光电子技术(电光调制的物理基础)课件

传输调制解调光源麦克斯韦方程组1第四章光波的调制2前言——历史回顾1据记载，在人类历史上，最早用光传递信息的国家当算我国。早在2700多年前的西周，就开始修建烽火台传递军事信息，于是发生了著名的“周幽王烽火戏诸侯，博得美人笑”的故事。

公元前800年左右，人们用火来传递少量的简单信息。火也是一种光信号。两百年后，征服特洛伊的消息就是通过火传到亚尔古的，两地相距500公里，中间有8个中继站。这就是历史上有名的阿加门农烽火台。

缺点：只能传递一些简单的事先约定好的信号，而不能传递所有信息。3前言——历史回顾2公元前200年左右，古希腊的Poybios发明了一种传输系统，不仅可以传递一些固定信息，还可以传递字母。每分钟大约传输8个字母。而现代通信系统的传输速率为每秒几个G（109）字节。12341αζλπ2βημρ3γωνσ4διξτ5前言——历史回顾317世纪初的一天，荷兰密特尔堡镇一家眼镜店的主人利珀希

，他为检查磨制出来的透镜质量，把一块凸透镜和一块凹镜排成一条线，通过透镜看过去，发现远处的教堂的塔好象变大而且拉近了，于是在无意中发现了望远镜原理。1608年他为自己制作的望远镜申请专利，并遵从当局的要求，造了一个双筒望远镜。据说密特尔堡镇好几十个眼镜匠都声称发明了望远镜，不过一般都认为利珀希是望远镜的发明者。光通信获得新生。6前言——历史回顾41791年，ClandeChappe成功地用基于信号灯的光信息传输系统传送了信息。他的信号发报系统逐渐完善，成为一个真正实用的通信网络系统，并从巴黎传遍了整个法国。1844年，5000多公里，有超过500个站点，并在19世纪初，这一光中继系统发展到了其它国家，随着电的发现和使用被淘汰。7用光作为通讯手段，自古有之。历史上第一项属于光通讯的专利，由贝尔在一八八零年以“光话机”取得，实现了在几百米范围内用可见光传送语言信息。

。但直到高锟关于光纤的论文发表之前，人类想出的各种传输光的方式，都还不足以使之成为有效的通讯工具。在六十年代，即使是最好的导体，光波在其中传输二十米，能量就只剩下原来的百分之一，更何谈“通讯”二字。而高锟提出的光纤，是用高纯度的玻璃纤维制成，光进入到其中，就像进入了一个周围全是镜子的管线，在全反射的作用下，再也跑不掉，只有从另一端出来。光纤低损失、宽频带、尺寸小、重量轻的优点，给人类通讯带来了一场革命，这种与头发差不多粗细的导体，把人类带入了信息无限丰富的时代。8前言——历史回顾61917年，AlbertEinstein提出了受激辐射的概念，预示了激光的存在。1960年，第一台激光器诞生。1962年，第一台半导体激光器出现。20世纪60年代，“光电线”出现了，这就是光学纤维（简称光纤）。1966年，高锟等人预言了SiO2光纤作为通信传输介质的可行性；1967年，人们首次进行了相干光通信实验，并于1974年又一次使用气体激光器在自由空间做了相同的实验，但传输距离都很短，大气干扰。1970年，是光纤通信取得重要进展的一年，美国康宁公司制造出了第一根低损耗光导纤维。光纤的损耗降到了20dB/km，半导体激光器的寿命也到达了一千小时以上。1976年，英国哈德福郡的赫清与斯蒂夫尼奇之间铺设了一条光缆，这个光纤系统能同时提供1920条电话通路。1976－1977年，光纤损耗降低到4dB/km，半导体激光器的寿命达到106小时，各种通信系统出现；1977年，美国在芝加哥市建立了一条光纤市话中继线路。光纤的抗拉强度大，能达到7.2×108帕，它的弯曲直径为1.6毫米。1979－1980年，光纤通信系统投入市话网的局间线路使用，第一代光纤通信系统投入使用。10前言——历史回顾71980年，人们使用光纤及半导体激光器重新开始相干光通信实验。1982年，光纤的损耗已降到了0.28dB/km，现代光通信的时代也随之到来。1982年，英国电信电话公司进行102千米光纤无中继传输的试验，取得成功。1983年，美国电话电报公司建成从纽约到波士顿全长600千米的长途光纤通信干线，光纤开始在公用通信网上广泛应用。就在这一年，美国在国内公用通信网中安装了9000多个光纤系统，使用光缆十几万千米。与此同时，日本也在电力系统、电气铁路、高速公路等方面大力建设光纤通信系统，还敷设了一条贯穿日本南北的光缆干线。我国从1977年后，先后在上海、北京、桂林、武汉等地建立了光纤通信试验系统。12前言——现代光通信系统2过去几十年，通信技术的进步主要体现在：数字化、微处理器程控交换技术、光纤传输技术、LAN、ISDN、蜂窝移动无线通信、ATM等方面。今天，三大关键技术：微电子技术、软件控制技术和光通信技术。下一代通信技术的标志是高性能、高比特率信息高速公路、宽带交互式多媒体服务、智能化网络——包括宽带ISDN（BISDN）和更加灵活的具有SDH标准的ATM系统。14举例VcVcVc15用光波传递信息的特点（带宽、保密、抗干扰）光波的表达式调制方法（AM、IM、PM、FM、PLM）调制手段（电光、声光、磁光、弹光）逆向应用4.1概述光波的特征参量振幅、偏振、角频率、初相位161、调制的分类按调制方式与光源的关系来分，有直接调制和外调制两种。前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率等），得到光频的调幅波或调频波，这种调制又称内调制；后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波透过光调制器，光信号透过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制，光源直接调制的优点是简单，但调制速率受到载流子寿命及高速率下的性能退化的限制（如频率啁啾等）。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适合于高速率下运用。17光源的调制光源的内调制

