线性电光强度调制的原理和实现方法研究双钢

二一一年六月本科毕业论文题目线性电光强度调制的原理和实现方法研究学生姓名双钢学院理学院系别物理系专业电子信息科学与技术班级电科071指导教师刘全龙学校代码10128学号200620901082内蒙古工业大学本科毕业论文摘要电光调制的物理基础是电光效应，即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，其传输特性就受到影响而改变。本论文对线性电光效应、电光强度调制的理论、原理和应用等方面做了介绍。第一章对线性电光效应和电光调制做了简单介绍。电光效应是指在外加直流电场或低频电场作用下，介质的折射率发生变化的一种现象。在某些材料中，折射率的变化量跟外加电场的强度成线性关系，我们称这种现象为线性电光效应。电光调制的物理基础是电光效应，即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，其传输特性就受到影响而改变。第二章以KDP晶体为例对纵向电光强度调制原理和应用做了详细分析。加入1/4波片对系统的影响和作用做了分析。加入1/4波片相当引入一固定的相位延迟，将调制器偏置在T50处。并在调制信号很弱时候的调制原理也进行了简单分析。第三章介绍横向电光强度调制的原理和应用。以KDP晶体和铌酸锂晶体为例对横向强度调制原理做了详细介绍。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。关键词线性电光效应；电光调制；纵向电光强度调制；横向电光强度调制内蒙古工业大学本科毕业论文ABSTRACTTHEPHYSICALBASISOFELECTROOPTICALMODULATIONELECTROOPTICEFFECT,THATSOMEOFTHECRYSTALSUNDERTHEACTIONOFANEXTERNALELECTRICFIELD,THEREFRACTIVEINDEXWILLCHANGE,WHENTHELIGHTTHROUGHTHISMEDIUM,ITSTRANSMISSIONCHARACTERISTICSTOAFFECTCHANGEINTHISTHESIS,THELINEARELECTROOPTICEFFECT,ELECTROOPTICALINTENSITYMODULATIONOFTHETHEORIES,PRINCIPLESANDAPPLICATION,ISINTRODUCEDTHEFIRSTCHAPTEROFTHELINEARELECTROOPTICEFFECTSANDELECTROOPTICMODULATORMADEABRIEFINTRODUCTIONELECTROOPTICEFFECTREFERSTOTHEEXTERNALELECTRICFIELDORLOWFREQUENCYELECTRICFIELD,REFRACTIVEINDEXCHANGEASAPHENOMENONINSOMEMATERIALS,THECHANGEINREFRACTIVEINDEXWITHAPPLIEDELECTRICFIELDSTRENGTHOFALINEARRELATIONSHIP,WECALLTHISPHENOMENONTHELINEARELECTROOPTICEFFECTTHEPHYSICALBASISOFELECTROOPTICALMODULATIONELECTROOPTICEFFECT,THATSOMEOFTHECRYSTALSUNDERTHEACTIONOFANEXTERNALELECTRICFIELD,THEREFRACTIVEINDEXWILLCHANGE,WHENTHELIGHTTHROUGHTHISMEDIUM,ITSTRANSMISSIONCHARACTERISTICSTOAFFECTCHANGECHAPTERIIKDPCRYSTALASANEXAMPLETOTHELONGITUDINALELECTROOPTICINTENSITYMODULATIONOFTHETHEORYANDAPPLICATIONOFADETAILEDANALYSISADD1/4WAVEPLATEIMPACTANDROLEOFTHESYSTEMWEREANALYZEDADD1/4WAVEPLATERATHERTOINTRODUCEAFIXEDPHASEDELAY,THEMODULATORBIASATT50ATMODULATEDSIGNALISWEAKATTHETIMEOFTHEMODULATIONPRINCIPLEISALSOASIMPLEANALYSISTHETHIRDCHAPTERDESCRIBESTHETRANSVERSEELECTROOPTICINTENSITYMODULATIONOFTHEPRINCIPLESANDAPPLICATIONSTHEKDPCRYSTALANDLITHIUMNIOBATECRYSTALASANEXAMPLEOFTHEPRINCIPLEOFHORIZONTALINTENSITYMODULATEDMADEADETAILEDINTRODUCTIONLATERALVERTICALHALFWAVEVOLTAGEISHALFWAVEVOLTAGEOFTHED/LTIMESDECREASED,INCREASINGTHELENGTHLCANREDUCETHEHALFWAVEVOLTAGEHOWEVER,THISMETHODMUSTUSETWOCRYSTALS,SOTHECOMPLEXSTRUCTURE,ANDITSSIZEPROCESSINGDEMANDINGKEYWORDSLINEARELECTROOPTICEFFECT；ELECTROOPTICMODULATOR；LONGITUDINALELECTROOPTICALINTENSITYMODULATION；TRANSVERSEELECTROOPTICALINTENSITYMODULATION内蒙古工业大学本科毕业论文1目录引言1第一章电光调制的基本理论211电光调制212电光调制的物理基础2121电光效应的概述4122线性电光效应4123电光效应描述方法513电光调制系统的总体设计6131工作原理6132激光器和激光器电源7133铌酸锂电光晶体7134信号源814电光强度调制815电光相位调制916电光调制的发展和应用11161电光调制技术的发展11162电光调制及其应用12第二章纵向电光强度调制1521强度调制1522纵向电光强度调制原理16221工作原理16222调制信号很弱时分析1923防止输出光强畸变的方法20231加直流电压20232在光路中加以1/4波片2024KDP晶体纵向强度调制2125纵向调制的特点及注意点23内蒙古工业大学本科毕业论文2第三章横向电光强度调制2431调制原理24311以KDP类晶体为例分析24312以3LITAO晶体为例分析2632LN3LINBO晶体的横向运用2833横向电光调制的均匀性29331折射率椭球模型29332调制均匀性2934横向电光强度调制应用30341通信用高功率高速率3LINBO电光调制器30342立方氮化硼横向电光调制半波电压的测量31结论33参考文献36谢辞38内蒙古工业大学本科毕业论文1引言世纪更替，随着科学技术的不断发展，经济全球化和社会信息化趋势日益明显。以IP为代表的数据业务量呈井喷式增长，加上新型业务不断涌现，导致人们对通信的带宽需求越来越巨大，全球通信网络主导业务也正在由以话音业务为中心向以数据业务为中心过渡。与此同时，网络体系架构也正在向高速大容量服务方向飞速发展，追使电信运营商和通信研究人员不断寻找新的技术发展思路。当电子设备逐步达到其物理极限时，以光纤为传播媒质的时分复用和波分复用等技术以其独有的技术优势和多波长特性，吸引着人们越来越多的眼光，展示着巨大潜力和光辉前景。光传输系统的光源从最初的第一代的系统大约在70年代中所用的850NM范围内的LED发展到我们现在所使用的半导体激光器，而它还在进一步发展。除了一些短程的和低速的系统的应用外几乎所有的光传输系统都使用半导体激光器作为光源。但是要实现光通信，除了要有良好的光源和传输介质以外，还要有良好的技术对传输系统光源进行光频载波调制。所谓光调制，是指改变光波的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数使之携带信息的过程。光调制除了在光通信方面必不可少外，它在光信息处理、光学测量以及光脉冲发生与控制等许多方面起着越来越重要的作用。实现光调制的方法很多，按其调制机理的不同可划分为激励功率调制、吸收调制、频谱调制、机光调制和电光调制等，各种调制机理对应的调制方式也常有不同。光调制还有另外一种分类方法，平常我们所说的内、外调制，是指将调制器件置于激光腔内、腔外而言；所谓直接调制，是指不用调制器件，直接调制激光器激励源而言。电光调制是光频调制诸方法中最重要的方法之一，电光调制的物理基础是电光效应，所谓电光效应是指晶体光学折射率因外加电场而发生变化的一种效应。人们根据其特点将这种效应分为两类。电光调制器除了作为一种关键器件已被应用于高速光纤通信网络，此外它还被用于光纤传感器、光谱展宽、电光开关、光纤陀螺、电压测型以及光波偏振态测量叫等方面。电光调制光标记法也是利用电光晶体的电光效应实现光标记的产生，利用光的干涉原理来实现光标记的提取。因此本论文主要讲述电光调制的物理基础即电光效应和电光调制两方面来分析和讲述。内蒙古工业大学本科毕业论文2第一章电光调制的基本理论11电光调制实际上，不仅可以在晶体上加直流电压，而且也可以加交流电压。当电压为交变调制信号时，晶体中相应的要形成交流电场，从而晶体的折射率也将随着信号频率而交替地变化。当光波通过折射率变化的晶体时，出射光的强度也可能随调制信号而变化，或者出射光的位相载有调制信号的信息。具有前者特性的光学装置称为电光强度调制器，后者称为电光相位调制器。电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。沿Z方向加电场，通光方向沿感应主轴Y方向，经起偏器后光的振动方向与Z轴的夹角为45。光进入晶体后，将分解为沿X和Z方向振动的两个分量，两者之间的折射率之差为21XNXN，假定通光方向上的晶体长度为L，厚度为D（即两级之间的距离），则外加电压为DEVZ时，从晶体出射的两光束的相位差为121263200VDNLNNE（11）由上式可以看出，只要晶体和通过波长确定之后，相位差的大小取决于外加电压V，改变外加电压V就能使相位差随电压V成比例变化。12电光调制的物理基础电光调制的物理基础是电光效应。