光电子技术第二章.doc

第2章 光辐射的调制光辐射调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。在光通信系统中，需要把声音、图像、数据信息加载到光波上进行传输，在接收端再从调制光波中解调出所需信息。在光电检测、控制系统中，使入射探测对象的光通量以一定的频率变化（振幅调制），可以比非调制光具有更高的抗干扰能力。 光辐射的调制方法有内调制和外调制。内调制即是前面讨论过的LD和LED的直接调制。直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但是，在高速光通信系统或密集波分复用系统中，直接调制带来的频率啁啾却会造成很大的危害。因此，需要将光源与调制器分开设立，即光源的发光是稳定的，调制器设在光源之外，这就是外调制，如图2.1所示。外调制技术不仅适用于LD、LED，也适用于其他光源。外调制中比较简单易行的时机械调制，常用于光电检测中需要抗干扰的场合。而在光通信系统、光信息设备中需要高性能的外调制器，比较成熟的有电光调制、声光调制、磁光调制等。2.1机械调制图2.2所示为测量液体浓度的装置。光源1发出的光通过盘2上的孔，通过容器4中的溶液，射入光电探测器5。液体浓度越大，光电探测器上接收到的光越弱，测量仪表7上读出的浓度值越大。探测器5征往受到杂散光的干扰，如不能排除干扰就不能准确测量。使电动机3带动盘2匀速旋转，盘2上的孔等间隔分布，这样，入射溶液的光即成为调制光，其调制频率f=nm/ 60，式中，n是电动机每分钟的转数，m是盘上分布的孔数。图2.3给出了探测器5输出的光电流分布。背景电流是杂散光造成的，方波电流是透过溶液的调制光的信号。设计有源带通滤波器6，使其中心频率f0=nm/ 60，该频率应是明显区别于杂散光的频率，通频带窄，使得杂散光信号被滤去，方波信号被分选出来。由方波幅度可得出准确的溶液浓度。可见，要克服杂散光的干扰，需要利用调制光并配上合适的有源带通滤波器。图2.4给出了一种有源带通滤波器电路。 图2.2中电动机带动盘2匀速旋转，就是一种机械调制装置。图2.5还展示出一些其他机械调制的例子。 图2.5(a)所示是一个带有黑白相间的扇形的圆盘，白色为透明部分，黑色部分挡光。当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期性地变化。如果光源聚焦在盘上成一极小的圆，如M点，则通过盘的光脉冲为矩形波。如果光源在盘上的像较大，如N点的圆，则盘旋转时，黑色的扇形逐渐遮盖光斑，通过盘的光通量近似正弦地变化。如欲得到调制线光源，如图2.5(b)所示，可把线光源1放在鼓2的中心，在鼓的表面上有相隔等距离的狭缝3，鼓的前面放置缝隙光阑4。当空心鼓旋转时，即可得到线状的调制光。图2.5(a)所示是靠机械振动遮断先通量进行调制的。当激磁线圈3通电后，振动衔铁1被磁化。当线圈中通以交流电时，衔铁上端的磁化极性亦随电流方向的变化而变化。在永久磁铁2（固定不动）的磁场作用下，衔铁l在永久磁铁2的N、S两极间振动。振动频率由线圈3中的交流电源频率决定。衔铁的一端通过簧片4固定于底座5，另一端安装一小旗6。小旗的位置处于聚光透镜的焦点附近，当衔铁振动时，光通量被断续地遮断。 图2.5(d)所示的装置中，光源l发出的光通量经同步电动机3带动的半盘形镜子2后，分成两支光束1和2。光束1通过充以被测试液体的液槽4后，到达光电器件5；光束2经反射镜6、光楔7及反射镜8到达光电器件5。光束1和2照射光电器件的时间各占总时间的一半，它们的频率由电动机的转速决定。根据光电器件5的输出信号的性能，可以比较1、2而得到被测量，且排除了干扰。2.2 电光调制一、电光效应在外加强电场的作用下，本来是各向同性的介质也可以产生双折射现象，而本来有双折射性质的晶体，它的双折射性质也要发生变化，这就是电光效应。