将信号直接作用在光源（激光器）上，以改变激光器的输出特性来进行调制，于是激光器输出的激光束就包含了待传输的信息，如半导体激光器就常用调制信号直接控制激光器的偏置电源，从而使其所发出的激光强度随待传输信号发生变化，以实现信号调制；还可以把调制元件放在激光器的谐振腔内，用待传输的信号控制调制元件的物理性能变化，改变光学谐振腔参数，从而改变激光的输出特性，实现调制过程。故又称之为直接调制。18光源的内调制用于半导体激光器或半导体发光二极管。P(mV)I(mA)I1半导体激光器的P-I特性曲线P(mV)I(mA)半导体发光二极管的P-I特性曲线20内调制的基本原理在呈直线的部位加入调制信号（即加入跟随输入信号变化的注入电流），则输出的光功率P就跟随输入信号变化。于是，信号就调制到光波上了。21内调制电路图中三极管是提供LED管注入电流的，当信号从A点输入后，三极管集电极电流就跟随模拟量而变，亦即发光二极管LED的注入电流跟随模拟信号变化。于是LED的输出光功率就跟随模拟量变化，就这样实现了对光源的内调制。23音频信号直接光强调制光纤传输系统信号源传输光纤SPD功放电路光电转换及I/V变换电路24数字信号内调制原理图P(mV)I(mA)LED数字信号内调制原理图tIP(mV)I(mA)LD数字信号内调制原理图tIDt“通”“断”IB偏置电流It26数字信号内调制电路一种简单的LED数字信号调制电路。只有一级共发射极的晶体管调制电路，晶体管用做饱和开关，晶体管的集电极电流就是LED的注入电流，信号由A点接入。27光源的外调制内调制方法的优点：电路简单容易实现。但是，若在高码速下采用这种调制方法时，将使光源的性能变坏。例如，使光源动态谱线展宽，造成在传输时色散增加，从而使光纤中所传脉冲波形展宽，结果限制了光纤的传输容量。因此，在高码速强度调制——直接检波的光纤通信系统中可采用对光源的外调制方式。28激光外调制器光波导调制器a）LiNbO3光波导调制器

光纤通信系统的调制器主要是LiNbO3光波导调制器。LiNbO3光波导调制器是利用电光效应对光波的相位、强度或偏振态进行调制的器件。对高速系统而言，最常见的LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder（马赫-泽德）干涉仪（MZI）型行波电极强度光调制器，图2是其结构示意图。这种调制器采用了MZI的波导结构和行波电极结构，不仅可获得很高的工作速度，而且调制信号的频率啁啾非常小。