所谓电光效应是指某些介质的折射率在外加电场的作用下而发生变化的一种现象。一般可表示为20BEAENN（12）式中，N，B为电光系数，0N为未加电场时的折射率，AE为线性电光效应普克耳斯效内蒙古工业大学本科毕业论文3应，2BE为二次电光效应克尔效应。对大多数晶体，线性效应比二次效应显著，可略去二次效应。利用电光效应对光束进行调制的过程称为电光调制，根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向平行与光的传播方向，称纵向电光调制，电场方向垂直与光的传播方向，称横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低，驱动功率小，应用较为广泛。我们以铌酸锂晶体的横向调制为例。图11横向电光调制示意图铌酸锂晶体置于两个正交的偏振器之间，起偏器1P的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器2P的偏振方向平行于电光晶体的Y轴，当沿晶体的X轴方向上加电场后，它们将旋转45变成感应轴21XX，可推导得出感应轴方向的折射率表达式为022300223002/12/1NNERNNNERNNNZXYXX13沿Z轴入射的光束经起偏器变为平行于X轴的线偏振光，进人晶体后ZO被分解成沿OYOX，方向的2个分量，其振幅和相位都相等，用复数表示为AEAEYX00，,入射光强度为202AEEIX14当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，YXEE，之问就产生一个相位差，有EXPIALEALEYX，通过检偏器后的光是两分量在Y轴上的投影之和，即21EXP0IAER其对应的输出光强为2/SIN22200AEEIYY15内蒙古工业大学本科毕业论文4通常用0/II表示对光强的调制,调制器的透过率T为2/SIN/20IIT16其中/2/22230DVLRNLNNYX（17）DEVX是晶体X轴方向上所加的电压，D为该方向晶体的厚度。当TL，即位相差时，对应的偏压称为半波电压V，因此，（16）式可改写成2SINSIN2SIN02VTVVVVTMX18由此可见，通过外加电压，可以改变光束经过晶体的位相差，调制输出光的强度。121电光效应的概述光波在介质中的传播规律受介质的折射率分布情况制约，而介质的折射率分布是由介质的介电常量决定的。通常我们认为一个材料的介电常量与外场无关，为恒值，但理论与实验均证明，介电常量是随电场强度而变化的，只不过一般情况下外加电场较弱，我们可以做弱场近似，认为介电常量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外部电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化，这种现象称为电光效应。利用电光效应能在天然双折射晶体（如KDP）中形成新的光轴，或者使各向异性的天然晶体（如GAAS）产生双折射。此外，这种效应弛豫时间很短，仅有秒量级，外场的施加或撤销导致的折射变化或回复瞬间即可完成，因面可用作高速调制器、高速开关等。物质的折射率变化与所加电场之间成一次方关系的现象（如压电晶体受光照射并在入射光的垂向上加以高电压，晶体将呈现双折对现象）。成二次方关系的现象称为克尔效应。122线性电光效应电光效应是指在外加直流电场或低频电场作用下，介质的折射率发生变化的一种现象。在某些材料中，折射率的变化量跟外加电场的强度成线性关系，我们称这种现内蒙古工业大学本科毕业论文5象为线性电光效应。早在1893年，德国物理学家普克耳斯POCKELS首先研究了这种物理效应，因此线性电光效应又称为POCKELS效应“。用非线性光学的观点来看，线性电光效应是入射光场跟直流慢变电场在介质中相互作用产生的一种二阶非线性效应，可以用电极化强度00,220KJJKIJKIEEP（19）来描写。它只能在非中心反演空间对称的晶体中发生。另外，当折射率改变量与外加电场强度的平方成比例时，这就是二次电光效应或称克尔KERR效应，它是一种三阶非线性效应，可以用000,0,330LKJJKIJKLIEEEP（110）来描写。虽然线性电光效应是一种非线性效应，但是长期以来，人们对线性电光效应的描写却用了一种与非线性光学效应不和谐的处理方法折射率椭球方法。除此之外，用于分析线性电光效应的还有耦合模理论、平面波本征方程微扰理论、代数方法、耦合波导理论等方法。123电光效应描述方法光在晶体中的传播特征由折射率椭球方程1222222ZYXNZNYNX（111）描述。加电场后对光传播的影响最方便的描述方法是看折射率椭球方程（110）中的常数222111ZYXNNN，如何改变，通常把有外电场存在时的折射率椭球方程改写为1222111654232222212XYBXZBYZBZBNYBNXBNZYX（112）式中B为相对介电抗渗张量，B为相对介电抗渗张量的改变量，用以描述加电场后介质沿主轴方向折射率的改变量。当不加电场时，654321BBBBBB这时方程112简化为方程内蒙古工业大学本科毕业论文6111，表示在各向同性的介质中不加电场时的折射率椭球方程。