（光学专业论文）电光效应与电光器件设计.pdf

摘要 黻线经电蠢效藏为耪理基硇瓣电毙谲毒l 嚣，楚线性毫炎效应重要懿纛鬻之一， 它可以实现对光波的相位、振幅、频率、强度以及偏振状态的调制。到目前为止， 电光调制器已经在很多实验和工程领域，如电光探测、光开关、光波偏振状态的 检溺等方面，都畜鬻广泛的应震。 本论文首先以s h e 等人提出的线性电光效应的耦合波理论为基础，从理论上 研究了双轴晶体k t p 电光调制器的特性，即滋发稳定性、零场泄漏和半波电压。 仅仅遮蠲简单的角度调节，我们裁缀容易穗解决了这种灞制器温度稳定往酶闼 题，从而避免了传统调制器的固有缺陷，得到最优设计方案。我们所使用的调制 方式魄突破了传统的横向调制方式或纵向调制方式，g i j # i - n 电场的方向与入射光 的传播方向氍不羹纛也不平行。 此外，本论文进步发展了线性电光效应的耦合波理论，使其适合于分析有 线性吸收的介质中戆线性电光效艘。该理论可以分析线性吸收分质中，光在任意 方向的外加电场静作用下溶任意方向传播对静线性电光效应。运用这萃申理论，我 们研究了线性吸收对垂直于光传播方向上的两个不同的光偏振分量的桐位和振 蝠的影噙。研究发魏；当这两个德振分量所对琏的线性吸收系数相等时，线性吸 收只黉| ；响它们的振幅，丽对其襁便没有影响，对调制器莳半波电压和消光眈也没 有影响；当这两个偏振分量所对应的线性吸收系数不相等时，线性吸收不仅对它 们的攘攥产生影响，薅且影响到它嬲的摆经，茈时，调割嚣黥半波电压羁消光比 盘受到了影响。论文还提出了如何将该理论运用于光的振f 黼调制和电光鼯体线性 吸收系数的测量的方案。我们提出的这一理论解决了以往不能对存在吸收的电光 材辩豹线蛙电光效疲绘塞理论分褥戆困难。 关键字：线陛电光效应电光调制器温度稳定性最优化设计线性吸收 a b s t r a c t o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so fl i n e a re l e c t r o o p t i ce f 凳c ti sf o r d e s i g n i n go fm o d u l a t o r o n ec a l lu s ei tt om o d u l a t et h es i g n a l so fl i g h t ，i n c l u d i n gt h e m o d u l a t i o no fa m p l i t u d e ，i n t e n s i t y , f r e q u e n c y , p h a s ea n dp o l a r i z a t i o n s of a r ， e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r sh a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e d ne x p e r i m e n ta n de n g i n e e r i n g s u c ha se l e c t r o o p t i cd e t e c t i o n ，e l e c t r o o p t i cs w i t c he t c 。 i n t h i st h e s i s an e ww a v ec o u p l i n gt h e o r yo fl i n e a re l e c t r o o p t i ce f c ti su s e dt o s t u d yt h ep r o p e r t yo fam o d u l a t o rm a d eb yb i a x i a lc r y s t a lk t p f r o mt h r e es i d e s ： t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ，z e r o f i e l dl e a k a g e ，h a l f - w a v ev o l t a g e 。u s i n g t h ec r y s t a l ， t e m p e r a t u r es t a b i l i t y o fe l e c t r o o p t i cm o d u l a t o rc a nb eo b t a i n e dj u s tb ya n g l e j u s t i f i c a t i o n ，a n dt h el i m i t a t i o no ft h et r a d i t i o n a le l e c t r o o p t i cm o d u l a t o rc a l lb e o v e r c o m ee a s i l y 。