电光调制技术..ppt

2020 3 14 1 利用泡克耳斯效应实现电光调制可以分为两种情况 一种是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的 但在时间上是变化的 当一束光通过晶体之后 可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号 由光波的强度或相位变化来体现要传递的信息 这种情况主要应用于光通信 光开关等领域 一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布 形成电场图像 即随X和y坐标变化的强度透过率或相位分布 但在时间上不变或者缓慢变化 从而对通过的光波进行调制 在后面介绍的空间光调制器就属于这种情况 本节先讨论前一种情况的电光强度调制 1电强度调制 电光调制技术 2020 3 14 2 1 纵向电光调制 通光方向与电场方向一致 电光晶体 KDP 置于两个成正交的偏振器之间 其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴 检偏器P2的偏振方向平行于y轴 当沿晶体z轴方向加电场后 它们将旋转45o变为感应主轴x y 因此 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 z 0 被分解为沿x 和y 方向的两个分量 两个振幅 等于入射光振幅的1 21 2 和相位都相等 分别为 2020 3 14 3 或采用复数表示 即Ex 0 Aexp i ct Ey 0 Aexp i ct 由于光强正比于电场的平方 因此 入射光强度为 当光通过长度为L的晶体后 由于电光效应 Ex 和Ey 二分量间就产生了一个相位差 则 Ex L AEy L Aexp i 1 2020 3 14 4 那么 通过检偏器后的总电场强度是Ex L 和Ey L 在y方向的投影之和 即 后一步考虑了 4 式和 5 式的关系 见下页 与之相应的输出光强为 3 将出射光强与入射光强相比 22 公式 21 公式 得 注意公式 2 2020 3 14 5 6 2020 3 14 6 若调制器工作在非线性部分 则调制光将发生畸变 为了获得线性调制 可以通过引入一个固定的 2相位延迟 使调制器的电压偏置在T 50 的工作点上 常用的办法有两种 2020 3 14 7 式中 m Um U 相当于25式中的 是相应于外加调制信号最大电压Um的相位延迟 其中Umsin mt是外加调制信号电压 其一 在调制晶体上除了施加信号电压之外 再附加一个U 4的固定偏压 但此法会增加电路的复杂性 而且工作点的稳定性也差 其二 在调制器的光路上插入一个1 4波片 图4 其快慢轴与晶体主轴x成45o角 从而使Ex 和Ey 二分量间产生 2的固定相位差 于是 25 式中的总相位差 2020 3 14 8 因此 调制的透过率可表示为 7 利用贝塞尔函数恒等式将上式展开 得 8 由此可见 输出的调制光中含有高次诣波分量 使调制光发生畸变 为了获得线性调制 必须将高次谐波控制在允许的范围内 2020 3 14 9 设基频波和高次谐波的幅值分别为I1和I2n 1 则高次谐波与基频波成分的比值为 9 若取 1rad 则J1 1 0 44 J3 1 0 02 所以I3 I1 0 045 即三次谐波为基波的4 5 在这个范围内可以获得近似线性调制 因而取 10 作为线性调制的判据 此时代入 8 式得 11 2020 3 14 10 此外 在28式中sin msin mt 的 m若远远小于1 则 8 式也变为 由此也可得出以上同样的结论 所以为了获得线性调制 要求调制信号不宜过大 小信号调制 那么输出的光强调制波就是调制信号U Umsin mt的线性复现 如果 m 1rad的条件不能满足 大信号调制 则光强调制波就要发生畸变 以上讨论的纵向电光调制器具有结构简单 工作稳定 不存在自然双折射的影响等优点 其缺点是半波电压太高 特别在调制频率较高时 功率损耗比较大 2020 3 14 11 2 横向电光调制 通光方向与电场方向垂直 物理光学已经讲过 横向电光效应可以分为三种不同的运用方式 1 沿z轴方向加电场 通光方向垂直于z轴 并与x或y轴成45o夹角 晶体为45o z切割 2 沿x方向加电场 即电场方向垂直于x光袖 通光方向垂宜于x轴 