（光学专业论文）非近轴传播下铌酸锂晶体的电光效应及在空间光桥接器中的应用研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：之己也蔓王 幽，夕年多月留日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：岛，世2 导师签名：万谚。铂f 口年月日 效应的新应用具有重要意义。因此，本文研究非近轴传播下铌酸锂晶体的 电光效应及应用，综合利用晶体的双折射效应和电光效应，设计了两个自 由空间传播的新型空间光学桥接器方案。 本论文的研究工作主要包括以下几方面： l 、非近轴传播下铌酸锂晶体的电光效应研究 利用折射率椭球理论，运用转换坐标的方法，研究了非近轴传播下铌酸 锂晶体的电光调制特性，得到了沿y 方向和x 方向加电场时任意传播方向 下的感应折射率分布公式。在实际应用中，只要传播方向确定，可利用该 公式计算该传播方向上的感应折射率和所加电场的关系。 根据感应折射率分布公式，数值分析了不同传播方向的感应折射率特 性，总结出了不同方向上感应折射率随外加电场变化的规律和特点。 2 、基于铌酸锂晶体双折射和电光效应实现的空间光桥接器研究 综合利用铌酸锂晶体的双折射效应和电光效应，提出了一个新的自由空 间传播型的光学桥接器方案。方案中，利用铌酸锂晶体的双折射效应对信 号本振光进行分束和合束，实现光桥接器的耦合功能；利用铌酸锂晶体的 线性电光效应，通过电光相位调制，实现桥接器的相移功能。综合分析后 对桥接器进行了设计，给出了具体设计参数。 3 、空间光桥接器的集成优化研究 在第三章的设计方案基础上，合理利用非近轴传播下铌酸锂晶体的横 向电光效应，对设计结构进行了优化，提出了一个结构更简单的集成化方 案。对优化的空间光桥接器进行了详细分析，给出了具体优化设计参数。 4 、空间光桥接器的性能分析和误差分析 对设计完成的空间光桥接器进行了误差分析，给出了影响桥接器性能的 误差因素和来源。对每个误差因素进行了详细分析和计算，给出了误差补 偿方案。 关键词：光桥接器铌酸锂电光效应双折射效应折射率椭球坐标变换 e l e c t r o o p t l ce f f e c to f l i g h tp r o p a g a t i n g i nn o n - - p a r a x i a ld i r e c t i o ni nl i n b 0 3a n di t s a p p l i c a t i o n o no no p t i c a lh y b i u d a b s t r a c t t h ee l e c t r o - - o p t i ce f f e c to fc r y s t a li st h eb a s i c so fm a n ye l e c t r o - - o p t i c d e v i c e s i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l d so fo p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g a n do p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s of a rm o s to fe l e c t r o o p t i cd e v i c e sh a v ew o r k e d w i t hl i g h tp r o p a g a t i n ga l o n gt h eo p t i c a la x i s t h ep r o p e r t i e so fe l e c t r o o p t i c m o d u l a t i o na l o n go p t i c a la x i sa r ew e l lk n o w n b u ti nn o n - p a r a x i a ld i r e c t i o n s ， t h ee l e c t r o o p t i c a le f f e c to fc r y s t a lh a sn o ts t u d i e dd e e p l y i ti sv e r yu s e f u lt o e x t e n dn e wa p p l i c a t i o n s i nt h i s t h e s i s ，t h ee l e c t r o - o p t i ce f f e c t o fl i g h t p r o p a g a t i n g i n n o n p a r a x i a l d i r e c t i o ni nl i n b 0 3i s i n v