30激光外调制器b)硅基光波导调制器

硅基光波导调制器是借助硅晶体的电光效应对光信号进行调制的半导体电光调制器。然而，硅的电光效应十分微弱。增大电光效应的最佳办法是借助于载流子注入来实现折射率和/或光吸收率变化（⊿n和/或⊿α）。下图是一种硅绝缘体（SOI）电光调制器结构示意图，这是一种基于大截面单模凸条光波导的光强调制器，其工作原理建立在自由载流子等离子弥散和波导消失效应的基础上。凸条光波导由SOI上的硅光波导层构成。

SOI光强调制器31外调制的基础外场作用下光与物质的相互作用。其共同的物理本质：外场微扰引起材料的非线性变化→光学各项异性。非线性相互作用→光强、偏振、频率、方向、位相变化→实现激光的调制。32光调制改变光强或光频率的技术称为光调制。改变光束指向的技术称为光偏转。33按调制光波的参数分调

制

方

法调幅幅度调制（amplitudemodulation)：将不同的数据信息（0和1）调制成不同幅度，但相同频率的载波信号。

例如：高幅值信号表示‘1’，低幅值信号表示‘0’。

调频频率调制(frequencymodulation)：将不同的数据信息（0和1）调制成相同幅度但不同频率的载波信号；例如：高频信号表示‘1’，低频信号表示‘0’。

调相相位调制(phasemodulation)：利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值，此时的幅度和频率均保持不变；例如：发生相位变化表示‘1’，否则表示‘0’

调幅幅度调制（amplitudemodulation)：将不同的数据信息（0和1）调制成不同幅度，但相同频率的载波信号。例如：高幅值信号表示‘1’，低幅值信号表示‘0’。调频频率调制(frequencymodulation)：将不同的数据信息（0和1）调制成相同幅度但不同频率的载波信号；例如：高频信号表示‘1’，低频信号表示‘0’。调相相位调制(phasemodulation)：利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值，此时的幅度和频率均保持不变；例如：发生相位变化表示‘1’，否则表示‘0’34调幅和调频的组合

354.2.1振幅调制调制前：调制后：光强：36振幅调制的特点即使能够对振幅进行线性调制，但得到的光强信号已变成其二次函数，而非原来的调制函数。如果调制信号f(Q)具有周期性结构(通常如此)，则解调后的信号中将包含有谐波成份，从而形成干扰和失真。374.2.2强度调制调制前：调制后：强度调制是直接对光强进行操作。38强度调制的特点能够实现线性解调；使用中极易实现（如对光源进行调制）。39振幅(强度)调制的干扰问题振幅调制和强度调制有一个共同点——易受干扰，如光源的波动，光信道的漂移等因素均可带来光强的变化，使信号受到干扰。故强度调制一般用在精度要求不高的场合。40振幅(强度)调制的抗干扰措施参考通道:

从参考通道中提取光波动(或干扰)信息，再从主信道中予以扣除。参考通道41抗干扰措施二次调制:

即先将欲传递的信号调制成与振幅无关的形式，如频率、脉宽等，然后再用这种经过调频的电信号对光波进行强度调制，在解调时，由于要通过限幅放大，故只要光波强度的起伏不超过某一限段，最后解调后将不会带来丝毫影响。424.2.3频率及相位调制调制前：频率调制：相位调制：43特点及其讨论PM和FM均是对光载波的角度量进行调制，而角度量的变化并不能直接从光强上表现出来，故必须在到达光电接收器件以前将角度量的变化转化成光强的变化，常见的方法是借助与参考光进行干涉解调（相干探测），其原理将在第五章详细介绍。44特点抗干扰能力强（主要指抗振幅、光强的波动）灵敏度高动态范围大整个系统的成本高，主要是由于灵敏度太高，光源自身的相位抖动或波长漂移均不可忽略，故高质量的光源必然带来高的成本。此外，环境因素极易引入错误的信息。45伟大的小东西（1）闪存