折射率的改变与所加外电场的大小成正比的电光效应称为线性电光效应（一次电光效应）或泡克尔斯效应( Pockels)，只有那些不具有对称中心的晶体才能产生线性电光效应，如KDP类晶体、铌酸锂晶体(LiNb03)等。一些光学上各向同性的晶体、液体或气体，如钛酸钡( BaTi03)晶体、硝基苯液瘁，在强电场作用下会变成光学各向异性体，且外加电场引起的折射率的改变与电场强度的平方成正比。这种电光效应称为二次电光效应或克尔( Kerr)效应。利用线性电光效应可以方便地实现对光辐射的调制。下面以KDP晶体为例介绍这种效应。163的纵向电光效应KDP晶体是负单轴晶体，其外形如图2.6(a)所示。两端正四棱锥顶点的联线为光轴方向（z轴）。将晶体切成长方体，则两个正方形的端面与光轴垂直。这种切割方式称为z切。 在两个正方形的端面施加电压，则电场E平行于z轴。在E的作用下，KDP由负单轴晶体变成双轴晶体，其x轴、y轴沿正方形的对角线方专，如图2.6(b)所示。 与x轴对应的主折射率： 与y轴对应的主折射率： (2.1)式中，n。为KDP负单轴晶体的o光折射率，63为电光系数。 沿z轴入射晶体的线偏振光（N1方向）可分解成x、y方向上、振幅相同的两个线偏振光。若晶体通光长度为L，则这两个偏振光出射昂体时有光程差为 式中，U= EL。则相位差为 由于光传播方向与电场方向一致，故将这种电光效应称63的纵向电光效应。当=时，x、y方向上的两个偏振光合成为线偏振光，方向与N1垂直。此时所需电压U造成光程差 =2（见式2.2），称为半波电压，记为U2，即263的横向电光效应对KDP晶体采用450 -z切，即垂直于z轴切割，成一长方体，再对长方体进行450切割，使所得端面的两直角边分别与图2.6(b)中的x轴、y轴方向平行，如图2.7所示。电场E的方向仍与z轴平行，KDP晶体变成双轴晶体的情况与纵向电光效应相同。只是入射光的偏振方向与z、y轴成450，沿戈轴方向进入晶体。光在晶体中被分解为z、y方向上的两个振幅相同的线偏振光。 与z轴对应的主折射率： 与y轴对应的主折射率： (2.5)式中，ne是KDF负单轴晶体的e光折射率；E=U/d,U为外加电压。则两个线偏振光射出晶体时，光程差为 则相位差为 图2.7中，光传播方向（x轴）与电场施加的方向（z轴）垂直，这种电光效应称为63的横向电光效应。与纵向电光放应式(2.3)相比，式(2.7)中包含了自然双折射n。-ne造成的相位差和由电光效应引起的相位差。自然双折射造成的相位差易受温度影响而变化，可用两块性能和尺寸完全相同的晶体拼接，使它们的z轴相差90。，以消除自然双折射，如图2.8所示。经过如图2.8所示的补偿，两偏振光的相位差为 与纵向电光效应的式(2.3)相比，横向电光效应的相位差多了L/d因子。适当地增加L/d，就可能增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压，而电极设在横向，不影响光的传播。在外加电压U一定时，加长晶体通光长度并不影响晶体内的电场强度。因而，可以加长晶体长度获得较大的相位延迟。这些都体现出横向电光效应的优点。由式(2.8)，当 =时，半波电压U2为可见，减小d/L可以降低半波电压。通常，纵向U2是数千伏，而横向U2只是数百伏。 3电光晶体材料简介 KDP晶体的化学组分是KH2PO4（磷酸二氢钾）。还有KD*P( KD2PO4，磷酸二氘钾)、ADP（NH4H2PO4，磷酸二氢铵）都与KDP晶体属于同类负单轴晶体，电光效应特性非常相似，统称为KDP类晶体，有关参数见表2.1。 对用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光效应强以外，还需综合考虑其他方面的要求，如对使用的波段要有较高的透过率、光学均匀性好、耐压高、对光波和调制波的损耗小、折射率随温度的变化较小、化学性质稳定、易于获得高光学质量的大尺寸晶体等。