e s t i g a t e da n di t s a p p l i c a t i o n i n o p t i c a lh y b r i d i ss t u d i e d t w o o p t i c a lh y b r i d s f o rf r e e l y p r o p a g a t i n g l a s e rb e a m sa r e p r e s e n t e d b a s e0 1 1t h e b k e f i i n g e n c e a n d e l e c t r o o p t i ce f f e c to fc r y s t a l t h et h e s i si n c l u d e sm a i nw o r k sa sf o l l o w s ： 1 s t u d yo ne l e c t r o - o p t i ce f f e c to fl i n b 0 3w i t hl i g h tp r o p a g a t i n gi nn o n p a r a x i a l d i r e c t i o n p r o p e r t i e so fe l e c t r o o p t i cm o d u l a t i o no fl i g h tp r o p a g a t i n gi nn o n - p a r a x i a l d i r e c t i o ni nl i n b 0 3a r es t u d i e db a s e do nt h ei n d e xe l l i p s o i de q u a t i o n t h e 1 1 i 2 s t u d yo nan e wo p t i c a lh y b r i df o rf r e e l yp r o p a g a t i n gl a s e rb e a m sb a s eo nt h e b i r e f r i n g e n c ee l e c t r o - o p t i ce f f e c to fl i n b 0 3 an e w o p t i c a lh y b r i df o rf r e e l yp r o p a g a t i n gl a s e rb e a m si sp r o p o s a l e db a s e o nt h ee l e c t r o - o p t i c a lp r o p e r t i e sa n db i r e f f i g e n te f f e c to fl i n b 0 3 i tr e a l i z e st h e f u n c t i o no fh y b r i do fb e a m ss p l i r e da n dc o u p l e db yb i r e f r i g e n te f f e c to fc r y s t a l i to b t a i n sp r o p e rp h a s er e l a t i o n sb yap h a s em o d u l a t o rd e s i g n e db yl i n e a r e l e c t r o o p t i c a lp r o p e r t i e so fc r y s t a l 3 t h eo p t i m i z a t i o no f o p t i c a lh y b r i d u s i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so fc h a p t e r2 ，a no p t i m i z e do p t i c a lh y b r i di s p r e s e n t e do n t h eb a s i so ft h ed e s i g no f c h a p t e r 3 t h es p e c i f i cd e s i g no fh y b r i di s g i v e nb ys y n t h e t i c a la n a l y s i s 4 e r r o ra n a l y s i so fh y b r i d s t h ee r r o ra n a l y s i so fh y b r i d st h a tw ed e s i g n e di sg i v e n t h ee r r o rs o u r c e s a n dt h e i ri n f l u e n c ea r ea n a l y z e d l a s t l y , t h ei m p r o v e m e n t a lm e a s u r e sa r e p r o v i d e d k e y w o r d s ：o p t i c a lh y b r i d ；l i n b 0 3 ；e l e c t r o o p t i ce f f e c t ； b i r e f r i g e n te f f e c t ；i n d e xe l l i p s o i d ；c o o r d i n a t ec o n v e r s i o n i v 1 1 3 铌酸锂晶体的结构和光学性质5 1 2 光学桥接器概述7 1 2 1 光学桥接器的发展背景一8 1 2 2 光学桥接器的研究现状10 1 3 本论文的主要研究工作：1 4 第二章任意传播方向下铌酸锂晶体的电光效应研究1 6 2 1 引言16 2 2 任意传播方向下沿y 方向加电场铌酸锂晶体的电光特性1 6 2 2 1 沿y 方向加电场时任意传播方向的感应折射率1 6 2 2 2 沿y 方向加电场的感应折射率特性2 l 2 3 沿x 方向加电场铌酸锂晶体的感应折射率特性2 5 2 4 小结2 7 第三章基于晶体双折射和电光效应实现的空间光桥接器。2 9 3 1 前言2 9 3 2 结构设计2 9 3 3 设计原理3 0 v 3 4 设计方案3 7 3 5 小结。4 0 第四章双折射电控集成空间光桥接器4 1 4 1 前言。4 l 4 2 结构设计- 4 1 4 3 设计原理4 2 4 4 设计方案4 6 4 5小结5 0 第五章误差分析5 l 5 1 误差产生的原因5 l 5 2 误差对光桥接器性能的影响5 2 5 2 1 晶体几何长度l 误差对光桥接器性能的影响5 2 5 2 2 光轴定位误差对桥接器性能的影响5 7 5 2 2 1 空间角口误差对光桥接器性能的影响5 7 5 2 2 2 空间角伊误差对光桥接器性能的影响一6 0 5 3 误差补偿方法6 2 5 4 小结6 4 总结6 6 参考文献6 8 致谢7 1 攻读硕士学位期间发表学术论文及科研成果7 2 v i 广西大学顽士掌位沧文非近轴侍播下铌酸镘矗降阳电光效应及在空闾光桥揍黯中朗应用研究 第一章绪论 本文主要研究非近轴传播下铌酸锂晶体的电光效应及在空间光桥接器中的应用，下 面简单介绍电光效应和光学桥接器。 1 1 电光效应概述 光波在各向异性介质中传播时产生双折射现象，这种现象是由于晶体结构的各向异 性所造成的，我们把这种现象称为自然双折射。而当各向同性介质受到电场、磁场、应 力等外场作用时，其结构将会发生变化，使晶体的折射率发生变化，从而使光波在其中 的传播规律发生变化，产生感应双折射。这种感应双折射与自然双折射不同，它可以通 过人为的外界作用加以控制。例如，人们可以通过改变电场大小或方向的方法来控制出 射光的强度、相位、方向、偏振态等，所以在光电技术中获得了广泛的应用。其中电光 效应就是应用最为广泛的一种技术。在某些晶体内部由于自发极化存在着固有的电偶极 矩，当对这种晶体施加外电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向一致或某种优势 取向，从而改变了晶体的折射率，使晶体的光学性质发生变化。这种由于外加电场使得 晶体光学性质发生变化的效应，称之为电光效应。 具有电光特性的晶体主要有铌酸锂晶体、磷酸二氢钾晶体、磷酸钛氧钾晶体、碘酸 钾晶体、五硼酸钾晶体等，其中铌酸锂晶体具有大尺寸、电光系数高等优点而备受人们 的青睐，成为了最常用的电光晶体之一。在众多的电光器件中，很多是以铌酸锂晶体为 基材，铌酸锂晶体在电光技术中起着重要的作用。 下面简单介绍电光效应的基本原理和研究电光效应的基本理论折射率椭球理 论，以及铌酸锂晶体的主要性质。 1 1 1 电光效应的基本原理 晶体介质在光频电场e ( w ) 的作用下产生光频电位移d ( o ) 在光频电场e ( 彩) 不是太 广西大学硕士掌位论文非近轴侉播下铌酸镪晶俸骞彗宅先毁应及在窑闾先桥筷碍中的应用研究 高的情况下，光频电位移d ( o ) 与e ( c o ) 之间呈线性关系： d ( c o ) = 8 0 ( 国) e ( 国) ( 1 1 ) 其中，s o ( 国) 为光频介电常数，国为光的角频率。 如果对晶体介质同时施加一个比光的频率低很多的低频电场e ( n ) ( q 为低频电场 的频率，而且q “国) ，, 贝l j e ( c o ) 与e ( n ) 间相互耦合的结果将会对d ( r a ) 产生附加的贡献。 此时，d ( c 0 ) 的表达式可以写为： d ( o ) = 8 0 ( 国) e ( 国) + a e ( o d ) e ( f 2 ) + f l e ( c o ) e 2 ( q ) + ( 1 2 ) 其中a 、是与外电场无关的常数。