2000年11月，以色列的M-SYSTEMS公司DiskOnKey闪存研发成功，标志着软驱被判死刑，闪存拷贝大块头文件从此变得如此简单，一个拇指大小的小玩艺成为了电子商城中的抢手货。数码相机柯达公司在1994年所推出的DC40，是世界上第一款成熟的商用消费型数码相机，重量只有0.5kg。而1975年问世的首部原型机重量达到了8.5磅，由16节AAA电池驱动。没有它的出现，今天你只能“扛着”相机和家人外出留影了。翻盖手机

1996年，摩托罗拉推出StarTAC翻盖手机，它是第一款人人都爱不释手的手机，它小巧有型的外形令手机的轻松移动性成为现实。使手机从大砖头的形象转变为时尚的表达。46概述A、1875年，英国的kerr发现了电光效应中的kerr效应。B、KDP晶体在电场作用下的双折射效应。C、POKELS效应D、利用超声波作用下介质折射率周期性变化的声光效应→声调器E、法拉第效应→磁调器或光隔F、强磁场中激光的zeeman效应→超细光谱分析474.3电光调制的物理基础电光效应——某些介质的折射率在外加电场的作用下，由于极化现象而出现光学性能的改变，影响到光波在晶体中传播特性的一种现象。电光效应的实质——在光波电场与外电场的共同作用下，使晶体出现非线性的极化过程。48双折射晶体4.3电光调制的物理基础

4.3.1自然双折射效应在各向异性晶体中，不同偏振方向具有不同的折射率，而使入射光分解成寻常光和非常光（o光和e光）的现象。o光e光寻常光(o光)：晶体内符合普通折射定律的折射光线。非常光(e光)：晶体内违背普通折射定律的折射光线。

折射定律可以普遍地表述为：“折射波法线、入射波法线以及界面法线三者共面；波法线与界面法线间夹角的正弦和折射率的乘积在界面两侧相等。”那么，对o光来说，这个普遍的折射定律仍然是适用的。我们知道，波法线与波面垂直，代表波的相位传播方向；而波线或光线所代表的却是波扰动的传播方向或能量流动的方向。对于晶体中的e光来说，光线与波法线一般来说并不重合。e光的光线不满足普通的折射定律，而波法线却满足普遍的折射定律。494.3电光调制的物理基础

4.3.1电光效应自然双折射现象是由晶体自身的结构特性引起的。在加上外部电场后，本来是各向同性的介质，有可能产生双折射现象；而原来已经有光学各向异性的介质，其双折射性质也可能发生变化。这就表明，由于外电场的加入，晶体产生了人为双折射现象。电光晶体o光e光V50二次电光效应(克尔效应)

线性电光效应(普克耳效应)4.3电光调制的物理基础

4.3.1电光效应电光效应——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。a、b为一次、二次电光系数，其值由材料的结构和对称性决定。

51Kerreffect

1875年克尔（Kerr）发现了第一个电光效应。某些各向同性的透明介质在外加电场作用下变为各向异性，表现出双折射现象，介质具有单轴晶体的特性，并且光轴在电场的方向上，这一现象又称为克尔效应（Keereffect）。某些液体的克尔效应比较显著。克尔效应最大的特点是几乎没有延迟时间，它随着电场的产生与消失很快地产生和消失，能追随非常快的交变外电场响应频率可达1010赫兹。52Kerreffect

如图所示，在两端平行透明的容器内装上两个平板电极，并装上克尔效应显著的液体，则构成克尔盒。一般首先使入射平面偏振光的偏振化方向与检偏器的偏振化方向垂直，且与电场方向的夹角分别为±45°。在电极不加电压的情况下，透过检偏器的光强为零，光开关处于关闭状态。随着电压的升高，通过克尔盒的o光和e光的位相差在增大，它们合成光的偏振态随之变化，透过检偏器的光强也随之变化。当极板上的电压加到U0，刚好使o光和e光的位相差为pi时，克尔盒相当于一个l/2波片，此时，透过克尔盒的光的偏振化方向与检偏器的偏振化方向一致，透过检偏器的光强最大，光开关处于全开状态。使电压分别取0和U0时，则克尔盒可用作电光开关。若在克尔盒的电极上加调制信号电压，则有与信号变化相应的光强通过检偏器，此时克尔盒变成光调制器。由于克尔效应无时间延迟，它可作为高速开关，如高速摄影、光速测量中的光切割器等。近年来则更多地用作脉冲激光器的Q开关。534.3电光调制的物理基础