在外电场ZYXEEEE，的作用下相对介电抗渗张量的改变量B由以下矩阵式决定ZYXEEERRRRRRRRRRRRRRRRRRBBBBBB6353433323136261525142413231222112111（113）由矩阵乘法可得ZYXERERERB1312111ZYXERERERB2322212ZYXERERERB6362616式中IJR代表电光张量，共有6318个元素由于没有反演对称性的晶体不存在线性电光效应，它的0IJR对于能够产生线性电光效应的晶体，不同晶体的IJR矩阵式不同，大多数晶体的IJR矩阵式可以由实验测得。13电光调制系统的总体设计基于电光调制原理设计出此电光调制系统，用以研究电场和光场相互的物理过程，也适用于光通信与物理的实验研究。电光调制系统结构见图12。图12电光调制系统结构131工作原理激光器电源供给激光器正常工作的电压，确保激光器稳定工作。由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。线偏振光通过电光晶体的同时，给电光晶体外加一个电内蒙古工业大学本科毕业论文7压，此电压就是需要调制的信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，线偏振光变成了椭圆偏振光。为了选择合适的调制工作点，在电光晶体之后插入一个4/波片，使通过电光晶体的两束光线的相位延迟2/，使调制器工作在线性部分，通过检偏器检测输出光的偏振方向，最后用光电探测器检测调制后的光信号，并将其转换为电信号用示波器观察。132激光器和激光器电源此系统中，激光器使用氦氖激光器。氦氖激光管是一种特殊的气体放电光源，与其他光源相比，它具有极好的单色性、高度的相干性和很强的方向性，激光器电源首先将220V输入电压通过变压器升到1000V，再将该电压通过倍压电路提升到约5000V，然后通过限流电阻直接给激光管供电。当电源开关刚打开时，激光管中气体还没有电离，内阻相当于无穷大，此时电源输出约5000V高压，这就是激光管的点火电压，使得激光管中的气体电离，激光管开始工作，这时激光管的电阻将会大大下降。也就是说，负载电流上升，激光器的电源输出电压也会下降。133铌酸锂电光晶体铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。该系统中采用LN电光晶体。LN晶体是三方晶体，ENNNNN3021，没有加电场之前，LN的折射率椭球为1222022ENZNYX（114）该系统中采用Y轴通光、Z轴加电场，也就是说，EEEE3210，。那么加上电场后折射率椭球为1112333202231320ZENYXEN（115）沿着3个主轴方向上的双折射率为内蒙古工业大学本科毕业论文802113303330ZEEYXNENNNNNN（116）式（16）表明，LN晶体沿Z轴方向加电场后，可以产生横向电光效应，但是不能产生纵向电光效应。经过晶体后，O光和E光产生相位差DULNNNLEE3002（117）134信号源信号源系统结构如图2所示。信号源为了给电光晶体提供调制电压以及使系统能够进入音频信号。电源部分可以同时输出几路直流稳压电源信号源的各个模块同时供电；信号发生模块产生频率和幅度都连续可调的正弦波与方波；功率放大模块将输入的信号进行解调放大，对输入的微弱音频信号驱动放大后通过音响把声音放出来；偏置高压模块产生幅度连续可调的直流电压，以代替/4波片作为调制晶体的半波电压。图13信号源系统组织结构14电光强度调制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的变化，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。另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。一、纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）内蒙古工业大学本科毕业论文9图14纵向电光强度调制二、横向电光强度调制（通光方向与电场方向垂直）图15横向电光强度调制15电光相位调制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LNCXCX这里的2/CCCC因为光波只沿X方向偏振，相应的折射率为ZXENNN6330021（118）若外加电场是TEEMMZSIN,在晶体入射面Z0处的光场TAECCINCOS，则输出光场ZL处就变为SIN21COS63300LTENNCTAMMCCC（119）略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式可写成内蒙古工业大学本科毕业论文10SINCOSTMTAEMCCOUT（120）式中LENMM6330称为相位调制系数。电光效应引起的相位延迟。一种是电场方向与通光方向一致,称为纵向电光效应另一种是电场与通光方向相垂直,称为横向电光效应。仍以KDP类晶体为例进行分析,沿晶体Z轴加电场后，其折射率椭球如图2所示。如果光波沿Z方向传播，则其双折射特性取决于椭球与垂直于Z轴的平面相交所形成的椭圆。得到该椭圆的方程为11111112226320263202632026320ZNYENXENYENXENEZZZZ（121）这个椭圆的一个象限如图中的暗影部分所示。