由上式可以得，施加低频电场之后晶体的介电 常数： 和) = 鬻掣( 卅泖) 删( q ) + ( 1 3 ) 对于非磁性材料，相对光频介电常数等于折射率n 的平方，即8 ( 矿c o ) = 拧2 ( 彩) 。因此， 低频电场对光频介电常数的贡献就相当于低频电场使得晶体的折射率发现微小的变化。 这种由于外加电场引起晶体介质折射率变化的现象称为电光效应n 。 考虑到e ( c 0 ) 是e ( q ) 的幂级数，所以折射率n 也可以展为e ( f f 2 ) 的幂级数： 刀= 聆o + 口e ( q ) + 施2 ( q ) + ( 1 4 ) 式中矿为未加电场时的折射率，a 为线性电光系数，b 为二次电光系数。其中，由一 次项a e ( q ) 引起折射率n 变化的效应称为一次电光效应，也称线性电光效应或者普克尔 斯( p o k e l s ) 效应。由二次项6 e 2 ( q ) 引起折射率n 变化的效应称为二次电光效应，也称克 尔效应。 假设晶体具有对称中心，外加反向电场时其物理性质( 包括折射率) 应该保持不变， 但此时( 1 4 ) 式中的e ( q ) 要改变符号，( 1 4 ) 式变为： 刀= 刀o - a e ( q ) + b e 2 ( q ) + ( 1 5 ) ( 1 4 ) 式和( 1 5 ) 式只要在a = o 的条件下才能完全相等。a = o 时，得到： 刀= 刀o + b e 2 ( q ) + ( 1 6 ) 2 广置大学顼士掌伍论文非近轴侉播下铌酸锂晶俸鲍电光载应及在窑阃先桥接爵中的应用研究 由( 1 6 ) 式可知，具有中心对称的晶体没有一次电光效应，只有二次项b e 2 ( q ) 和 更高的偶次项。也就是说，线性电光效应只存在于没有中心反演对称的晶体介质中。在 没有对称中心的2 0 类晶体中，它们的线性电光效应远较二次电光效应显著，对于这类 晶体的二次电光效应一般不予考虑。而二次电光效应则可能存在于任何物质中。 由以上分析可知，可以通过外加电场的办法来改变、控制晶体介质的折射率，进而 可以控制光波在晶体内传播的方向、振幅和相位。正是由于这种可控性，使得电光效应 在光电子技术中得到广泛的应用。在实际应用中，线性电光效应更方便控制，所以其应 用更重要更广泛些。 1 1 2 折射率椭球理论 从1 8 7 5 年英国物理学家克尔( k e r r ) 发现克尔效应，1 8 9 3 年德国物理学家泡克耳斯 ( p o c k e l s ) 发现泡克耳斯效应以来，人们对电光效应研究已有2 0 0 多年，对电光效应有深 入的研究。同时，为了更好地利用电光效应，人们不断地提出新的理论、新的研究方法， 用以解决电光器件设计问题，拓宽电光效应的应用领域。 一直以来，研究电光效应的主要方法是折射率椭球方法p 1 们。这种方法直观、简洁， 所以长期以来备受青睐，但这种方法也存在一定的局限性。用折射率椭球理论研究电光 效应的核心是外加电场后的折射率椭球方程主轴化问题。对于外加电场在一些特殊方向 上的情况，通过简单的坐标变换便可得到新的折射率椭球方程。但是，对于任意方向加 电场的情况，通常新的介电主轴与原来的介电主轴是不重合的，主轴化过程相当繁琐、 复杂。这是折射率椭球理论在运用中的难点。 除了折射率椭球理论外，人们还提出了其他多种研究方法，耦合模理论、平面波本 征方程微扰理论、代数方法、耦合波理论等。但是这些研究方法都有它的优点和局限性， 因此，在实际研究中需根据具体研究对象的不同，选择便于研究的方法。本文主要研究 的是铌酸锂晶体的电光效应，所加电场方向是y 方向或x 方向的情况，运用折射率椭球理 论进行研究，主轴化问题比较简单。所以本文将运用折射率椭球理论对铌酸锂晶体的电 光效应进行研究。下面简单介绍折射率椭球理论。 人们研究发现，折射率椭球可以描述表征晶体光学特性的折射率在空间各个方向的 取值分布。外加电场对晶体光学特性的影响，必然会通过折射率椭球的变化反映出来。 因此，可以通过晶体折射率椭球的大小、形状和取向的变化来研究外电场对晶体光学特 广窗大掌颧士掌位论文非近轴侉臻下铌酸锂晶俸的电光绞应及在窑阍先桥矮器中自虚用研究 性的影响。 为方便研究，我们在晶体的主轴系中讨论问题。设晶体的三个主轴分别为x ，y ，z ， 三个主折射率分别为以，刀，则未加j l - 电场时晶体的折射率椭球方程在直角坐标 中的一般形式为： 1 x 2 + 乓+ 乓：l ( 1 7 ) 1 + 专+ 1 2 l 7 ) ，1 x r i y r l z 外加电场后，折射率发生变化，折射率的改变量为： 1 i ( 方) 扩= 莩 i , j ，尼= 1 ，2 ，3 ( l8 ) 上式中，易为外加电场的j 分量，为晶体的电光张量，在透明区其角标是前两个是对 称的，所以可以把这些张量的角标取值为：1 1 一l ，2 2 3 ，3 3 寸3 ，2 3 ( 或3 2 ) - - + 4 ， 3 1 ( - s 戈1 3 ) 哼5 ，1 2 ( 或2 1 ) - - 6 。