第二章光调制

1、2020/7/4,1,第二章光辐射的调制,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。,调制的目的：光信息系统的信号加载与控制,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。,2020/7/4,2,载波,调制信息,振幅调制,2020/7/4,3,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；例：对半导体激光器的驱动

2、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。,2020/7/4,4,外调制：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,激光外调制体调制光波导调制,光调制光调制：改变光强或频率光偏转：改变光的方向,2020/7/4,5,2.1机械调制,常用方法：机电振子、旋转调光盘等,用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。,M,t,N,M,t,N,2020/7/4,6,利用电磁感应的机械调制调制的波形与激磁电流的

3、波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。,调制线光源1:线光源2:圆筒3:狭缝4:缝隙光阑,优点：容易实现，不受波长限制等,缺点：难进行高频调制、体积较大等,2020/7/4,7,2.2电光调制,电光调制就是利用电光效应将电信号调制到传输的光载波上，进而实现光学控制。,晶体的电光效应可实现对晶体中传播光波的调制，有相位调制、强度调制和脉冲调制等。在实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成的；电光效应在实际应用中通常有两种方式，即：纵向与横向电光效应；,2020/7/4,8,一、电光效应晶体的折射率因外加电场而改变的现象称为电光效应。,各向同性介质,外加强电场,双折射现象,

4、双折射晶体,双折射性质变化,2020/7/4,9,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,2020/7/4,10,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

5、有电场存在时，折射率椭球在介电主轴座标系中的方程为,2020/7/4,11,无电场时，,，于是,2020/7/4,12,2020/7/4,13,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。,2020/7/4,14,KDP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

6、说明。,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。,2020/7/4,15,如果沿晶体光轴方向加电场，由于，而，可以得到在介电主轴坐标系中的折射率椭球方程为,1.KDP的纵向电光效应,纵向电光效应,2020/7/4,16,式中,是电光系数的矩阵元。为消除上式中的交叉项，使得在新的折射率感应主轴坐标系下成为正椭圆，需进行图1所示的变换，即,轴逆时针旋转了45,角。,图.沿KDP晶体光轴方向加电时，在垂直光轴的平面内折射率主轴发生旋转,2020/7/4,17,在新的感应折射率主轴座标系,下，,折射率椭球方程变为,三个感应主轴的折射

7、率分别为,沿光轴加电场后，xoy截面由圆变为椭圆,沿x方向偏振的传播速度加大，沿y方向偏振的传播速度减小。,2020/7/4,18,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轴旋转了450角，此转角与外加电场的大小无关。,2020/7/4,19,2.KDP的横向电光效应,若入射光方向与施加电场方向相垂直的电光效应称为横向电光效应。电场可以沿晶体的任一介电主轴（x、y或z轴）加于晶体。例如，电场沿z方向施加，光沿x轴方向入射，如图所示。,2020/7/4,20,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。,因外加电场仍沿z轴，与纵

8、向运用时一样，晶体的主轴x和y旋转45o。但此时通光方向与z垂直，沿x方向入射，且入射光偏振方向与z成45o，进入晶体后将分解为沿y和z方向振动的两个分量，,2020/7/4,21,二、电光相位调制,以外加电场平行于光轴的KDP晶体为例，一束线偏振光沿z轴方向入射晶体，且E矢量沿x方向，进入晶体后分解为沿x和y方向的两个垂直偏振分量。光波沿z方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为,完全由电光效应(纵向)引起电光相位延迟。,2020/7/4,22,电光相位延迟,当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时（相位差为）所加的电压称为半波电压，,2020/7/4,23,进行纵向电光效应的实验装置如图所

9、示，它由一对平行偏振器和一块晶体组成。,1.纵向电光强度调制,三、电光强度调制,2020/7/4,24,其中,为检偏器的最大输出光强。,的函数。,时，光强有最大值,当,时，,，出现消光现象。,显然，检偏器的输出光强是电压,当,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。,2020/7/4,25,下图画出了曲线的一部分以及光强调制的情形。,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。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。,2020/7/4,26,I/I0-V曲线,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）,2020/7/4,27,由于检偏器的输出光强是晶体上电压的函数，只要将电信号加载到晶体上，那么就能用电信号调制光信号，故电光调制可以实现模拟信号和低频数字信号的光传输。,优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响；缺点：半波电压太高，特别在调制频率太高时，功耗较大。,2020/7/4,28,纵向调制,1m，V=9.7k