光辐射的调制

第二章光辐射的调制2.1机械调制2.2电光调制2.3声光调制2.4磁光调制1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。在光电检测系统中，

使探测光为调制光，可以比非调制光具有更强的抗干扰能力。

调制的目的：光信息系统的信号加载与控制调制的内容：是指改变光波振幅、强度、相位或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程。2光调制的优点:1.容量大2.易加载3.距离远4.易保密5.抗电磁干扰能力强3光调制的方法：传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）；现代方法：利用外场的微扰引起介质的非线性极化，从而改变介质的光学性质。在外场下利用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频率、相位等参数的调制。4

光辐射的现代调制方法：按调制是在光源内发生还是光源外进行分：

内调制和外调制内调制：将欲传输的信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制；只适用于一些特定的光源，如LD和LED的直接调制

例：对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所发射激光强度的调制；又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输的信号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔参数，从而调制激光输出。5外调制：将光源与调制器分开设立，在光源外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加载于调制器，透过光的物理性质将发生变化，实现调制。电光调制声光调制磁光调制热光效应外调制技术适用于所有光源。6常用方法:机电振子、旋转调光盘等2.1机械调制——简单易行

调制原理：用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。应用：常用于光电探测中需要抗干扰的场合NMNMN

缺点：难进行高频调制、体积较大等72.1机械调制利用斩波器通断光通量，使探测光成为调制光。调制光并配上合适的有源带通滤波器，以克服杂散光的干扰。斩波器有源带通滤波器8探测器输出的光电流设计有源带通滤波器，f0为方波频率。通频带△f窄，杂散光被滤去。9优点：容易实现；能对辐射的任何光谱成分进行调制。缺点：有运动部分，寿命较短，体积较大，调制频率不高。一些机械调制装置102.2电光调制在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。适用于单色光源。一、物理基础：电光效应

线性电光效应（Pockels，1893年）二次电光效应（Kerr，1875年）介质原本是单轴晶体。介质原本是各向同性晶体。

电光调制基于线性电光效应。11晶体的结构特征空间点阵：晶体是由原子、分子或离子在空间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。结点：晶体中的微粒叫基元，又叫结点。点阵：全部结点的总称叫点阵。晶格：格子状结构的点阵就叫晶格。格点：=结点晶胞：周期重复的最小基本（结构）单位晶胞常量12布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有14种点阵，称布喇菲点阵，或称14种晶胞14种晶胞共分7个晶系：三斜、单斜、正交（斜方）、正方（四角）、立方、三角、六角布喇菲点阵13三角六角三斜立方正交（斜方）正方单斜14晶体的基本性质1.自限性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力。2.晶面角守恒：指同一品种的晶体，两个对应的晶棱间的夹角恒定不变。3.均匀性：晶体在不同的位置上具有相同的物理性质。4.最小内能性：长程有序性5.各向异性：晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。典型体现：晶体的解理、双折射。6.对称性15光在晶体中的传播特性光在晶体中的传播实际是光与晶体相互作用的结果：介质受到光波电场E作用后产生极化,极化强度用极化强度矢量P来表示,P与E之间的关系用宏观物理量——极化率χ来描述光辐射场对晶体的极化影响综合效果集中表现为介电常量ε的变化，从而引起折射率变化：16

通常材料的介电常量与外电场无关，但当外加电场较强时，介电常量便有微小的变化，从而引起折射率变化：、为常量线性电光效应，或Pockels效应（KDP、LiNbO3）二次电光效应，或Kerr效应（BaTiO3、硝基苯液体）、k由介质本身的性质决定，取决于晶体本身的结构和对称性。现在讨论线性电光效应

17

在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述晶体光学性质的折射率椭球方程为

其中下标1，2，3分别表示坐标x、y、z。

当晶体施加任意电场时，晶体的折射率发生变化，可以把电场对晶体的这种作用归结为折射率椭球系数的改变。因此，当有电场存在时，折射率椭球在介电主轴座标系中的方程为其中是对称二阶张量

x1x20n2n1n3对于任一特定的晶体，折射率椭球由其光学性质（主介电常数或主折射率）唯一地确定。18采用下标简化形式以表示，则的下标为

11，22，33，23(32)，31(13)，12(21)

1,2,3,4,5,6有6个独立的分量。无电场时，，于是19施加电场时，折射率椭球系数的改变量与外加电场成正比，即

其中称为电光系数张量，共有18个元素，可表示为6

3的矩阵。

20

由于电光晶体的对称性使电光系数减少，具有对称中心的晶体，其电光系数都为零，故这种晶体不产生线性电光效应；在没有对称中心的21个点群中，有20个点群具有线性电光系数。常用的电光晶体的电光系数值，可查阅有关书籍和技术手册，当掌握了电光系数后，可由上式解出对电场的依赖关系，最后代入折射率椭球方程式。

