光輻射的調制

第二章光輻射的調制2.1機械調制2.2電光調制2.3聲光調制2.4磁光調制1在光通信系統(tǒng)中，

需要把聲音、圖像、數據信息加載到光波上進行傳輸。在光電檢測系統(tǒng)中，

使探測光為調制光，可以比非調制光具有更強的抗干擾能力。

調制的目的：光信息系統(tǒng)的信號加載與控制調制的內容：是指改變光波振幅、強度、相位或頻率、偏振等參數，使之攜帶信息的過程。2光調制的優(yōu)點:1.容量大2.易加載3.距離遠4.易保密5.抗電磁干擾能力強3光調制的方法：傳統(tǒng)方法：調制盤（對光輻射強度進行調制）；現代方法：利用外場的微擾引起介質的非線性極化，從而改變介質的光學性質。在外場下利用光和介質的相互作用而實現對光輻射振幅頻率、相位等參數的調制。4

光輻射的現代調制方法：按調制是在光源內發(fā)生還是光源外進行分：

內調制和外調制內調制：將欲傳輸的信號直接加載于光源，以改變光源的輸出特性來實現調制；只適用于一些特定的光源，如LD和LED的直接調制

例：對半導體激光器的驅動電源用調制信號直接控制，實現對所發(fā)射激光強度的調制；又如：把調制元件放在諧振腔內，用欲傳輸的信號控制調制元件物理性質的變化而改變光腔參數，從而調制激光輸出。5外調制：將光源與調制器分開設立，在光源外的光路上放置調制器，將欲傳輸的信號加載于調制器，透過光的物理性質將發(fā)生變化，實現調制。電光調制聲光調制磁光調制熱光效應外調制技術適用于所有光源。6常用方法:機電振子、旋轉調光盤等2.1機械調制——簡單易行

調制原理：用遮光或改變透過率方式作光通量的幅度調制。應用：常用于光電探測中需要抗干擾的場合NMNMN

缺點：難進行高頻調制、體積較大等72.1機械調制利用斬波器通斷光通量，使探測光成為調制光。調制光并配上合適的有源帶通濾波器，以克服雜散光的干擾。斬波器有源帶通濾波器8探測器輸出的光電流設計有源帶通濾波器，f0為方波頻率。通頻帶△f窄，雜散光被濾去。9優(yōu)點：容易實現；能對輻射的任何光譜成分進行調制。缺點：有運動部分，壽命較短，體積較大，調制頻率不高。一些機械調制裝置102.2電光調制在強電場作用下介質折射率改變而產生的光調制。適用于單色光源。一、物理基礎：電光效應

線性電光效應（Pockels，1893年）二次電光效應（Kerr，1875年）介質原本是單軸晶體。介質原本是各向同性晶體。

電光調制基于線性電光效應。11晶體的結構特征空間點陣：晶體是由原子、分子或離子在空間按照一定的規(guī)則周期性排列形成的一種晶態(tài)固體。結點：晶體中的微粒叫基元，又叫結點。點陣：全部結點的總稱叫點陣。晶格：格子狀結構的點陣就叫晶格。格點：=結點晶胞：周期重復的最小基本（結構）單位晶胞常量12布喇菲點陣：根據空間對稱性，可以有14種點陣，稱布喇菲點陣，或稱14種晶胞14種晶胞共分7個晶系：三斜、單斜、正交（斜方）、正方（四角）、立方、三角、六角布喇菲點陣13三角六角三斜立方正交（斜方）正方單斜14晶體的基本性質1.自限性：晶體具有自發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體的能力。2.晶面角守恒：指同一品種的晶體，兩個對應的晶棱間的夾角恒定不變。3.均勻性：晶體在不同的位置上具有相同的物理性質。4.最小內能性：長程有序性5.各向異性：晶體的宏觀性質隨觀察方向的不同而不同。典型體現：晶體的解理、雙折射。6.對稱性15光在晶體中的傳播特性光在晶體中的傳播實際是光與晶體相互作用的結果：介質受到光波電場E作用后產生極化,極化強度用極化強度矢量P來表示,P與E之間的關系用宏觀物理量——極化率χ來描述光輻射場對晶體的極化影響綜合效果集中表現為介電常量ε的變化，從而引起折射率變化：16

