《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap5.ppt

1、第五章 光调制技术-光信息系统的信号加载与控制,5.1 晶体光学基础 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制,光调制 通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数，使传播的光波携带信息的过程。 功能 在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换 目的 对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换，使之便于理解、传输和检测 光调制器： 利用光和物质相互作用所产生的效应来控制光波的强度或相位的器件,二 、光调制分类,调制位置,调制光波的参量,内调制(直接调制),外调制(间接调制),电光调制,声光调制,磁光调制,振幅调制,相位调制,偏振调制,物理效应,调制形

2、式,模拟调制,数字调制,脉冲调制,其他 (如:电吸收调制),内调制 将调制信号直接注入激光器，从而改变输出激光的参数的调制方式 外调制 在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输信号加载到调制器上，使输出光的特性随信号而变的调制方式,1875年，英国的Kerr发现了电光效应中的Kerr效应，利用这一效应制作的Kerr盒是一种用途广泛的电光调制器； 利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应也可以制作电光调制器； 利用Pokels效应也可以制作电光调制器； 利用超声波作用下介质折射率周期性变化的声光效应可以制作声光调制器； 利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器。 利用强磁场中激光的Zeema

3、n效应可以进行超细光谱分析与激光稳频。,5.1晶体光学基础,空间点阵学说与空间群理论结合，形成了近代关于晶体几何结构的完备理论 。 5.1.1晶体结构与基本概念 晶体 组成物质的微粒（原子、分子或离子）或微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。 基元 构成晶体的无限重复的微粒或粒子群，是晶体的基本结构单元，称为基元。,晶体实物图,晶体构造示意图 金刚石结构（Ge、Si晶体） (b) 闪锌矿结构（GaAs晶体）,晶格 点阵： 基元用结点代替，则晶体可看成一些相同结点在空间有规则周期性无限分布形成的集合，称点阵。 晶格 通过点阵中的结点可以做许多平行的直线簇和平行的平面簇，构成一种

4、格子结构，称为晶格， 格点 晶格中的结点就成为晶格中格点。,晶胞 晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移矢量a、b、c为三个相邻棱边，形成一个平行六面体晶体的基本重复单元：晶体学原胞，简称晶胞 平移矢量代表晶胞棱边的长与取向，晶棱长即平移矢量应为该取向上的最小重复长度，称为晶胞的周期。 选择原则 所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性，以及平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致。 平行六面体上棱与棱之间的直角关系应力求最多。 平行六面体的体积应最小,晶胞常数 用来描述晶体学原胞的三个棱长a0、b0、c0以及它们之间的夹角、这六个参数 晶格常数与晶轴 a0、b0、c0称为

5、晶体原胞的晶格常数，其方向代表晶轴方向。,晶面 晶体点阵可从各个方向划分成许多组平行且等距离的平行点阵，这些平行点阵所处的平面称为晶面，晶面方向由密勒指数（hkl）标记，h、k、l是互质的整数，其比有关系： 其中，、为晶面与晶轴相交的截距。,七大晶系、十四种布拉菲格子、三大晶族,七大晶系 根据晶胞常数的特点，可将晶体分为七种类型 布拉菲格子 每一晶系由可以按照节点在其中的分布规律再细分成四种可能形式的晶格。布拉菲证明这28种形式中，只能有14种独立的空间格子 低级晶族：无高次旋转轴的晶体 中级晶族：有一个高次旋转轴的晶体 高级晶族：有一个以上高次旋转对称轴的晶体,配位数： 晶格点阵中某一格点相

6、邻的格点数。 面心立方格子配位数12，体心立方格子为14。 原子致密度： 晶体内原子所占体积和晶胞总体积之比。 面心立方格子致密度0.74，体心立方格子0.68。,5.1.2晶体的基本性质,自限性 指晶体自发形成封闭凸几何多面体的能力。 晶面、晶棱、顶点间关系：晶面数+顶点数=晶棱数+2 晶面角守恒 同一品种晶体不论其外形如何，晶面间交角总是确定的 均匀性 指晶体在不同位置上具有相同的物理性质。 晶格中所有格点都在三维空间以原胞为单位周期性排列 每个原胞周围的格点情况均一样均匀性,各向异性 指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。 本质：晶体沿不同晶轴方向晶格常数不同，即：晶格中各向格点的排列