21晶体的双折射定义:是指光在各向异性介电晶体中传播时,分为两束偏振方向不同的光,向两个方向折射通常情况下,o光与e光的传播方向不同各向同性介质双折射现象外加强电场单色自然光晶体的截面O光e光22电光效应定义:当足够强的外电场影响到晶体中的原子、分子的排列以及它们之间的相互作用,这种内部的,微观的变化就导致晶体在宏观上表现出极化强度及折射率也各向异性地发生变化，由于极化而出现光学特性（各向异性）的改变，影响到光波在介质中的传播特性。电光效应实质：在光波电场与外电场的共同作用下，使介质出现非线性的极化过程。23KDP晶体的线性电光效应常用的电光晶体是一些各向异性的光学晶体，如磷酸二氢钾，磷酸二氘钾，磷酸二氢氨，铌酸锂(记为)等。以下结合加以说明。晶体是人工生长的KH2PO4单晶的简称，为单轴晶体，属立方晶系的点群。有，。光轴:晶体中有一个方向，光沿这个方向传播不发生双折射，这个方向叫做光轴。Zxy241.的纵向电光效应KDP负单轴晶体

强电场E//Z轴,KDP由单轴晶体变为双轴晶体；线偏振光沿Z轴入射，分解成X、Y方向上振幅相同、但传播速度不同的两个线偏振光。光传播方向与电场方向一致起偏器25

KDP晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴逆时针旋转了450角，此转角与外加电场的大小无关。26在新的感应折射率主轴座标系下，折射率椭球方程变为沿光轴加电场后，xoy截面由圆变为椭圆三个感应主轴的折射率分别为x’y’xy沿x’方向偏振的传播速度加大，x’叫快轴；沿y’方向偏振的传播速度减小，y’

叫慢轴。式中，no为KDP晶体o光折射率，为电光系数。∵相速度27X、Y方向两偏振光射出晶体时有光程差:则相位差为：半波电压:

造成光程差电光相位延迟：在X、Y两个方向的传播速度如果不同,则在传播过程中会产生相位延迟的现象，即产生相位差。282.的横向电光效应光传播方向与电场方向垂直对KDP晶体采用45°-Z切。强电场E//Z轴,KDP变为双轴晶体。入射光沿X轴方向进入晶体，其偏振方向与Z、Y成45°，在晶体中分解为Z、Y方向两个振幅相同的线偏振光。29与Z轴对应的主折射率：与Y轴对应的主折射率：

式中ne是晶体e光折射率，E=U/d，U为外加电压。两个线偏振光射出晶体时有光程差：则相位差为：横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受温度影响。采用组合调制器进行补偿。自然双折射造成的相位差电光效应引起的相位差30消除自然双折射横向电光效应的优点：适当地增加L/d，就可以增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压；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。半波电压为:通常，纵向是数千伏，横向只是数百伏。313.电光晶体材料

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：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，易于获得大尺寸晶体等。

、在可见和近红外区主要有KDP类晶体、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中红外区有GaAs、Cucl、CdTe等。KDP类晶体、LiNbO3（LN）晶体应用广泛。见表2.132二、电光强度（或振幅）调制在Pockels效应中，通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差δ。在晶体的光输出端后置检偏器P2，使N2⊥N1。透过检偏器P2的光强I2便受到电信号的调制。横向电光调制装置33纵向电光强度调制装置34入射光P1IixyzxyP2Io调制光~VL起偏器/4波片检偏器纵向电光强度调制下面详细分析纵向电光调制：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/）和相位都相等．分别为：35或采用复数表示，即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，E

x’和E

y’二分量间就产生了一个相位差，则(1)36yY’xX’45o45o(2)与之相应的输出光强为：

注意公式：(3)将出射光强与入射光强相比[(1)公式/(2)公式]得透过率为：37其中为检偏器的最大输出光强。显然，检偏器的输出光强是电压V的函数。当时，，出现消光现象。

时，光强有最大值

可见出射光强随外加电压而变，如果把信号加在晶体上，输出光强就随信号而变，就为信号所调制。38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。50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/2电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T＝50％的工作点上。常用的办法有两种：39其一，除了施加信号电压之外，再附加一个Vλ/4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。其二，在光路上插入一个1／4波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体主轴x成45o角，使Ex’和Ey’二分量间产生/2的固定相位差。(3.2-30)式中的总相位差△m=Vm/V（相当于3.2-30式中的△）是相应于外加调制信号vm的相位延迟。其中Vmsinωmt是外加调制信号电压。40因此，调制的透过率可表示为利用贝塞尔函数恒等式将上式展开，得由此可见，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41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I1和I2n+1,则高次谐波与基频波成分的比值为若取＝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，因而取作为线性调制的判据。此时代入（3.2-32)式得42

sin(△msinωmt)的△m若远远小于1，则: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V=Vmsinωmt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。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。43下面详细分析横向电光调制：入射光(光强I1）进入晶体，其振幅A1分解成Az、Ay：两线偏振光到达检偏器，能透过P2的光振幅：这两个线偏振光射出晶体，有固定相位差：44二者有固定相位差π+δ，则通过检偏器P2的光强：式中，

I输出V输入问题：由于调制器的工作点在透射曲线的非线性区，故输出光信号失真，光信号的频率为调制信号的两倍。解决办法：为了获得线性调制，可引入一个固定的/2相位延迟，常在调制器的光路中插入一个/4波片。45为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压来完成。（插入1/4波片）

