激光技术第一讲

1、激光技术-第一讲电光调制电光调制调制的基本概念调制的基本概念F第四章第四章 激光调制与偏转技术激光调制与偏转技术一、调制的基本概念一、调制的基本概念1.目的：目的：通过调制进行信息的传递通过调制进行信息的传递2.调制：调制：把信息加到载波的过程即调制把信息加到载波的过程即调制定义：利用调制信号去改变载波的某一参数，使其参数定义：利用调制信号去改变载波的某一参数，使其参数按调制讯号的规律发生变化的过程。按调制讯号的规律发生变化的过程。第一节第一节 调制的基本概念调制的基本概念二激光调制二激光调制1.1.激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程 激光频率高，

2、可利用的带宽很宽激光频率高，可利用的带宽很宽 单色性好，发散角小单色性好，发散角小3)3)具有较好的时间相干性和空间相干性具有较好的时间相干性和空间相干性2.2.调制器：完成激光调制的装置调制器：完成激光调制的装置1) 1) 内调制：内调制：在激光形成过程中在激光形成过程中，以调制信号的规律去改变激光振荡的，以调制信号的规律去改变激光振荡的某一参数。即用调制信号控制激光的形成某一参数。即用调制信号控制激光的形成2) 2) 外调制：把调制器放在激光器的外面，用调制信号改变光波的参量外调制：把调制器放在激光器的外面，用调制信号改变光波的参量优优 点：调制效率高点：调制效率高缺缺 点：点：a. a.

3、 调制带宽受到泵浦源和谐振腔参数的限制调制带宽受到泵浦源和谐振腔参数的限制 b. b. 调制器放在腔内，增加腔内的损耗调制器放在腔内，增加腔内的损耗, ,降低了平均输降低了平均输出功率出功率1）内调制）内调制调制泵浦功率调制泵浦功率优优 点：点：a.a.因为调制器和激光形成无关因为调制器和激光形成无关, ,不影响激光器的输出功率不影响激光器的输出功率b.b.调制带宽不受谐振腔参数的限制，适于高速调制调制带宽不受谐振腔参数的限制，适于高速调制缺缺 点：调制效率相对较低点：调制效率相对较低2）外调制）外调制4.1.1 振幅调制(1) 定义：以调制信号去改变激光的振幅，使其振幅按定义：以调制信号去改

4、变激光的振幅，使其振幅按调制信号的规律变化调制信号的规律变化调制前：调制前： 调制信号：调制信号：调制后：调制后：调幅系数：调幅系数：( )cos()ccce tAt( )cosmma tAt( )(1cos)cos()camcce tAmtt/amcmAA( )cos( )(1cos)cos()cos()coscos()cos()cos()cos()22mmcamcccccamccaacccccmcccmca tAte tAmttAtmttmmAtAtAt调幅波含三个不同的频率调幅波含三个不同的频率 ：(2)(2)调幅波的频谱分析调幅波的频谱分析1. 1. 定义：以调制信号去改变激光振荡的相

5、位（频率），使激光定义：以调制信号去改变激光振荡的相位（频率），使激光 的相位（频率）按调制信号的规律变化的过程称相位的相位（频率）按调制信号的规律变化的过程称相位（频率）调制，统称为（频率）调制，统称为角度调制角度调制cos()cctce(t)=A( )( )ccftk a t 常数( )( )ccctk a t 常数总相位：总相位：调频和调相以后使总相位调频和调相以后使总相位 (t)变化变化按调制信号的规律变。因按调制信号的规律变。因此两者可归为一类，两者的差别是实现方法不同。此两者可归为一类，两者的差别是实现方法不同。 调相：调相： cos()cos( )cos ( )( )coscos

6、(cos)cos(cos)ccccmmccmmccmmttk a tta tAttk Attmtmk Ac ccccccccce(t)=Ae(t)=A调调制制后后e(t)=AAe(t)=AA其其中中 （t）t）为为总总相相位位假假设设，则则e(t)=AAe(t)=AA为为调调相相系系数数（单单位位：弧弧度度）调调制制前前cct（t）=000( )( )( )coscossinsin( )cos(sin)tctccftccfmmtcmmcfmfcmcmcmcfccmcfk a t dttk a t dta tAttk Atdtk Atttmte tAtmt0 0总总相相位位： （t t）= =（