a n da no p t i m a ld e s i g no ft h i sk i n do fe l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o rh a s a l s ob e e np r o p o s e d t h ea n g l eb e t w e e nt h ed i r e c t i o no ft h ei n p u tl i g h ta n dt h e d i r e c t i o no ft h ee x t e r n a le l e c t r i cf i e l di nt h em o d u l a t o ri sn e i t h e r 矿n o r9 0 。t h a ti st o s a y , t h em o d u l a t i o nm a n n e ri sn o tt r a n s v e r s em o d u l a t i o no rl o g n i t u d i n a lm o d u l a t i o n m o r e o v e r , w ee x t e n d e dt h ew a v ec o u p l i n gt h e o r yo fl i n e a re l e c t r o o p t i ce f f e c t ， s ot h a ti ti ss u i t a b l ef o ra n a l y z i n gl i n e a re l e c t r o - o p t i ce f f c c ti nam e d i u mw i t hl i n e a r a b s o r p t i o n ，w i t hal i g h tw a v ep r o p a g a t i n ga n dp o l a r i z i n ga l o n ga na r b i t r a r yd i r e c t i o n n om a t t e rw h a tt h ep o l a r i z a t i o no fe x t e r n a ld ce l e c t r i cf i e l da n dt h es y m m e t r yo ft h e c r y s t a la r ec h o s e n b yu s i n gt h i st h e o r y ，t h ei n f l u e n c e so fl i n e a ra b s o r p t i o no nt h e p h a s e sa n da m p l i t u d e so fd i f f e r e n tl i g h tp o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t sh a v eb e e ns t u d i e d i t i sf o u n dt h a tw h e nt w ol i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t sc o r r e s p o n d i n gl ot h ee a n d0 一 p o l a r i z a t i o nd i r e c t i o n sa r ee q u a l ，l i n e a ra b s o r p t i o nd o e sn o tc h a n g et h ep h a s e so ft h e t w op o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t s a n dh a sn oe f 纯c to i lt h eh a l f - v o l t a g ea n dt h ee x t i n c t i o n r a t i oo ft h ee l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r ，b u tw h e nt h el i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t sh a v e d i f f e r e n tv a l u e s ，l i n e a ra b s o r p t i o nn o to n l yc h a n g e st h ep h a s e so ft h et w op o l a r i z a t i o n c o m p o n e n t s ，b u ta l s oc h a n g e st h eh a l f - v o l t a g ea n dt h ee x t i n c t i o nr a t i oo ft h e i l e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r b u tw h e t h e rt h el