光电子技术第七讲电光调制教材

1、 本讲主要内容本讲主要内容一、强度调制一、强度调制二、相位调制二、相位调制纵向电光调制纵向电光调制横向电光调制横向电光调制 泡克耳斯效应（泡克耳斯效应（Pockels)：平面偏振光沿着处：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比的电象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比的电光效应。光效应。 电光调制的物理基础是电光调制的物理基础是电光效应电光效应，即某些晶体在外加电场的作用，即某些晶体在外加电场的作用下，其下，其折射率将发生变化折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受，当光波通

2、过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。到影响而改变，这种现象称为电光效应。40利用泡克耳斯效应实现电光调制可以分为两种情况。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一种是施加在晶体上的电场在空间上空间上基本是基本是均匀均匀的，但在的，但在时间上时间上是是变变化化的。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。于光

3、通信、光开关等领域。 另一种是施加在晶体上的电场在另一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布空间上有一定的分布，形成电场图像，形成电场图像，即随即随x和和y坐标变化的强度透过率或相位分布，但在坐标变化的强度透过率或相位分布，但在时间上不变时间上不变或者缓慢变或者缓慢变化，从而对通过的光波进行调制。化，从而对通过的光波进行调制。一、强度调制一、强度调制391. 1. 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）纵向电光调制（通光方向与电场方向一致） yyxx45o45o自然光自然光垂直偏振垂直偏振x-yzyx输出光输出光水平偏振输出水平偏振输出V一、强度调制一、强度调制381. 1. 纵向电光调制

4、纵向电光调制 沿沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿被分解为沿x和和y方向的两个分量，两个振幅方向的两个分量，两个振幅(等于入射光振幅的等于入射光振幅的1/ ）和相）和相位都相等，分别为：位都相等，分别为：一、强度调制一、强度调制采用复数表示采用复数表示 tAEtAEcycxcos0cos0 tiAEtiAEcycxexp0exp037 当光通过长度为当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，的晶体后，由于电光效应，E x和和E y二分量间就产生了一二分量间就产生了一个相位差个相位差 ，则，则 由于

5、光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为iALEALEyxexp1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制一、强度调制一、强度调制36 222*200AEEEEIyxiy yy yx xx x4545o o4545o o与之相应的输出光强为：与之相应的输出光强为： 1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 一、强度调制一、强度调制35 1exp2)(0iAEy2sin2 1exp1exp2222*AiiAEEI2cosixixeex2cos12sinxx注意要用到：注意要用到：怎么来的？怎么来的？将出射光强与入射光强相比，得：将出射光强与入射光强相比，得： 1

6、. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 一、强度调制一、强度调制V2E26330z6330nLnyxnn34)2(sin)2(sin22VVIITi633022nVV T称为调制器的透过率。从而称为调制器的透过率。从而可以画出光强调制特性曲线。可以画出光强调制特性曲线。1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 一、强度调制一、强度调制33cos1 21)2(sin2VVVVTT (%)0V在一般情况下，输出的光强和调制电压并不是线性关系在一般情况下，输出的光强和调制电压并不是线性关系波形失真波形失真。 1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 一、强度调制一、强度调制32 调制的目的调制的目的：利用调制传

7、递信息。：利用调制传递信息。如果在调制过程中波形失真，使调制如果在调制过程中波形失真，使调制的信号不能还原的信号不能还原达不到目的。达不到目的。100T(%)0透射光强透射光强时间时间V调制电压调制电压V V1 为了获得线性调制，可以为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的通过引入一个固定的 /2相位延相位延迟，使调制器的电压偏置在迟，使调制器的电压偏置在T50的工作点上。常用的办法的工作点上。常用的办法有两种：有两种：50100透过率(%)0透射光强透射光强时间时间电压电压调制电压调制电压V V /2一、强度调制一、强度调制311. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 其一，除了施加信号电压之外

8、，再附加一个其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 V/4 的固定偏压，但会增的固定偏压，但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。一、强度调制一、强度调制30自然光自然光x-yz输出光输出光？1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 其二，在光路上插入一个其二，在光路上插入一个14波片其快慢轴与晶体主轴波片其快慢轴与晶体主轴x成成45o 角，使角，使Ex和和Ey二二分量间产生分量间产生 /2 的固定相位差。则总相位差的固定相位差。则总相位差水平检偏器水平检偏器垂直起偏器垂直起偏器水平偏振输出水平偏振输出出射光出射光V调制器调制器波片波片入射光入射光一、强度

9、调制一、强度调制291. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 m = Vm/V 是相应于外加调制信号是相应于外加调制信号Vm的相位延迟。的相位延迟。 Vm sinmt 是外加调制信号电压。是外加调制信号电压。入射光入射光P1Iixyzx y P2Io调制光调制光VL起偏器起偏器 /4波片波片检偏器检偏器一、强度调制一、强度调制28ttVVmmmmsin2sin21. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 代入到调制的透过率中代入到调制的透过率中利用贝塞尔函数恒等式展开利用贝塞尔函数恒等式展开一、强度调制一、强度调制27112) 12(sin)(2)sinsin(nmmnmmtnJt)2(sin2iIIT