7、方式不同 典型表现： 解理：晶体受力后破裂总沿一个确定方向发生 双折射：当一束光射入某些晶体时，出射光会分为两束偏振方向不同的光，向两个方向折射。 标志晶体中光波传播的相速度与光的偏振状态与光的传播方向有关。对于一定的传播方向，一般有两个可能的相速度值，它们相应于光波的两种互相正交的偏振态。,5. 对称性 指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则的重复性。 6. 最小内能性（长程有序性） 晶体内部规则排列的质点间引力与斥力平衡，所有质点均处于平衡位置，形成一种规则排列的长程有序结构。此时，无论使质点间的距离增大或减小都将导致相对势能的增加，因而晶体具有最

8、小的内能。 体现：晶体具有一定的熔点、凝固点,5.2光在晶体中的传播,5.2.1晶体的极化率与介电系数 介质极化强度P与入射光强度 E： 晶体在不同方向上的极化率 不同，P不再与E同向， 表现为极化率 成为二阶张量，具有九个分量：,于是， 各向异性晶体中P每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系，P不再与E同向； 坐标系确定后 均为常数， 的大小取决于晶体的结构和三个坐标轴相对于晶格结构的选择情况。 坐标系选择任意，但被描述物理性质客观存在，不因坐标系而变化 选择坐标系为晶体的主介电坐标系，则张量非对角元素为零：,由电磁场物质方程 得,与 都是对称二阶张量， 、 简化下标得：,在主介电坐标系中

9、上式简化为：,低级晶族 中级晶族 高级晶族,对称性不同,直角坐标系中，直观表示为：,晶体宏观对称性对应于张量分量个数和大小的制约关系，可使表达简化,相应各向异性晶体折射率 主介电坐标系下，考虑简化下标及对称性,5.2.2 晶体光学特性的几何表示,在晶体介质中，E的波动方程为： 若 则在直角坐标系中,有解条件：,k与传播方向的关系，k空间三维曲面，特性： 表面上的任意给定点离开原点的距离等于沿着该方向传播的光波波矢大小。 由两层曲面组成。 说明当非偏振光或任意方向的 偏振光沿晶体传播时，光波由 以不同相速度传播的两个彼此 独立的正交偏振组成。 通过原点和两层曲面的公共点 (一般4个，或2个、0个

10、)连线方 向传播的两个波有相同相速度 光轴,波矢面图,1. 波矢面,2. 折射率椭球确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度,直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴分量表示为通式 代表一个椭球，称折射率椭球， 是晶体各向异性的几何表示，有性质： 其中任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个振动方向；其长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。 对于任意给定的波矢k，利用折射率椭球可求光波D的偏振方向及相应折射率：通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振允许方向，两个轴长度 、 为相应折射率。,2. 折射率椭球,低级晶族 折射率椭球具有 ，其波阵面截面图有两

11、条光轴，这种晶体称为双轴晶体； 中级晶族 三个主折射率中有两个主折射率相等，晶体的波矢面由一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴即为光轴； 高级晶族 = = ，两个波阵面重合，晶体不再呈现双折射。 线性情况下，其特性与各向同性晶体一样， 非线性情况下出现高阶介电张量，不同于各向同性晶体。,2. 折射率椭球三大晶族折射率椭球,2. 折射率椭球单轴晶体,取光轴为z轴，沿x、y轴的主折射率相等，说明xoy平面内传播光D、E方向一致，与各向同性介质中光波性质一样，称寻常光，相应主折射率为寻常折射率，记为no 沿光轴的主折射率称非常折射率，记为ne 正单轴晶体 , 折射率椭球为长椭圆形(橄榄型

12、)， 负单轴晶体 ，折射率椭球为扁椭圆形(药片型)。,2. 折射率椭球单轴晶体,2. 折射率椭球单轴晶体折射率椭球特性,xoy平面与椭球截面是一个圆，其半径为no。 表明当光波沿着z轴方向传播时，即ki平行于光轴时，只存在一种折射率no，光波电位移矢量D可取垂直于Z轴的任何方向，于是，不产生双折射。z轴即单轴晶体光轴。 xoz、yoz平面，或其它含z轴的椭球截面为一椭圆，其两半轴长度分别为 、 。 表明当光垂直于光轴入射(ki垂直于光轴，处于xoy平面内)时，可允许两个彼此正交的线偏振光传播，其中一个光波偏振方向平行于光轴、折射率为 ，另一光波偏振方向垂直于光轴、折射率为 。,2. 折射率椭球