7、t t）d dt t+ +其其中中：（t t）= =调调频频后后的的电电场场：调频调频 ：调频系数调频系数 2. 2.频谱频谱调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可以写成调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可以写成统一的统一的形式形式( )cos(sin)cos()cos(sin)sin()sin(sin)ccmccccmcccme tAtmtAtmtAtmt021211cossin( )2( )cos 2sinsin2( )sin21mnmnmnmnmtJmJmntmtJmnt其中： 0112201( )coscoscoscos2cos2( )cos( ) cos1cosccccmc

8、cmccmccmcccccncmcnncmce tAJmtJmtJmtJmtJmtA JmtAJmntnt 在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载波与在光载波与在它两边对称分布的无穷多对边频它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的所组成的。各边频之间的频频率间隔为率间隔为 m，各边频幅度的大小由贝塞尔函数决定。，各边频幅度的大小由贝塞尔函数决定。4.1.3 4.1.3 强度调制强度调制(1)(1)定义定义: :以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信号的规律变化的过程。号的规律变化的过程

9、。 2222002222( )( )cos ()( )1( )cos (),2cos,()1coscos ()2cccccpccpmmpmpcpmccI te tAtAIIAI tk a ttka tAtk AmAI tmtt瞬时光强常数光强的最大值当光强受到调制时， 不再是常数，按调制信号的规律变化为比例系数设并令称为强度调制系数光强调制波的频谱与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除光强调制波的频谱与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有了载频及对称分布的两边频之外，还有低频低频 m和直流分量和直流分量。以上几种调制方式所得到的调制波都是一种连续振荡的波，以上几种

10、调制方式所得到的调制波都是一种连续振荡的波，称为称为模拟式调制模拟式调制。4.1.4 4.1.4 脉冲调制脉冲调制1. 1. 脉冲调制的概念脉冲调制的概念在目前的光通信中，广泛采用一种在不连续状态下进行调制的在目前的光通信中，广泛采用一种在不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制（也称为脉冲编码调制）脉冲调制和数字式调制（也称为脉冲编码调制）。它们一般是。它们一般是先进行先进行电调制电调制（模拟脉冲调制或数字调制），再对光载波进行（模拟脉冲调制或数字调制），再对光载波进行光强度调制光强度调制。4.2.1 电光调制器的物理基础电光调制器的物理基础利用晶体的电光效应晶体光学中已经讲过。利用晶体的

11、电光效应晶体光学中已经讲过。 1.1.自然双折射自然双折射o o光、光、e e光光 2.2.电光效应电光效应如果在晶体中沿某一方向加一定电压，则晶体的折射率要如果在晶体中沿某一方向加一定电压，则晶体的折射率要发生相应的改变，因而晶体的双折射特性也要改变发生相应的改变，因而晶体的双折射特性也要改变电光电光效应效应第二节第二节 电光调制电光调制晶体折射率可用外加电场晶体折射率可用外加电场E的幂级数表示的幂级数表示20nnEhE E：线性电光效应或泡克耳斯线性电光效应或泡克耳斯（Pockels）效应效应hE2：二次电光效应或克尔二次电光效应或克尔（Kerr）效应效应1.1.电致折射率变化电致折射率变

12、化未加电场时的折射率椭球方程：未加电场时的折射率椭球方程：2222221xyzxyznnn在外加电场在外加电场E下的折射率椭球方程：下的折射率椭球方程：2222222221234561111112221xyzyzxzxynnnnnn折射率椭球各系数的变化量：折射率椭球各系数的变化量：3211ijjiEn线性电光系数线性电光系数用矩阵表示：用矩阵表示：212211121321222323313233414243245152536162632526111111xyznnEnEEnnnKDP（KH2PO4）类晶体属于四类晶体属于四方晶系，是负单轴晶体，这类晶方晶系，是负单轴晶体，这类晶体的电光张量为

13、：体的电光张量为：415263000000000000000ij 4152其中：在外加电场在外加电场E下的折射率椭球方程：下的折射率椭球方程：2224141632222221xyzooexyzyzExzExyEnnn,0zxyEEEE令2226322221zooexyzxyEnnn寻求一个新的坐标系（寻求一个新的坐标系（x x ,y,y ,z,z ）, ,使椭球方程不含交叉项：使椭球方程不含交叉项：2222221xyzxyznnn坐标系变换关系：坐标系变换关系：cossinsincosxxyyxy22263636322211sin2sin22cos21zzzooezExEyEx ynnn co