10、)sinsin(1 21)sin24(sin2ttIITmmmmittVVmmmmsin2sin2把把1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 22cos1sin2xx 但输出的调制光中含有高次诣波分量，使但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。高次谐波控制在允许的范围内。得得一、强度调制一、强度调制26012) 12(sin)(21nmmnitnJIIT1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 若取若取 1radm 设基频波和高次谐波的幅值分别为设基频波和高次谐波的幅值分别为I1和和I2n+1,

11、则高次谐波与基频波成分的则高次谐波与基频波成分的比值为比值为 则则J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以所以I3 /I 1 =0.045，即三次谐波为基波的，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。在这个范围内可以获得近似线性调制。一、强度调制一、强度调制25), 3 , 2 , 1 , 0()()(112112nJJIITmmnn1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 作为线性调制的判据。作为线性调制的判据。 此时此时一、强度调制一、强度调制如在如在sin( m sinmt) 中中 m 取远远小于取远远小于1，即即:24)sin1 (21)sinsin(1

12、 21ttIITmmmmiradVVmm1mmJ211. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 实现线性调制，需调制信号不宜过大实现线性调制，需调制信号不宜过大(小信号调制小信号调制)，那么输出的光强调制，那么输出的光强调制波就是调制信号波就是调制信号V=Vm sinmt 的线性复现。的线性复现。 如果如果 m 1rad的条件不能满足的条件不能满足(大信号调制大信号调制)，则光强调制波就要发生，则光强调制波就要发生畸变。畸变。 纵向电光调制器：纵向电光调制器： 结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。等优点。 半波电压太高，特别在调制频率较高时，功

13、率损耗比较大半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大等缺点。等缺点。一、强度调制一、强度调制23结论结论1. 1. 纵向电光调制纵向电光调制 横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：横向电光效应可以分为三种不同的运用方式： (1)沿沿z轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，轴，并与并与x或或y 轴成轴成45o夹角夹角(晶体为晶体为45o-z切割切割)。2 2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）一、强度调制一、强度调制22横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：横向电光效应可以分为三种不同的运用方式： (2)沿沿x方向加电

14、场方向加电场(即电场方向垂直于即电场方向垂直于x光光轴轴)，通光方向垂直于，通光方向垂直于x铀，并与铀，并与z轴成轴成45o 夹角夹角(晶体为晶体为45o -x切割切割)。 2 2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）一、强度调制一、强度调制21横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：横向电光效应可以分为三种不同的运用方式： (3)沿沿y轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于y轴，并与轴，并与z轴成轴成45o夹角夹角(晶体为晶体为45o -y切割）。切割）。 2 2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）横向电光调制（通光方向与电场方向垂直

15、）一、强度调制一、强度调制20 外加电场是沿外加电场是沿z轴方向，轴方向，Ex=Ey=0， Ez=E，晶体的主轴，晶体的主轴 x， y旋转旋转45o 至至 x，y。电极电极LDxzyV调制电压调制电压传播方向传播方向输入光偏输入光偏振方向振方向一、强度调制一、强度调制192 2横向电光调制横向电光调制由于影响输出光强的主要因素是由于影响输出光强的主要因素是 ，所以只讨论，所以只讨论 。由于在由于在z向加场，三个感应主轴的折射率和纵向运用相同向加场，三个感应主轴的折射率和纵向运用相同。一、强度调制一、强度调制182 2横向电光调制横向电光调制3633631212xoozyoozzennnEnnn

16、Enn 由于沿由于沿x方向通光，入射光的振动方向方向通光，入射光的振动方向和和z成成450，光在晶体中分解为沿，光在晶体中分解为沿z，y方向方向振动的两束光。振动的两束光。zy/若晶体长度为若晶体长度为L，厚度，厚度(两电极间距离两电极间距离)为为d，外加电压，外加电压VEzd，则，则一、强度调制一、强度调制172 2横向电光调制横向电光调制e，o光的折射率光的折射率:een 36312yoozonnnE 这两束光通过晶体后的位相差为这两束光通过晶体后的位相差为:363363221()()221()2yzoeozoeoznn lnn lnE llVnn lnVEdd其中使降低调制电压的途径：使

17、降低调制电压的途径： 在达到一定量相位调制的前在达到一定量相位调制的前提下，提下，增加晶体长度增加晶体长度减小晶体厚度减小晶体厚度 晶体自然双折射引晶体自然双折射引起的相差与外加电场起的相差与外加电场无关，在实际应用中无关，在实际应用中起偏置作用，对温度起偏置作用，对温度非常敏感。非常敏感。一、强度调制一、强度调制162 2横向电光调制横向电光调制363363221()()221()2yzoeozoeoznnlnnlnE llVnnlnVEdd其中例题：在长度为例题：在长度为10mm的的KDP晶体上施加晶体上施加4000V的电压，计算的电压，计算折射率变化情况。折射率变化情况。lVnEnnnz

