電光調(diào)制器強度調(diào)制器相位調(diào)制器EOM原理ppt課件

1、EOM的任務原理QQ775332295目錄 EOMEOM的定義的定義 電光調(diào)制的分類電光調(diào)制的分類 EOMEOM的種類及運用的種類及運用 EOMEOM的任務原理的任務原理 EOMEOM的特性參數(shù)的特性參數(shù) EOMEOM的操作方法的操作方法 EOMEOM在本次實驗中的作用在本次實驗中的作用EOM的定義 EOM，全稱Electrooptic Modulator，即電光調(diào)制器，利用電光效應任務的光調(diào)制器。將信息加載于激光的過程稱之為調(diào)制,完成這一過程的安裝稱為調(diào)制器,其中激光稱為載波；起控制造用的低頻信息稱為調(diào)制信號。電光調(diào)制屬于外調(diào)制，即在激光器外的光路中進展調(diào)制。目前光通訊領(lǐng)域所用的電光調(diào)制器大

2、多是鈮酸鋰資料做的光波導強度調(diào)制器。電光調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(diào)電光調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(diào)制等。制等。振幅調(diào)制振幅調(diào)制振幅調(diào)制就是使載波的振幅隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，振幅調(diào)制就是使載波的振幅隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。簡稱調(diào)幅。設激光載波的電場強度為：設激光載波的電場強度為：( )cos()cccce tAt假設調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(shù)，即：假設調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(shù)，即： ( )cosmma tAt其中其中 Am 和和 m 分別是調(diào)制信號的振幅和角頻率，當進展激光振幅分別是調(diào)制信號的振幅和角頻率，當進展激光

3、振幅調(diào)制之后，激光振幅調(diào)制之后，激光振幅 Ac 不再是常量，而是與調(diào)制信號成正比。不再是常量，而是與調(diào)制信號成正比。電光調(diào)制的分類)cos(cos1)(ccmacttmAte其調(diào)幅波的表達式為：其調(diào)幅波的表達式為： 利用三角公式：利用三角公式： )cos()cos(21coscos得：得：cmccacmccaccctAmtAmtAte)(cos2)(cos2)cos()(式中，式中， 稱為調(diào)幅系數(shù)?？梢娬{(diào)幅波的頻譜是由三稱為調(diào)幅系數(shù)。可見調(diào)幅波的頻譜是由三個頻率成分組成的，其中，第一項為哪一項載頻分量，第二、個頻率成分組成的，其中，第一項為哪一項載頻分量，第二、三項是因調(diào)制而產(chǎn)生的新分量，稱為

4、邊頻分量三項是因調(diào)制而產(chǎn)生的新分量，稱為邊頻分量 。cmaAAm 調(diào)調(diào)幅幅波波頻頻譜譜2caAmmccmcm22caAmcA 調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改動的振蕩。由于這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角化規(guī)律而改動的振蕩。由于這兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相角 (t) 的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。的變化，因此統(tǒng)稱為角度調(diào)制。 ( )( )( )ccfttk a t)cos()(cccctAte中的角頻率中的角頻率c 不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號而變化，即：不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號而變化，即： 對于調(diào)頻而言，就是式對于調(diào)頻而言，就是式

5、頻率調(diào)制和相位調(diào)制頻率調(diào)制和相位調(diào)制調(diào)頻和調(diào)相調(diào)頻和調(diào)相假設調(diào)制信號仍是一個余弦函數(shù)，那么調(diào)頻波的總相角假設調(diào)制信號仍是一個余弦函數(shù)，那么調(diào)頻波的總相角為：為： ( )( )( )( )(cos)sinccfccfccfmmccfmctt dtk a tdttk a t dttkAt dttmt其中其中 稱為調(diào)頻系數(shù)，稱為調(diào)頻系數(shù)，kf 稱為比例系數(shù)。稱為比例系數(shù)。mmmffAkm那么調(diào)制波的表達式為：那么調(diào)制波的表達式為： ( )cos(sin)ccfmce tAtmt 同樣，相位調(diào)制就是相位角不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信同樣，相位調(diào)制就是相位角不再是常數(shù)，而是隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波

6、的總相角為：號的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波的總相角為： 式中，式中， 稱為調(diào)相系數(shù)。稱為調(diào)相系數(shù)。mAkmtAkttakttmmcccccos)()()coscos()(cmcctmtAte那么調(diào)相波的表達式為：那么調(diào)相波的表達式為： 調(diào)頻和調(diào)相波的頻譜。由于調(diào)頻和調(diào)相本質(zhì)上最終都是調(diào)制總調(diào)頻和調(diào)相波的頻譜。由于調(diào)頻和調(diào)相本質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可寫成一致的方式相角，因此可寫成一致的方式 cmcctmtAtesincos)(利用利用 三角公式展開，得：三角公式展開，得：sinsincoscos)cos()sinsin(sin()sincos(cos()()tmttmtAtemccmccc將式

