聲光移頻器在相干系統(tǒng)-Read課件

第二章各種類型的光控器件第一節(jié)電光控制器件第二節(jié)聲光控制器件第三節(jié)磁光控制器件第二章各種類型的光控器件第一節(jié)電光控制器件1第一節(jié)電光控制器件2.1.1幾種常用電光材料的線性電光效應常用的線性電光效應較強的材料：LiNbO3（鈮酸鋰）、LiTaO3、KDP（磷酸二氫鉀）

、KTN（鈮酸鋰鉀）

、BaTiO3等一、鈮酸鋰晶體的線性電光效應鈮酸鋰是一種人工生長的晶體，簡寫為LN；0.4~5m光譜范圍內的透過率大于95%;光學均勻性好不潮解，屬于三方晶系點群結構特點第一節(jié)電光控制器件2.1.1幾種常用電光材料的線性電光22.1.2鈮酸鋰的線性電光效應線性電光系數(shù)矩陣：在外加電場E(E1，E2，E3）作用下，新的折射率橢球方程：2.1.2鈮酸鋰的線性電光效應線性電光系數(shù)矩陣：在外加電3一、外加電場平行于z軸即E1=E2=0由于此時沒有交叉項出現(xiàn)，說明加電場后折射率橢球的主軸與原來的折射率橢球的主軸完全重合，折射率橢球仍為旋轉橢球。一、外加電場平行于z軸即E1=E2=0由于此時沒4一、外加電場平行于z軸一般

ij的量級為10-10cm/V,而E的量級通常為104V/cm

ijE<<1利用泰勒級數(shù)展開：一、外加電場平行于z軸一般ij的量級為10-10cm/V,5一、外加電場平行于z軸由此可以得到新的主折射率為：對于縱向調制，兩個正交的線偏振光經調制器出射所產生的相位差為：橫向調制所產生的相位差為：LiNbO3晶體沿z軸方向加電場后，只產生橫向電光效應，而不產生縱向電光效應。一、外加電場平行于z軸由此可以得到新的主折射率為：對于縱向調6二、外加電場平行于y軸當外加電場平行于y軸時，E1=E3=0折射率橢球主軸將繞x軸轉動了一個角度，并且由單軸晶體變成了雙軸晶體。新的主折射率為：折射率主軸x軸不轉動；折射率橢球z軸長短不變，x和y方向的主值發(fā)生了變化；適用于縱向及橫向的應用。二、外加電場平行于y軸當外加電場平行于y軸時，E1=E3=7三、外加電場平行于x軸當外加電場平行于x軸時，E2=E3=0出現(xiàn)兩個交叉項，說明在E1的作用下，晶體的折射率橢球主軸繞兩個主軸發(fā)生了轉動。新的主折射率為：與外加電場平行于y軸對晶體的作用基本相同，差別僅在于主軸旋轉的程度不一樣。三、外加電場平行于x軸當外加電場平行于x軸時，E2=E3=82.1.3GaAs和InP的線性電光效應線性電光系數(shù)矩陣：在外加電場E(E1，E2，E3）作用下，新的折射率橢球方程：2.1.3GaAs和InP的線性電光效應線性電光系數(shù)矩陣9當外加電場平行于x軸時，E2=E3=0出現(xiàn)一個交叉項，說明在E1的作用下，晶體的折射率橢球繞x軸轉動了一定角度（450），得到新的折射率橢球方程：2.1.3GaAs和InP的線性電光效應沒有外加電場時，折射率橢球為一球體.當外加電場平行于x軸時，E2=E3=0出現(xiàn)一個10新的主折射率為：可運用在橫向和縱向調制2.1.3GaAs和InP的線性電光效應新的主折射率為：可運用在橫向和縱向調制2.1.3GaAs和112.1.4電光調制器電光調制的物理基礎是電光效應，即某些晶體在外加電場作用下，其折射率發(fā)生與電場相關的變化。當光波通過時，其傳輸特性就在外加電場的作用下發(fā)生可控的變化。這種現(xiàn)象就是電光效應作用的結果。在外加電場的作用下，可以人為的改變媒質（包括晶體和各向同性媒質）的光學性質。利用這些電光材料做成的電光器件可以實現(xiàn)對光束的振幅、相位、頻率、偏振態(tài)和傳播方向的調制，使電光效應在現(xiàn)代光電工程系統(tǒng)得到廣泛的應用。2.1.4電光調制器電光調制的物理基礎是12一、電光體相位調制器設起偏器的偏振通光方向平行于晶體的感應主軸x’（或y’)因此，入射晶體的線偏振光不再分解成沿x’，y’的兩個分量，外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位：一、電光體相位調制器設起偏器的偏振通光方向平行于晶體的感應13一、電光體相位調制器對于KDP晶體：假設外加電場為：晶體入射面光場為：晶體出射面光場為：一、電光體相位調制器對于KDP晶體：假設外加電場為：晶體入14相位調制系數(shù)一、電光體相位調制器相位調制系數(shù)一、電光體相位調制器15二、電光體強度調制器比相位調制器多了一個檢偏器和1/4波片如果外電場為零，偏振面不發(fā)生旋轉，通不過檢偏器，則輸出光強為零；如果外加電壓正好使偏振面轉過900，完全從檢偏器通過，則輸出光強最大，這個電壓稱為半波電壓。起光偏置作用，使調制信號的工作點位于線性調制區(qū)域。1.結構二、電光體強度調制器比相位調制器多了一個檢偏器和1/416二、電光體強度調制器在外加電場作用下，電光晶體尤如一塊波片，相位延遲隨外加電場的大小而變，隨之引起偏振態(tài)的變化，從而使得檢偏器出射光的振幅受到調制。2.調制原理二、電光體強度調制器在外加電場作用下，電光晶體尤17二、電光體強度調制器晶體的感應主軸x’，y’與未加電場時單軸晶體的兩主振動方向為x,y成450，且與起偏器P的透光軸成450角。KD*P類晶體縱向運用：強度分布為：則通過檢偏器的光強為：相對光強為：二、電光體強度調制器晶體的感應主軸x’，y’與未加電場時單18二、電光體強度調制器透射的相對光強隨外加電壓變化關系曲線I/I0~V(或）晶體的透射比曲線工作點在透射比曲線的非線性部分時，輸出光信號失真;工作點選在透射比曲線線性區(qū)(