它的长、短半轴分别与X和Y重合,X和Y也就是两个分量的偏振方向,相应的折射率为NX和NY。当一束线偏振光沿着Z轴方向入射晶体,且E矢量沿X方向，进入晶体Z0后即分解为沿X和Y方向的两个垂直偏振分量。由于二者的折射率不同,则沿与X方向振动的光传播速度快,而沿与Y方向振动的光传播速度慢,当它们经过长度L后所走的光程分别为与LNX和LNY。因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差V2E26330Z6330NLNXYNN（122）式中的LEVZ是沿Z轴加的电压；当电光晶体和通光波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压，即只要改变电压，就能使相位成线性地变化。当光波的两个垂直分量XE,YE的光程差为半个波长相应的相位差为时所需要加的电压，称为半波电压。6330063302/2NCNV（123）半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，这个电压越小越好，特别是在宽频带高频率情况下，半波电压小，需要的调制功率就小。内蒙古工业大学本科毕业论文1116电光调制的发展和应用161电光调制技术的发展利用光波来传递信息是人们梦寐以求的通信手段。激光的问世为之提供了理想的光源；它具有比通常通讯用无线电波高的多的频率，因而能传递的信息容量是无线电波的100000倍；相干性好，因而易于信息加载；方向性强、发散角小，因而能传输较远的距离。光电探测器与接收装置的性能不断提高又为光通信提供了良好的信号接收器。然而直接利用激光进行空间传输受天气等环境因素影响很大、接收区域也受局限。光波导与光纤的损耗不断减小，为光信息传输提供了良好的传输介质，光放大器的性能不断提高又使终极距离不断延长，使得长途光传输称为现实。1875年，英国的KERR发现了电光效应中的KERR效应，利用这一效应制作的KERR盒是一种用途广泛的电光调制器。利用POKELS效应也可以制作电光调制器。利用超声波作用下介质折射率周期性变化的声光效应可以制作声光调制器，利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔调制器。利用强磁场中激光的ZEEMAN效应可以进行超细光谱分析与激光稳频。在强电场中激光具有STARK效应性光谱分裂。高速的光纤通信系统要求对直流激光器输出的激光施行外调制。因为外调制具有很多内调制无可比拟的点高速率、大消光比、大光功率和不出现频率跳变的啁啾现象。电光调制是外调制的一种重要调制方式，它是基于材料的线性电光效应普克尔效应的一种调制方式。理论上说，用任何具有高速电光效应响应、对所使用激光波长透明的材料都能制作高速电光调制器。现在用于光纤通信系统的调制器材料主要有铌酸锂、砷化镓和聚合物。由于砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们与单模光纤光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多。另外聚合物调制器的长期稳定性尚不理想。因此当前实用光纤通信系统中都选用铌酸锂调制器。由于铌酸锂波导调制器的厚度可以做得很薄，因此它只需要比体块型的光调制器低得多的调制电压，所以在光纤系统中被广泛应用。在外电场作用下，光波导由于电光效应引起折射率发生线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动，从而实现相位调制。单纯的相位调制不能实现光的强度调制，人们采用两个相位调制器和两个Y分支波导构成马赫泽MACHZEHNDER干涉仪型调制器，从而实现光的强度调制。国内对3LINBO电光调制器件的研究起步比较晚，很多单位都只是在理论上进行内蒙古工业大学本科毕业论文12数值分析和设计，真正用于商用的比较少。国家光电子工艺中心可以实现10GHZ的调制带宽，清华大学的一个实验室1995年做到15GHZ的带宽，是目前国内实现的最高带宽。在国外，目前TI扩散3LINBO波导相位调制器在13UM波长下可以实现40GHZ的调制带宽，半波电压5V7V，功耗几百毫瓦。而采用TI扩散3LINBO波导制作的MZ调制器，其调制带宽可达25GHZ，调制深度可达80，半波电压3V左右。2003年，YIN等提出了一个三明治模型的调制器和光衰减器，不但实现了偏振无关特性，而且其温度稳定性相当高。我们在N等人工作的启发下，设计出单块电光晶体偏振无关调制器和温度不敏感体块MZ干涉型电光调制器。2004年，陈海波等人研究了单轴晶体电光调制器的温度特性，并给出了电光调制器的最优设计。在双轴晶体电光调制器方面，1995年，EBBERS发现在双轴晶体中存在无热漂移的静态延迟方向“，并给出了在这个方向上的电光应用。1999年，国内的卢秀权等人也开始在这方面做了相关研究。2000年，南京大学陆延青等人利用耦合模波导理论研究了PPLN中的电光耦合情况，并指出其在窄带滤波器中有重要应用。2002年，DUVILLARET等人系统地研究了采用电光振幅、相位和偏振调制方法对THZ进行探测的方法，并给出了三种技术的优化装置；他们还进一步研究了晶体的取向对探测的影响，并给出晶体的最优取向。