7、中將式中 兩項按貝塞爾函數(shù)展開：兩項按貝塞爾函數(shù)展開：)sinsin()sincos(tmtmmm和02cos(sin)()2()cos(2)1mnmmtJmJmntn112) 12(sin)(2)sinsin(nmnmtnmJtm知道了調(diào)制系數(shù)知道了調(diào)制系數(shù)m，就可得各階貝塞爾函數(shù)的值。，就可得各階貝塞爾函數(shù)的值。將以上兩式代入利用三角函數(shù)關(guān)系式：將以上兩式代入利用三角函數(shù)關(guān)系式： )cos()cos(21sinsin)cos()cos(21coscoscmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJAtmJtmJtmJtmJtmJAte)(1cos) 1()co

8、s()()cos()()2(cos)()2(cos)()(cos)()(cos)()cos()()(022110可得：可得：可見，在單頻正弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與可見，在單頻正弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的。各邊頻之間的頻率在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的。各邊頻之間的頻率間隔是間隔是 , 各邊頻幅度的大小各邊頻幅度的大小 由貝塞爾函數(shù)決議。由貝塞爾函數(shù)決議。 m)(mJn0.770.440.110.02m6mc 角度調(diào)制波的頻譜角度調(diào)制波的頻譜1fm如以下圖是如以下圖是m=1時的角度調(diào)制波的頻譜。時的角度調(diào)制波的頻譜。

9、顯然顯然, 假設調(diào)制信號不是單頻正弦波假設調(diào)制信號不是單頻正弦波, 那么其頻譜將更加復雜。另那么其頻譜將更加復雜。另外，當角度調(diào)制系數(shù)較小即外，當角度調(diào)制系數(shù)較小即m1時，其頻譜與調(diào)幅波有著一時，其頻譜與調(diào)幅波有著一樣的方式。樣的方式。 強度調(diào)制是光載波的強度強度調(diào)制是光載波的強度(光強光強)隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激光振蕩。光振蕩。 激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制方式，這是由于接納器激光調(diào)制通常多采用強度調(diào)制方式，這是由于接納器(探測探測器器)普通都是直接地呼應其所接納的光強度變化的緣故。普通都是直接地呼應其所接納的光強度變化的緣故。 激光的光強度定義為光波電場的平方，其表

10、達式為激光的光強度定義為光波電場的平方，其表達式為(光波電光波電場強度有效值的平方場強度有效值的平方): 222( )( )cos ()cccI te tAt 強度調(diào)制強度調(diào)制于是，強度調(diào)制的光強表達式可寫為于是，強度調(diào)制的光強表達式可寫為 :)(cos)(12)(22ccpcttakAtI式中，式中， 為比例系數(shù)。設調(diào)制信號是單頻余弦波為比例系數(shù)。設調(diào)制信號是單頻余弦波pk)cos()(tAtamm將其代入上式將其代入上式, 并令并令 pmpmAk(稱為強度調(diào)制系數(shù)稱為強度調(diào)制系數(shù))(coscos12)(22ccmpcttmAtIm光強調(diào)制波的頻譜可用前面所述類似的方法求得，但其結(jié)果光強調(diào)制

11、波的頻譜可用前面所述類似的方法求得，但其結(jié)果與調(diào)幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布與調(diào)幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻的兩邊頻之外，還有低頻 和直流分量。和直流分量。t( )I t載波調(diào)制信號強度調(diào)制強度調(diào)制 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制 以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種延續(xù)振蕩的以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種延續(xù)振蕩的波波, 稱為模擬式調(diào)制。另外稱為模擬式調(diào)制。另外, 在目前的光通訊中還廣泛采用一在目前的光通訊中還廣泛采用一種在不延續(xù)形狀下進展調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制種在不延續(xù)形狀下進展調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制(也稱為也稱為脈沖編碼調(diào)

12、制脈沖編碼調(diào)制)。它們普通是先進展電調(diào)制模擬脈沖調(diào)制或。它們普通是先進展電調(diào)制模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字脈沖調(diào)制數(shù)字脈沖調(diào)制, 再對光載波進展光強度調(diào)制。再對光載波進展光強度調(diào)制。 周期脈沖序列載波周期脈沖序列載波 脈沖調(diào)制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載波，這脈沖調(diào)制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載波，這種載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。即先用種載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。即先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、幅度、寬度、頻率、位置等位置等)進展電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化進展電調(diào)制，使之按調(diào)制信號規(guī)律變化,