通常材料的介電常量與外電場無關，但當外加電場較強時，介電常量便有微小的變化，從而引起折射率變化：、為常量線性電光效應，或Pockels效應（KDP、LiNbO3）二次電光效應，或Kerr效應（BaTiO3、硝基苯液體）、k由介質本身的性質決定，取決于晶體本身的結構和對稱性。現在討論線性電光效應

17

在晶體的介電坐標系中，無外加電場時，描述晶體光學性質的折射率橢球方程為

其中下標1，2，3分別表示坐標x、y、z。

當晶體施加任意電場時，晶體的折射率發(fā)生變化，可以把電場對晶體的這種作用歸結為折射率橢球系數的改變。因此，當有電場存在時，折射率橢球在介電主軸座標系中的方程為其中是對稱二階張量

x1x20n2n1n3對于任一特定的晶體，折射率橢球由其光學性質（主介電常數或主折射率）唯一地確定。18采用下標簡化形式以表示，則的下標為

11，22，33，23(32)，31(13)，12(21)

1,2,3,4,5,6有6個獨立的分量。無電場時，，于是19施加電場時，折射率橢球系數的改變量與外加電場成正比，即

其中稱為電光系數張量，共有18個元素，可表示為6

3的矩陣。

20

由于電光晶體的對稱性使電光系數減少，具有對稱中心的晶體，其電光系數都為零，故這種晶體不產生線性電光效應；在沒有對稱中心的21個點群中，有20個點群具有線性電光系數。常用的電光晶體的電光系數值，可查閱有關書籍和技術手冊，當掌握了電光系數后，可由上式解出對電場的依賴關系，最后代入折射率橢球方程式。

21晶體的雙折射定義:是指光在各向異性介電晶體中傳播時,分為兩束偏振方向不同的光,向兩個方向折射通常情況下,o光與e光的傳播方向不同各向同性介質雙折射現象外加強電場單色自然光晶體的截面O光e光22電光效應定義:當足夠強的外電場影響到晶體中的原子、分子的排列以及它們之間的相互作用,這種內部的,微觀的變化就導致晶體在宏觀上表現出極化強度及折射率也各向異性地發(fā)生變化，由于極化而出現光學特性（各向異性）的改變，影響到光波在介質中的傳播特性。電光效應實質：在光波電場與外電場的共同作用下，使介質出現非線性的極化過程。23KDP晶體的線性電光效應常用的電光晶體是一些各向異性的光學晶體，如磷酸二氫鉀，磷酸二氘鉀，磷酸二氫氨，鈮酸鋰(記為)等。以下結合加以說明。晶體是人工生長的KH2PO4單晶的簡稱，為單軸晶體，屬立方晶系的點群。有，。光軸:晶體中有一個方向，光沿這個方向傳播不發(fā)生雙折射，這個方向叫做光軸。Zxy241.的縱向電光效應KDP負單軸晶體

強電場E//Z軸,KDP由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體；線偏振光沿Z軸入射，分解成X、Y方向上振幅相同、但傳播速度不同的兩個線偏振光。光傳播方向與電場方向一致起偏器25

KDP晶體沿z軸加電場時，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸逆時針旋轉了450角，此轉角與外加電場的大小無關。26在新的感應折射率主軸座標系下，折射率橢球方程變?yōu)檠毓廨S加電場后，xoy截面由圓變?yōu)闄E圓三個感應主軸的折射率分別為x’y’xy沿x’方向偏振的傳播速度加大，x’叫快軸；沿y’方向偏振的傳播速度減小，y’

叫慢軸。式中，no為KDP晶體o光折射率，為電光系數?！呦嗨俣?7X、Y方向兩偏振光射出晶體時有光程差:則相位差為：半波電壓:

造成光程差電光相位延遲：在X、Y兩個方向的傳播速度如果不同,則在傳播過程中會產生相位延遲的現象，即產生相位差。282.的橫向電光效應光傳播方向與電場方向垂直對KDP晶體采用45°-Z切。強電場E//Z軸,KDP變?yōu)殡p軸晶體。入射光沿X軸方向進入晶體，其偏振方向與Z、Y成45°，在晶體中分解為Z、Y方向兩個振幅相同的線偏振光。29與Z軸對應的主折射率：與Y軸對應的主折射率：

