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电光调制器原理及其性能 主要内容 电光调制的基本原理及公式推导 电光调制的物理基础 电光效应 电光调制的分类 强度调制 相位调制 偏振态调制等 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 其传播特性就受到影响而改变 外加电场时晶体的折射率是电场E的函数 可表示为 或 线性电光效应 Pockels效应 二次电光效应 Kerr效应 折射率椭球在晶体未加外电场时 主轴坐标系中折射率椭球的方程为 电光调制的基本原理及公式推导 1 x y z为介质的主轴方向 在晶体内沿着主轴方向的电位移D和电场强度E是互相平行的 2 n1 n2 n3为折射率椭球x y和z方向的折射率 主折射率 折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性 KDP为四方晶系 负单轴晶体 电光张量为 电光调制的基本原理及公式推导 KDP晶体独立的电光系数只有 KDP的纵向运用外加电场的方向平行于Z轴 即折射率椭球方程为 电光调制的基本原理及公式推导 对上式主轴化 寻找新坐标系使得折射率椭球不含交叉项 通过坐标变换将上式变换成具有标准形式的椭球方程 KDP的纵向运用 电光调制的基本原理及公式推导 考虑x和y方向是对称的 所以将x坐标和y坐标绕z轴旋转45 得到新的坐标系下的折射率椭球方程 新折射率椭球各主轴方向的折射率为 电光调制的基本原理及公式推导 沿z轴加电场时 折射率发生了变化 电致折射率变化 KDP晶体由单轴晶体变成了双轴晶体 折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45 角 转角与外加电场大小无关 折射率变化与电场大小成正比电致折射率变化是实现光调制 调Q 锁模技术的物理基础 KDP的纵向运用 电光调制的基本原理及公式推导 纵向电光效应 电场方向与通光方向一致的电光效应 横向光电效应 电场方向与通光方向垂直的电光效应 以KDP晶体为例 电场沿晶体z轴 光波沿z方向传播 进入晶体后即分解为沿方向的两个垂直偏振分量当它们经过长度L后 光程分别为 产生相位差 电光调制的基本原理及公式推导 光偏振态变化 纵向电光效应造成的双折射引起相位的延迟 电光晶体的相位延迟与外加电压成正比变化 可用作 波片 实现光的偏振态的变化 讨论三种情况 1 2 3 晶体不加电场 晶体加电场 晶体加电场 1 2 3 晶体不加电场 晶体加电场 晶体加电场 通过晶体后的合成光仍然是偏振光 且与入射光的偏振方向一致 全波片 出射光为椭圆偏振光 当方向分量相同时 合成光为圆偏振光 相当于1 4波片 电光调制的基本原理及公式推导 光偏振态变化 出射光为线偏振光 但偏振方向相对于入射光有一个夹角 当入射光偏振方向与夹角为 出射光的偏振方向与入射光偏振方向垂直 晶体起到半波片作用 电光调制的基本原理及公式推导 光偏振态变化 a点 相位差光场矢量是沿x方向的线偏振光e点 相位差合成光场矢量变为逆时针旋转的圆偏振光i点 相位差则合成光矢量变为沿着y方向的线偏振光 相对于入射光偏转了90 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 利用Pockels效应实现电光强度调制 主要讨论在晶体上施加空间基本均匀 时间变化的电场的情况 纵向电光强度调制 电光晶体KDP 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴 P2的偏振方向平行于y轴当沿晶体z轴方向加电场后 x和y轴旋转45 变为感应主轴x 和y 沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光 进入晶体后被分解为沿x 和y 的两个分量Ex 和Ey 它们的振幅和位相都相等 分别为复数表示为 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 入射光的强度为 当光通过长度为L的晶体后 由于电光效应 Ex 和Ey 间就产生了相位差 用复数表示为 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 强度调制图 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 为实现线性调制 可引入固定的 2相位延迟 使调制器的电压偏置在T 50 的工作点上 B点 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 改变工作点的常用方法1在调制晶体上除了施加信号电压之外 再附加一个半波电压 但此法增加了电路的复杂性 而且工作点的稳定性也差 2在调制器的光路上插入一个1 4波片 使其快慢轴与晶体主轴x成45角 从而使Ex 和Ey 二分量间产生 2的固定相位差 