18、y63306330 x2121|63123103.710104000106.1051.121n一、强度调制一、强度调制152 2横向电光调制横向电光调制解：解： KDP晶体横向电光调制的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主要缺点是存在自然双折射引起的相位延迟迟，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，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间就有相位差存在，当晶体因温度变化而引起折射率n0和和ne的变化时，的变化时，两光波的相位差发生漂移。两光波的相位差发生漂移。一、强度调制一、强度调制14

19、2 2横向电光调制横向电光调制)(21)(2633VdLnLnnoeo 在在KDP晶体中，自然双折射的影响会导致调制光发生畸变，晶体中，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，除了尽量采取一些措施甚至使调制器不能工作。所以，除了尽量采取一些措施(如散热、如散热、恒温等恒温等)以减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种以减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种“组合调组合调制器制器”的结构予以衬偿。的结构予以衬偿。一、强度调制一、强度调制132 2横向电光调制横向电光调制 常用的补偿方法有两种：常用的补偿方法有两种：方法一：将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光相互成方法一：

20、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。串接排列。x1光波z1yV+-调制电压LDV+-x2z2一、强度调制一、强度调制122 2横向电光调制横向电光调制 方法二：两块晶体的方法二：两块晶体的z轴和轴和y轴互相反向平行排列，中间放置一块轴互相反向平行排列，中间放置一块12 波片。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿波片。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿z轴轴(光轴光轴)方向，但在两方向，但在两块晶体中电场相对于光轴反向。块晶体中电场相对于光轴反向。LDVxyzyxzVxz/2波片波片一、强度调制一、强度调制112 2横向电光调制横向电光调制 针对方法二讨论：针对方法二

21、讨论： 当线偏振光沿当线偏振光沿x轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方向方向e1光和沿光和沿y方向的方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束光的相位差光的相位差 一、强度调制一、强度调制102 2横向电光调制横向电光调制LEnnnzoeoxy)21(26331Vy/z/2波片波片 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。影响即可得到补偿。 经过经过1/2波片后，两束光的偏振方向各旋转波片后，两束光的偏振方

22、向各旋转900。 经过第二块晶体后，原来经过第二块晶体后，原来e1光变成光变成o2 光，光， o1光变成光变成e2光，则它们经过第二光，则它们经过第二块晶体后，其相位差块晶体后，其相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差一、强度调制一、强度调制92 2横向电光调制横向电光调制LEnnnzooeyz)21(26332dLVno633212括号内的就是纵向电光效应的半波电压，所以括号内的就是纵向电光效应的半波电压，所以当当 时，半波电压为时，半波电压为 例例 在半波电压对在半波电压对KDP晶体纵向电光调制中，波长为晶体纵向电光调制中，波长为1.06m时，时，kVkVn

23、V5.1451.1106.102/()1006.1()2/()(322630632/纵一、强度调制一、强度调制82 2横向电光调制横向电光调制LdnVo63322LdVV纵横)()(22 横向半波电压是纵向半波电压的横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小倍。减小d，增加长度，增加长度L可以降低半可以降低半波电压。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。要求极高。一、强度调制一、强度调制结结 论论72 2横向电光调制横向电光调制 主要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主要由起偏器

24、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轴x(或或y)，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x、y两个分量，而是两个分量，而是沿着沿着x(或或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，相位的变化为其相位，相位的变化为 二、相位调制二、相位调制入射光入射光偏振器偏振器调制光调制光VLx y z 电光相位调制原理图电光相位调制原理图6Lncxcx因为光波只沿因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率为方向偏振，相应的折射率为2/cccc二、相位调制二、相位调制若若 外加电场是外加电

25、场是 , 在晶体入射面在晶体入射面(z0)处的光场处的光场 ，则输出光场，则输出光场(zL处处)就变为就变为5zoxEnnn633021)sin21(cos6330LtEnnctAmmoccc称为相位调制系数称为相位调制系数二、相位调制二、相位调制略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则利用贝塞尔函数展开上式，得到利用贝塞尔函数展开上式，得到4)sincos(tmtAEmccoutLEncLEnmmomoc6336332结论结论纵向电光调制纵向电光调制a、装置的结构简单，工作稳定，不会受到自然双折射的影响，、装置的结构简单，工作稳定，不会受到自然双折射的影响，b、缺点：半波电压太高，高压电源的制作困难。、缺点：半波电压太高，高压电源的制作困难。c、调制频率较大时，还会产生较大的功率损耗。、调制频率较大时，还会产生较大的功率损耗。横向电光调制横向电光调制 a、相位延迟与晶体的长度与厚度之比有关，因此通过改变晶体的长度、相位延迟与晶体的长度与厚度之比有关，因此通过改变