4.3.1折射率椭球

用解析的方法讨论光在晶体中沿任一方向传播时的相速度与偏振方向的关系是十分复杂的，而采用折射率椭球的几何图形方法能够较直观的解决这个问题。

x、y、z为晶体的介电主轴方向，即晶体中这些方向上的电位移矢量D与电场矢量E是平行的，其对应的折射率为nx、ny、nz

。一般情况下，nx、ny、nz

彼此间不一定相等，曲面成椭球状，故名为折射率椭球。对各向同性晶体，nx＝ny＝nz

上式表示一个球面，表示光在晶体中沿各个方向传播时的传播速度相同；对单轴晶体，nx＝ny≠nz，上式表示一个旋转椭球面，是由xz平面上的椭圆绕z轴（光轴）旋转而成。对双轴晶体，由于nx≠ny≠nz，上式表示为三轴椭球面。544.3电光调制的物理基础

4.3.1折射率椭球zyxkzyxkzykθOne(θ)nOzykθOne(θ)nO554.3电光调制的物理基础

4.3.1折射率椭球在无外场时，折射率椭球由式（4.10）描述，当晶体施加外场作用时，其折射率椭球将发生“变形”。当外加电场时，原主坐标系中的相对介电抗渗张量变为：564.3电光调制的物理基础

4.3.1折射率椭球

方程中交叉项（xy,xz,yz）的出现说明新主轴方向不再与原主轴重合，现在的问题是要找到折射率椭球的新主轴系，使椭球方程变成标准形式：574.3电光调制的物理基础

4.3.1线性电光效应因为γijk对i，j是对称的，采用缩写角标，则上式写为：非中心对称的线性电光效应表示为：用矩阵形式表示即为：584.3电光调制的物理基础

4.3.1线性电光效应这就是线性电光效应的矩阵表达形式，γij的称为电光张量矩阵，单位是m/V。594.3电光调制的物理基础

4.3.1线性电光效应讨论①上式描述了外加电场通过晶体的电光张量对折射率的变化所施加的影响；②对于常用的晶体，其电光张量具有相当的对称性，其大部分元素均为零。604.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应要了解在外加电场后光在晶体中的传播情况，必须了解折射率的变化情况，为此，需要确定新的主轴坐标系，写出在新坐标系下的折射率椭球方程，以确定三个新的主折射率。新的椭球方程与未加电场时的椭球方程相比较，一般出现两种情况。①交叉项的出现→坐标轴发生了旋转②没出现交叉项，平方项的系数发生变化→椭球形状、大小发生了变化。不论哪种情况，都要对方程进行变换，确定新主轴坐标系，求出新的主折射率。614.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应电光张量624.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场//光轴)晶体未加电场时的折射率椭球方程为：为在实际应用中，电场总是加在晶体的某些特殊轴的方向，令外电场沿z轴施加，则

在推导中，使用：外场影响！634.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场//光轴)消除交叉项644.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场//光轴)这实际上是将原坐标轴在X—Y平面上旋转了π/4

65664.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场//光轴)坐标变换结果表明：（1）施加外场Ez后，椭球的xoy截面由圆变为椭圆，折射率椭球由旋转椭球面变为一般椭球面，KDP晶体由单轴晶体变为双轴晶体。（2）x’方向折射率nx’比原来的折射率no有所减小，而y’方向折射率ny’与原来的折射率no相比有所增大，于是沿x’方向偏振的光传播相速度加大，而沿y’方向偏振的光传播相速度减小，因此称x’轴为快轴，y’轴为慢轴。674.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场//光轴)68例4.2电光效应引起相对折射率的变化。在长度为10mm的KDP晶体上施加4000V的电压，则69伟大的小东西（2）一次性照相机1987年日本富士公司为积压的胶卷装上了快门和镜头，推出了一次性照相机，亦称自拍胶卷。照相机的发展经历了150年，一次性照相机的出现终于将当年少数人的奢侈品变成了一种大众化的日常消费品。手机短信1992年，当世界上第一条短信在英国沃尔丰的GSM网络上通过PC向移动电话发送成功时，谁也不会想到，短信会成为继书信、电话之后又一个交流感情的工具。任天堂游戏机