2004年，NICKCJVANDERVALK等提出一种全数学描述电光探测的方法，它适用于任意的外场方向以及任意探测光偏振态的情况。162电光调制及其应用一、电光调制在光通信中的应用任何一种通信系统都是将用户的信息例如语言、图像和数据等调制到载送信息的载波上，然后经传播介质将载有信息的载波传送到收信方，收信方再用解调的手段，从载有信息的载波中将收信方所需的用户信息取出，达到通信的目的。光通信是以光作为载波，以大气或光纤作为传辖介质，通过调制，使用户信息加载于光波上，传到收信方，由光接收器鉴别井还原成原来的信息。光波的调制可分为内调制和外调制。内调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源激光二极管UD或半导体二极管LED，从而获得已调制信号，它是在光源内进行的。外调制就是利用电光调制器也可以用磁光、声光调制器在光源外部即光源输出的通路上进行载荷调制。内蒙古工业大学本科毕业论文13激光器发射出去的光束是一种不载有任何信息的连续光波，这种光波经过电光调制器可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，经大气或光纤传至光接收机。由于外调制方法不需要使用半导体器件组成的驱动电路，其调制速率不受器件工作速率的限制，因此调制速率比内调制的调制速率要高出一个数量级，对光源的影响也小。而且采用外调制方法有利于使用集成光路技术制造集成光发射机，在未来的高速率、大容量的光纤通信中具有广阔的发展前景。二、电光调制在激光调Q中的应用激光调Q是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个量级。这种强的相干辐射光与物质相互作用，会产生一系列具有重大意义的新现象和新技术，是进行科学研究以及激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用技术的重要光源。利用晶体的电光效应，可以做成电光Q开关调制器，其原理是YAG晶体在氙灯的光泵下发射自然光，通过偏振器后，变成沿方向的线偏振光，若电光晶体KDP或3LINBO上未加调制电压，光沿轴线方向光轴通过晶体，其偏振状态不发生变化，经全反射镜反射后，再次通过调制晶体和偏振器。电光Q开关处于打开状态。如果在调制晶体上施加4/电压，由于电光效应，沿X方向的线偏振光通过调制晶体后，两分量之间便产生2/的相位差，经全反射镜反射再次通过调制晶体，又会产生2/的相位差，往返一次共产生相位差，合成后得到沿Y方向的线偏振光，无法通过偏振器，电光Q开关处于关闭状态。因此，如果在氙气灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加上4/电压，使谐振腔处于关闭的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。等到激光上能级反转的粒子数累积到最大值时，突然撤掉晶体上的4/电压，使激光器瞬间处于高Q值状态产生雪崩式的激光振荡，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。电光调Q具有开关时间短约S910，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄1020NS，峰值功率高几十MW以上等优点，是目前应用较广的一种调Q技术。三、激光测距常用的激光测距可分为连续渡激光测距和脉冲激光测距两种。HENE激光器发出的连续光，经过电光调制器，使激光被波长为10M左右的电振荡振幅所调制，从调制器出射的光，其光强度受到调制，它的两个峰值之间的间隔，正好是电振荡的半个波长。调制光射向设置有反射镜的目标，反射回来的光被专门的接收器所接收，测出在内蒙古工业大学本科毕业论文14此路程中有多少个半波长及其余数，即可得出目标的距离。脉冲激光测距则是利用经过电光调Q的激光器对目标发射一个或一系列很窄的光脉冲，测量光脉冲到达目标再由目标返回接收机的时间，由此计算出目标的距离。连续波激光测距发射功率低，测距大多数用于合作目标。脉冲激光测距发射功率高，测距能力强，精度高，目前军用的大部分都是脉冲激光测距仪。主要用于地形测量、战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。电光效应除了应用于电光调制，还可以应用于电光偏转即利用电光效应改变光束在空间的传播方向，它在光扫描、光存储、光显示等方面有广泛应用。内蒙古工业大学本科毕业论文15第二章纵向电光强度调制21强度调制强度调制是使光载波的强度光强随调制信号规律变化的激光振荡，如图21所示。光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强变化。图21强度调制光束强度定义为光波电场的平方，其表达式为COS222CCCTATETI（21）于是，强度调制的光强可表示为COS1222CCPCTTAKATI（22）式中，PK为光强比例系数。仍设调制信号是正弦信号，则COSCOS1222CCMPCTTMATI（23）式中，RNPPAKM为强度调制系数。