这样，2 7 个三阶张量就可以化简为。如果巧用 一个矩阵表示，就是一个包含1 8 个元素的矩阵： ，i 、 a 晴) 1 刀 审： ( 专) ， ( 去) 。 刀 ，1 、 【i j 1 5 以。 ( 与) 。 刀 ( 1 9 ) 因此，外加电压后折射率椭球方程变为： 莓【籼+ ( 扣薯_ 一 1 0 ) 其中x a = x ，屯= y ，而= z 。( 1 1 0 ) 式描述了一个受外电场扰动而产生“畸变 的折 射率椭球，它含有交叉项。为更好的研究这个“畸变 折射率椭球的特性，接下来的工 作是将这个“畸变 后的折射率椭球在新的坐标中主轴化( 消去交叉项) 。得到新的主 轴化的折射率椭球后，就可以知道在外电场作用下光在晶体中的传播特性了。 主轴化是折射率椭球理论研究电光效应的核心问题。主轴化的实质其实就是坐标变 地勉 i i所恐乃以乃虼 桥接器中的应用劈f 究 ( 新坐标) 分别为： a 氍蠢 其中元素是对应新坐标在原坐标系中的方向余弦。利用这种坐标变化法可以将( 1 1 0 ) 芝+ 芝+ 芝：1 ( 1 1 2 ) 1 1 3 铌酸锂晶体的结构和光学性质 铌酸锂晶体是无色或稍带浅黄绿色的透明晶体，它是一种集电光、声光、光弹、非 线性和光折变等多种效应于一身的多功能晶体。此外，铌酸锂晶体还具有生长尺寸大， 通过不同掺杂手段得到各种特殊性能的优点，因此，铌酸锂晶体是至今人们所发现的光 学性能最多、综合指标最好的晶体。 铌酸锂晶体的结构如图卜l 所示，在温度低于居里温度( 1 2 1 0 ) 时为铁电相，属 于3 m 点群，空间群为r 3 c 。在温度高于居里温度时为顺电相，属于j 阴，空间群为r 3 c 。 在铌酸锂结构中，氧八面体以共面的形式叠置起来形成堆垛，公共面与氧八面体三重轴 垂直，堆垛再以八面体共棱的形式联结起来形成为晶体。在顺电相时，每个堆垛中氧八 面体按以下顺序交替出现：一个中心有n b 的八面体，两个在其公共面上有l i 的八面体， 5 广田大掌顼士掌位伦文非近轴侉播下妮酸镘品俸的电光笈应及在窑间光桥挨路中的应用研宽 如图1 - 1 ( a ) 所示。在顺电相时，l i 和分别位于氧平面和氧八面体的中心，无自发极化。 而在铁电相，l i 和都沿c 轴发生了位移，l i 离开了氧八面体的公共面，n b 离开了氧八 面体的中心，如图1 - 1 ( b ) 所示。由于l i 和n b 的移动，产生了沿c 轴的电偶极矩，出现了 自发极化。 ”轴 一 一 押轴 土 q ( a ) 顺电相( b ) 铁电相 图l - i 铌酸锂晶体的结构示意图“力 f i g 1 - lt h em o l e c u l a r s t r u c t u r eo f l i n b 0 3c r y s t a l b i b o 0 氯原子层 常温下，铌酸锂晶体为铁电相，点阵对称性为“3 m ”，其中3 表示存在三次旋转轴， 若绕这个轴旋转1 2 0 。，操作后的点阵重合。铌酸锂晶体有三个三次旋转轴和两个对称 面，这种对称性使得铌酸锂晶体在没有外电场作用时是一种单轴晶体，其线性电光系数 矩阵为： 0 一托2n 3 0 娩2九3 00 扎2 3 ， 0 乃l 0 如l 00 一圪2 00 表1 - 1 为不同波长下铌酸锂晶体的电光系数和折射率。 铌酸锂晶体除了具有几何尺寸大，电光系数高的优点之外，还具有其他优良的光学 特性，例如：透射波段宽，3 7 0 - - - 5 2 0 0 n m ；透射率高，对于波长为6 3 3 n m 的光波其透射率 6 广面大学顸士掌位论文非近轴侉播下铌葭组晶降的电充致应及在室阃先桥筷路中的应用研究 大于6 8 。正是铌酸锂晶体具有优良的综合特性而备受人们的青睐，成为最常用的电光 材料之一。 表卜1 铌酸锂晶体的电光系数和折射率8 1 材料对称性波长朋 电光系数巧( 1 0 q 2 m v ) 折射率 仃) 乃3 = 9 6 ( s ) r 1 3 = 8 6 ( r ) 勉= 6 8 ( s ) 勉- - 3 4 仃) r 3 3 = 3 0 9( s ) 乃3 = 3 0 8i o = 2 2 8 6 0 6 3 3 = 2 2 0 0 ( t ) r 5 1 = 3 2 6 ( s ) y 5 l = 2 8 ( r ) r o = 2 1 1 l i n b 0 3 3 m n o = 2 2 2 9 1 1 5叮) 勉= 5 4 ( r ) 九= 1 9 = 2 1 5 0 仃) 勉= 3 1 ( s ) 九3 = 2 8 n o = 2 1 3 6 3 3 9 ( r ) r o = 1 8 ( s ) 勉= 3 1 e = 2 0 7 3 ( s ) 乃3 = 6 5 ( s ) 蚝1 = 2 3 注：( t ) 为直流到声频的低频；( s ) 为高频：儿= y 3 3 一3 乃3 磋。 