13、单轴晶体折射率椭球特性,当ki与光轴夹角为 时，通过原点O垂直于ki的平面与椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于两种本征光波： 寻常光：折射率及相速与 无关，D、E方向一致，折射率no称寻常折射率 非常光：折射率ne( ) 满足方程：,折射率与相速与 有关，D与E方向不一致,3. 折射率面表示折射率随传播方向的变化,与波矢面对应的有折射率面 特性 折射率面上，任意给定点离开原点的距离等于沿着这个方向传播的光波的折射率。 晶体 寻常光波的折射率面为球面 非常光波的折射率面是椭球面。 单轴晶体 寻常光波的折射率面为球面 非常光波的折射率面简化为旋转椭球面,3. 折射率面单轴晶体k

14、-z平面与折射率面的交线,(a) 正单轴晶体 (b) 负单轴晶体 “人眼型” “猫眼型” 图5-4 正负单轴晶体k-z平面与折射率面的交线,ne,5.2.3晶体的双折射,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 介电晶体各向异性的最重要、最直观的结果之一,单轴晶体中，对应不同的界面相对于光轴取向(背景)关系下双折射情况示意图。,沿某个方向k传播的光其双折射率定义为与k垂直的平面内两个本征偏振的折射率 、 之差 单轴晶体 越大，则沿该向传播的光双折射现象越明显 利用晶体的双折射可以制作偏振片 光波从单轴晶体n1内部以角 射向晶体与光疏媒质n2的界面，取入射面垂直于

15、光轴，于是： 以负单轴晶体为例，则入射角满足 时，寻常光将发生全内反射，而非常光将发生折射。由于寻常光波D光轴，非常光D光轴，于是由于晶体双折射就产生了平行光轴全偏振的折射波,5.2.3晶体的双折射,5.3 电光调制,外加电场能引起某些晶体各向异性的折射率变化 分析外加电场如何引起晶体的光学性质变 如何利用这一性质进行光调制。 5.3.1 电光效应 电光效应 当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化的现象 电光效应弛豫时间很短，仅有10-11量级 外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成 可用作高速调制器、高速开

16、关等,为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件,外加电场相对光场为低频 外加电场频率接近或达到光频时属非线性光学研究范畴 所研究介质为无对称中心的晶体 本节研究线性电光效应，只能存在于无对称中心晶体中 外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体 此时D与E的方向一致，因而D只随E的大小变化。,1 泡克尔斯(Pockels)效应 与克尔(Kerr)效应,当外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体,、,、,均为常数。,为不加电场时的介电,常数，称线性介电常数。 定义D(E)的斜率为加电场后的介电常数：,取二阶近似 为线性电光系数 ，对于 所决定的效应，n的变化与外加电场的一次方成正比，称为线性电光效应或泡克尔

17、斯(Pockels)效应； 为二次电光系数， 所决定的效应，n与外加电场平方成正比，称为二次电光效应或克尔(Kerr)效应。,2 晶体的电光系数,引入逆介电张量 ： 则不加外场时在xyz主介电坐标系中的折射率椭球又可表示为： 电场存在情况下，新椭球方程,外加电场E对n的影响可以方便用 的变化 来表示，即 是外加电场引起的，对于线性电光效应，它应与E成正比： 是对称张量，因而 也是对称张量,非中心对称晶体的电光系数矩阵,常用晶体的电光系数,5.3.2KDP晶体的线性电光效应,KDP晶体是人工生长的KH2PO4单晶的简称 . 不加外场时，其折射率椭球为： 当晶体受到外加电场作用后，其线性电光效应矩

18、阵为：,由此得新的折射率椭球为： 外加电场引起了折射率椭球中的后三项，即“交叉项”，它们与xy、yz、xz有关，这意味着加上电场后，椭球的主轴不再是x、y、z轴，而是有所偏转。新主轴、的方向和大小与E的关系就确定了电场对光传播的影响。,1 外加电场平行于光轴,设新主轴 相对旧主轴 旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系 在新主轴坐标系 中，折射率椭球方程变为：,结论： 1 施加外场E3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由单轴晶体变为双轴晶体。 2 沿 方向偏振的光传播相速度加大，而沿 方向偏振的光传播速度减小，因此 轴称为快轴， 轴为慢轴。,2外加电场垂