式中ne是晶體e光折射率，E=U/d，U為外加電壓。兩個線偏振光射出晶體時有光程差：則相位差為：橫向電光效應包含了自然雙折射造成的相位差，易受溫度影響。采用組合調制器進行補償。自然雙折射造成的相位差電光效應引起的相位差30消除自然雙折射橫向電光效應的優(yōu)點：適當地增加L/d，就可以增強電光效應的作用而降低晶體上所需的電壓；電極設在橫向，不影響光的傳播；在外加電壓U一定時，加長晶體通光長度并不影響晶體內的電場強度，因而可以加長晶體長度獲得較大的相位延遲。半波電壓為:通常，縱向是數千伏，橫向只是數百伏。313.電光晶體材料

用于線性電光效應的電光晶體，除要求電光效應強以外，還需綜合考慮：對使用的波段要有較高的透過率；光學均勻性好、耐壓高；對光波和調制波的損耗??；折射率隨溫度的變化較??；化學性質穩(wěn)定，易于獲得大尺寸晶體等。

、在可見和近紅外區(qū)主要有KDP類晶體、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中紅外區(qū)有GaAs、Cucl、CdTe等。KDP類晶體、LiNbO3（LN）晶體應用廣泛。見表2.132二、電光強度（或振幅）調制在Pockels效應中，通過晶體的兩正交線偏振光形成了固定的相位差δ。在晶體的光輸出端后置檢偏器P2，使N2⊥N1。透過檢偏器P2的光強I2便受到電信號的調制。橫向電光調制裝置33縱向電光強度調制裝置34入射光P1IixyzxyP2Io調制光~VL起偏器/4波片檢偏器縱向電光強度調制下面詳細分析縱向電光調制：電光晶體(KDP)置于兩個成正交的偏振器之間，其中起偏器P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器P2的偏振方向平行于y軸，當沿晶體z軸方向加電場后，它們將旋轉45o變?yōu)楦袘鬏Sx’,y’。因此，沿z軸入射的光束經起偏器變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光，進入晶體后(z=0)被分解為沿x’和y’方向的兩個分量，兩個振幅(等于入射光振幅的1/）和相位都相等．分別為：35或采用復數表示，即由于光強正比于電場的平方，因此，入射光強度為當光通過長度為L的晶體后，由于電光效應，E

x’和E

y’二分量間就產生了一個相位差，則(1)36yY’xX’45o45o(2)與之相應的輸出光強為：

注意公式：(3)將出射光強與入射光強相比[(1)公式/(2)公式]得透過率為：37其中為檢偏器的最大輸出光強。顯然，檢偏器的輸出光強是電壓V的函數。當時，，出現消光現象。

時，光強有最大值

可見出射光強隨外加電壓而變，如果把信號加在晶體上，輸出光強就隨信號而變，就為信號所調制。38根據上述關系可以畫出光強調制特性曲線。在一般情況下，調制器的輸出特性與外加電壓的關系是非線性的。50100透過率(%)0透射光強時間電壓調制電壓VV/2電調制特性曲線若調制器工作在非線性部分,則調制光將發(fā)生畸變。為了獲得線性調制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲，使調制器的電壓偏置在T＝50％的工作點上。常用的辦法有兩種：39其一，除了施加信號電壓之外，再附加一個Vλ/4的固定偏壓，但會增加電路的復雜性，且工作點的穩(wěn)定性也差。其二，在光路上插入一個1／4波片(3.2-5圖)其快慢軸與晶體主軸x成45o角，使Ex’和Ey’二分量間產生/2的固定相位差。(3.2-30)式中的總相位差△m=Vm/V（相當于3.2-30式中的△）是相應于外加調制信號vm的相位延遲。其中Vmsinωmt是外加調制信號電壓。40因此，調制的透過率可表示為利用貝塞爾函數恒等式將上式展開，得由此可見，輸出的調制光中含有高次詣波分量，使調制光發(fā)生畸變。為了獲得線性調制，必須將高次41諧波控制在允許的范圍內。設基頻波和高次諧波的幅值分別為I1和I2n+1,則高次諧波與基頻波成分的比值為若?。?rad，則J1(1)=0.44,J3(1)=0.02,所以I3/I1=0.045，即三次諧波為基波的4.5%。在這個范圍內可以獲得近似線性調制，因而取作為線性調制的判據。此時代入（3.2-32)式得42