14、s20452226363222111zzooezExEynnn6322632222111111zxozyozeEnnEnnnn36336312120 xozyozznnEnnEn 3633631212xoozyoozzennnEnnnEnnKDP晶体沿晶体沿z z轴加电场时，由单轴晶体变成轴加电场时，由单轴晶体变成双轴晶体双轴晶体，折射率椭球的主轴绕，折射率椭球的主轴绕z z轴旋转了轴旋转了4545，称为感应主轴，此，称为感应主轴，此转角与外加电场转角与外加电场的大小无关的大小无关，其，其折射率变化与电场成正比折射率变化与电场成正比，这是利用电光效应实现光调制、调这是利用电光效应实现光调制、调

15、Q Q、锁模、锁模等技术的物理基础。等技术的物理基础。2.2.电光相位延迟电光相位延迟在实际应用中，电光晶体沿着特殊方向切割，外电场沿某一主在实际应用中，电光晶体沿着特殊方向切割，外电场沿某一主轴方向加到晶体上轴方向加到晶体上。纵向电光效应：纵向电光效应：电场方向与通光方向一致。电场方向与通光方向一致。横向电光效应：横向电光效应：电场方向与通光方向垂直。电场方向与通光方向垂直。对对KDPKDP类晶体，取电场方向和通过方向均为类晶体，取电场方向和通过方向均为z z方向。方向。x x 和和y y 方向的电光相位延迟方向的电光相位延迟：36336322122212xynxooznyoozLn Lnn

16、ELn LnnE336363222yxnnyxozoLnnLnEnV相位差：相位差：半波电压：半波电压：/23632oVn半波电压是半波电压是表征电光晶体性能优劣表征电光晶体性能优劣的一个重要参数，这个电压的一个重要参数，这个电压越小越好，特别是在高频情况下，半波电压小，需要的越小越好，特别是在高频情况下，半波电压小，需要的调制功调制功率率就小就小。半波电压可用半波电压可用静态法静态法测出，并进一步计算出晶体的电光系数。测出，并进一步计算出晶体的电光系数。3.3.光偏振态的变化光偏振态的变化假设一束线偏振光入射晶体，其沿假设一束线偏振光入射晶体，其沿x 方向的电场为方向的电场为Ex ，振幅为，

17、振幅为A1，其沿，其沿y 方向的电场为方向的电场为Ey ，振幅为，振幅为A2，初位相相同。在一般，初位相相同。在一般情况下，出射的合成振动为一个情况下，出射的合成振动为一个椭圆偏振光椭圆偏振光（1）当晶体上未加电压时，输出线偏振光，相当于全波片）当晶体上未加电压时，输出线偏振光，相当于全波片2222212122cossinyxyxEE EEAAA A22121=00tanyxyxxEEAEEEAAA（2）V=V /4时，输出圆偏振光，相当于时，输出圆偏振光，相当于 /4波片波片222212=12yxEEAA（3）V=V /2时，输出线偏振光，相当于时，输出线偏振光，相当于 /2波片波片2212

18、1=0tanyxyxxEEAEEEAAA 在晶体的输出端放置一个与入射光偏振方向相垂直的偏振器，当晶体上所在晶体的输出端放置一个与入射光偏振方向相垂直的偏振器，当晶体上所加的电压在加的电压在0V /2间变化时，从检偏器输出的光只是椭圆偏振光的间变化时，从检偏器输出的光只是椭圆偏振光的y向分量向分量，因而可以把因而可以把偏振态的变化偏振态的变化（偏振调制）变换成（偏振调制）变换成光强度的变化光强度的变化（强度调制）（强度调制）。4.2.2 4.2.2 电光强度调制器电光强度调制器1. 1. 纵向电光调制器纵向电光调制器晶体的运用方式两种：晶体的运用方式两种：纵向运用：加场的方向和通光的方向都沿纵

19、向运用：加场的方向和通光的方向都沿z z方向。方向。横向运用：加场的方向和通光方向垂直。横向运用：加场的方向和通光方向垂直。纵向运用的结构和原理纵向运用的结构和原理x-yx-y先讨论不含先讨论不含1/4波片的情况：波片的情况：入射光经起偏器后，沿入射光经起偏器后，沿x方向线偏振入射晶体，分解为沿方向线偏振入射晶体，分解为沿x，y方方向的两个分量向的两个分量coscosxcycEAtEAt用复数表示：用复数表示： 00expxyEAEAi通过晶体后：通过晶体后： expxyELAELAi通过检偏器的总电场强度是沿通过检偏器的总电场强度是沿y y方向的投影之和：方向的投影之和：1 exp2yoAE

