沿某一方向加一定電壓，則晶體的折射率要發(fā)生相應(yīng)的改變，因而晶體的雙折射特性也要改變－電光效應(yīng)電光調(diào)制：強(qiáng)度調(diào)制，相位調(diào)制1.KDP縱向運(yùn)用，KDP，LN橫向運(yùn)用2.調(diào)制器應(yīng)注意的問(wèn)題第二節(jié)電光調(diào)制晶體折射率可用外加電場(chǎng)E的冪級(jí)數(shù)表示

E：線性電光效應(yīng)或泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)hE2：二次電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)1.電致折射率變化未加電場(chǎng)時(shí)的折射率橢球方程：在外加電場(chǎng)E下的折射率橢球方程：折射率橢球各系數(shù)的變化量：線性電光系數(shù)用矩陣表示：KDP（KH2PO4）類晶體屬于四方晶系，是負(fù)單軸晶體，這類晶體的電光張量為：在外加電場(chǎng)E下的折射率橢球方程：尋求一個(gè)新的坐標(biāo)系（x,y,z）,使橢球方程不含交叉項(xiàng)：坐標(biāo)系變換關(guān)系：KDP晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶體變成雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)了45°，稱為感應(yīng)主軸，此轉(zhuǎn)角與外加電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān)，其折射率變化與電場(chǎng)成正比，這是利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制、調(diào)Q、鎖模等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。2.電光相位延遲在實(shí)際應(yīng)用中，電光晶體沿著特殊方向切割，外電場(chǎng)沿某一主軸方向加到晶體上?？v向電光效應(yīng)：電場(chǎng)方向與通光方向一致。橫向電光效應(yīng)：電場(chǎng)方向與通光方向垂直。對(duì)KDP類晶體，取電場(chǎng)方向和通過(guò)方向均為

z方向。x

和y方向的電光相位延遲：相位差：半波電壓：半波電壓是表征電光晶體性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，這個(gè)電壓越小越好，特別是在高頻情況下，半波電壓小，需要的調(diào)制功率就小。半波電壓可用靜態(tài)法測(cè)出，并進(jìn)一步計(jì)算出晶體的電光系數(shù)。3.光偏振態(tài)的變化假設(shè)一束線偏振光入射晶體，其沿x

方向的電場(chǎng)為Ex，振幅為A1，其沿y方向的電場(chǎng)為Ey，振幅為A2，初位相相同。在一般情況下，出射的合成振動(dòng)為一個(gè)橢圓偏振光（1）當(dāng)晶體上未加電壓時(shí)，輸出線偏振光，相當(dāng)于全波片（2）V=V/4時(shí)，輸出圓偏振光，相當(dāng)于

/4波片（3）V=V/2時(shí)，輸出線偏振光，相當(dāng)于

/2波片在晶體的輸出端放置一個(gè)與入射光偏振方向相垂直的偏振器，當(dāng)晶體上所加的電壓在0~V/2間變化時(shí)，從檢偏器輸出的光只是橢圓偏振光的y向分量，因而可以把偏振態(tài)的變化（偏振調(diào)制）變換成光強(qiáng)度的變化（強(qiáng)度調(diào)制）。4.2.2電光強(qiáng)度調(diào)制器1.縱向電光調(diào)制器

晶體的運(yùn)用方式兩種：縱向運(yùn)用：加場(chǎng)的方向和通光的方向都沿z方向。橫向運(yùn)用：加場(chǎng)的方向和通光方向垂直?？v向運(yùn)用的結(jié)構(gòu)和原理x

-y

x

-y

先討論不含1/4波片的情況：入射光經(jīng)起偏器后，沿x方向線偏振入射晶體，分解為沿x，y方向的兩個(gè)分量用復(fù)數(shù)表示：通過(guò)晶體后：通過(guò)檢偏器的總電場(chǎng)強(qiáng)度是沿y方向的投影之和：入射光強(qiáng)：x

-y

輸出光強(qiáng)為調(diào)制器的透過(guò)率：總相位差：透過(guò)率：考慮含1/4波片的情況：非線性調(diào)制x

-y

貝塞爾展開(kāi)：高頻諧波與基頻波成分的比值：此時(shí)，要獲得線性調(diào)制，應(yīng)?。簒

-y

透過(guò)率：縱向電光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射。缺點(diǎn)：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時(shí)，功率損耗比較大。2．橫向電光調(diào)制

1．KDP類的橫向運(yùn)用（三種）xoz平面xoy平面Y

yoz平面現(xiàn)以KDP類的第一種運(yùn)用方式為例進(jìn)行討論:強(qiáng)度調(diào)制中，影響輸出光強(qiáng)的主要因素是

，入射光的偏振方向和x

軸成45°角（在xoz平面內(nèi)）由于在z向加電場(chǎng)，所以三個(gè)感應(yīng)主軸的折射率和縱向運(yùn)用相同。由于沿y’方向通光，光在晶體中分解為沿x’和z方向振動(dòng)的兩束光。e，o光的折射率:這兩束光通過(guò)晶體后的位相差為:

第一項(xiàng)是與外加電場(chǎng)無(wú)關(guān)的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲，這一項(xiàng)對(duì)調(diào)制器的工作沒(méi)有作用，相反，當(dāng)晶體溫度變化時(shí)會(huì)增加附加的相位差，造成

