縱向電光調(diào)制(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上淺談電光調(diào)制摘要：調(diào)制是光電系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。光輻射的調(diào)制時(shí)指改變光波的振幅、強(qiáng)度、相位或頻率、偏振等參數(shù)使之?dāng)y帶信息的過程。調(diào)制的目的是對(duì)所需處理的信號(hào)或傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行某種形式的變換。使之便于處理、傳輸和檢測(cè)。目前用得多的事電光調(diào)制、聲光調(diào)制等方法。文中主要介紹電光調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制原理以及介紹電光調(diào)制在激光通信方面的應(yīng)用，通過此系統(tǒng)了解晶體電光調(diào)制的原理和方法，以便在此系統(tǒng)中測(cè)量晶體的半波電壓、電光系數(shù)和消光比等參數(shù)。關(guān)鍵詞：電光調(diào)制、電光晶體、半波電壓。0 引言：當(dāng)給晶體或液體加上電場(chǎng)后, 該晶體或液體的折射率發(fā)生變化, 這種現(xiàn)象為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和

2、科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用, 它有很短的響應(yīng)時(shí)間, 可以在高速攝影中用做快門或在光速測(cè)量中用做光束斬波器等。在激光出現(xiàn)以后, 電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展, 電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通信、激光測(cè)距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。本文主要介紹縱向電光調(diào)制的原理和方法。1 電光調(diào)制的原理電光調(diào)制是利用某些晶體材料在外加電場(chǎng)作用下折射率發(fā)生變化的電光效應(yīng)而進(jìn)行工作的。根據(jù)加在晶體上電場(chǎng)的方向與光束在晶體中傳播的方向不同,可分為縱向調(diào)制和橫向調(diào)制。電場(chǎng)方向與光的傳播方向平行, 稱為縱向電光調(diào)制; 電場(chǎng)方向與光的傳播方向垂直, 稱為橫向電光調(diào)制。本文以KDP（KH2PO4）晶體的縱向電光調(diào)制為例。1.

3、1 晶體折射率變化：晶體的折射率變化為： n=E+E2+E3 (1)若是普克爾效應(yīng)則是： n=E 、 (2)若是克爾效應(yīng)則是： n=E2。 (3)我們采用橢球方程分析折射率有： D=E (4)晶體的各向異性有： D1D2D3=011133133E1E2E3 (5)若選主坐標(biāo)系則： D1D2D3=0100020003E1E2E3=D1=01E1D2=02E2D3=03E3 (6)由W=12E·D得： W=12E·D=120D121+D222+D323 又因?yàn)椋簄=CV W =120D12n12+D22n22+D32n32 X=D1220W Y=D2220W Z=D3220 W

4、 可得： X2nx2 +Y2ny2+Z2nz2=1 (7)采用單軸晶體則有： N0=nx=ny 、ne=nz 正晶體：ne>n0負(fù)晶體：ne<n0 (8)把(8)式代入(7)式，橢球方程可化為: X2n02+Y2n02+Z2ne2=1 無外加電場(chǎng) (9)若有外加電場(chǎng)時(shí)：1n21X2+1n22Y2+1n23Z2+21n24YZ+21n25XZ+21n26XY=1與沒有外加電場(chǎng)的橢圓方程比較可得: 1n21=1n02+1n21 1n22=1n02+1n22 折射率的變化量: 1n2i=iijEJ1n211n221n231n241n251n26=112131415161122232425

5、262132333435363EXEYEZ (10) ij為電光系數(shù) 把(10)式的矩陣展開有： 1n21=11EX+12EY+13EZ 1n22=21EX+22EY+23EZ 1n26=61EX+62EY+63EZ若以KDP（KH2PO4）晶體為例它的電光系數(shù)為： ij=63 (11)把(11)式代入(10)式可得 1n2i=iijEJ=00041EX52EY63EZ (12) 把(12)式代入加電場(chǎng)的橢球方程式得： 1n02X2+1n02Y2+1ne2Z2+241EXYZ+252EYXZ+263EZXY=1 (13)1.2 縱向調(diào)制 縱向電光調(diào)制器的機(jī)構(gòu)如圖一所示，電光晶體（KDP）置于兩

6、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的偏振方向平行于電光晶體的y軸，并在晶體和P2之間插入/4波片。當(dāng)沿晶體z軸的方向加電場(chǎng)后，晶體的感應(yīng)主軸x'和y'分別旋轉(zhuǎn)到與原主軸x和y成45°的夾角方向。因此，沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚方向的線偏振光，進(jìn)入晶體后被分解為沿x和y'方向的兩個(gè)分量，其振幅和相位都相同，分別為： 如圖一所示E的方向沿Z軸，所以有： EZ=E 、EX=EY=0 (14)把(14)式代入(13)式，則(13)式可以化為： 1n02X2+1n02Y2+1ne2Z2+263XYE=1 (15)如圖二所

7、示：在原來的坐標(biāo)軸X-Y上向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角變?yōu)樾碌囊粋€(gè)坐標(biāo)軸X´-Y´,Z軸不變。利用: X=x'cos-y'sinY=x'sin+y'cosZ=z' (16)把(16)式代入(15)式可得： 1 n02x'cos-y'sin2+1n02x'sin+y'cos2+1ne2z'2+263x'cos- y'sinx'sin+y'cosE=1 (17) (17)式化解可得：1n02+63sin2Ex'2+1n02-63sin2Ey'2+1ne2z&

