第二章光調(diào)制

第二章光調(diào)制2023/9/151第1頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月載波調(diào)制信息振幅調(diào)制2023/9/152第2頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月

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)男盘栔苯蛹虞d于光源，以改變光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制；

例：對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號直接控制，實現(xiàn)對所發(fā)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)男盘柨刂普{(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。2023/9/153第3頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月外調(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)生變化，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(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：改變光強或頻率光偏轉(zhuǎn)：改變光的方向

2023/9/154第4頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1機械調(diào)制

常用方法：機電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤等

用遮光或改變透過率方式作光通量的幅度調(diào)制。MtNMtN2023/9/155第5頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月利用電磁感應(yīng)的機械調(diào)制

調(diào)制的波形與激磁電流的波形和強度、光束和擋片的相對形狀和大小有關(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：容易實現(xiàn)，不受波長限制等

缺點：難進行高頻調(diào)制、體積較大等2023/9/156第6頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2電光調(diào)制電光調(diào)制就是利用電光效應(yīng)將電信號調(diào)制到傳輸?shù)墓廨d波上，進而實現(xiàn)光學(xué)控制。晶體的電光效應(yīng)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(yīng)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(yīng)在實際應(yīng)用中通常有兩種方式，即：縱向與橫向電光效應(yīng)；2023/9/157第7頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電光效應(yīng)晶體的折射率因外加電場而改變的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。各向同性介質(zhì)外加強電場雙折射現(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2023/9/158第8頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月

通常材料的介電常量

與外電場無關(guān)，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(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)和對稱性?，F(xiàn)在討論線性電光效應(yīng)

2023/9/159第9頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月在晶體的介電坐標系中，無外加電場時，描述晶體光學(xué)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(jié)為折射率橢球系數(shù)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

2023/9/1510第10頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月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2023/9/1511第11頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月施加電場時，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。

2023/9/1512第12頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于電光晶體的對稱性使電光系數(shù)減少，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(yīng)；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(guān)書籍和技術(shù)手冊，當掌握了電光系數(shù)后，可由上式解出對電場的依賴關(guān)系，最后代入折射率橢球方程式。

2023/9/1513第13頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月

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。2023/9/1514第14頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月如果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(yīng)縱向電光效應(yīng)2023/9/1515第15頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月式中是電光系數(shù)的矩陣元。為消除上式中的交叉項，使得在新的折射率感應(yīng)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)2023/9/1516第16頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月在新的感應(yīng)折射率主軸座標系下，折射率橢球方程變?yōu)槿齻€感應(yīng)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’2023/9/1517第17頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月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軸旋轉(zhuǎn)了450角，此轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)。2023/9/1518第18頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月2.KDP的橫向電光效應(yīng)若入射光方向與施加電場方向相垂直的電光效應(yīng)稱為橫向電光效應(yīng)。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2023/9/1519第19頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月橫向電光效應(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，沿x’方向入射，且入射光偏振方向與z成45o

，進入晶體后將分解為沿y’和z方向振動的兩個分量，Zx’y’V調(diào)制光2023/9/1520第20頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電光相位調(diào)制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。2023/9/1521第21頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月電光相位延遲x’y’zEx’Ey’xyx’y’Oxyx’y’當光波的兩個垂直分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，bacdefghi2023/9/1522第22頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月進行縱向電光效應(yīng)的實驗裝置如圖所示，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2023/9/1523第23頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

顯然，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，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(diào)制。2023/9/1524第24頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月I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。2023/9/1525第25頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月

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）2023/9/1526第26頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月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)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響；缺點：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率太高時，功耗較大。2023/9/1527第27頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月縱向調(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