i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t sa l ee q u a lo r n o t ，l i n e a ra b s o r p t i o nh a se f f e c to nt h ea m p l i t u d eo ft h et w op o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t s w ea l s od e v e l o p e daw a yf r o mo u rt h e o r yt oa c h i e v ea m p l i t u d em o d u l a t i o na n d m e a s u r et h el i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t s o u rt h e o r yh a so v e r c o m et h ed i f f i c u l t y w i t ht h ep r e v i o u st h e o r y ，w h i c hc a nn o td e a lw i t he l e c t r o o p t i ce f f e c ti nm e d i u mw i t h l i n e a la b s o r p t i o n k e y w o r d s ：l i n e a re l e c t r o o p t i ce f f e c t 、e l e c t r o o p t i cm o d u l a t o r 、t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y 、o p t i m a ld e s i g n 、l i n e a ra b s o r p t i o n i i i 1 1 本课题的研究意义 第1 章前言 入炎已经进入僖崽社会，随着经济和逶适酶全球往，因特蘸敕大量警溆，久 们对于遇讯的要求越采越高，通讯速度不仅要快而且质量要高。在现有的通讯方 式中，光波通讯具有觅线电通讯无法比拟的许多优点：首先，光波通讯容撼大。 雷蓠大多数躲光传输系统都是使焉半导体发光二缀管及半导体激光器终为光源。 其频率j b 常高( 约1 0 ”h z 1 0 皓h z ) ，若以每路电话频带宽度4 k h z 计算。可容 纳1 0 0 亿黪，这样全擞爨的人利用一束激光通话还绰绰有余，巨大的通讯容量是 过去任何邋谲系统都露法达到酶。冀次，先波通讯挠于抗蔻力强。由于激光匏频 率较高以致无线电波对它起不了作用，同时激光的高方向性使得光波也很髋被干 扰。秀次，光波通讯保密性好。激光在大气通讯中，由于其发散角较小，保持了 高度静方向性，加之窕大多是不可觅静红外线激光，恕截获非常困难。困既光通 讯技术受到人们极大的关注，从而得到了飞速的发展。 光邋镪是以光波僚为载波，班大气或光纡 乍为传输分质，邋过调割，锭用户 信息( 例如语言，图像和数据等) 勰载到光波上，传到收信方，由光接受器篷涮 并还原成原来的信息，达到通讯的目的。我们知道，要实现光通信，首先襄解决 静闽题怒舞艇将被转簸的信号加载刭激光上；即通常所说的调制。所以调制在光 通讯上照得非常重要。 光调制是指，改变光波的振幅、强度、相位、频率、偏搌状态等物理渗量使 之携带糖感熬过程。凝握调割与光澈的关系，光调制可以分为巍接诩未l 和麓接调 制两大撩：直接调制仪仅适用于半母体光源( l d 和l e d ) ，属于电源调制方法， 直接调制具有简单，经济，容易实现等优点，照光纤通讯中常采用的调制方式， 毽是激光器在直接调剿列其骥嗷与调潮频率残正毙，在竞纾惫教效应 乍嗣下，它 将导致传输频谱展宽，直接影响传输距离；间接调制是利用晶体的电光效应、磁 光效应或者声光效应镣来实现对激光辐射的调制，这种调制方式既适用于半导体 激光器也适用于熬它类型的激光器，间接调制最常用的怒外调制方式，即在激光 形藏以爱热载瀵露信号。撮摇蒸物理极，努瀑调裁爨可淤分为三类：缀党( f a r a d y ) 调制器、声光( a o ) 调制器、电光( e o ) 调制嚣 l 】。在高级通讯中只用了艏一种调制 器，即电光调制器，因为该调制器调制速率比其它类型的调制器调制遮率要高得 多。 线性电光效艘嘲已经被用于激光束的偏转吲、光波相位延迟、电光探测净9 1 、 电光系数的测量1 0 l 、高电压的测幂1 等等。利用传统的光导天线技术探测t h z 疆麓场，其戆获褥真实波形豹一拿程关丞数波形，量这令籀关丞鼗波影不包含 t h z 信号的相位信息。而利用电光探测技术来探铡t h z 电磁辐射场却可以得到 该t h z 电磁辐射场的真实波形，同时这种探测方法具肖光学平行处理的能力和 好瓣蔷曝毙，襞它在实薅二缨藤于远红乡 簸缀技术中具露绞努豹瘟鬻麓景。茏萁 重要的是线性电光效应被应用到了光调制中，即以线性电光效应为物理基础的电 光调制器。