1983年，第一代家用电子游戏机任天堂FamilyComputer诞生。和庞大街机相比，红白机小巧的外形令玩家足不出户便能尽情娱乐。23年过去了，它成为无数人心中抹不去的美好回忆，它的成就无疑将永载电玩史册。704.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场⊥光轴)如果沿着KDP晶体的主轴坐标系的x方向加上电压，情况又会有不同。因为，式中出现了交叉项yz，说明y轴与z轴发生了转动，x轴则保持不变。根据坐标系转动前后新旧坐标轴之间的关系714.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场⊥光轴)令交叉项为0724.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场⊥光轴)734.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场⊥光轴)将sinα与cosα带入椭球方程，最终求出在新主轴坐标系中的三个主折射率近似为：744.3电光调制的物理基础

4.3.1KDP晶体的线性电光效应(外电场⊥光轴)坐上述结果表明：（1）施加外场Ex后，新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕x轴旋转α后形成的，α与外电场成正比，但一般是一个小值。（2）施加外场Ex后，折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球，单轴晶体变为双轴晶体，双轴晶体的光轴方向之一仍为原z轴，另一光轴位于以z’为对称轴且和z轴对称的方向上。事实上，外加电场垂直于光轴时，KDP晶体的横向电光效应为零，纵向电光效应也十分微弱，因而通常不采用该种工作方式。754.3.2电光延迟外加电场能引起折射率的变化，折射率的变化又会引起光在晶体中传播状况的变化。因而，利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光调制，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。下面以外加电场平行于光轴的KDP晶体为例，分析利用电光相位延迟实现纵向与横向电光调制的过程。764.3.2电光延迟

——电光延迟(光路图)位相延迟LV调制器出射光入射光Ex’y’774.3.2电光延迟

作为电光效应最直接的应用，便是能够使得光通过在外场作用下的晶体时，光的两正交偏振分量将获得各自不同的位相延迟，从而在晶体的出射端组合成新的偏振态。

如果光波沿z轴传播，就必须确定过折射率椭球原点（z=0）且垂直于z轴的平面与椭球交线所构成的椭圆。于是：784.3.2电光延迟设光沿z方向（主轴）传播，光波电场矢量E沿未加电场前的x方向振动。它可以分解为x’和y’两个方向的振动。这两个分量的光场可表示为：将nx’与ny’分别带入得到：794.3.2电光延迟两分量相位差为X与Y分量的相差这个相位延迟完全是由电光效应造成的双折射引起的，所以称为电光相位延迟。当电光晶体和传播的光波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压，即只要改变电压，就能使相位成比例地变化。也就是说，纵向电光效应的相位延迟只与通光波长、晶体电光系数及外加电压有关，而与晶体几何尺寸无关。80Ex’、Ey’的变化曲线及相应的光场矢量变化情形Ex’x’y’z’Ey’x-y’yx’OyГ=0Г=π/2Г=π814.3.2电光延迟Г2nπ2nπ+π/22nπ-π/2(2n+1)

π偏振态X方向偏振

左旋圆偏振

右旋圆偏振

y方向偏振

当Г为π时的电压称为半波电压Vπ

（即光波的两个垂直分量的光程差为半个波长），有：半波电压是表征电光晶体调制特性的一个重要参数，其数值越小，表明在相同的外加电压条件下可以获得的相位延迟就越大，因而调制器的调制效率也就越高。824.3.2电光延迟例4.2半波电压对KDP晶体，波长为1.06μm时，

结论：采用电光调制，由于电光系数太低，使得调制电压非常高，给使用带来不便。834.4电光调制器

4.4.1电光强度调制关键点1关键点2关键点3自然光垂直偏振x-yzy’x’输出光水平偏振输出x’y’V844.4电光调制器

4.4.1电光强度调制入射面：分解：出射面：固定相位延迟85入射光强4.4电光调制器

4.4.1电光强度调制合成：光强为：新振幅864.4电光调制器

4.4.1电光强度调制借助于半波电压，上式可写成50100透过率%0V0/2V0施加电压π/2π相位差讨论：

线性问题

调制率I/I0随调制电压V的变化为一非线性函数.尤其在小信号时I/I0∝V2,将产生严重的非线性失真。874.4电光调制器

4.4.1电光强度调制(线性问题的改善方法)在光路（起偏器与电光晶体之间）中插入一个1/4波片，插入1/4波片后两偏振分量的相位差为：则调制率为：小信号调制时：线性调制88水平检偏器¼波片垂直起偏器4.4电光调制器