20、i 入射光强：入射光强： 200002ixxyyIEEEEAx-y输出光强为输出光强为 222sin2yyooIEEA调制器的透过率：调制器的透过率：22/21sinsin22iIVTIV总相位差：总相位差：/2sinsin22mmmmVttV透过率：透过率：21sinsin1sinsin422mmmmiITttI考虑含考虑含1/4波片的情况：波片的情况：非线性调制非线性调制x-y贝塞尔展开：贝塞尔展开：2101sin212nmmnTJnt高频谐波与基频波成分的比值：高频谐波与基频波成分的比值：212111nmnmJIIJ 1331110.44,10.02,/0.045mradJJII取此时，

21、此时，112mmJ要获得线性调制，应取：要获得线性调制，应取：/21mmVradVx-y透过率：透过率：纵向电光调制器的优点：纵向电光调制器的优点：结构结构简单、工作稳定、不存在自然简单、工作稳定、不存在自然双折射。双折射。缺点：缺点：半波电压太高，特别在半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比调制频率较高时，功率损耗比较大。较大。11sin2mmiITtI2 2横向电光调制横向电光调制1KDP类的横向运用（三种）类的横向运用（三种）xoz平面平面xoy平面平面Y yoz平面平面现以现以KDPKDP类的第一种运用方式为例进行讨论类的第一种运用方式为例进行讨论: :强度调制中，影响输出光强

22、的主要因素是强度调制中，影响输出光强的主要因素是 ，入射光的偏振方，入射光的偏振方向和向和x x 轴轴成成4545角（在角（在x x ozoz平面内）平面内）由于在由于在z z向加电场，所以三个感应主轴的折射率和纵向运用相同。向加电场，所以三个感应主轴的折射率和纵向运用相同。由于沿由于沿yy方向通光，光在晶体中分解为沿方向通光，光在晶体中分解为沿xx和和z z方向振动的两方向振动的两束光。束光。3633631212xoozyoozzennnEnnnEnn e e，o o光的折射率光的折射率: : 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: : een 36312xoozonnn

23、E 363363221()()221()2xzoeozoeoznn Lnn LnE LLVnn lnVEdd其中第一项是与外加电场无关的晶体本身的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自然双折射引起的相位延迟，这一项，这一项对调制器的工作没有作用，相反，当晶体温度变化时会增加附加的相位差，对调制器的工作没有作用，相反，当晶体温度变化时会增加附加的相位差，造成造成随温度变化，工作不稳定，必须消除这种影响。随温度变化，工作不稳定，必须消除这种影响。 第二项是第二项是外加电场作用产生的位相差外加电场作用产生的位相差。不仅与。不仅与V V有关，而且与晶体的尺寸有关，而且与晶体的尺寸

24、L L/ /d有关，合理选择晶体的尺寸增大有关，合理选择晶体的尺寸增大L L/ /d ，则可降低晶体的半波电压，则可降低晶体的半波电压V V /2/2。横向运用的最大优点是半波电压比纵向运用低得多，在实际应用中，主要采横向运用的最大优点是半波电压比纵向运用低得多，在实际应用中，主要采用一种用一种”组合调制器组合调制器“的结构予以补偿。的结构予以补偿。 4.2.3 4.2.3 电光相位调制器电光相位调制器相位调制即是用调制信号的规律来改变激光振荡的相位角。相位调制即是用调制信号的规律来改变激光振荡的相位角。由起偏器和由起偏器和KDP电光晶体组成，电光晶体组成，起偏器的偏振轴平行于晶体起偏器的偏振

25、轴平行于晶体的感应主轴的感应主轴x ，电场沿，电场沿z方向加到晶体上，入射晶体的线偏振方向加到晶体上，入射晶体的线偏振光不再分解，沿光不再分解，沿x 轴一个方向偏振，轴一个方向偏振，外电场不改变出射光的外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位。偏振状态，仅改变其相位。相位调制器的结构相位调制器的结构 x 轴折射率为：轴折射率为：36312xooznnnE输出电场（输出电场（z=L处）：处）：3631cossin2cmccoommEAtnnEt Lc外加电场外加电场略去常数项：略去常数项：cossinmccmEAtmt相位调制系数：相位调制系数：3363632comomnE LnE Lmc4.