19、直于光轴,外加电场垂直于光轴也就是E处于xoy平面内 新折射率椭球方程 设新主轴 相对旧主轴 旋转了角度，则新旧坐标系之间有关系,得新主轴坐标系 中，折射率椭球方程变为： 新主轴坐标系中三个主折射率近似为,结论：,施加外场E2后，新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕y旋转角后形成的，与外加电场成正比，但一般是一个小值。 施加外场E2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 轴为对称轴且和z对称的方向上。,5.3.3电光调制,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

20、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。 1 电光相位延迟 以外加电场平行于光轴的KDP晶体为例，,将E沿 、 轴方向分解得： 光波沿z方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为,某一时刻,、,的变化曲线及相应的光场矢量变化情形,当相位延迟时，光场为x方向偏振的线偏振光，当/2时，光场为圆偏振光，当时，光场又变成沿y方向偏振的线偏振光。 与对应的偏振光相对入射光旋转了90，其相应的电压称为半波电压 晶体的电光系数越大，相应半波电压越低 . 通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。,表5-4 部分四方晶系晶体 的和,2 纵向电光强度调制,图5-8 纵向电光强度调

21、制器,设：入射光经起偏片后强度为02，即： 经过长l的晶体后，,再经/波片，,检偏器出射光总场强为 出射光强为：,图5-9纵向电光调制器调制特性曲线,使用电光调制器的光通信线路,3横向电光强度调制,式中第一项表示天然双折射造成的相位差， 第二项由电光效应引起，为电光延迟。,由第一项确定工作点位置后，根据第二项 正比于l/d，恰当选择长宽比，以实现有效 的电光调制。,4 相位调制,说明通过外加调制电压可以实现位相调制。,5 波导电光调制器,波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场加在通光波导区，可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。 可以通过波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦

22、合等特性来实现光的直接强度调制与开关等 。 波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦合等优点,6 电光偏转器件,光楔偏转 光楔就是利用介质几何 形状引起光偏转的。 其偏转角,光楔偏转原理,KDP电光晶体偏转器,. KDP电光晶体偏转器 将KDP晶体研磨成两块直角棱镜，然后把它们沿斜面胶合在一起，,光束偏转角,与外加电压V成线性比例关系， 通过调节V可使光束发生连续偏转。,KDP电光晶体偏转器组,m=5,KDP电光晶体偏转器组,随着对数m的增加， 偏转角随之增大， 实现了有效的电光偏转。,5.4声光调制,声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期性

23、变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。 5.4.1 弹光效应 晶体在应力的作用下发生形变时，分子间的相互作用力发生改变，导致介电常数（折射率n）的改变，从而影响光波在晶体中的传播特性。,晶体上不加声场前，折射率椭球方程为： 加声场后 弹性应变Skl是一个二阶张量， 称为弹光系数张量。 采用缩写符号,简单的各向同性融熔石英,折射率椭球变为： 以x为光轴，在主轴坐标系中 当光沿y或z向传播时，双折射率为 双折射率取决于P11、12之差值,5.4.2声光衍射,1 声光衍射的定性描述 在晶体中传播的超声波产生弹光效应使晶体的介电常数发生变化，晶体中形成了周期性

24、的有不同折射率的间隔层，这些层以声速运动，层间保持声波波长一半( )的距离，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。 声光调制器与偏转器正是利用声致光衍射的这些性质来实现的。,2 声波在介质中传播可分为行波与驻波两种形式,每隔Ts/2，折射率在波腹处变化一次，在波节处保持不变，即波通过介质所得到的调制光的频率为超声波频率的2倍。,(a)超声行波,(b) 超声驻波,3 喇曼奈斯衍射,在低声频和相互作用长度(声场厚度)不太大的情况下，入射光在相互作用区内部的传播方向仍保持直线方向，而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响。声波的作用可归结为形成以声速运动的、周期等于声波周期的相位光栅，衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。这种衍射称为喇曼奈斯衍射。,设所加应变声场 产生的应变为 表明声频越高， 越大,喇曼奈斯声光衍射,当入射行光波为简谐波 出射子波为： 在衍射极值方向上合成光波场强为： Jm(k0nl)为m阶贝塞尔函数，a为声波场长度。,结论,当k0n0sinmmK时，E取极大值。当m取不同值时，不同 角方向的衍射光取极大值。即对于一定的 、，只有某些 角满足 各级衍射光强关于零级极值对称分布。 衍射光产生