4.4.1电光强度调制(线性问题的改善方法)圆偏光水平偏振输出出射光V调制器¼波片入射光894.4电光调制器

4.4.1电光强度调制(线性问题的改善方法)调制电压透射输出透过率电压tV050100904.4电光调制器

4.4.1电光强度调制(电极问题)

由于是纵向调制，即外加电场与光波传播方向平行，故在实际使用中亦应将调制电压沿光波传播方向施加。加载调制电压的方法通常有两种：环状电极：电场的均匀性不太理想。透明电极：对光波有一定衰减，但该损耗正在逐步减小，电场的均匀性好。914.4电光调制器

4.4.1电光强度调制(电极问题)92伟大的小东西（3）东芝笔记本电脑

1985年，世界上第一台真正意义上的笔记本电脑东芝T1100诞生，电脑采用的是不到1MHz的Intel8086处理器、9英寸的单色显示屏，没有硬盘，可以运行MS-DOS操作系统。T1100的诞生将原本臃肿笨重的电脑放进了背包里，走到哪里带到哪里。《冒险岛》

1978年，世界上第一款PC游戏——《冒险岛》在美国问世。相信20到30岁的人对这个游戏记忆犹新，高桥名人也因此家喻户晓。它所占的容量不到现在动辄上G的游戏的万分之一。随身听

在1979年蓝白相间的Walkman登场之前，人们只能坐在家里那台两块砖头大小的录音机前欣赏音乐，这款价值200美元的播放器带给人的观念是“音乐原来可以随身听”。93横向电光调制优点：①避开电极对光波的影响；②通过增加晶体的长度来增加调制效果（或降低电压）。94横向电光调制器光路电极仍然沿Z向施加，光波沿Y传播电极LDxzyV调制电压传播方向输入光偏振方向95横向电光调制两个正交分量的光程为：光程差为：相位差为（4.22式）：96横向电光调制——讨论使降低调制电压的途径：在达到一定量相位调制的前提下，①增加晶体长度②减小晶体厚度晶体自然双折射引起的相差与外加电场无关，在实际应用中起偏置作用，对温度非常敏感。97横向电光调制——讨论①这种“偏置”随温度变化将产生明显的漂移，从而使调制不稳定，产生畸变，甚至无法正常工作。②

一般采用几何形状相同但主轴坐标系中的坐标轴错位（互相垂直或反向平行等形式）的晶体串接。

98组合调制——讨论x1光波z1yV+-调制电压LDV+-x2z2电极99组合调制1对第一个晶体，在z1方向偏振的光波的折射率为nz1，x1方向的折射率为nx1；对第二个晶体，在z2方向偏振的光波的折射率为nz2，x2方向的折射率为nx2；总的相位差自然双折射的影响被消除！100组合调制2工作原理：在两个尺寸相同的晶体之间插入一个λ/2波片，加电压后的新主轴坐标系中，两个y方向相同，两个晶体的x方向反向平行。入射光的偏振方向分解为沿第一个晶体x轴的o光和沿z轴的e光。经过λ/2波片，o光变e光，e光变o光，两部分的相位差相加的结果，正好消除了自然双折射的影响。LDVxyzyxzVxzλ/2波片101纵向与横向电光调制比较①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，

b、缺点是半波电压太高，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。②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与厚度可使半波电压降低。而纵向调制的相位延迟与晶体的长度与厚度之比无关。

b、缺点：自然双折射引起的相位延迟。102伟大的小东西（4）魔方

1974年匈牙利布达佩斯建筑学院教授卢比克发明了魔方。当这种神奇的玩具被推向市场后，从匈牙利到欧洲到美国立刻走红，几乎所有国家都出现了以魔方命名的俱乐部，好像生活中除了玩魔方再没有什么更重要的事了。苹果电脑