＝/2附近）時，得到不失真的基頻信號.二、電光體強度調制器透射的相對光強隨外加電壓變化關系曲線I19二、電光體強度調制器加入1/4波片，引入固定的偏置相位差－－光偏置法如何獲得

＝/2的偏置相位差由于引入了/2的偏置相位差，P和A之間的總相位差為：

/2＋

?且1/4波片位置可前可后。如果交流調制信號電壓為正弦信號：輸出相對光強為：二、電光體強度調制器加入1/4波片，引入固定的偏置相位差－20二、電光體強度調制器可用于實現(xiàn)激光通信；可用于測定高電壓及用作電光開關；用電光效應實現(xiàn)光束偏轉的器件稱為電光偏轉器件。二、電光體強度調制器可用于實現(xiàn)激光通信；21三、電光波導調制器具有較大體積尺寸的分離器件；幾乎整個晶體材料都受到外加電場的作用，因此器件必須施加強大的電場，以改變整個晶體的光學特性，從而使之通過的光波受到調制。電光體調制器1.電光波導調制器的概念介質光波導是集成光學技術的基本組成部件，它主要可分為平面波導和矩形波導（條形波導）兩大類，波導層的厚度一般為微米量級。從外界輸入信號對介質波導中傳播的光波加以控制，就稱之為光波導調制器。光波導調制器三、電光波導調制器具有較大體積尺寸的分離器件；電光體調制器22三、電光波導調制器光波導調制器的優(yōu)勢：體積小，易于集成；所需的驅動功率比體調制器要減小1～2個量級。相同點：由介質構成的光波導調制器，其電光、聲光等物理效應對光參數(shù)的控制過程，也是使介質的介電張量產生微小的變化（即折射率變化)，從而使兩傳播模間有一相位差；不同點：外場的作用會導致波導中本征模傳輸特性的變化及兩個不同模式之間的耦合轉換，因此光波導調制器的基本特性可以用介質光波導的耦合模理論來描述。光波導調制器與體調制器比較三、電光波導調制器光波導調制器的優(yōu)勢：相同點：由介質構成232.電光波導調制器的調制原理當波導上加上電場時，產生介質折射率的微小變化，從而引起波導中本征模傳輸特性的變化及兩個不同模式之間的耦合轉換。模式間的耦合與介電張量的變化的關系：（1）如只含有對角線介電張量元素