I/I0-V曲线46选取工作点：若要得到光强随时间正弦变化的调制光,可使调制电压为：则有：式中，可在光路中插入波晶片，取代

则只需在晶体上加调制电压就可得到正弦调制光强。

47的关系曲线

48强度调制器小结：入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；加入检偏器得到输出光强随外加电压变化，实现强度调制；加入1/4波片提供固定“偏置”，以得到线性调制。49优点:纵向:结构较简单,工作稳定,不会受到自然双折射的影响横向:可通过调节d/l使半波电压降低到约几百伏缺点：纵向：半波电压太高，调制频率较大时会产生较大的功率损耗横向：存在由自然双折射引起的相位延迟，且随温度的变化而漂移，导致调制器不能正常工作50是声音、图像、数据电信号，

若则有泡克尔斯（Pockels）电光调制器线性好，性能稳定，可得到很高的调制频率。

三、电光相位调制在电光效应装置图2.6、图2.7中，若使起偏器透光方向N1与双轴晶体的其中一个光轴平行，则仅是一个线偏振光通过晶体，其位相被电信号调制。

51在右图中，若

Y偏振光的折射率，

在晶体入射面处光场为

则光通过晶体后的光场：52式中，略去常数相位因子：则可见，该光波的位相因子受电压U影响。设U为正弦调制电压

令则有：

可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。53四、电光调制的频率特性

实际应用中，需要电光调制器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为：

1.光在晶体中的传输时间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(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且远大于晶体的长度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。集总参量调制器的频率特性主要受外电路参数的影响。54但当调制频率很高时，在的时间内，外电场会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，其相位延迟不同，这就限制了调制频率。55调制波与光波以相同速度在晶体中传播，调制频率可达几个。为了适应高频率宽频带调制信号的要求，采用行波调制器。调制带宽仅在ω0附近的有限频带内。

2.晶体谐振电路的带宽实用中，电光调制器构成谐振电路：56五、光波导调制器晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加相当高的电压，才能实现电光调制。光波导调制器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。光波导宽度d极窄，远小于长度L。采用横向电光调制，半波电压可为几伏。调制频率可达100GHz。相位调制器57M-Z干涉型强度调制器定向耦合器型强度调制器在高速光通信中有很好的应用价值

研究动向：用聚合物来形成各向异性材料。

582.3声光调制利用超声波引起介质折射率变化而产生的光调制。一、声光效应适用于单色光源驱动电源电-声换能器声光介质

形成声光栅，栅距

59声光效应分为两种类型：入射光波被声光栅衍射，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。拉曼-奈斯衍射

布拉格衍射只有零级、1级衍射光产生多级衍射光60

拉曼-纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。拉曼-纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。61各级衍射的方位角为（最大值的位置）：各级衍射光的强度为：62衍射效率为：附加相位延迟因子附加相位延迟因子63布喇格衍射产生布喇格衍射条件：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，介质具有“体光栅”的性质。布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光。64布拉格衍射条件：零级、1级衍射光强：式中，为声光效应产生的附加相移：有应用价值的是一级衍射光

65式中，为声光介质的品质因数。

应选择大的材料，常用声光介质见表2.2。66衍射效率为：M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。附加相位延迟因子67声光调制(Acousto-opticalModulate)一.声光调制器的工作原理

声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

68声光调制器结构吸声装置LaserinLaserout声光体调制器是由声光介质、电—声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等所组成。(1)声光介质，声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。(2)电—声换能器(又称超声发生器)(3)吸声(或反射)装置(放置在超声源的对面)。(4)驱动电源它用以产生调制电信号施加于电—声换能器的两端电极上，驱动声光调制器(换能器)工作。69声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。由前面分析可知，无论是拉曼—纳斯衍射，还是布拉格衍射，其衍射效率均与附加相位延迟因子Γ＝2πΔnL／λ有关，而其中声致折射率差Δn正比于弹性应变幅值S，而S∝声功率Ps，故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做相应的变化。70(1)、拉曼-纳斯型声光调制器调制器的工作原理如图1(a)所示，工作声源频率低于10MHz。只限于低频工作，带宽较小。入射光

衍射光

调制信号图1拉曼-纳斯型声光调制器71对于拉曼—纳斯型衍射，工作声频率低于10MHz，图(a)示出了这种调制器的工作原理，其各级衍射光强比例于。若取某一级衍射光作为输出，可利用光栏将其他级的衍射光遮挡，则从光栏孔出射的光束就是一个随ν变化的调制光。由于拉曼—纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，根据前面判据式所确定的相互作用长度L小；当工作频率较高时，最大允许长度太小，要求的声功率很高，因此拉曼—纳斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。72(2)、布喇格型声光调制器布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。衍射光调制信号入射光图2声光调制器布喇格型73的关系曲线选取工作点：若使作正弦变化，频率为ω，则有74布拉格声光调制特性曲线与电光强度调制相似。由图可以看出：衍射效率η与超声功率Ps只是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置（类似于电光调制中的偏压Vλ/4=Vπ/2），使其工作在线性较好的区域。对于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式给出。在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍射效率s随声强度Is单调地增加(呈线性关系)；