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 插入一个1 4波片情况的分析 设调制电压为正弦信号总相位差为其中电光调制器的透过率为 利用贝塞尔函数将函数展开 可以知道输出的调谐光中含有高次谐波部分 使调制光发生畸变 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 解决畸变方法 将高次谐波的光强控制在允许的范围内 实现线性调制 这要求调制电压Vm不能太大 实现线性调制的判据为此时的透过率为 输出的强度调制波是调制信号的线性复现 电光调制的基本原理及公式推导 强度调制 电光调制的基本原理及公式推导 相位调制 工作原理 电光相位调制器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 此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x 和y 两个分量 而是沿着x 或y 轴一个方向偏振 外电场不改变出射光的偏振态 仅改变相位 电光调制的基本原理及公式推导 相位调制 光波只沿 方向偏振 相应的折射率为 若外加电场是 晶体入射面 处的光场 则输出光场 处 就变为 略去式中相角的常数项 上式写成 相位调制系数 电光调制器的主要参数有 半波电压 特性阻抗 调制带宽 调制深度 调制效率 透过率 消光比 插入损耗 品质因数等 电光调制器的技术参数 电光调制器的技术参数 半波电压 是指调制器从关态到开态的驱动电压 KDP的纵向运用中 特性阻抗 与驱动功率Pdri 式中 c为真空中的光速C为电极每单位长度的电容C0为用空气代替所有波导材料的电极每单位长度电容 要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容 调制器在微波系统里是一个负载 它有自己的特性阻抗 通常微波输入端的匹配阻抗是50 如果两者不相等 即阻抗不匹配 会在调制器电极的输入端引起微波反射 驱动功率并不能完全进入调制器 微波驱动功率与进入调制器的功率之间的关系是从上式可以看出 仅当阻抗匹配的时候 驱动功率才能全部进入调制器 也因此成为优化设计中至关重要的一个参数 它受到电极宽度 厚度 间距以及波导位置的影响 电光调制器的技术参数 调制带宽 强度调制的调制带宽反映了器件工作的频率范围 它的定义是调制深度落到其最大值的50 3dB 所对应的上下两频率之差 调制带宽是量度调制器所能使光载波携带信息容量的主要参数行波型电光调制器的调制带宽是由光波和调制波的匹配程度来确定 行波调制器的带宽可以表示为 式中 L为电光相互作用长度 为光波折射率 为微波折射率 当微波和光波速度相等时 调制带宽理论上趋于无限宽 电光调制器的技术参数 电光调制器的技术参数 调制深度 调制深度M和调制率Xm 调制率 当调制率 75 时 调制器可以较好地工作在线性范围内 电光调制器的技术参数 5 透过率 调制器的输出光与输入光之比称为透过率 即对于线性调制器 要求信号不失真 调制器的透过率与调制电压应有良好的线性关系 在附近近似是一条直线 所以静态工作点一般选在处 电光调制器的技术参数 6 消光比 定义为消光比是衡量电光开关性能的指标 显然 或 越大越好 即 或 越大 切断时通过的光越小 切开效果越好 影响消光比的因素有 光束发散角与成正比晶体长度L其他因数 如偏振元件质量 晶体的光学均匀性 晶体端面加工的平面度和晶体夹持力等 都会影响到电光调制器的消光比 电光调制器的技术参数 7 插入损耗插入损耗是反映调制器插入光路引起光功率损耗程度的参数 对于外部调制器而言 必须保证器件的插入损耗最小 其定义为 电光调制器的技术参数 8 品质因数品质因数即驱动电压与电极长度的乘积 高质量的电光调制器的设计要求 以KDP类电光调制器为例来说明如何选择参数 1电光晶体材料的选择 1 光学性能好对调制光波透明度高 吸收和散射损耗小 并且晶体的折射率均匀 其折射率的变化应满足2 电光系数要大因为调制器的半波电压及所耗功率分别和成正比3 调制晶体还要有要好的物理化学性能 硬度 光破坏阈值 温度影响和潮解等 2降低功率损耗的方法 由于KDP类电光晶体的半波电压较高 为了降低其功率损耗 可采用n级晶体串联的方式 光路串联 电路并联 4块KDP晶体串联 把相同极性的电极连在一起 为使4块晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号 则把晶体的x轴和y轴逐块旋转90 放置 其结果使相位延迟相加 这相当于降低了半波电压 3调制电压的选择根据调制特性曲线 即使调制器工作在B点 若调制信号电压幅值过大 仍会到达非线性部分 会使调制光发生畸变 为使畸变尽可能小 必须把高次谐波的幅值控制在允许的范围内 调制电压不能太大 当小于5 时 要求 4电光晶体尺寸的选择 KDP类晶体纵向运用电光晶体长度的选择 1增加晶体长度能减小调制器的电容使频带加宽2长度越长对加工精度要求越高 否则晶体的光轴不可能完全平行于光波传播方向 会受