26、2.44.2.4电光波导调制器电光波导调制器1.1.体调制器：前面讲的各种电光调制器，具有较大体积尺寸体调制器：前面讲的各种电光调制器，具有较大体积尺寸的分离器件。的分离器件。特点：几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，需要较强特点：几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，需要较强的电场（缺点）的电场（缺点）2.2.光波导调制器：光波导调制器：(1)(1)定义：把激光器、调制器、探测器等有源器件定义：把激光器、调制器、探测器等有源器件“集成集成”在在同一衬底上，并通过波导、耦合器等无源元件连同一衬底上，并通过波导、耦合器等无源元件连接起来，接起来，构成一个完整的构成一个完整的微型光学系统微型光学

27、系统。(2)(2)分类：分类： 矩形波导平板波导平面波导渐变折射率fSennn光波导调制器的特点：光波导调制器的特点：a.a.加电场的区域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量级。加电场的区域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量级。驱驱动功率比体调制器小动功率比体调制器小1-21-2个数量级。个数量级。材料的要求：至少有一材料的要求：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。种满足调制器的要求，材料有确定的相对固定的折射率。b.b.利用电光、声光控制时，折射率的变化，使两传播模间利用电光、声光控制时，折射率的变化，使两传播模间有一相位差。与体调制器不同的地方：由于外场的作用导有一相位差。与体

28、调制器不同的地方：由于外场的作用导致波导中本征模（如致波导中本征模（如TETE模和模和TMTM模）传播特性的变化以及两模）传播特性的变化以及两不同模式之间的不同模式之间的耦合转换耦合转换（模耦合调制）。（模耦合调制）。2.电光波导调制器的调制原理电光波导调制器的调制原理()( )exp() TETMexp () ( )4TETMTETMmlmlTMTETETMlmmlmlxyyxdAi AizdzdAi Aizdzx EE dx 与模耦合方程：参考：参考： A.Yariv, Quantum Electronics, 2rd edition, John Willy & Sons模振幅模振

29、幅传播常数传播常数模耦合系数模耦合系数通常可简化：如果波导中电光材料均匀，加电场均匀。通常可简化：如果波导中电光材料均匀，加电场均匀。TETE，TMTM完全限制在波完全限制在波导薄膜层中，阶次相同，导薄膜层中，阶次相同，m=lm=l，这时积分取极大值。这时，这时积分取极大值。这时，TETE模和模和TMTM模的场模的场分布几乎相同，仅电矢量的方向不同。且分布几乎相同，仅电矢量的方向不同。且 如果相位匹配如果相位匹配 ，则，则要获得完全的要获得完全的TETETMTM功率转换，必须满足：功率转换，必须满足：无转换时：无转换时： 波导调制器的输出光强波导调制器的输出光强(TM)(TM)与输入光强之比为

30、：与输入光强之比为： d-波导薄膜厚度 00TETMmlkn3012oijn kE TETMml00( )sin( )cosTMlTEmAziAzAzAz 22ll 0,1,2,nln322sin,2( )2oijnLkLVd0III/I02.2.电光波导相位调制电光波导相位调制设传播的波为设传播的波为TMTM波，电场方向波，电场方向E Ez z，相位变化：，相位变化：对于电光波导相位调制，不存在不同模之间的互耦合。对于电光波导相位调制，不存在不同模之间的互耦合。 363oznE l自学：自学： yy的确定的确定3.3.电光波导强度调制电光波导强度调制在在LiNbO3晶体作为波导基片的沉底上，用射频溅射刻蚀法制晶体作为波导基片的沉底上，用射频溅射刻蚀法制造造Ti扩散分叉条状波导，条状波导中间和两侧制作表面电极。扩散分叉条状波导，条状波导中间和两侧制作表面电极。两个分路的光在电光效应区受到相位调制两个分路的光在电光效应区受到相位调制，它们再相遇时，它们再相遇时，两个线偏光相干合成而实现强度调制两个线偏光相干合成而实现强度调制。相位差为：。相位差为： 3e33c22nE l提高调制深度及减提高调制深度及减小插入损耗的措施：小