电光调制器f 1 1 可以实现对光波的相位、强度、频率以及偏振状态的调 鞠，跫重要戆毙蘩号溪铡方法之一。奄竞灞髑器雩# 为一耱关键器 掌毫被广泛痘曩 于电光开关 1 2 , 1 3 ，光波偏振状态的检测“4 1 等等。其中电光开关是激光系统的重要 单元，它的开关频率可达1 2 0 g h z 【l ”。利用电光开关可以从锁模序列中选出单脉 挣，可敬对谲q 赫净遗幸亍赘波，它遣是光隔离器中不可鼷少夔元件，程光开关 性能的提高，对一个激光系统提高输出的成功率、稳定性起着非常重疆的作用。 电光调制器还被应用到高速光野通讯网络、光纤陀螺、光纤传感器以及 其它缀多领蠛5 狰。2 4 。龟竞渡导灞翻器t 2 5 1 具有络构紧凑，调翻频带宽、可靠佳毫、 便于集成化、驱动电压相对较低等优点，目前已经得到非常广泛的应用。因此， 提高电光调制器的工作稳定性、降低电光调制器的半波电压、使电光调制器有足 够爨豹调麓蒂宽、增大调裁器鹃谲涮蒋注麓线的线悭范辫、获褥器可缝夫豹潜光 比、寻找电光系数大的电光材料等优化电光调制器设计的研究显得非常重要。另 铃，电光效应理论研究的深入，将会使电光效应有更多的技术应用的可能，也可 强避一步深纯入们对垂然器黥认识。 1 2 电光效应的理论发展状况 2 1 2 1 眩光效应的寇义 电光效应是指在威流电场( 或低频电场) 的作用下引起材料折射率明照变化 的一静骥象2 6 。旱在十八世纪人们骥发现了这种效应，著根据其特点将这葶孛效应 分为两类，其一是所谓的线性电光效应或称普克群斯( p o c k e l s ) 效应，它衷琥为： 折射率随外加电场成线性变化，线。陡电光效应可以用入射光电场与直流电场混合 终曩在物璇中产生的二二蹬非线性投偬 暑( 妫= 2 e 。z ( - c o , o ) , 0 ) e ，( e o ) e l ( o ) ( 1 - 1 ) 席 来描写，它只能在具谢空间非中心对称的晶体中发生：其二是所谓的二次电光效 应或稼霓尔( k e r r ) 效应，它表瑰为；援袈率藤努鸯羹电殛旗痰瓣平方残毙铡鹣交 化，二次电光效应可用入射光电场与直流电场混合作用在物质中产生的三阶非线 性极化 p ；( 0 2 ) = 3 e o 描卜戤端。露骂( 鳓最秘罨国) 4 0 2 。8 6 s p i c k e r m a n n1 9 9 6 4 7 6 4 5 k h a z a e i1 9 9 8 4 8 2 0 52 29 51 0 7 l n g a a s p l n p , m q w a g r a w a l1 9 9 5 4 9 6 8 1 41 9 2 1 f e t t e r m a n1 9 9 6 5 羽 6 0l = 3 0 0 搬 r o ll a n d1 9 9 8 5 1 4 01 01 6 r o l l a n d1 9 9 8 5 1 2 62 5 i n g a a i a s i n a i a s , m q w w a k i t a 1 9 9 2 5 2 】 3 82 02 05 _ 3l = 3 0 0 , t o n 聚会耪 v a ns c h o o t i ，1 9 9 6 5 3 7 52 02 02 7l = 2c b l l e e ，1 9 9 7 e 5 4 4 8 5l = i 5c m e r m e r ，1 9 9 7 5 5 】 3 。5l = 2 6e 氆 c h e n ，1 9 9 7 5 6 | c h e n ，1 9 9 9 5 7 n 。选择晶体的主轴系建立坐标系，在这个坐标系中，求加电 场时，援射率糖球方程已经主辘纯。藏期电场聚，援射率撩溶方程发生了变化， 根据方程( 2 4 ) 可驻袭示为 专+ 号+ 虿z 2 + z _ 。e 姬+ 2 r 4 1 e y 母+ z e 妙= t c z ， 方程中籍三项是施加电场弓l 起的交叉项，也就怒含x y 、x z 、y z 的项。这说明， 在电场作用下，折射帮椭球的三个主轴不再分别与晶体的原主轴方向x 、y 、z 轴 平行。我弱接下来懿王 睾裁是欧瓣黪率 夔球理谂惫菝据，找凌一个薮豹鍪撅系， 使新的干斤射率椭球方程( 2 1 1 ) 在该坐标系中主轴化。为了简单起见，我们令所 加的电场平行于z 轴，即e ：0 ，e ，= e ，= 0 ，于是方程( 2 一“) 变成 言十号+ 砉+ z r 6 3 e z x y = t ( 2 - 1 2 ) 令方程( 2 1 2 ) 程掰坐标系( x 1 、y 、z ) 中不含混合项，即它所表示的椭 球方程烹辘化，于是脊 筚十筚+ 鳝：1 ( 2 - 1 3 ) n 。n 。挖 显然，z 、y 、。为翔电场后新椭球的三个主轴方向，其主辅长分别为孙，、2 n ， 和知，。新坐标x 、y 、z 和原坐标工、y 、z 的关系可以用折射率椭球理论中 提到鹃嫩檬变换静方法求出。亩式( 2 1 2 ) 可以露出，轰了褥潮变换系数盼对 角形式( 也即主轴化) ，应该这样选择x 、y 和z + 轴：使z 轴平行与z 轴；融于j 帮y 静辩稼往，x o y 乎蓉强z 车鑫为辘遂对铮旋转4 5 。