1 2 光学桥接器概述 随着电光效应理论的发展和电子技术的成熟，基于电光效应的各种应用被相继地开 发出来。在当今信息时代，电光效应正发挥着越来越重要的作用。利用电光效应可以 制作电光调制器、电光开关、电光光偏转器、光电相移器等，可用于光闸、激光器的 q 开关和光波调制，并在高速摄影、光速测量、激光测距等激光技术中有重要的应用。 所以电光效应在信息处理和光通信领域中扮演着重要的角色叫利。 本文在研究非近轴传播下铌酸锂晶体的电光效应的基础上，利用研究的理论成果， 设计出两个适应于相干光通信的光学桥接器方案，拓展了电光效应的应用。 7 具备的。 正是由于相干探测具有诸多优越性，早在8 0 年代到9 0 年代初，成为了人们的 研究热点，各国在相干光传输技术方面做了大量的研究工作。但是随着掺铒光纤放 大器( e d f a ) 、波分复用( w d n ) 技术的出现和色散补偿技术发展，长距离、高速率、 大容量传输成为可能，相干光通信渐渐地淡出了人们的视线。尽管当今的微波通信 和光纤通信技术已经很成熟，在工作、生活信息化的今天，人们对信息的需求量在 以爆炸式的增长，微波通信和光纤通信难以满足日益增长的信息需求。目前，发展 空间光通信被认为是解决当前“微波瓶颈 、“光纤耗尽”问题的最佳途径。 由于相干接收技术可以抑制背景噪声，提高信噪比，每个比特需要的光功率比 非相干通信低一个量级的光接收机灵敏度。这对于长距离、高码率的数据传输十分 有利。例如，对于传输数率在g b i t s s 以上或传输距离在几万千米以上时，若采用 非相干通信对光源功率的要求就达到了无法实现的地步n 引。所以空间光通信一般采 8 广面大学硕士学位论文非近釉侉播下铌酸镊品俸的宅光效应及在窆闽光桥接器中的应用研究 用相干探测接收方式。在这种背景下，潜伏了近2 0 年的相干光通信再次被放到桌面 上来，成为了人们的研究热点。 相干光通信根据本振光频率与信号光频率是否相同，可分为外差检测和零差检 测。零差检测跟外差检测相比，接收灵敏度更高，大约高出3 d b 。零差检测对前置电 路的宽带要求也不高，同样的带宽可获得的码率更高。此外，零差探测没有中频信 号，信号处理更简单，可以在直接探测接收机的基础是构造零差接收机。 一个相干光零差接收机由本机激光振荡器、光电子接收机、锁相环、光学桥接 器及信号光接收光路组成。根据锁相环的类型，接收机可分平衡锁相环接收机、科 斯塔斯锁相环接收机、同步锁相环接收机、决策驱动锁相环接收机等。图1 - 2 所示 为平衡锁相环接收机，图1 - 3 所示为科斯塔斯锁相环接收机。 图卜2 平衡锁相环接收机卸3 f 逛1 - 2 t h es c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no f b a l a n c e dp l lr e c e i v e r 图1 - 3 科斯塔斯锁相环接收机列 f i g 1 3t h es c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no f c o s t a sp l lr e c e i v e r 9 广商大学顸士学位伦交非近轴侉播卞铌政缓晶俸幻电光致应浸在窑闾先桥挟路中的应用舒究 桥接器将信号光和本振光链接到光电接收机口1 1 ，是相干光接收机的关键器件， 桥接器的性能影响着整个相干通信系统的性能。桥接器的具体作用是将信号光与本 振光混合在一起，输出两束相互间1 8 0 。( 或9 0 。) 相移或四束9 0 。相移的信号光与 本振光的混合光束，为后面的光电探测、锁相、解调做准备。 在性能上光桥接器分为9 0 。相移两通道输出，1 8 0 。相移两通道输出，9 0 。相移 四通道输出等结构。1 8 0 。相移2 2 桥接器适用于平衡锁相环接收机，9 0 。相移2 2 桥接器适用于科斯塔斯锁相环接收机，9 0 。相移2 4 桥接器适用于科斯塔斯锁相环 和平衡锁相环结合的接收机心羽。 1 2 2 光学桥接器的研究现状 随着人们对相干光通信技术的深入研究，光桥接器作为接收机的一个关键器件，各 种不同结构、原理的光桥接器相继地被研发出来。根据应用领域的不同，光桥接器可分 为适用于光纤通信系统的“光纤通信型桥接器 和适用于自由空间光通信的“空间光通 信型桥接器”。下面分别简单介绍这两种类型光桥接器。 、 一、光纤通信型桥接器 在原理上，光学桥接器主要由光束分路器、光束合成器和相移器所构成。根据耦合 和产生相移的不同原理，光纤通信型桥接器主要有以下四种类型： ( 1 ) “耦合器+ 偏振分束器结构汹嘲1 此类光桥接器主要由耦合器+ 偏振分束器组成，如图1 - 4 所示。耦合器将信号光与本 振光混合并分束，实现光桥接器的耦合功能。所用的耦合器一般为3 d b 耦合器，使得各 光束等光强输出。