第二章光調(diào)制

第二章光調(diào)制2023/3/291第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日載波調(diào)制信息振幅調(diào)制2023/3/292第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

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(jìn)行分：

內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將欲傳輸?shù)男盘?hào)直接加載于光源，以改變光源的輸出特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制；

例：對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源用調(diào)制信號(hào)直接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)所發(fā)射激光強(qiáng)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?hào)控制調(diào)制元件物理性質(zhì)的變化而改變光腔參數(shù)，從而調(diào)制激光輸出。2023/3/293第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將欲傳輸?shù)男盘?hào)加載于調(diào)制器，透過(guò)光的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制熱光效應(yīng)激光外調(diào)制體調(diào)制光波導(dǎo)調(diào)制光調(diào)制光調(diào)制：改變光強(qiáng)或頻率光偏轉(zhuǎn)：改變光的方向2023/3/294第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2.1機(jī)械調(diào)制

常用方法：機(jī)電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤(pán)等

用遮光或改變透過(guò)率方式作光通量的幅度調(diào)制。MtNMtN2023/3/295第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日利用電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制

調(diào)制的波形與激磁電流的波形和強(qiáng)度、光束和擋片的相對(duì)形狀和大小有關(guān)。調(diào)制線光源1:線光源 2:圓筒3:狹縫 4:縫隙光闌

優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)，不受波長(zhǎng)限制等

缺點(diǎn)：難進(jìn)行高頻調(diào)制、體積較大等2023/3/296第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2.2電光調(diào)制電光調(diào)制就是利用電光效應(yīng)將電信號(hào)調(diào)制到傳輸?shù)墓廨d波上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)控制。晶體的電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體中傳播光波的調(diào)制，有相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和脈沖調(diào)制等。在實(shí)際應(yīng)用中，電光晶體總是沿著相對(duì)光軸的某些特殊方向切割而成的；電光效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中通常有兩種方式，即：縱向與橫向電光效應(yīng)；2023/3/297第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日一、電光效應(yīng)晶體的折射率因外加電場(chǎng)而改變的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。各向同性介質(zhì)外加強(qiáng)電場(chǎng)雙折射現(xiàn)象雙折射晶體雙折射性質(zhì)變化e光晶體的截面O光單色自然光2023/3/298第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

通常材料的介電常量與外電場(chǎng)無(wú)關(guān)，但當(dāng)外加電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，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(yīng)，或Pockels效應(yīng)（KDP、LiNbO3）二次電光效應(yīng)，或Kerr效應(yīng)（BaTiO3、硝基苯液體）、k由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，取決于晶體本身的結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性。現(xiàn)在討論線性電光效應(yīng)

2023/3/299第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日在晶體的介電坐標(biāo)系中，無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，描述晶體光學(xué)性質(zhì)的折射率橢球方程為

其中下標(biāo)1，2，3分別表示坐標(biāo)x、y、z。

當(dāng)晶體施加任意電場(chǎng)時(shí)，晶體的折射率發(fā)生變化，可以把電場(chǎng)對(duì)晶體的這種作用歸結(jié)為折射率橢球系數(shù)的改變。因此，當(dāng)有電場(chǎng)存在時(shí)，折射率橢球在介電主軸座標(biāo)系中的方程為其中是對(duì)稱二階張量

2023/3/2910第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日采用下標(biāo)簡(jiǎn)化形式以表示，則的下標(biāo)為

11，22，33，23(32)，31(13)，12(21)

1,2,3,4,5,6有6個(gè)獨(dú)立的分量。無(wú)電場(chǎng)時(shí)，，于是2023/3/2911第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日施加電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球系數(shù)的改變量與外加電場(chǎng)成正比，即

其中稱為電光系數(shù)張量，共有18個(gè)元素，可表示為6

3的矩陣。

2023/3/2912第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

由于電光晶體的對(duì)稱性使電光系數(shù)減少，具有對(duì)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(yīng)；在沒(méi)有對(duì)稱中心的21個(gè)點(diǎn)群中，有20個(gè)點(diǎn)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(guān)書(shū)籍和技術(shù)手冊(cè)，當(dāng)掌握了電光系數(shù)后，可由上式解出對(duì)電場(chǎng)的依賴關(guān)系，最后代入折射率橢球方程式。

2023/3/2913第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

KDP晶體的線性電光效應(yīng)常用的電光晶體是一些各向異性的光學(xué)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(shuō)明。