xx和yy將會引起TE模之間或TM模之間的自耦合，只改變其各自的相位，從而產生相對的相位延遲，與電光體相位調制器一樣。（2）介電張量變化含有非對角張量元素

xy將會引起TE模和TM模之間的互耦合，將導致模式間的功率轉換。2.電光波導調制器的調制原理當波導上加上電場時24聲光移頻器在相干系統(tǒng)-Readppt課件25聲光移頻器在相干系統(tǒng)-Readppt課件263.對電光體調制器的要求及其參數(shù)選擇1）調制器應有足夠寬的調制帶寬，以滿足高效率無畸變地傳輸信息；2）調制器消耗的電功率??；3）調制特性曲線的線性范圍大；4）工作穩(wěn)定性好。要求參數(shù)選擇（1）電光晶體材料的選擇光學性能好，對調制光透明度要高，吸收和散射損耗小，并且晶體的折射率均勻，折射率變化n10-4cm;電光系數(shù)大消光比高（103以上），透過率要高85％～98％，透過范圍要寬（0.2m~2m)較好的物理化學性能3.對電光體調制器的要求及其參數(shù)選擇1）調制器應有足夠寬的調27參數(shù)選擇3.對電光體調制器的要求及其參數(shù)選擇（2）降低調制器功率損耗的方法采用n級晶體串聯(lián)的方式注意：串接晶體的塊數(shù)不宜過多，以免造成透過率太低或電容太大（3）調制電壓的選擇為保證調制光發(fā)生畸變，限制高次諧波的幅值（4）電光晶體尺寸的選擇電光晶體尺寸是指其長度和橫截面的大小。增加長度有助于減小調制器的電容，使頻帶展寬。但不能過長。參數(shù)選擇3.對電光體調制器的要求及其參數(shù)選擇（2）降低調制器282.2.1聲光控制器件的類型第二節(jié)聲光控制器件用來調制光束強度的聲光器用來改變光束方向的聲光器選擇光束波長的聲光器件引起光束頻移的聲光器件2.2.1聲光控制器件的類型第二節(jié)聲光控制器件用來292.2.1聲光控制器件的類型一、用來調制光束強度的聲光器聲光調制技術聲光調制是一種先進和實用的光調制技術，輸入聲光調制器的電信號可以載入通過器件的激光束，輸出激光束的強度將隨輸入電信號的幅度變化而變化。脈沖（開關）聲光調制器正弦波聲光調制器多信道聲光調制器分類根據輸入電信號的類型響應速度高，比電光調制的適用面廣。聲光調制具有效率高和全電控的特點，可對激光共振腔進行腔內或腔外調制優(yōu)勢2.2.1聲光控制器件的類型一、用來調制光束強度的聲光器302.2.1聲光控制器件的類型二、用來改變光束方向的聲光器件聲光偏轉是一種先進的光偏轉技術，既可以實現(xiàn)連續(xù)的光偏轉，又可以實現(xiàn)隨機的光偏轉，無可動部件，是全電控的。有兩種方式：一種是連續(xù)地改變光束傳播方向，相鄰兩個光點是部分重疊的，許多光點組成一條光掃描線；另一種是離散地、隨機地改變光束傳播方向。改變聲光偏轉器的驅動電信號的頻率如果在改變聲光偏轉器驅動電信號頻率的同時，對電信號施以幅度調制，則輸出光在改變傳播方向的同時，光束的強度也受到調制，稱為聲光偏轉調制器2.2.1聲光控制器件的類型二、用來改變光束方向的聲光器312.2.1聲光控制器件的類型三、選擇光束波長的聲光器件聲光可調諧濾光器：利用聲光器件可以從自發(fā)輻射的寬光譜入射光中，選擇輸出光的波長。光波長的數(shù)值與輸入電信號的頻率相對應，改變驅動信號的頻率，輸出的光波長也相應改變的聲光器件。優(yōu)勢：電控調諧的，調諧范圍寬，具有角孔徑大和光譜分辨率高的特點。典型應用：在紅外光頻譜分光技術、紅外傳感系統(tǒng)和在非相干背景輻射中探測弱激光信號等領域有重要的應用，也用于特殊的光譜分析、染料激光器的調諧和彩色信息處理。2.2.1聲光控制器件的類型三、選擇光束波長的聲光器件聲322.2.1聲光控制器件的類型四、引起光束頻移的聲光器件激光是光頻范圍的電磁波，具有很高的頻率穩(wěn)定性。利用聲光衍射器件，可以使激光束的頻率發(fā)生變化，這種工作方式的聲光器件，稱為聲光移頻器。移頻的方式：改變聲光移頻器的電信號驅動頻率，輸出光的移頻量也相應改變。保持驅動頻率不變，取不同的衍射級作輸出，它們之間的移頻量也不同。主要應用：聲光移頻器在相干系統(tǒng)、光通信和信號處理系統(tǒng)有重要的應用。2.2.1聲光控制器件的類型四、引起光束頻移的聲光器件激332.2.2聲光器件的材料一、聲光器件的晶體選材要求1、聲光品質因素M2表征聲光材料性能的優(yōu)劣，反映出材料的固有衍射效率。式中n—折射率，P—光彈性常數(shù)