从1976年乔布斯和沃兹在车库里面造出第一台苹果电脑至今，苹果电脑已经走过了30个年头，历经了Apple机、Macintosh、Power、iMac、iBook等阶段，除了出众的外表楚楚动人，在速度和性能方面以及个性化的操作系统，都让它成为了个人电脑中的BMW。家用微波炉

在1965年雷声公司设计出第一台家用微波炉之前，早期微波炉尺码庞大，重量超过300公斤，高度超过1.5米，只有在大型餐厅和食物市场才得一见。雷声公司的家用微波炉把家庭主妇从烹饪食物的苦行中解脱出来，让做饭变成一件快捷而有趣的事情，由此也有人称之为“妇女解放者”。1034.4.3高频电光调制

1、调制效率为了尽可能利用光载频的资源，必须研究光波调制中的高频段。在高频段容抗1/jωc逐渐减小，产生“旁路”作用，使得晶体上获得的调制信号减小，从而使得调制效率降低。·VsRsReRC电光调制器等效电路电光调制器等效电容·VsRs电光晶体1044.4.3高频电光调制

1、调制效率解决办法：在晶体的两端并联一电感，且使之与晶体的等效电容在工作频点附近形成并联谐振，此时调制电压几乎全部加在电光晶体上。·VsRsRcRCL1054.4.3高频电光调制

2、渡越时间

当调制频率很高时，在光波通过晶体的渡越时间内，电场可能变化很大。特别是当渡越时间与调制周期可以比较时，光波在晶体中各部位所承受的调制电场差别很大，这是在空间不同位置受到不同的信号电压的调制。在整个晶体空间内，虽然折射率仍然只是时间的函数，但相位延迟却变为时间和空间的函数。光波通过晶体的时间。1064.4.3高频电光调制

2、渡越时间若调制电场为一正弦波时，可得表示由于有限通过时间引起的峰值相位的减小。由(4.51)式可知，只有γ＝1当时峰值相位延迟才不受渡越时间的影响，此时必须有即调制波与光波的相速相等。

E(t’)1074.4.3高频电光调制

2、渡越时间（行波调制法）

1、行波调制的方法，主要思想是让调制信号沿电极的传播速度与光波在晶体中的相速度相等，则光波将受到一个“恒定”电场的作用。2、光波沿“锯齿”状波导行进，而调制电场则“走直线”。

1084.4.3高频电光调制

2、渡越时间（行波调制法减小渡越时间的影响）

109行波电光调制器结构示意图LDxzyV调制电压输出光输入光偏振方向输入光1104.5电光偏转

使一束单色平面光通过一块折射率随高度呈线性变化的介质时出射光波将偏离原传播方向而产生偏转，利用这一原理工作的器件就是光偏转器件。

随着技术的发展，电光偏转技术将在光扫描、光存贮、光显示、光摄像等领域得到广泛的应用。111光偏转的原因介质的几何形状折射率梯度112光楔利用介质几何形状引起光偏转。ABA’B’B’’dlαθ1134.5.1电光偏转的基本原理电光偏转器的工作原理如图所示。设一平面波入射到晶体上，其波前为AB，光波的传播方向即为其波前的法线方向。因此，欲使光波通过晶体后改变其传播方向(偏转)，只须使波前改变，让A光线和B光线具有不同的光程即可，这可使晶体的折射率随其横向距离x而变来达到，令折射率随x呈线性变化。ABlDyxABθ光束传播方向Δy1144.5.1电光偏转的基本原理对A光线，其折射率为，它通过晶体的时间为：B光线通过晶体的时间为：在晶体的出射面上，A光线将滞后B光线：这相当于光束在晶体内部偏转了角度：该角为光束在晶体内出射面上的入射角，光束穿出晶体的偏转角(即折射角)由斯涅尔定律决定：1154.5.1电光偏转的基本原理利用电光效应应使光束在晶体中逐步偏转的基本原理就是利用了光在不同折射率的界面上产生折射的现象，现以两块置于空气中的KDP晶体为例说明。偏转器由两块棱镜胶合在一起，三条直角边与晶体加电场后的主轴坐标系的三个主轴分别平行，外加电场沿z轴方向，令