藏交成了善匆7 平露，麴蒿 2 1 所示。 图2 - 1 新嫩标( x ，y ，z ) 与原舷杯( x ，y ，z ) 之间的关臻 这样坐标变换关系藏必 石。石 舻0 8 i ym “i v = 盖s i n 三+ v c o s 至 2 。1 4 ) 。 4 。 4 z 竺z 把上式代八方程( 2 - 1 2 ) ，褥到 毒1 + e ：虹2 + 虿1 一r 6 3 t 2 + 古z “= l ( 2 - 1 5 ) 峦该式霹麴，峦予弧擞邀殇豹终用，鏊搏坐标系瓣圭辘峦原来瓣羔、y 、z 嶷残 现在的7 c 、y 、z ，对比方程( 2 1 3 ) 和方程( 2 1 5 ) 可以得到新的主折射率与 原主折射拳有下面的关系 丢：丢+ e ： 石虿+ 昱z ：去一一： 沼16)r63，tr 2 i z 上” 撵：拜； 土一三 ，l ；n ； 在一般祷凝下，有这榉静关系k 霹： d 。( f - l ，2 ，3 ，4 ) 。而当a k d 。时，可以得到 p 1 ( r ) 卢= 竺要丛 。吆型 。5 8 e ? ( 0 ) c o s 2 ( f i r ) + a k e i ( 0 ) ；d i e 2 ( 0 ) z s i n 2 ( g r ) ( 2 5 9 ) 舯衄g t l 业l e , ( o ) c o s ( 肼f 型等幽s i n ( 删 以帕厕瓦碚嘎甄 协， 舭) 刮s i n ( 肿f 丝筲幽s i n ( 删 3 2 对于振幅调制，可以选择e l ( 0 ) = e 2 ( o ) ，这将导致( d l a k ) e 1 2 ( 0 ) d i 的条件得不到满足，那么出射 光的光强可以准确的表示为 l ：= o u , p ( ( r ) + p ；( r ) - 2 p , r ) 一p 2 ( r ) c o s o t ( r ) - 0 2 ( r ) ( 2 - 6 3 ) 其中，n ( ，) p 2 ( r ) 谚( ，) 和晚( r ) 的表达式如式( 2 5 1 ) 和( 2 5 2 ) 所示。 我们用l i n b o ，晶体为例来说明式( 2 6 2 ) 的用途。l i n b 0 3 晶体的非零电光张 量元2 1 分别为2 = - 3 4 x l o “m v ，3 = 8 6 x 1 0 “m v ，r s 3 = 3 0 8 x l o “m l v ， r 4 2 = 2 8 x 1 0 - 1 2 m v ；r 2 2 = 一2r 2 3 = 3 ，r 5 l = r 4 2 和r 6 i = r t 2 。假设入射波艮为 5 ) ( 1 0 。c m ，则光束在l i n b o ，晶体传播时。光和e 光相对应的折射率分别为 = 2 2 9 ，他= 2 2 0 ，同时假设丘( 或者丘) 与光轴( z 轴) 的夹角为0 ，而( 或 者丘) 在x y 平面的射影与x 轴的夹角为妒，所以厅= ( s i n o , 一c o s 妒, o ) ， 云= ( - c o s o c o s 伊，- c o s o s i n 伊, s i n 口) 。我们选定伊= 0 0 6 5 5 7 z r ，岛= 2 0 0 0 v c m ， = 5 0 0 n m ，r = 2 5 c m ，k o = 2 ，r ( 5 x l o 。5 ) c m 一1 和于= ( 4 - 2 ，j 2 ，o ) 。图2 - 9 表 示的是i o 。随0 变化的精确曲线图和近似曲线图，进一步的结果表明当 o 0 0 0 5 ，r ( 也就是入射光线与光轴间的夹角不是太小) 时，近似曲线图与精确 曲线图符合的很好。图2 1 0 是0 = 0 0 0 6 4 l r 时的强度调制曲线图，总体来说，调 制结果非常好，零场泄漏只有4 。另一方面，这个调制是横向电光调制，半波 电压只谢2 0 0 0 v ，如跟使用波导装燃，半波电滕将会降低致1 0 0 v ，这将村臻在 缀台电光装莲中褥戮透爝。据我能掰躲，这些结柴楚首玫蔽擐遴。对于褪投满麓， 我彳j 可以建立一个健e 。( o ) = o 或者嚣2 d 的情况，根据方程( 2 6 1 ) ，对于电光强度调制，我们不需要考 虑d 。和以的值。在电光相位调制中，我们假设日( 0 ) = 0 或者易( 0 ) = o ，得到方 程( 2 6 1 ) 中的一个表达式，我们又一次的不需要考虑d ，和d 3 。从方程( 2 - 4 7 ) 和 ( 2 - 4 8 ) ，我们可以得到 妒毕莩s i n 2 妒c o s 2 卿 i n 卿s 嗽 ( 2 - 6 8 ) 以= 瓦k o e o 一4 2 a 2 缈+ 嘭q k c o s 20 s i n 2 伊+ 机s 扪一 ( 2 6 9 ) n j n ；r 4 s i n2 0 s i nq ) 一2 他2 s l n z 仃c o s 妒+ 2 他2 c o s 2o ) c t 对于双轴晶体，让也，z ，n ：代表晶体的三个主折射率 ( n ：= 气，n ；= y y ，l ；2 吃) ，两个独立的偏振分量的早位天表不为 磊=lcos