第二章光調(diào)制

其次章光輻射的調(diào)制調(diào)制的內(nèi)容：是指變更光波振幅、強度、相位或頻率、偏振等參數(shù)，使之攜帶信息的過程。調(diào)制的目的：光信息系統(tǒng)的信號加載與限制調(diào)制的方法：傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤（對光輻射強度進行調(diào)制）；現(xiàn)代方法：利用外場的微擾引起介質(zhì)的非線性極化，從而變更介質(zhì)的光學性質(zhì)。在外場下利用光和介質(zhì)的相互作用而實現(xiàn)對光輻射振幅頻率、相位等參數(shù)的調(diào)制。3/2/202313/2/20232光輻射的現(xiàn)代調(diào)制方法：按調(diào)制是在光源內(nèi)發(fā)生還是光源外進行分：內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將欲傳輸?shù)男盘柛纱嗉虞d于光源，以變更光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制；例：對半導體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號干脆限制，實現(xiàn)對所放射激光強度的調(diào)制；又如：把調(diào)制元件放在諧振腔內(nèi)，用欲傳輸?shù)男盘栂拗普{(diào)制元件物理性質(zhì)的變更而變更光腔參數(shù)，從而調(diào)制激光輸出。3/2/20233外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將欲傳輸?shù)男盘柤虞d于調(diào)制器，透過光的物理性質(zhì)將發(fā)生變更，實現(xiàn)調(diào)制。電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制熱光效應激光外調(diào)制體調(diào)制光波導調(diào)制光調(diào)制光調(diào)制：變更光強或頻率光偏轉(zhuǎn)：變更光的方向3/2/202342.1機械調(diào)制

常用方法:機電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤等用遮光或變更透過率方式作光通量的幅度調(diào)制。MtNMtN

缺點：難進行高頻調(diào)制、體積較大等3/2/202352.2電光調(diào)制電光調(diào)制就是利用電光效應將電信號調(diào)制到傳輸?shù)墓廨d波上，進而實現(xiàn)光學限制。晶體的電光效應可實現(xiàn)對晶體中傳播光波的調(diào)制，有相位調(diào)制、強度調(diào)制和脈沖調(diào)制等。在實際應用中，電光晶體總是沿著相對光軸的某些特殊方向切割而成的；電光效應在實際應用中通常有兩種方式，即縱向與橫向電光效應；3/2/20236一、電光效應晶體的折射率因外加電場而變更的現(xiàn)象稱為電光效應。各向同性介質(zhì)外加強電場雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象雙折射變更e光晶體的截面O光單色自然光3/2/20237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更，從而引起折射率變更：、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(zhì)本身的性質(zhì)確定，取決于晶體本身的結(jié)構(gòu)和對稱性?，F(xiàn)在探討線性電光效應3/2/20238在晶體的介電坐標系中，無外加電場時，描述晶體光學性質(zhì)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。當晶體施加隨意電場時，晶體的折射率發(fā)生變更，可以把電場對晶體的這種作用歸結(jié)為折射率橢球系數(shù)的變更。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

3/2/20239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3/2/202310施加電場時，折射率橢球系數(shù)的改變量與外加電場成正比，即

其中稱為電光系數(shù)張量，共有18個元素，可表示為6

3的矩陣。

3/2/202311由于電光晶體的對稱性使電光系數(shù)削減，具有對稱中心的晶體，其電光系數(shù)都為零，故這種晶體不產(chǎn)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(shù)。常用的電光晶體的電光系數(shù)值，可查閱有關書籍和技術手冊，當駕馭了電光系數(shù)后，可由上式解出對電場的依靠關系，最終代入折射率橢球方程式。3/2/202312

KDP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(jié)合加以說明。

為單軸晶體，屬立方晶系的點群。有，。Zxy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。3/2/202313假如沿晶體光軸方向加電場，由于，而，可以得到在介電主軸坐標系中的折射率橢球方程為1.KDP的縱向電光效應縱向電光效應3/2/202314式中是電光系數(shù)的矩陣元。為消退上式中的交叉項，使得在新的折射率感應主軸坐標系下成為正橢圓，需進行圖1所示的變換，即和（）（）繞軸逆時針旋轉(zhuǎn)了45角。

圖.沿KDP晶體光軸方向加電時，在垂直光軸的平面內(nèi)折射率主軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)3/2/202315在新的感應折射率主軸座標系下，折射率橢球方程變?yōu)槿齻€感應主軸的折射率分別為沿光軸加電場后，xoy截面由圓變?yōu)闄E圓沿x’方向偏振的傳播速度加大，沿y’方向偏振的傳播速度減小。xyx’y’3/2/202316KDP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軸旋轉(zhuǎn)了450角，此轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關。3/2/2023172.KDP的橫向電光效應若入射光方向與施加電場方向相垂直的電光效應稱為橫向電光效應。電場可以沿晶體的任一介電主軸（x、y或z軸）加于晶體。例如，電場沿z方向施加，光沿x軸方向入射，如圖所示。Zx’y’V入射光的偏振方向垂直于入射偏振光調(diào)制光3/2/202318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。接受組合調(diào)制器進行補償。因外加電場仍沿z軸，與縱向運用時一樣，晶體的主軸x和y旋轉(zhuǎn)45o。但此時通光方向與z垂直，且入射光偏振方向與z成45o，沿x’方向入射，進入晶體后將分解為沿y’和z方向振動的兩個重量，Zx’y’V調(diào)制光3/2/202319二、電光相位延遲以外加電場平行于光軸的KDP晶體為例，一束線偏振光沿z軸方向入射晶體，且E矢量沿x方向，進入晶體后分解為沿x’和y’方向的兩個垂直偏振重量。光波沿z方向傳播距離l后，兩偏振光之間的相位差為

完全由電光效應引起——電光相位延遲。3/2/202320電光相位延遲x’y’zEx’Ey’xyx’y’Oxyx’y’當光波的兩個垂直重量的光程差為半個波長時（相位差為）所加的電壓稱為半波電壓，bacdefghi3/2/202321進行縱向電光效應的試驗裝置如圖所示，它由一對平行偏振器和一塊晶體組成。1.縱向電光強度調(diào)制三、電光強度調(diào)制3/2/202322其中為檢偏器的最大輸出光強。的函數(shù)。時，光強有最大值當時，，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。

明顯，檢偏器的輸出光強是電壓當可見出射光強隨外加電壓而變，假如把信號加在晶體上，輸出光強就隨信號而變，就為信號所調(diào)制。3/2/202323I輸出V輸入

下圖畫出了曲線的一部分以及光強調(diào)制的情形。由于調(diào)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(diào)制信號的兩倍。為了獲得線性調(diào)制，可引入一個固定的/2相位延遲，常在調(diào)制器的光路中插入一個/4波片。3/2/202324

I/I0-V曲線為使工作點選在曲線中點處，通常在調(diào)制晶體上外加直流偏壓來完成。（插入1/4波片）3/2/202325由于檢偏器的輸出光強是晶體上電壓的函數(shù)，只要將電信號加載到晶體上，那么就能用電信號調(diào)制光信號，故電光調(diào)制可以實現(xiàn)模擬信號和低頻數(shù)字信號的光傳輸。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡潔、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響；缺點：半波電壓太高，特殊在調(diào)制頻率太高時，功耗較大。3/2/202326縱向調(diào)制＝1m，V=9.7kvzyx入射光V入射