偏振分束器的作用是按偏振态进行分柬，将p 分量与s 分量分开，得到 两束1 8 0 。相移的输出光。 结合图1 - 4 ，光桥接器的工作过程如下：信号光和本振光进入n x 型3 d b 耦合器，进 行分束、混合，输出两束等振幅，相移为9 0 。的信号光与本振光混合光。混合光经过偏 振分束器，偏振分束器( p b s ) 按偏振态进行分光，将p 分量与s 分量分开，得到两组1 8 0 0 相移的输出光。最终在桥接器的输出面得到四束相互间相移为9 0 。的信号光与本振光的 混合光束五、最、e 、e 。 该光桥接器结构简单、易于集成，但相移稳定性易受环境影响，对于环境因素引起 的相移漂移很难进行调节、补偿。 1 0 广西大掌颀士掌住论文非近轴侍播下铌酸馒品俸的电充绞应及在窑闾光桥筷路中鲍应用研究 p b s o 圈忙自 e 2 一e 3 o 囱- o e 4 p b s 图1 - 4“耦合器+ 偏振分束器”结构 f 唔l _ 4t h e s c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no f h y b r i dw i t hc o u p l e r sa n dp b s ( 2 ) “耦合器+ 相移器 结构啪 3 订 此类光桥接器主要由耦合器和相移器组成。如图卜5 所示，桥接器两臂分别由两个 定向耦合器和一个相移器连接而成。信号光与本振光的混合和分束由四个耦合器来完 成。桥接器输出相移大小由相移器控制。控制定向耦合器v c l 、v c 2 、v c 3 、v c 4 的电压， 可得n 5 0 ：5 0 的分光率。控制相移器v p l ( v p 2 ) 的电压，可以控f l ；i j p 3 p 4 ( p 1 p 2 ) 的输 出相移。 s i g n a l l o - p l p 2 p 3 1 = 4 图卜5“耦合器+ 相移器”结构 f i g 1 - 5t h es c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no f h y b r i dw i t hc , o u p l c r sa n dp h a s es h i i t e r 此桥接器最大的特点是“电控 ，可以通过控制耦合器的电压得到不同的分光比， 通过控制相移器的电压得到不同的输出相移。正是它的“电控”特点，光桥接器的耦合 效果、相移输出都可以精确的调控，所以其耦合性能、相移性能良好且可控。由于环境 因素造成的相位漂移问题也可以通过增加负反馈电路进行实时调节，保证相移的稳定输 l l 广面大学顽尘学位伦文非嚣釉侉撂下铌酸锂晶俸的电光绞应及在空周光桥矮器中旬应用研究 出。但是这种光桥接器属于有源器件，需要增加附加的电源、电路，结构比较复杂，成 本也较高。 ( 3 ) “偏振分束器+ 相移器 结构嘲 此类光桥接器主要由偏振分束器和相移器组成。下面介绍此类桥接器中具有代表性 的一种，如图卜6 所示。在光路中设置若干个偏振分束器，进行偏振分光。另外，光路 中还设置了若干个全反射镜，以辅助光束的耦合。该桥接器的关键是在光束的每个输入 端口和输出端口都设置了一个可以精密可调的镜头套圈( l e n sf e r r u l e ) 。镜头套圈的 作用是除了将本振光和信号光从光纤耦合到桥接器外，更重要的作用是通过调节镜头套 圈，可以控制每条光路的光程，以实现对每条光路中光波相位的控制，使得桥接器在输 出面得n 9 0 。相移的四束混合光。从镜头套圈的作用来看，镜头套圈的实质就是一个相 移器，控制桥接器的相移输出。 图1 喝“偏振分束器+ 相移器”结构 f i g 1 - 6t h es c h e m a t i cc o n f i g u r a t i o no fh y b r i dw i t hp b sa n dp h a s es h i f t e r 该桥接器具有插入损耗小，温度性能好，无等光程要求，对角度和装封没有苛刻的 要求，结构牢固等特点。但是该桥接器采用的是机械式调节相移，调节精度不高，在实 际应用过程中不好控制。 ( 4 ) “多模干涉耦合器”结构吲1 这类桥接器由一个n n 多模干涉耦合器和一个n 阵列波导臂组成。其工作原理是： 利用多模干涉耦合器的自映像效应，在多模干涉耦合器的输出端得到信号光和本振光的 像，实现对信号光和本振光混合；利用n 阵列各个波导臂长度、宽度的不同，控制各束 广商大掌顽士掌伍论文非近翱侉播下铌酸镀品厣纺宅光绞应及在室阌光桥嫠路甲韶应用研究 光波的相位，实现桥接器的所需的相移输出。1 9 9 3 年e c m p e n n i n g s 设计了一款多模干 涉型桥接器，如图卜7 所示。 由于多模干涉耦合器具有插人损耗小、体积小、结构紧凑，易于集成等优点，所以 “多模干涉耦合器 结构的光桥接器也具有这些优点。