并与z轴成45o夹角 晶体为45o x切割 3 沿y轴方向加电场 通光方向垂直于y轴 并与z轴成45o夹角 晶体为45o y切割 以下仅以KDP类晶体为代表讲述第一种运用方式 2020 3 14 12 横向电光调制如图6所示 因为外加电场是沿z轴方向 因此和纵向运用时一样 Ex Ey 0 Ez E 晶体的主轴x y旋转45o至x y 相应的三个主折射率如下所示 33 2020 3 14 13 但此时的通光方向与z轴相垂直 并沿着y 方向入射 入射光偏振方向与z轴成450角 进入晶体后将分解为沿x 和z方向振动的两个分量 其折射率分别为nx 和nz 若通光方向的晶体长度为L 厚度 两电极间距离 为d 外加电压U E3d 则从晶体出射两光波的相位差 34 2020 3 14 14 由此可知 KDP晶体的r63横向电光效应使光波通过晶体后的相位差包括两项 第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟 这一项对调制器的工作没有什么贡献 而且当晶体温度变化时 还会带来不利的影响 因此应设法消除 补偿 掉 第二项是外加电场作用产生的相位延迟 它与外加电压U和晶体的尺寸 L d 有关 若适当地选择晶体尺寸 则可以降低其半波电压 2020 3 14 15 KDP晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射引起的相位延迟 这意味着在没有外加电场时 通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在 当晶体因温度变化而引起折射率n0和ne的变化时 两光波的相位差发生漂移 在KDP晶体横向调制器中 自然双折射的影响会导致调制光发生畸变 甚至使调制器不能工作 所以 在实际应用中 除了尽量采取一些措施 如散热 恒温等 以减小晶体温度的漂移之外 主要是采用一种 组合调制器 的结构予以补偿 常用的补偿方法有两种 一种方法是 将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光相互成90o串接排列 2020 3 14 16 即一块晶体的x 和z轴分别与另一块晶体的z轴和x 轴平行 见图7 a 另一种方法是 两块晶体的z轴和x 轴互相反向平行排列 中间放置一块1 2波片 见图7 b 这两种方法的补偿原理是相同的 外电场沿z轴 光轴 方向 但在两块晶体中电场相对于光轴反向 当线偏振光沿y 轴方向入射第一块晶体时 电矢量分解为沿z方向e1光和沿x 方向的o1光两个分量 当它们经过第一块晶体之后 两束光的相位差 35 2020 3 14 17 经过1 2波片后 两束光的偏振方向各旋转90 经过第二块晶体后 原来的e1光变成了o2光 o1光变成e2光 则它们经过第二块晶体后 其相位差于是 通过两块晶体之后的总相位差 37 因此 若两块晶体的尺寸 性能及受外界影响完全相同 则自然双折射的影响即可得到补偿 36 2020 3 14 18 根据 37 式 当时 半波电压为其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压 所以 可见 横向半波电压是纵向半波电压的d L倍 减小d 增加长度L可以降低半波电压 但是这种方法必须用两块晶体 所以结构复杂 而且其尺寸加工要求极高 2020 3 14 19 2电相位调制图8所示的是一电光相位调制的原理图 它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x 或y 此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x y 两个分量 而是沿着x 或y 轴一个方向偏振 故外电场不改变出射光的偏振状态 仅改变其相位 相位的变化为 38 2020 3 14 20 这里的因为光波只沿x 方向偏振 相应的折射率 若外加电场是 在晶体入射面 z 0 处的光场 则输出光场 z L处 就变为略去式中相角的常数项 因为它对调制效果没有影响 则上式可写成 39 式中称为相位调制系数 2020 3 14 21 相位调制的频谱相位调制的结果 总相位是时间的函数 也使光的频率变化 频率是总相位角的导数 1 当m 1时 2 当m 较大时 2020 3 14 22 3电光调制器的电学性能渡越时间 