1、,光電子技術 Photoelectronic Technique 第七講 電光調(diào)制 周自剛,本講主要內(nèi)容,一、強度調(diào)制,二、相位調(diào)制,縱向電光調(diào)制,橫向電光調(diào)制,泡克耳斯效應（Pockels)：平面偏振光沿著處在外電場內(nèi)的壓電晶體的光軸傳播時發(fā)生雙折射現(xiàn)象，且兩個主折射率之差與外電場強度成正比的電光效應。,電光調(diào)制的物理基礎是電光效應，即某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應。,40,利用泡克耳斯效應實現(xiàn)電光調(diào)制可以分為兩種情況。,一種是施加在晶體上的電場在空間上基本是均勻的，但在時間上是變化的。當一束光通過晶體之后

2、，可以使一個隨時間變化的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，由光波的強度或相位變化來體現(xiàn)要傳遞的信息，這種情況主要應用于光通信、光開關等領域。,另一種是施加在晶體上的電場在空間上有一定的分布，形成電場圖像，即隨x和y坐標變化的強度透過率或相位分布，但在時間上不變或者緩慢變化，從而對通過的光波進行調(diào)制。,一、強度調(diào)制,39,1. 縱向電光調(diào)制（通光方向與電場方向一致）,自然光,輸出光,一、強度調(diào)制,38,1. 縱向電光調(diào)制,沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光，進入晶體后(z=0)被分解為沿x和y方向的兩個分量，兩個振幅(等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等，分別為：,一、強度調(diào)制,采用復數(shù)表示,3

3、7,當光通過長度為L的晶體后，由于電光效應，E x和E y二分量間就產(chǎn)生了一個相位差 ，則,由于光強正比于電場的平方，因此，入射光強度為,1. 縱向電光調(diào)制,一、強度調(diào)制,36,與之相應的輸出光強為：,1. 縱向電光調(diào)制,一、強度調(diào)制,35,注意要用到：,怎么來的？,將出射光強與入射光強相比，得：,1. 縱向電光調(diào)制,一、強度調(diào)制,34,T稱為調(diào)制器的透過率。從而可以畫出光強調(diào)制特性曲線。,1. 縱向電光調(diào)制,一、強度調(diào)制,33,在一般情況下，輸出的光強和調(diào)制電壓并不是線性關系波形失真。,1. 縱向電光調(diào)制,一、強度調(diào)制,32,調(diào)制的目的：利用調(diào)制傳遞信息。 如果在調(diào)制過程中波形失真，使調(diào)制的

4、信號不能還原達不到目的。,為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的 /2相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏置在T50的工作點上。常用的辦法有兩種：,一、強度調(diào)制,31,1. 縱向電光調(diào)制,其一，除了施加信號電壓之外，再附加一個 V/4 的固定偏壓，但會增加電路的復雜性，且工作點的穩(wěn)定性也差。,一、強度調(diào)制,30,自然光,x,-y,z,輸出光,1. 縱向電光調(diào)制,其二，在光路上插入一個14波片其快慢軸與晶體主軸x成45o 角，使Ex和Ey二分量間產(chǎn)生 /2 的固定相位差。則總相位差,出射光,一、強度調(diào)制,29,1. 縱向電光調(diào)制,m = Vm/V 是相應于外加調(diào)制信號Vm的相位延遲。 Vm sinmt

5、是外加調(diào)制信號電壓。,一、強度調(diào)制,28,1. 縱向電光調(diào)制,代入到調(diào)制的透過率中,利用貝塞爾函數(shù)恒等式展開,一、強度調(diào)制,27,把,1. 縱向電光調(diào)制,但輸出的調(diào)制光中含有高次詣波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。,得,一、強度調(diào)制,26,1. 縱向電光調(diào)制,若取 1rad,設基頻波和高次諧波的幅值分別為I1和I2n+1, 則高次諧波與基頻波成分的比值為,則J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以I3 /I 1 =0.045，即三次諧波為基波的4.5%。在這個范圍內(nèi)可以獲得近似線性調(diào)制。,一、強度調(diào)制,25,1. 縱向電光調(diào)制,作為線性

6、調(diào)制的判據(jù)。 此時,一、強度調(diào)制,如在sin(m sinmt) 中m 取遠遠小于1，即:,24,1. 縱向電光調(diào)制,實現(xiàn)線性調(diào)制，需調(diào)制信號不宜過大(小信號調(diào)制)，那么輸出的光強調(diào)制波就是調(diào)制信號V=Vm sinmt 的線性復現(xiàn)。 如果m 1rad的條件不能滿足(大信號調(diào)制)，則光強調(diào)制波就要發(fā)生畸變。,縱向電光調(diào)制器： 結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。 半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大等缺點。,一、強度調(diào)制,23,結(jié)論,1. 縱向電光調(diào)制,橫向電光效應可以分為三種不同的運用方式： (1)沿z軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與x或y 軸成45o夾角(晶體

7、為45o-z切割)。,2橫向電光調(diào)制（通光方向與電場方向垂直）,一、強度調(diào)制,22,橫向電光效應可以分為三種不同的運用方式： (2)沿x方向加電場(即電場方向垂直于x光軸)，通光方向垂直于x鈾，并與z軸成45o 夾角(晶體為45o -x切割)。,2橫向電光調(diào)制（通光方向與電場方向垂直）,一、強度調(diào)制,21,橫向電光效應可以分為三種不同的運用方式： (3)沿y軸方向加電場，通光方向垂直于y軸，并與z軸成45o夾角(晶體為45o -y切割）。,2橫向電光調(diào)制（通光方向與電場方向垂直）,一、強度調(diào)制,20,外加電場是沿z軸方向，Ex=Ey=0， Ez=E，晶體的主軸 x， y旋轉(zhuǎn)45o 至 x，y。