强度调制波的频谱可用前面所述的类似方法求得，其结果与调幅波略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频M和直流分量。在实际应用中，为提高抗干扰能力，往往采用二次调制方式，即先将欲传递的低频信号对一个高频副载波振荡进行频率调制；然而把调频后的副载波再进行光的强度调制。使光的强度按副载波信号的变化而变化。这是因为在传输过程中，尽管大气抖动等干扰波会直接叠加到光信号波上，但经过解调后，其信号是包含在调频的副载波内蒙古工业大学本科毕业论文16中，故其信息不会收到干扰，可以无失真地再现出原来的信息。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的变化，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。另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。22纵向电光强度调制原理221工作原理电光晶体KDP置于两个成正交的偏振器之间如图14，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的X轴，检偏器2P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45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Z0被分解为沿X和Y方向的两个分量，两个振幅和相位都相等分别为TAETAECYCXCOS0COS0（24）或采用复数表示，即TIAETIAECYCXEXP0EXP0（25）由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为222200AEEEEIYXI（26）当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，XE和YE二分量间就产生了一个相位差，则有IALEALEYXEXP，那么，通过检偏器后的总电场强度是LEX和LEY在Y方向的投影之和，即1EXP20IAEY与之相应的输出光内蒙古工业大学本科毕业论文17强为2SIN21EXP1EXP222200AIIAEEIYY（27）将出射光强与入射光强相比得调制器的透射率2SIN2SIN220VVIITI（28）根据上述关系可画出光强调制特性曲线，如图22所示。由图可见在一般情况下，调制器的输出特性212221226330063300ZYNZXNENNLLNENNLLNYX（29）后一步考虑了122式和123式的关系63300633026330Z63302V2E2NCNVNLNYXNN（210）根据上述关系可以画出光强调制特性曲线。在一般情况下，调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。图22电光调制特性曲线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T50的工作点上。常用的办法有两种其一，除了施加信号电压之外，再附加一个2/V的固定偏压，但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。内蒙古工业大学本科毕业论文18其二，在光路上插入一个4/波片，其快慢轴与晶体主轴X成45角，使XE和YE二分量间产生/2的固定相位差。于是式（28）的总相位差为TTVVMMMMSIN2SIN2（211）式中，VVMM/是相应于外加调制信号电压MV的相位差。因此，调制的透过率可表示为SINSIN121SIN24SIN210TTIITMMMM（212）利用贝塞尔函数恒等式将上式TMMSIN展开，得01212SIN21NMMNITNJIIT（213）由此可见，输出的调制光中含有高次谐波分量，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。设基频波和高次谐波的幅值分别为1I和12NI,则高次谐波与基频波成分的比值为210112112，NJJIIMMNN（214）若取RADM1，则0201440131JJ，所以0450/13II,即三次谐波为基波的5。在这个范围内可以获得近似线性调制，因而取RADVVMM1（215）作为线性调制的判据。此时，MMJ211代入（213）得SIN121TIITMMI（216）SINSINMTM的M若远远小于1，则内蒙古工业大学本科毕业论文19SIN121SINSIN121SIN24SIN2TIITTTIITMMIMMMMI（217）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TVVMMSIN的线性复现。如果1M的条件不能满足大信号调制，则光强调制波就要发生畸变。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。222调制信号很弱时分析当调制信号很弱时，即1TTTMMMMMMSINSINSIN1SINCOS（218）则TIIMMDDSINSINCOS1210当调制信号比较强时，上式不能近似，需用贝塞尔函数展开23SIN2SIN2SIN4COS22COS2COS121314200TJTJTJTJJIIMMMMDMMMMMD（219）其中VVDD以式（219）表明信号强时，调制的光强不但含有基波，而且含有高次谐波成分，TTMM32，使传输光强畸变。