13、成為已調(diào)脈成為已調(diào)脈沖序列沖序列, 然后再用這已調(diào)電脈沖序列對光載波進展強度調(diào)制然后再用這已調(diào)電脈沖序列對光載波進展強度調(diào)制, 就可以得到相應變化的光脈沖序列。就可以得到相應變化的光脈沖序列。周期脈沖序列載波周期脈沖序列載波(a)調(diào)制信號調(diào)制信號(b)脈沖幅度調(diào)制脈沖幅度調(diào)制(c)脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(d)脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制(e)脈沖位置調(diào)制脈沖位置調(diào)制脈沖調(diào)制方式脈沖調(diào)制方式EOM的種類及運用 根據(jù)電極構(gòu)造不同，EOM可以分為集總參數(shù)調(diào)制器和行波調(diào)制器； 根據(jù)波導構(gòu)造不同，EOIM可以分為Msch-Zehnder干涉式強度調(diào)制器和定向耦合式強度調(diào)制器； 根據(jù)通光方向與電場方向的關(guān)系

14、，EOM可以分為縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器?？v向電光調(diào)制器具有構(gòu)造簡單、任務穩(wěn)定與偏振無關(guān)、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點，其缺陷是半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大；KDP晶體橫向電光調(diào)制的主要缺陷是存在自然雙折射引起的相位延遲，可采用“組合調(diào)制器的構(gòu)造予以襯償。電光調(diào)制器有很多種，根據(jù)不同的規(guī)范可以分成不同的類別。 根據(jù)電光晶體資料的不同，可分為KDP晶體，鈮酸鋰EOM，硝基苯EOM，鋰鈮酸鉀EOM； 根據(jù)所用電光效應的不同也可分類，假設電光資料折射率與調(diào)制電壓呈線性關(guān)系，即稱為線性電光效應泡克爾斯效應，如KDP晶體，鈮酸鋰；假設電光資料的折射率與調(diào)制電壓的二次方成正比，即克爾效

15、應，如硝基苯，鋰鈮酸鉀； 另外，此處還需引見EAM，電吸收調(diào)制器，一種和鈮酸鋰波導調(diào)制器一樣運用廣泛的調(diào)制器，屬于是內(nèi)調(diào)制器，主要用于和半導體激光器集成，體積小，功耗低，驅(qū)動電壓低，但傳輸性能比EOM稍差，比直接調(diào)制的半導體激光器稍好，多用于中短間隔傳輸，開展出路較好。 相位調(diào)制器 相位調(diào)制器是電光波導調(diào)制器中最簡單的器件，選擇適宜的晶體取向以便獲得最大電光系數(shù) 為獲得最大調(diào)制深度，普通取Z方向為電場方向，選取適宜的波導和電極構(gòu)造，然后在調(diào)制電壓信號的作用下，電光晶體的折射率發(fā)生相應的改動，晶體中o光和e光經(jīng)過不同的光程，產(chǎn)生附加相位。如以下圖所示，電場分量沿程度方向x切y晶體或者垂直方向y切

16、x晶體加在鈮酸鋰基片上，光波導傳輸?shù)姆绞綉獮門E模程度偏振，即晶體中的e光。產(chǎn)生的附加相位為 根據(jù)調(diào)制參量的不同，可以分為相位調(diào)制器和強度調(diào)制器。33r切，表示的是基片取向，如z切，即表示晶體的z軸垂直于晶體光滑外表，GVnLLne3332 強度調(diào)制器 強度調(diào)制的本質(zhì)依然是相位調(diào)制產(chǎn)生的。激光經(jīng)過第一個3dB耦合器分成兩部分，每個分支光波導所發(fā)生的景象均是相位調(diào)制，經(jīng)過第二個3dB耦合器，相位調(diào)制才轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸日{(diào)制。施加在晶體上的電場在空間上根本是均勻的,但在時間上是變化的。 常見的強度調(diào)制器是Msch-Zehnder干涉式強度調(diào)制器和定向耦合式強度調(diào)制器，但由于前者數(shù)學模型簡單而且驅(qū)動電壓低，

17、所以商用的強度調(diào)制器多數(shù)為M-Z干涉式強度調(diào)制器。 電光調(diào)制的物理根底是電光效應，即某些晶體在外加電場電光調(diào)制的物理根底是電光效應，即某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當光波經(jīng)過此介質(zhì)時，其傳的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當光波經(jīng)過此介質(zhì)時，其傳輸特性就遭到影響而改動。輸特性就遭到影響而改動。 光波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律遭到介質(zhì)折射率分布的制約，而光波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律遭到介質(zhì)折射率分布的制約，而折射率的分布又與其介電常量電容率親密相關(guān)。晶體折射率折射率的分布又與其介電常量電容率親密相關(guān)。晶體折射率可用施加電場可用施加電場E的冪級數(shù)表示，即的冪級數(shù)表示，即 電光調(diào)制的物理根底電光調(diào)制