sin(△msinωmt)的△m若遠遠小于1，則:為了獲得線性調制，要求調制信號不宜過大(小信號調制)，那么輸出的光強調制波就是調制信號V=Vmsinωmt的線性復現。如果△m<<1rad的條件不能滿足(大信號調制)，則光強調制波就要發(fā)生畸變?？v向電光調制器具有結構簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。其缺點是半波電壓太高，特別在調制頻率較高時，功率損耗比較大。43下面詳細分析橫向電光調制：入射光(光強I1）進入晶體，其振幅A1分解成Az、Ay：兩線偏振光到達檢偏器，能透過P2的光振幅：這兩個線偏振光射出晶體，有固定相位差：44二者有固定相位差π+δ，則通過檢偏器P2的光強：式中，

I輸出V輸入問題：由于調制器的工作點在透射曲線的非線性區(qū)，故輸出光信號失真，光信號的頻率為調制信號的兩倍。解決辦法：為了獲得線性調制，可引入一個固定的/2相位延遲，常在調制器的光路中插入一個/4波片。45為使工作點選在曲線中點處，通常在調制晶體上外加直流偏壓來完成。（插入1/4波片）

I/I0-V曲線46選取工作點：若要得到光強隨時間正弦變化的調制光,可使調制電壓為：則有：式中，可在光路中插入波晶片，取代

則只需在晶體上加調制電壓就可得到正弦調制光強。

47的關系曲線

48強度調制器小結：入射光分解為感應主軸方向的兩個傳播模；找出相位延遲和外加電壓（電場）的關系；加入檢偏器得到輸出光強隨外加電壓變化，實現強度調制；加入1/4波片提供固定“偏置”，以得到線性調制。49優(yōu)點:縱向:結構較簡單,工作穩(wěn)定,不會受到自然雙折射的影響橫向:可通過調節(jié)d/l使半波電壓降低到約幾百伏缺點：縱向：半波電壓太高，調制頻率較大時會產生較大的功率損耗橫向：存在由自然雙折射引起的相位延遲，且隨溫度的變化而漂移，導致調制器不能正常工作50是聲音、圖像、數據電信號，

若則有泡克爾斯（Pockels）電光調制器線性好，性能穩(wěn)定，可得到很高的調制頻率。

三、電光相位調制在電光效應裝置圖2.6、圖2.7中，若使起偏器透光方向N1與雙軸晶體的其中一個光軸平行，則僅是一個線偏振光通過晶體，其位相被電信號調制。

51在右圖中，若

Y偏振光的折射率，

在晶體入射面處光場為

則光通過晶體后的光場：52式中，略去常數相位因子：則可見，該光波的位相因子受電壓U影響。設U為正弦調制電壓

令則有：

可見，該輸出光波的位相受到電信號的調制。53四、電光調制的頻率特性

實際應用中，需要電光調制器達到高的調制頻率和足夠寬的調制帶寬。影響調制頻率和調制帶寬的主要因素為：

1.光在晶體中的傳輸時間前面對電光調制的分析，均認為調制信號頻率遠遠低于光波頻率(也就是調制信號波長遠遠大于光波波長)，并且遠大于晶體的長度L，因而在光波通過晶體L的渡越時間內，調制信號電場在晶體各處的分布是均勻的，則光波在各部位所獲得的相位延遲也都相同，即光波在任一時刻不會受到不同強度或反向的調制電場的作用。在這種情況下，裝有電極的調制晶體可以等效為一個電容．即可以看成是電路中的一個集總元件，通常稱為集總參量調制器。集總參量調制器的頻率特性主要受外電路參數的影響。54但當調制頻率很高時，在的時間內，外電場會發(fā)生可觀的變化。光通過晶體的不同部位時，其相位延遲不同，這就限制了調制頻率。55調制波與光波以相同速度在晶體中傳播，調制頻率可達幾個。為了適應高頻率寬頻帶調制信號的要求，采用行波調制器。調制帶寬僅在ω0附近的有限頻帶內。