为了使波形失真最小，下面分几种情况进行讨论。（1）0D，即不加直流，只加交流，则有0SIN1COSDD，4COS22COS21214200TJTJJIIMMMMM（220）内蒙古工业大学本科毕业论文20输出的光强无基波，主要含倍频成分。M大时，含有高次偶次波TM4SIN,失真严重。（2）VVDDDD，0SIN1COS即在晶体上加V直流高压，这时和0D情况相同。倍频激光。以上两种情况使调制信号严重失真。（3）2D，即加2/V的电压，1SIN0COSDD，3SIN2SIN2121310TJTJIIMMMM（221）当M小时，输出光强主要含有基波成分，M大时，含有高次谐波成分，失真小。（4），23D即加2/3VVD的电压，1SIN0COSDD，同2DV时的情况。（3），（4）两种情况在M不是很大时，输出激光失真小，D一般选在2/VVD处近似线性部分，才能有好的调制效果。2/VVD时，减少高次谐波，失真小。23防止输出光强畸变的方法防止输出光强畸变的方法即如何保证2/D。因此我们按以下两种情况分析231加直流电压在晶体上加以2/V的直流电压TVVVMMSIN2/，使2/D因为63302/4NV，温度变，0N变，2/V变。因此工作点的稳定性差。232在光路中加以1/4波片这是目前最简单的方法,当波片的快轴/X，慢轴/Y时，光通过1/4波片后产生的相位差为2/（附加相位差），因此有内蒙古工业大学本科毕业论文21SINSIN121SIN12124SIN20VTVVVVVIIMM当调制信号MV较小时SIN1210TVVIIMM（线性关系）当调制信号MV比较大时，只能近似用贝塞尔函数展开3SIN2SIN2121310TVVJTVVJIIMMMM输出光强包含高次谐波成分。说明D不能完全消除波形失真，与MV大小有关。为了防止波形失真，应使高次谐波的成分最小。加入1/4波片，相当引入一固定的相位延迟，将调制器偏置在T50处。MV选取原则尽可能低压运用，MV尽可能小（有利于电路的调整安装）。/13AA尽可能小，防止失真。要考虑调制深度的要求。定义调制深度，M表明调制信号的幅值在直流成分中比例，M大多次谐波成分大，波形畸变大M小，调制输出的失真小。但M太小，影响调制效果，甚至观察不到调制现象，达不到调制信息的目的。在实际应用中，同时考虑失真度和调制度的要求，一般VVM/选择在2/10/，2/VVMM在1/5之间。24KDP晶体纵向强度调制/,ZYX三边45YXEEZ，入射光沿Z，/E起偏Y/如图23所示内蒙古工业大学本科毕业论文22输出LYXXV输入LVEKDP起偏ZZ输出输入起偏图23入射光在KDP晶体中传播入射光Z0处入射光分解为YX，方向偏振的两个传模块，分别在晶体中传播ZOOYYYZKTIYZOOXXXZKTIXENNNNCKAEEENNNNCKAEEYX6336332121（222）相位延迟ZL处，两传播模有相位差ZOOZOOXYENNENNLCLKK6336332121（223）LENZOO6332，其中VLEZ半波电压使相位延迟达到所用的电压令得到6332OONV，另一个表达式VV出射光ZL处，合成光波的偏振态取决于相位差，一般是椭圆偏振态几个特殊点0，线偏振；2，圆偏振，线偏振；检偏12PP实现强度调制的关键LNCTITILIKLIKYXXOYXEAIEEEALELEE2SIN22245SIN45COS22222SIN2AIAEEIINXXOUT（224）透过率2SIN2INOUTIITVV2SIN2（225）内蒙古工业大学本科毕业论文23实现了强度调制。25纵向调制的特点及注意点优点结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响（和横向运用比较）偏振光的干涉装置，中间夹一块1/4波片。缺点半波电压太高。注意点（1）入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；（2）找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；（3）加入检偏器得到输出光强随外加电压变化，实现强度调制；（4）加入1/4波片提供固定偏置，以得到线性调制。（5）KDP晶体半波电压很高（3000V），工作电压很高。解决方法1采用KDP晶体，但工作电压仍很高。2采用四块晶体，光路上串联，电路上并联，每块晶体承担所需相位延迟的1/4。内蒙古工业大学本科毕业论文24第三章横向电光强度调制31调制原理横向电光强度调制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45夹角晶体为45Z切割如图31（A）。2沿X方向加电场即电场方向垂直于Z光轴，通光方向垂宜于X铀，并与Z轴成45夹角晶体为45OX切割如图31（B）。3沿Y轴方向加电场，通光方向垂直于Y轴，并与Z轴成45夹角晶体为45Y切割）如图31（C）。（A）（B）（C）图31横向电光强度调制三种不同运用方式311以KDP类晶体为例分析横向电光调制如图所示。因为外加电场是沿Z轴方向，因此