比较常用的或有发展前途的有：在可见和近红外区主要有KDP类晶体（特别是KD*P）、LiTa03、LiNb03. KTN等；在中红外区有CaAs、CuCl、CdTe等。KDP类晶体是在水溶液中生长的，是易于获得大尺寸、高光学质量的晶体。透光范围约为0.21.5m（KD*P的红外透光范围可达2.15m），但易潮解，需用防潮措施。KDP类晶体是应用最广泛的电光晶体。LiNb03(LN)也是一种负单轴晶体，透光范围为0.4-5m，不易潮解，易加工、使用方便。它的电光系数大，折射率也大，故半波电压较低，也是应用很广泛的电光晶体。二、电光强度（或振幅）调制目前应用最多的是对光强度的调制。因为光强与光的振幅平方成正比例，所以电光强度调制也称为电光振幅调制。在纵向电光效应(图2.6(b)和横向电光效应（已补偿）（图2.7）中，通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差。在晶体的光输出端后置检偏器P2，使P2的透光方向N2垂直于N1.结果，透过检偏器P2的光强I2便受到电信号的调制。下面以横向电光效应的光强调制进行分析。横向电光强度调制装置如图2.9(a)所示，入射光经过起偏器P1或为N1方向的线偏振光，振幅是A1进入晶体，分解成z、y方向上的两个线偏振光，振幅分别是Az、Ay，且Az=Ay=A1cos 45 0。这两个线偏振光射出晶体，有固定相位差 两个线偏振光到达检偏器P2，能透过P2的光振幅为 由图2.9(b)中的光矢量可知，Az2、Ay2有固定相位差+，则通过P2的光强I2应为 式中，。图2. 10是I2I1U的关系曲线，曲线上在（U=1/2 U2 , I2I1=0.5）点附近的线性较好。假设外加电压U为就可得到强度随时间正弦变化的调制光，即 式中，Im=mI1式(2.12)中，直流偏压1/2U2/的作用就是使两个正交线偏振光产生4的光程差。于是，可在光路中插入4波晶片(如图2.9(a)所示），则只需在晶体上加调制电压U=Umsinwt，就可得到正弦调制光强。若调制电压是声音、图像、数据电信号，则输出光强I2就随电信号变化而变化，即携带了声音、图像、数据信息。 泡克尔斯( Pockels)电光调制器线性好，性能稳定，可得到很高的调制频率，但只适用于单色光源。 三、电光相位调制由式(2.1)、(2.5)知，外加电场E，会使电光晶体的折射率随E而改变，这就会使通过电光晶体的光波相位被调制。以图2. 7KDP横向电光效应装置为例，若使起偏器P，的透先方向N平行于y，则入射光进入KDP晶体的只是y方向偏振光。该光波对应的晶体折射率n2=n0+1/2n0363E，设在晶体入射面处光场为Eyi=Acoswt，则光通过晶体后的光场为式中，wLn0 /c是常数相位因子，与调制无关，可略去，则设外加调制电压，令，则有 可见，该电光相位调制器的输出光波受到相位调制。 四、电光调制的频率特性 实环应用中，需要电光调制器能够达到高的调制频率和足够宽的调制带宽。影响调制频率和调制带宽的主要因素有： 1光在晶体中的传输时间 光在电光晶体中的传输时间约为 当词制频率很高时，在T的时间内，外电场可能发生可观的变化，则光通过晶体的不同部位时，因调制电压不同，其相位延迟也就不同。可以证明，高频率调制时的相位延迟比低频调制时的要小。这就限制了调制频率，存在调制频率的上限。 2晶体谐振电路的带宽 如图2.7所示，电光晶体置于两电极之间，以便在晶体中形成调制电场，这在电路辛可以等效为一个电容C。为了使绝大部分调制电压能加到电光晶体上，往往在晶体电容上并联一个电感L，构成并联谐振回路。电光调制晶体等效电路如图2. 11所示。图中，U为外加电压，Rs为电源内阻，R为晶体与电感的电阻。 谐振频率0 -LC，计算表明，只有调制信号的频率在0附近的有限频带内，谐振回路才有高阻抗，才能充分利用调制电压，所以这种电路带宽不够。为了解决上述两个问题，适应高频率宽频带调制信号的要求，在系统中引入行波调制器，如图2. 12所示。把电光晶体上下电极做成传输线形式，调制电压加于调制器的始端，调制器的末端有阻抗匹配终端。