2.晶體諧振電路的帶寬實用中，電光調制器構成諧振電路：56五、光波導調制器晶體制作的電光調制器屬于體調制器，需要施加相當高的電壓，才能實現電光調制。光波導調制器可以把光場限制在很小的區(qū)域里，從而大大降低所需要的調制電壓和調制功率。光波導寬度d極窄，遠小于長度L。采用橫向電光調制，半波電壓可為幾伏。調制頻率可達100GHz。相位調制器57M-Z干涉型強度調制器定向耦合器型強度調制器在高速光通信中有很好的應用價值

研究動向：用聚合物來形成各向異性材料。

582.3聲光調制利用超聲波引起介質折射率變化而產生的光調制。一、聲光效應適用于單色光源驅動電源電-聲換能器聲光介質

形成聲光柵，柵距

59聲光效應分為兩種類型：入射光波被聲光柵衍射，衍射光的強度、頻率、方向等都隨超聲場變化。這就是聲光效應。拉曼-奈斯衍射

布拉格衍射只有零級、1級衍射光產生多級衍射光60

拉曼-納斯衍射產生拉曼-納斯衍射的條件：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L較短時，在光波通過介質的時間內，折射率的變化可以忽略不計，則聲光介質可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。拉曼-納斯衍射的特點：由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向對稱分布的多級衍射光。61各級衍射的方位角為（最大值的位置）：各級衍射光的強度為：62衍射效率為：附加相位延遲因子附加相位延遲因子63布喇格衍射產生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質具有“體光柵”的性質。布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現0級和+1級（或1級）衍射光。64布拉格衍射條件：零級、1級衍射光強：式中，為聲光效應產生的附加相移：有應用價值的是一級衍射光

65式中，為聲光介質的品質因數。

應選擇大的材料，常用聲光介質見表2.2。66衍射效率為：M2為聲光材料的品質因數，Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長度。同樣的改變超聲功率，也可以達到改變一級衍射光的強度。附加相位延遲因子67聲光調制(Acousto-opticalModulate)一.聲光調制器的工作原理

聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調制信號是以電信號(調輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應的電信號轉化為變化的超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。

68聲光調制器結構吸聲裝置LaserinLaserout聲光體調制器是由聲光介質、電—聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅動電源等所組成。(1)聲光介質，聲光介質是聲光互作用的場所。當一束光通過變化的超聲場時，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質，就可以制成光強度調制器。(2)電—聲換能器(又稱超聲發(fā)生器)(3)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對面)。(4)驅動電源它用以產生調制電信號施加于電—聲換能器的兩端電極上，驅動聲光調制器(換能器)工作。69聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調制信號是以電信號(調輻)形式作用于電聲換能器上而轉化為以電信號形式變化的超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。由前面分析可知，無論是拉曼—納斯衍射，還是布拉格衍射，其衍射效率均與附加相位延遲因子Γ＝2πΔnL／λ有關，而其中聲致折射率差Δn正比于彈性應變幅值S，而S∝聲功率Ps，故當聲波場受到信號的調制使聲波振幅隨之變化，則衍射光強也將隨之做相應的變化。70(1)、拉曼-納斯型聲光調制器調制器的工作原理如圖1(a)所示，工作聲源頻率低于10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。入射光

衍射光

調制信號圖1拉曼-納斯型聲光調制器71對于拉曼—納斯型衍射，工作聲頻率低于10MHz，圖(a)示出了這種調制器的工作原理，其各級衍射光強比例于。若取某一級衍射光作為輸出，可利用光欄將其他級的衍射光遮擋，則從光欄孔出射的光束就是一個隨ν變化的調制光。由于拉曼—納斯型衍射效率低，光能利用率也低，根據前面判據式所確定的相互作用長度L小；當工作頻率較高時，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此拉曼—納斯型聲光調制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。72(2)、布喇格型聲光調制器布喇格型聲光調制器工作原理如圖2所示。衍射光調制信號入射光圖2聲光調制器布喇格型73的關系曲線選取工作點：若使作正弦變化，頻率為ω，則有74布拉格聲光調制特性曲線與電光強度調制相似。由圖可以看出：衍射效率η與超聲功率Ps只是非線性調制曲線形式，為了使調制不發(fā)生畸變，則需加超聲偏置（類似于電光調制中的偏壓Vλ/4=Vπ/2），使其工作在線性較好的區(qū)域。對于布拉格型衍射，其衍射效率由前面的式給出。在聲功率Ps(或聲強Is)較小的情況下，衍射效率s隨聲強度Is單調地增加(呈線性關系)；