--材料密度va—聲傳播速度材料的折射率和光彈性常數(shù)大、密度和聲速小，則品質因素高。2.2.2聲光器件的材料一、聲光器件的晶體選材要求1、聲34一、聲光器件的晶體選材要求2.聲衰減系數(shù)式中：－Gruneisen常數(shù)，－角頻率，K－導熱率超聲衰減與聲速的五次方成反比，超聲速低的材料聲損耗也大，這與品質因素對材料的要求矛盾。二、聲光材料液體（如水）固體玻璃：熔石英、重火石玻璃晶體：TeO2,PbMoO4等一、聲光器件的晶體選材要求2.聲衰減系數(shù)式中：－Grun35一、聲光體調制器的構成聲光體調制器是由聲光調制器，它由聲光介質、電一聲換能器、吸聲裝置及驅動電源四部分構成。2.2.2聲光體調制器一、聲光體調制器的構成聲光體調制器是由聲光調制器362.2.2聲光體調制器一、聲光體調制器的構成2.電一聲換能器（又稱超聲發(fā)生器）它是利用某些壓電晶體（石英、LiNb03等）或壓電半導體(CdS.Zn0等）的反壓電效應，在外加電場作用下產生機械振動而形成超聲波，將調制的電功率轉換成聲功率。

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。2.2.2聲光體調制器一、聲光體調制器的構成2.電一聲換37一、聲光體調制器的構成4.驅動電源用以產生調制信號，驅動聲光調制器工作。3.吸聲（或反射）裝置放置在超聲源的對面，用以吸收已通過介質的聲波，以免返回介質產生干擾（超聲場工作在行波狀態(tài)）；如果超聲場工作在駐波狀態(tài)，吸聲裝置需換成反射裝置。2.2.2聲光體調制器一、聲光體調制器的構成4.驅動電源3.吸聲（或反射）裝置2.38二、聲光體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（電信號）

電聲換能器

獲得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。其衍射效率均與附加相位延遲因子有關其中

為相位延遲因子，

n為聲致折射率差。

n正比于彈性應變幅值S,而S正比于聲功率Ps2.2.2聲光體調制器二、聲光體調制器的工作原理聲光調制是利用聲光效應39二、聲光體調制器的工作原理布喇格聲光調制特性曲線衍射效率