隨溫度變化，工作不穩(wěn)定，必須消除這種影響。第二項(xiàng)是外加電場(chǎng)作用產(chǎn)生的位相差。不僅與V有關(guān)，而且與晶體的尺寸L/d有關(guān)，合理選擇晶體的尺寸增大L/d

，則可降低晶體的半波電壓V/2。橫向運(yùn)用的最大優(yōu)點(diǎn)是半波電壓比縱向運(yùn)用低得多，在實(shí)際應(yīng)用中，主要采用一種”組合調(diào)制器“的結(jié)構(gòu)予以補(bǔ)償。4.2.3電光相位調(diào)制器

相位調(diào)制即是用調(diào)制信號(hào)的規(guī)律來(lái)改變激光振蕩的相位角。由起偏器和KDP電光晶體組成，起偏器的偏振軸平行于晶體的感應(yīng)主軸x

，電場(chǎng)沿z方向加到晶體上，入射晶體的線偏振光不再分解，沿x

軸一個(gè)方向偏振，外電場(chǎng)不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位。相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)x軸折射率為：輸出電場(chǎng)（z=L處）：外加電場(chǎng)略去常數(shù)項(xiàng)：相位調(diào)制系數(shù)：4.2.4．電光波導(dǎo)調(diào)制器

1.體調(diào)制器：前面講的各種電光調(diào)制器，具有較大體積尺寸的分離器件。 特點(diǎn)：幾乎整個(gè)晶體材料都受到外加電場(chǎng)的作用，需要較強(qiáng)的電場(chǎng)（缺點(diǎn)）

2.光波導(dǎo)調(diào)制器：

(1)定義：把激光器、調(diào)制器、探測(cè)器等有源器件“集成”在同一襯底上，并通過(guò)波導(dǎo)、耦合器等無(wú)源元件連 接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的微型光學(xué)系統(tǒng)。

(2)分類：

光波導(dǎo)調(diào)制器的特點(diǎn)：

a.加電場(chǎng)的區(qū)域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量級(jí)。驅(qū)動(dòng)功率比體調(diào)制器小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。材料的要求：至少有一 種滿足調(diào)制器的要求，材料有確定的相對(duì)固定的折射率。

b.利用電光、聲光控制時(shí)，折射率的變化，使兩傳播模間有一相位差。與體調(diào)制器不同的地方：由于外場(chǎng)的作用導(dǎo)致波導(dǎo)中本征模（如TE模和TM模）傳播特性的變化以及兩 不同模式之間的耦合轉(zhuǎn)換（模耦合調(diào)制）。2.電光波導(dǎo)調(diào)制器的調(diào)制原理參考：A.Yariv,QuantumElectronics,2rdedition,JohnWilly&Sons模振幅傳播常數(shù)模耦合系數(shù)通常可簡(jiǎn)化：如果波導(dǎo)中電光材料均勻，加電場(chǎng)均勻。TE，TM完全限制在波導(dǎo)薄膜層中，階次相同，m=l，這時(shí)積分取極大值。這時(shí)，TE模和TM模的場(chǎng)分布幾乎相同，僅電矢量的方向不同。且如果相位匹配，則要獲得完全的TE

TM功率轉(zhuǎn)換，必須滿足：無(wú)轉(zhuǎn)換時(shí)：

波導(dǎo)調(diào)制器的輸出光強(qiáng)(TM)與輸入光強(qiáng)之比為：d-波導(dǎo)薄膜厚度

I/I02.電光波導(dǎo)相位調(diào)制

設(shè)傳播的波為T(mén)M波，電場(chǎng)方向Ez，相位變化：

對(duì)于電光波導(dǎo)相位調(diào)制，不存在不同模之間的互耦合。自學(xué)：yy的確定3.電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制

在LiNbO3晶體作為波導(dǎo)基片的沉底上，用射頻濺射刻蝕法制造Ti擴(kuò)散分叉條狀波導(dǎo)，條狀波導(dǎo)中間和兩側(cè)制作表面電極。兩個(gè)分路的光在電光效應(yīng)區(qū)受到相位調(diào)制，它們?cè)傧嘤鰰r(shí)，兩個(gè)線偏光相干合成而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。相位差為：提高調(diào)制深度及減小插入損耗的措施：1、張角不宜太大2、單模設(shè)計(jì)3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上嚴(yán)格對(duì)稱4.2.5.電光偏轉(zhuǎn)應(yīng)用：激光顯示、傳真和光存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)方式：機(jī)械轉(zhuǎn)鏡、電光效應(yīng)和聲光效應(yīng)偏轉(zhuǎn)類型：模擬偏轉(zhuǎn)、數(shù)字偏轉(zhuǎn)1.電光偏轉(zhuǎn)原理電光偏轉(zhuǎn)利用電光效應(yīng)來(lái)改變光束在空間的傳播方向如果晶體的折射率是坐標(biāo)的線性函數(shù)A線和B線通過(guò)晶體所需時(shí)間A線相對(duì)B線落后距離雙KDP楔形棱鏡偏轉(zhuǎn)器由兩塊KDP直角棱鏡組成，兩塊晶體的z軸反向平行，電場(chǎng)沿z軸方向，光線沿y

方向傳播且沿x方向偏振。上部的A線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”折射率為