為單軸晶體，屬立方晶系的點(diǎn)群。有，。Zxy光軸:晶體中有一個(gè)方向，光沿這個(gè)方向傳播不發(fā)生雙折射，這個(gè)方向叫做光軸。2023/3/2914第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日如果沿晶體光軸方向加電場(chǎng)，由于，而，可以得到在介電主軸坐標(biāo)系中的折射率橢球方程為

1.KDP的縱向電光效應(yīng)縱向電光效應(yīng)2023/3/2915第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日式中是電光系數(shù)的矩陣元。為消除上式中的交叉項(xiàng)，使得在新的折射率感應(yīng)主軸坐標(biāo)系下成為正橢圓，需進(jìn)行圖1所示的變換，即和（）（）繞軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了45角。

圖.沿KDP晶體光軸方向加電時(shí)，在垂直光軸的平面內(nèi)折射率主軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)2023/3/2916第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日在新的感應(yīng)折射率主軸座標(biāo)系下，折射率橢球方程變?yōu)槿齻€(gè)感應(yīng)主軸的折射率分別為沿光軸加電場(chǎng)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’2023/3/2917第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日KDP晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，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(chǎng)的大小無(wú)關(guān)。2023/3/2918第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日2.KDP的橫向電光效應(yīng)若入射光方向與施加電場(chǎng)方向相垂直的電光效應(yīng)稱為橫向電光效應(yīng)。電場(chǎng)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(chǎng)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2023/3/2919第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日橫向電光效應(yīng)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(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償。因外加電場(chǎng)仍沿z軸，與縱向運(yùn)用時(shí)一樣，晶體的主軸x和y旋轉(zhuǎn)45o。但此時(shí)通光方向與z垂直，沿x’方向入射，且入射光偏振方向與z成45o

，進(jìn)入晶體后將分解為沿y’和z方向振動(dòng)的兩個(gè)分量，Zx’y’V調(diào)制光2023/3/2920第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日二、電光相位調(diào)制以外加電場(chǎng)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(jìn)入晶體后分解為沿x’和y’方向的兩個(gè)垂直偏振分量。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(yīng)(縱向)引起——電光相位延遲。2023/3/2921第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日電光相位延遲x’y’zEx’Ey’xyx’y’Oxyx’y’當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)（相位差為）所加的電壓稱為半波電壓，bacdefghi2023/3/2922第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日進(jìn)行縱向電光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，它由一對(duì)平行偏振器和一塊晶體組成。1.縱向電光強(qiáng)度調(diào)制三、電光強(qiáng)度調(diào)制2023/3/2923第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日其中為檢偏器的最大輸出光強(qiáng)。的函數(shù)。時(shí)，光強(qiáng)有最大值當(dāng)時(shí)，，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。

顯然，檢偏器的輸出光強(qiáng)是電壓當(dāng)

可見(jiàn)出射光強(qiáng)隨外加電壓而變，如果把信號(hào)加在晶體上，輸出光強(qiáng)就隨信號(hào)而變，就為信號(hào)所調(diào)制。2023/3/2924第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日I輸出V輸入

下圖畫(huà)出了曲線的一部分以及光強(qiáng)調(diào)制的情形。由于調(diào)制器的工作點(diǎn)在透射曲線的非線性區(qū)，故輸出光信號(hào)失真，光信號(hào)的頻率為調(diào)制信號(hào)的兩倍。為了獲得線性調(diào)制，可引入一個(gè)固定的/2相位延遲，常在調(diào)制器的光路中插入一個(gè)/4波片。2023/3/2925第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

I/I0-V曲線為使工作點(diǎn)選在曲線中點(diǎn)處，通常在調(diào)制晶體上外加直流偏壓來(lái)完成。（插入1/4波片）2023/3/2926第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日由于檢偏器的輸出光強(qiáng)是晶體上電壓的函數(shù)，只要將電信號(hào)加載到晶體上，那么就能用電信號(hào)調(diào)制光信號(hào)，故電光調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和低頻數(shù)字信號(hào)的光傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響；缺點(diǎn)：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率太高時(shí)，功耗較大。2023/3/2927第二十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日縱向調(diào)制＝1m，V=9.7kvzyx入射光V入射光入射光xzyV入射光橫向調(diào)制V可為伏量級(jí)2