电极与晶体不是用作电容，而是用作传输线传输调制电压信号。这样，调制波与光波以相同速度在晶体中传播，消除了光的传输时间对调制频率的限制，调制频率可达几个吉赫。五、光波导调制器前面列举的电光调制器都属于体调制器，其缺点在于要给整个晶体施加电场，需要相当高的电压。近几年来，光波导调制器成为研究热点。波导调制器不仅可以满足高频调制信号的要求，而且可以把光场限制在很小的区域里，从而大大降低所需要的调制电压和调制功率。光波导在电光材料（通常是铌酸锂）衬底上扩散，折射指数较高的一种材料（通常是钛）构成波导。在波导两边做上电极，调制电压即通过电极加到光波导上。由于光波导宽度极窄，远小于长度L，所以半波电压很小，可为几伏。这种调制器的频率可达100 GHz。在波导的输入、输出端，光通过单模光纤与波导耦合。图2. 13所示为一个波导型的横向电光相位调制器，在光波导两侧的电极上加上调制电压，使波导折射率受到电场调制。线偏振光通过光波导后，相位被调制。 两个Y形波导用作干涉仪昀分波器和合波器。由输入光纤送来的强度为Ii的光，按1:1的比例分成两束，通过M-Z干涉仪的两臂，在一个臂上进行相位调制，如图2. 14所示。两臂光波的相位差为，合波后输出干涉光强为 类似于式(2.11)，上式亦可实现线性电光调制。定向耦合器型调制器可直接进行强度调制，且具有结构简单的优点，因而多被采用。图2. 15是它的结构示意图。在铌酸锂衬底上做出单模带状波导定向耦合器，再在波导上套制调制电极。L0为耦合转换长度，d为两电极间距。光功率P1 (0)从端输入，在未加调制电压时，由端输出，这时为交叉态。加调制电压后，两波导中电场强度方向相反，故其折射率产生不同的变化，使两波导的耦合情况改变。如设计合适，可使光功率由端输出，为直通态。由来看，无调制电压时输出为0，有调制电压时输出为1，从而实现了光强度调制。波导型电光调制器在高速光通信中有很好的应用价值，但是铌酸锂晶体生长费时，近年来一个研究动向是用聚合物来形成各向异性材料。有机聚合物材料用旋压涂覆方法大面积喷镀，价格十分便宜。在固化过程中对材料施加电压，聚合物所要求的光各向异性就冻结起来，构成各向异性材料。2.3 声光调制 一、声光效应 超声波是一种纵向机械应力波（弹性波），它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，这就使得介质折射率也发生相应的变化。如图2.16所示，驱动电源在石英、铌酸锂等压电晶体（电声换能器）中激发起机械振动。换能器与声光介质可靠地密接在一起，机械振动在声光介质中传播形成超声波。受超声波作用的介质相当于一个衍射光栅，光栅的间距等于声波波长s。当光波通过此介质时，将被光栅衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这就是声光效应。超声波在介质中的传播分为行波和驻波。行波所形成的声光栅的栅面是在空间移动的，图2. 16所示即是一个传播行波的装置，与换能器相对的声光介质的另一端是吸声层。如果不是吸声层而是一个反射板，则声波将被反射回来。设计声场长度等于声波半波长的整数倍，则在声光介质中形成驻波。驻波的波腹和波节在介质中的位置是固定的，即声光栅是固定不移动的。声光效应分为两种类型：拉曼一奈斯( Raman - Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射。当超声波频率较低，且光束垂直于声波传输方向时，产生拉曼一奈斯衍射，如图2. 17所示。声光作用长度L较小，声光栅和普通平面光栅类似，光栅常数就是s。平行光通过光栅时产生多级衍射，零级光最强，其他级衍射光对称地分布在零级光的两侧，光强依次递减。在驻波声场的情况下，各级衍射光的光强受到声频调制，如零级光光强被20调制。 如图2. 18所示，当超声波频率较高、声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，有 发生布拉格衍射。