8、#39;2+263x'y'cos2E=1 (18)令=45°代入（18）式有： 1n02+63Ex'2+1n02-63Ey'2+1ne2z'2=1 (19) 1nx'2x'2+1ny'2y'2+1nz'2z'2=1 (20)(19)式與(20)式比較可得： 1nx'2=1n02+63E1ny'2=1n02-63E1nz'2=1ne2 1nx'2=1nx'2-1n02=63E1ny'2=1ny'2-1n02=-63E1nz'2=0 (2

9、1) 由導(dǎo)數(shù)公式： d1n2=-2n3dn1n2=-2n3n (22)由（22）式有: n=-n321n2 (23)把(23)式代入(21)式可得： nx'=nx'-n0=-n3 263Eny'=ny'-n0=n3263Enz'=nz'-ne=0nx'=n0-n03263Eny'=n0+n03263Enz'=ne (24)(24)式中磷酸二氫鉀晶體變?yōu)殡p軸晶體，其折射率橢球Z軸的方向和長(zhǎng)度基本保持不變，而x、y截面由半徑為n0 變?yōu)闄E圓，橢圓的長(zhǎng)短軸方向x'、y'相對(duì)原來的 x、y 軸旋轉(zhuǎn)了45°

10、，轉(zhuǎn)角的大小與外加電場(chǎng)的大小無關(guān)，而橢圓的長(zhǎng)度nx'、ny'的大小與外加電場(chǎng) E 成線性關(guān)系。當(dāng)光沿磷酸二氫鉀晶體光軸 z 方向傳輸時(shí)，經(jīng)過長(zhǎng)度為 L 的晶體后，由于晶體的橫向電光效應(yīng)x-z，兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生附加位相差： =2ny'-nx'L=2n0363Vz (25)（25）式中:Vz=E×L為加在晶體x軸方向兩端的電壓。通過晶體使光波兩分量產(chǎn)生相位差（光程差/2）所需的電壓Vz，稱為“半波電壓”，以V/2表示。由上式可得出磷酸二氫鉀晶體在以x-z方式運(yùn)用時(shí)的半波電壓表示式： =2n0363V/2= 可得： V/2=263n03 (26)還可

11、以利用V/2求在外加電壓Vz下所產(chǎn)生的相位差: =V/2Vz (27)由(26)式可以看出，磷酸二氫鉀晶體縱向電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差只與入射光的波長(zhǎng)成正比關(guān)系，如果當(dāng)入射光的波長(zhǎng)一定時(shí)，則它的半波電壓也就一定了，也就是說縱向電光調(diào)制的半波電壓不可調(diào)，通過實(shí)驗(yàn)可知縱向電光調(diào)制的半波電壓很高，只能調(diào)制小信號(hào)而不能滿足大信號(hào)的要求。從而縱向電光調(diào)制就有局限性，但是縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射等優(yōu)點(diǎn)。1.3輸出光的性質(zhì)如圖一所示，當(dāng)入射光進(jìn)入晶體后被分解為沿x'和y'方向的兩個(gè)分量，其振幅和相位都相同，分別為： Ex'0=Acos(t)=Ae-itEy&

12、#39;0=Acos(t)=Ae-it (28)由于光強(qiáng)正比于電場(chǎng)的平方，因此入射光強(qiáng)度為： IiEE*=Ex'02+Ex'02=2A2 (29)當(dāng)光通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體之后，由于電光效應(yīng)，Ex和Ey兩個(gè)分量之間產(chǎn)生了一相位差，則有Ex'L=A，Ey'L=Ae-i。那么，通過檢偏器后的總電場(chǎng)強(qiáng)度是Ex'L和Ey'L在y方向上的投影之和，即Ey0=A2e-i-1。與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為： I0EyEy*0=A22e-i-1ei-1=2A2sin22 (30)便可得到調(diào)制器的透過率為： T=I0Ii=sin22=sin22VV/2 (31) 根據(jù)上述光系

13、可以畫出光強(qiáng)調(diào)制特性曲線，如圖三所示。由圖可見，在一般情況下，調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。若調(diào)制器工作在非線性區(qū)，則調(diào)制光強(qiáng)將發(fā)生畸變。為了獲得線性得調(diào)制，可以通過引入一個(gè)固定的/2相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏值在T=50%工作點(diǎn)上。常用的辦法是如圖一所示，在調(diào)制器的光路上插入一個(gè)/4波片，其快慢軸與晶體的主軸x成45°角，從而使Ex'和Ey'兩個(gè)分量之間產(chǎn)生/2的固定相位差。于是式(31)中的總相位差為： =2+VmV/2sinmt=2+msinmt (32)式中，m=Vm/V/2是相應(yīng)于外加調(diào)制信號(hào)電壓Um的相位差。因此，調(diào)制的透過率可表示為： T=

14、I0Ii=sin24+m2sinmt=121+sinmsinmt (33)利用貝塞爾函數(shù)將上式中的sinmsinmt展開有： T=12+n=0J2n+1sin2n+1mt (34)可見，輸出的調(diào)制光中含有高次諧波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。設(shè)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： I2n+1I1=J2n+1mJ1m n=0、1、2、 (35)若取m=1rad，則J11=0.44 , J33=0.02 ,I3I1=0.045,即三次諧波為基波的5%。在這個(gè)范圍內(nèi)可近似獲得線性調(diào)制，因而取： m=VmV/21rad作為線性調(diào)制的判據(jù)。此時(shí)J1m12m,代入式(34)得: T=I0Ii121+msinmt (36)故為了獲得線性調(diào)制，要求調(diào)制信號(hào)不宜過大（小信號(hào)調(diào)制），那么輸出光強(qiáng)調(diào)制波就是調(diào)制信號(hào)V=Vmsinmt的線性復(fù)現(xiàn)。如果m1rad的條件不能滿足（大信號(hào)調(diào)制），則光強(qiáng)調(diào)制