與超聲功率Ps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，使其工作在線性較好的區(qū)域。二、聲光體調制器的工作原理布喇格聲光調制特性曲線40二、聲光體調制器的工作原理在聲功率Ps（或聲強Is）較小的情況下，衍射效率隨聲強度Is中增加線性增加。其衍射效率表達式為：考慮了布喇格角對聲光作用的影響布喇格衍射工作頻率高，效率高，調制帶寬較寬;喇曼－納斯型衍射效率低，只限于低頻工作（低于10MHz)，帶寬有限;二、聲光體調制器的工作原理在聲功率Ps（或聲強I41聲光波導調制器聲光波導調制器422.2.3聲光控制器件的主要特性參數(shù)一、聲光衍射效率衍射效率定義為輸出衍射光的強度相對于入射光強度的比值，用百分數(shù)表示。提高布喇格聲光調制器衍射效率的途徑：選擇聲光性能指數(shù)的聲光介質，聲光介質的長度足夠長而寬度窄和適當增加聲功率。注意：功率過高會導致器件過熱，從而影響器件的工作性能和可靠性。二、調制速度調制速度的描述與聲光調制器的調制信號類型有關脈沖型聲光調制器：用上升時間來描述。正弦形聲光調制器：用3dB調制帶寬來描述。上升時間定義為衍射光強由穩(wěn)定值的10%增加到穩(wěn)定值的90%所需要的時間。聲光池的調制度傳遞函數(shù)下降3dB時的調制頻率2.2.3聲光控制器件的主要特性參數(shù)一、聲光衍射效率二43二、調制速度2.2.3聲光控制器件的主要特性參數(shù)提高聲光調制器調制速度的主要途徑是減小聲波橫越光孔的渡越時間。三、聲光偏轉器的可分辨容量聲光衍射使光的傳播方向發(fā)生變化，通過控制輸入電信號的頻率，就可以獲得不同傳播方向的衍射光，即實現(xiàn)光的偏轉。二、調制速度2.2.3聲光控制器件的主要特性參數(shù)442.2.3聲光控制器件的主要特性參數(shù)三、聲光偏轉器的可分辨容量可分辨點數(shù)（容量）。偏轉器的可分辨點數(shù)與偏轉光的掃描角成比例關系，而與入射光束的發(fā)散角成反比例關系。偏轉時間。通過聲光衍射，光束從一個偏轉方向轉移到下一個偏轉方向的切換時間就是偏轉時間。偏轉時間就等于聲波渡越時間。還有聲光移頻器的特性、光譜分辨率、角孔徑等主要技術參數(shù)，大家自行。2.2.3聲光控制器件的主要特性參數(shù)三、聲光偏轉器的可分45應用在激光諧振腔系統(tǒng)的有聲光鎖模、聲光Q開關和腔倒空技術；應用在信號處理系統(tǒng)的有雷達、電子對抗和光通信的聲光信號處理技術；應用在光學高精度傳感系統(tǒng)的有光學陀螺、水聽器和干涉系統(tǒng)的技術；應用在激光技術系統(tǒng)的有文字、圖像和其它信息處理技術。2.2.4聲光器件的應用應用在激光諧振腔系統(tǒng)的有聲光鎖模、聲光Q開關和腔倒空技術；246第三節(jié)磁光控制器件磁光效應是磁光控制器件的物理基礎，最重要的磁光效應是法拉第旋轉磁光效應：使一束偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉，旋轉角度與外磁場強度呈正比。磁光體調制器第三節(jié)磁光控制器件磁光效應是磁光控制器件的物理基礎，最47第三節(jié)磁光控制器件磁光波導模式轉換調制器第三節(jié)磁光控制器件磁光波導模式轉換調制器482.3.1磁光隔離器磁光隔離器簡稱光隔離器，又稱光單向器，作用是用來隔離光通道中反向傳輸?shù)母蓴_光。一、光隔離器的工作原理入射A線偏振光沿磁光材料的磁化強度M方向，正向通過產生一法拉第旋轉角

，使光的偏振態(tài)變?yōu)锽。當偏振態(tài)為B的偏振光反向通過該元件時，其偏振態(tài)將不再變?yōu)锳,而繼續(xù)旋轉

變?yōu)槠駪B(tài)C這樣，C的偏振方向與A成2

角這就是法拉第效應的非互易性。2.3.1磁光隔離器磁光隔離器簡稱光隔離器，又稱光單492.3.1磁光隔離器光隔離器的結構根據馬呂斯定律，經磁光材料傳輸后的光強度為:由此可得正向傳輸輸出光強反向傳輸輸出光強從而達到正向通過，反向隔離的目的。2.3.1磁光隔離器光隔離器的結構根據馬呂斯定律，經磁光50二、光隔離器的主要參數(shù)(1）插人損耗定義為正向出射功率PF與正向輸入功率P之比，用分貝表示為：(2)反向損耗（又稱隔離度）定義為反向出射功率PR與反向入射功率P’之比，用分貝表示為典型值為0.5dB,<1.0dB通常應大于35dB二、光隔離器的主要參數(shù)(1）插人損耗(2)反向損耗（又稱隔51二、光隔離器的主要參數(shù)(3)回波損耗，>50dB正向入射到隔離器中的光功率和沿輸入路徑返回隔離器輸入端口的光功率之比。主要由磁光材料的光學性質不均勻產生一些其他因素，例如光源的譜線寬度或相千長度、零件的相互靠近程度及其表面光潔程度等也會影響到光隔離器的回波損耗。偏振相關損耗，<0.2dB只改變輸入光偏振態(tài)時，插入損耗的最大變化量。3dB隔離度帶寬，>20nm光隔離器覆蓋一定的工作波長范圍。二、光隔離器的主要參數(shù)(3)回波損耗，>50dB主要由磁52三、光隔離器的研究方向(1）與其他光器件的集成(2）寬帶工作特性的研究當前國內外產品插人損耗＜0.5dB,反向隔離度＞40dB,中心波長1550nm的工作帶寬僅有+15-+30nm;寬帶高速大容量光通信