但是利用n 阵列各个波导臂长度、 宽度的不同来控制各束光波的相位办法，这对阵列波导臂的长度、宽度精度要求很高， 且当相移出现漂移时很难进行调节、补偿。 皇争 白 c d w 嘲 p m 弘m p 蕊 二、空间光通信型桥接器 在卫星激光通信终端中，所接收的光信号不仅用于探测通信信息而且也用于探测对 方终端的空间位置信息，即利用光电位置探测器测量光信号对于接收望远镜的离轴量， 这种位置变化信号用于光学精密跟踪的目的，因此光桥接器必须是自由空间传播形式。 很多适用于光纤通信系统的光桥接器不适合直接应用于空间通信，在自由空间光通信中 需要发展专门的空间光桥接器。到目前为止，空间光桥接器主要采用偏振分束、合束和 波片相位延迟的方法实现，文献【3 8 ，3 9 提出了两种可能的实现方案，因为两种方案中仅 是用于分光耦合的分束器类别不同，因此这里只介绍其中的一种，原理图如图l 一8 所示， 其工作原理及过程如下： 1 波长相同的信号光和本振光分别进入桥接器，线偏振的本振光通过 波片l 后变为 4 圆偏振光。偏振分束器2 将信号光与本振光混合并产生偏振方向相互垂直的混合光束。 半波片3 使混合光束的两个垂直分量发生4 5 。偏转使之同向干涉。偏振分束器4 将混合 光束进行分束，得到两组两束相移为1 8 0 。信号光与本振光的混合输出光，也就是在桥 接器的输出端得到四束相移为9 0 。的信号光与本振光的混合光，分别为i 。、i 。、i 、 i 踟。 该桥接器可以通过旋转四分之一波片对相位进行调节，实现所需的相移输出，其温 度特性较好，性能较稳定。但对用于分光合成的偏振分束器有相位要求，而实际的分束 器件的相位是很难控制的，另外，在系统集成时所需元件较多，插入损耗较大。 鉴于目前自由空间型的空间光桥接器种类缺少，不能适应日益发展的空间光通信的 需求，因此本论文在研究非近轴传播下铌酸锂晶体的电光效应基础上，发展新的空间光 桥接器方案，并进行具体设计。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文的主要研究工作包括以下方面： 一、非近轴传播下铌酸锂晶体的电光效应研究 利用折射率椭球理论，运用转换坐标的方法，研究了非近轴传播下铌酸锂晶体的横 向电光效应特性，得到了沿y 方向和x 方向加电场时任意传播方向的感应折射率分布公 式。该公式适用于任意传播方向的情况，在实际应用中，只要传播方向确定后，就可以 利用该公式计算该传播方向的感应折射率和所加电场的大小关系。 1 4 广富大学顼士掌伍论文非近轴侉播下铌酸缓品俸的电先致应及在窒阍先桥挨器中自应用研究 根据感应折射率分布公式，深入分析了不同传播方向的感应折射率特性，得到了感 应折射率随所加电场成线性关系的条件；同时，进行了数值计算、分析，总结出了感应 折射率随外加电场线性变化的规律、特点。这些研究成果对新型器件的研发有指导意义。 此外，对感应折射率随所加电场成非线性变化的情况也进行了数值计算、分析，总 结出了感应折射率随外加电场非线性变化的规律、特点。 二、提出基于铌酸锂晶体双折射和电光效应的新型光学桥接器方案 综合利用铌酸锂晶体的双折射效应和电光效应，提出了一个适用于空间光通信的新 型光学桥接器方案。方案中，利用铌酸锂晶体的双折射效应对信号本振光进行分束和合 束，实现光桥接器的耦合功能；利用线性电光效应，通过电光调制，对光波进行相位调 制，实现桥接器的相移功能。 同时，对桥接器的具体设计进行了详细的分析、讨论，并进行了精确的数值计算， 得到了桥接器的具体设计参数。 三、利用非近轴传播下铌酸锂晶体横向电光效应的优化设计方案 在第三章的设计方案基础上，合理利用非近轴传播下铌酸锂晶体横向电光效应的特 性，对设计结构和参数进一步优化，提出了一个结构更简单，所需电压更低的，集成化 的优化设计方案。 同时，对优化设计后的光桥接器的具体设计进行了详细的分析、讨论，并进行了精 确的数值计算，得到了桥接器的具体设计参数。 四、空间光桥接器的性能分析和误差分析 综合考虑了各方面因素，对光桥接器的性能进行了详细的分析，找出了影响桥接器 性能的误差因素、误差来源。对每个误差因素都分别进行了详细的理论分析和数值计算、 分析，并找出了补偿误差的有效方法。 广商大学顸士学1 盂论文 非近轴侉疆下铌葭键晶体的电光致应及在窑阃光桥接器中幻应用研究 第二章任意传播方向下铌酸锂晶体的电光效应研究 2 1引言 第一章中提到，利用晶体的电光效应，通过外加电场的办法来改变、控制晶体介质 的折射率，进而可以控制光波在晶体内传播的方向、振幅和相位。正是由于这种可控性， 使得电光效应在光电子技术中得到广泛的应用，在信息处理和光通信等领域中扮演着 重要的角色。 目前，常用的电光器件很多是在沿光轴方向入射时无自然双折射的特性下工作，光 束沿晶体光轴方向入射的电光特性已经被充分认识，并且在应用方面也很成熟m 硼1 。同 时，对光束沿近光轴方向入射时的电光特性也有一些研究 拍1 ，但是在存在晶体自然双 折