这时声光介质相当于一个体光栅，只出现零级和一级衍射光。 通过求解光波在介质中受到超声波作用时的麦克斯韦方程组，可以求得零级光和一级衍射光的光强分别为式中，为光波通过声光介质时产生的附加相移，即式中，n为声光介质中折射率变化的幅度，它决定于介质的应变系数P和应变S，而S决定于超声功率P、介质密度、声速s、换能器的宽度H、长度L。有应用价值的是一级衍射光I1，由式(2.20)、(2.21)可得出式中，M2为声光介质的品质因数，它反映了声光介质把声功率转变到折射率变化的能力。可见，声光介质应选择M2大的材料。表2.2列出了常用声光介质的性能参数。市售声光介质有熔融石英、重火石玻璃、钼酸铅晶体等。前两种材料的M2都较小，但光学均匀性好，尤其是熔融石英具有很小的温度系数，它们往往被应用于谐振腔内的声光调制器。钼酸铅晶体的M2值大，在可见区和近红外区透明，光学均匀性比较好，是腔外声光调制器件的主要材料之一。二、声光调制拉曼一奈斯型声光调制器采用的是驻波声场。利用零级光输出，零级光强被2倍声频调制。这种器件已成功地应用于激光相位测距。由于布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分声光调制器均采用行波声场的布拉格型声光调制器，如图2. 18所示。 由式（2.22）可知类似于式(2.11)，可得出I1/Ii 根号Ps的关系曲线，如图2.19所示。取曲线线性区的中点（I1/Ii=0.5,=/2）为工作点，若使/2作正弦变化（即根号Ps作正弦变化），频率为，则I1为正弦调制光强，即声功率Ps正比于As2，式中，As为声振动的振幅，且根号Ps正比于As。由此可知，要实光强调制，超声波应是高频调幅波，则电声换能器上的驱动信号应是高频调幅电信号，如图2. 20所示。高频振荡信号(s)激发声光栅，其中，s=2s=2vs/s。振幅调制信号()使I1成为调制光，将图像、声音信号加载到高频振荡信号(s)上，则输出光I1就携带了图像、声音信号。三、调制器的调制带宽声波以比光波慢得多的速度（一般为数千米每秒）在介质中传播，因此，声波通过宽度为b的光束需要较长的渡越时间，=b/vs，从而使得整个光束截面的光强度变化对于声波强度变化的响应不是即时的，这就对最高的调制频率带来限制。一般认为fmax=K/,K为接近于1的常数。为了缩短渡越时间，需要选择有较大声速的声光介质，而较大的vs会降低M2，所以需要兼顾fmax与M2，因此，引入另一个品质因数M1，M1= nvs2 M2，M1大表示该声光介质的高频声光调制性能好。为了缩小渡越时间，应该用细束（b小）激光通过声光介质，同时需要用较高的s，使得在光束宽度b内容纳有足够多的声波扰动层，才能有强的衍射效应。布拉格声光调制器的调制带宽不如电光调制器，但它的光能利用率高，所需要的驱动功率也远比电光调制小，在激光打印机、激光印刷设备中被广泛应用。2.4磁光调制一、磁光效应与电场使晶体产生电光效应相似，磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。磁光效应主要有法拉第效应和克尔效应。1法拉第效应法拉第效应是光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转的现象，称为磁致旋光。图2. 21是一个观察法拉第效应的实验装置。设电流造成的磁场强度为H，入射线偏振光(N1)经过长度为L的磁光介质，偏振面旋转了角（偏振方向N2），与H、L的关系为 = KHL (2.24)式中，K对一定波长是一个常数，称为维尔德( Verdet)常数。不同材料的K值不同，几种典型材料的K值列于表2.3中。磁致旋光的方向决定于磁场方向，而与光的传播方向无关，称为非互易性。以顺着磁场方向为基准，光矢顺时针旋转的叫右旋(K0)，对应介质称为正旋体；光矢逆时针旋转的叫左旋(K0