8、,一、強度調(diào)制,19,2橫向電光調(diào)制,由于影響輸出光強的主要因素是，所以只討論 。 由于在z向加場，三個感應主軸的折射率和縱向運用相同。,一、強度調(diào)制,18,2橫向電光調(diào)制,由于沿x方向通光，入射光的振動方向和z成450，光在晶體中分解為沿z，y方向振動的兩束光。,若晶體長度為L，厚度(兩電極間距離)為d，外加電壓VEzd，則,一、強度調(diào)制,17,2橫向電光調(diào)制,這兩束光通過晶體后的位相差為:,使降低調(diào)制電壓的途徑： 在達到一定量相位調(diào)制的前提下， 增加晶體長度 減小晶體厚度,一、強度調(diào)制,16,2橫向電光調(diào)制,例題：在長度為10mm的KDP晶體上施加4000V的電壓，計算折射率變化情況。,一

9、、強度調(diào)制,15,2橫向電光調(diào)制,解：,KDP晶體橫向電光調(diào)制的主要缺點是存在自然雙折射引起的相位延遲，這意味著在沒有外加電場時，通過晶體的線偏振光的兩偏振分量之間就有相位差存在，當晶體因溫度變化而引起折射率n0和ne的變化時，兩光波的相位差發(fā)生漂移。,一、強度調(diào)制,14,2橫向電光調(diào)制,在KDP晶體中，自然雙折射的影響會導致調(diào)制光發(fā)生畸變，甚至使調(diào)制器不能工作。所以，除了盡量采取一些措施(如散熱、恒溫等)以減小晶體溫度的漂移之外，主要是采用一種“組合調(diào)制器”的結(jié)構(gòu)予以襯償。,一、強度調(diào)制,13,2橫向電光調(diào)制,常用的補償方法有兩種： 方法一：將兩塊幾何尺寸幾乎完全相同的晶體的光相互成90o串

10、接排列。,一、強度調(diào)制,12,2橫向電光調(diào)制,方法二：兩塊晶體的z軸和y軸互相反向平行排列，中間放置一塊12 波片。這兩種方法的補償原理是相同的。外電場沿z軸(光軸)方向，但在兩塊晶體中電場相對于光軸反向。,一、強度調(diào)制,11,2橫向電光調(diào)制,針對方法二討論： 當線偏振光沿x軸方向入射第一塊晶體時，電矢量分解為沿z方向e1光和沿y方向的o1光兩個分量，當它們經(jīng)過第一塊晶體之后，兩束光的相位差,一、強度調(diào)制,10,2橫向電光調(diào)制,V,/2波片,若兩塊晶體的尺寸、性能及受外界影響完全相同，則自然雙折射的影響即可得到補償。,經(jīng)過1/2波片后，兩束光的偏振方向各旋轉(zhuǎn)900。 經(jīng)過第二塊晶體后，原來e1

11、光變成o2 光， o1光變成e2光，則它們經(jīng)過第二塊晶體后，其相位差,于是，通過兩塊晶體之后的總相位差,一、強度調(diào)制,9,2橫向電光調(diào)制,括號內(nèi)的就是縱向電光效應的半波電壓，所以,當 時，半波電壓為,例 在半波電壓對KDP晶體縱向電光調(diào)制中，波長為1.06m時，,一、強度調(diào)制,8,2橫向電光調(diào)制,橫向半波電壓是縱向半波電壓的d/L倍。減小d，增加長度L可以降低半波電壓。但是這種方法必須用兩塊晶體，所以結(jié)構(gòu)復雜，而且其尺寸加工要求極高。,一、強度調(diào)制,結(jié) 論,7,2橫向電光調(diào)制,主要由起偏器和電光晶體組成。起偏器的偏振方向平行于晶體的感應主軸x(或y)，此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿x、y兩

12、個分量，而是沿著x(或y)軸一個方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化為,二、相位調(diào)制,6,因為光波只沿x方向偏振，相應的折射率為,二、相位調(diào)制,若 外加電場是 , 在晶體入射面(z0)處的光場 ，則輸出光場(zL處)就變?yōu)?5,稱為相位調(diào)制系數(shù),二、相位調(diào)制,略去式中相角的常數(shù)項，因為它對調(diào)制效果沒有影響，則,利用貝塞爾函數(shù)展開上式，得到,4,結(jié)論,縱向電光調(diào)制 a、裝置的結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，不會受到自然雙折射的影響， b、缺點：半波電壓太高，高壓電源的制作困難。 c、調(diào)制頻率較大時，還會產(chǎn)生較大的功率損耗。 橫向電光調(diào)制 a、相位延遲與晶體的長度與厚度之比有關，因此通過改變晶體的長度與厚度可使半波電壓降低。而縱向調(diào)制的相位延遲與晶體的長度與厚度之比無關。 b、缺點：自然雙折射引起的相位延遲。,3,問答題,利用縱向電光效應和橫向電光效應均可實現(xiàn)電光強度調(diào)制，縱向和橫向電光調(diào)制各有什么優(yōu)缺點？,答：縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。其缺點是半波電壓太高，特別是在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大。橫向效應運用時，存在自然雙折射產(chǎn)生的固有相位延遲，它們和外加電場無關。在沒有外加電場時，入射光的兩個偏振分量通過晶后其偏振面已轉(zhuǎn)過了