激光通过长度为L的晶体所需时间 对电光调制器来说 总是希望获得高的调制效率及满足要求的调制带宽 前面对电光调制的分析 均认为调制信号频率远远低于光波频率 并且入远大于晶体的长度L 因而在光波通过晶体L的渡越时间内 调制信号电场在晶体各处的分布是均匀的 则光波在各部位所获得的相位延迟也都相同 即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电场的作用 在这种情况下 装有电极的调制晶体可以等效为一个电容 即可以看成是电路中的一个集总元件 通常称为集总参量调制器 集总参量调制器的颇率特性主要受外电路参数的影响 2020 3 14 23 1 外电路对调制带宽的限制 晶体直流电阻 调制器等效电容 导线电阻 下面分析一下电光调制器在不同调制频率情况下的工作特性 电光调制器的等效电路如图2所示 其中 Vs和Rs分别表示调制电压和调制电源内阻 C0为调制器的等效电容 Re和R分别为导线电阻和晶体的直流电阻 由图可知 作用到晶体上的实际电压 2020 3 14 24 低频调制时 也较小 信号电压有效加到晶上 调制信号频率高时 调制晶体交流阻抗变小 大部分调制电压降在电源内阻Rs上 致使晶体无法工作 若要调制信号在较高频状况下工作时 实现阻抗匹配必须在晶体两端并联一电感构成L C0并联谐振回路 其谐振频率为 实现阻抗匹配的办法是在晶体两端还并联一个分流电阻RL 2020 3 14 25 当调制频率 m 0 处于谐振并状态的回路阻抗最小 等于RL 若选择RL Re 大部分调制电压降在晶体上 所以L越小 容许调制频率越高 能提高调制效率 但阻抗仅在频带间隔 内才较高所以其频带宽度就要受到约束 对于正弦调制信号 调制器消耗的功率为 称为 体调制器 其缺点在于要给整个晶体施加外电场 要改变晶体的光学性能 需要加相当高的电压 从而使通过的光波受到调制 2020 3 14 26 2 高频率调制渡越时间的影响当调制频率极高时 在光波通过晶体的渡越时间内 最场可能发生较大的变化 则相位延迟应由积分给出 由于光波通过晶体的时间为及 设外加电场为单频正弦信号 渡越时间引起的峰值相位延迟的减小 缩减 当 无缩减 当调制限度 2020 3 14 27 4电光波导调制器体调制器 上面讲述过的都是此类 体积大的分离器件 而且整个晶体都受到外界电场的作用 集成光学就是利用光波导把光波限制在微米量级波导区中沿一定方向传播的特性 来实现光学器件的平面化和光学系统集成化 具体地说 就是把激光器 调制器 探测器等有源器件 集成 在同一衬底上 并通过波导 耦合器等无源器件连结起来 构成一个完整的微型光学系统 介质光波导则是集成光学技术的基本组成部件 它主要可分为平面波导和矩形波导两类 而平面波导又分为平板波导和渐变折射率波导两种 平板波导是集成光路中结构最简单最常用的波导 它的结构如图1 2 14所示 2020 3 14 28 光波导调制器的特点 a 加电场的区域很小 薄膜附近 薄膜厚度微米量级 驱动功率比体调制器小1 2个数量级 材料的要求 至少有一种满足调制器的要求 材料有确定的相对固定的折射率 b 利用电光 声光控制时 折射率n的变化 使两传播模间有一相位差 与体调制器不同的地方 由于外场的作用导致波导中本征模 如TE模和TM模 传播特性的变化以及两不同模式之间的耦合转换 模耦合调制 1 电光波导调制器的调制原理 1 l模的振幅 传播常数 2020 3 14 29 通常可简化 如果波导中电光材料均匀 加电场均匀 TE TM完全限制在波导薄膜层中 阶次相同 m l 这时积分取极大值 这时 TE模和TM模的场分布几乎相同 仅电矢量的方向不同 且如果相位匹配 1 式变为 要获得完全的TE TM功率转换 必须满足 无转换时 波导调制器的输出光强 TM 与输入光强之比为 d 波导薄膜厚度 2020 3 14 30 2 电光波导相位调制设传播的波为TM波 电场方向Ez 相位变化 2020 3 14 31 对于电光波导相位调制不涉及不同模之间耦合 其模式方程 其解为 如入射波Ey对应于 模 其模场表示为 式中 自耦系数 2020 3 14 32 3电光波导强度调制 电光波导强度调制器的结构类似于马赫一曾德 MZ 干涉仪 MZ干涉型调制器示意图如图5所示 假定在波导的输入端激励一TE模 在外加电场的作用下 在分叉的波导中传输的导模由于受到一大小相等 符号相反的电场Ec的作用