18、的物理根底20nnEbE 20nnnEbE 或?qū)懗苫驅(qū)懗墒街?，式中?E 是一次項，由該項引起的折射率變化，稱為線性電是一次項，由該項引起的折射率變化，稱為線性電光效應或泡克耳斯光效應或泡克耳斯(Pockels)效應；由二次項效應；由二次項 bE2 引起的折引起的折射率變化，稱為二次電光效應或克爾射率變化，稱為二次電光效應或克爾Kerr 效應。對于大效應。對于大多數(shù)電光晶體資料，一次效應要比二次效應顯著，可略去二多數(shù)電光晶體資料，一次效應要比二次效應顯著，可略去二次項，故在本章只討論線性電光效應。次項，故在本章只討論線性電光效應。EOM的任務原理 對電光效應的分析和描畫有兩種方法：一種是電磁實

19、際方法，對電光效應的分析和描畫有兩種方法：一種是電磁實際方法，但數(shù)學推導相當繁復；另一種是用幾何圖形但數(shù)學推導相當繁復；另一種是用幾何圖形折射率橢球體折射率橢球體(又稱光率體又稱光率體)的方法，這種方法直觀、方便，故通常都采用這種的方法，這種方法直觀、方便，故通常都采用這種方法。方法。 2222221xyzyxznnn1.電致折射率變化電致折射率變化 在晶體未加外電場時，主軸坐標系中，折射率橢球由如在晶體未加外電場時，主軸坐標系中，折射率橢球由如下方程描畫：下方程描畫：式中，式中，x，y，z 為介質(zhì)的主軸方向，也就是說在晶體內(nèi)沿著這些為介質(zhì)的主軸方向，也就是說在晶體內(nèi)沿著這些方向的電位移方向的

20、電位移D和電場強度和電場強度E是相互平行的；是相互平行的；nx，ny，nz 為折射為折射率橢球的主折射率。率橢球的主折射率。 當晶體施加電場后，其折射率橢球就發(fā)生當晶體施加電場后，其折射率橢球就發(fā)生“變形，橢球方變形，橢球方程變?yōu)槌套優(yōu)?如下方式：如下方式：2222222123422561111211221xyzyznnnnxzxynn式中，式中，ij 稱為線性電光系數(shù)；稱為線性電光系數(shù)； i取值取值1，6；j取值取值1，2，3。上式可以用張量的矩陣方式表式為：上式可以用張量的矩陣方式表式為：由于外電場的作用，折射率橢球各系數(shù)由于外電場的作用，折射率橢球各系數(shù) 隨之發(fā)生線性變化，隨之發(fā)生線性變

21、化，其變化量其變化量 可定義為可定義為21n3211ijjijEn121 11 21 3222 12 22 3323 13 23 34 14 24 3425 15 25 3526 16 26 3621()1()1()1()1()1()xyznnEnEEnnn式中，式中， 是電場沿是電場沿 方向的分量。具有方向的分量。具有 元元素的素的 矩陣稱為電光張量，每個元素的值由詳細的晶體決議，矩陣稱為電光張量，每個元素的值由詳細的晶體決議，它是表征感應極化強弱的量。將它是表征感應極化強弱的量。將LN晶體的電光張量矩陣代入式晶體的電光張量矩陣代入式中得到中得到 zyxEEE,zyx ,ij36假設外加電場

22、平行于光軸，假設外加電場平行于光軸，即即 ，那么，那么可以看出，加了電場后，折射率橢球沒有旋轉(zhuǎn)，可以看出，加了電場后，折射率橢球沒有旋轉(zhuǎn)，仍為單軸晶體，但其折射率發(fā)生了變化。仍為單軸晶體，但其折射率發(fā)生了變化。 下面分析一下電光效應如何引起相位延遲。實踐運用中的下面分析一下電光效應如何引起相位延遲。實踐運用中的LN晶體是晶體是沿著相對光軸的某些特殊方向切割而成的，且外電場也是沿某些特殊方向沿著相對光軸的某些特殊方向切割而成的，且外電場也是沿某些特殊方向加到晶體上的。根據(jù)電場的方向與通光的關(guān)系，分為兩種方式：電場方向加到晶體上的。根據(jù)電場的方向與通光的關(guān)系，分為兩種方式：電場方向與通光方向一致稱

23、為縱向電光調(diào)制：電場方向與通光方向垂直，稱為橫向與通光方向一致稱為縱向電光調(diào)制：電場方向與通光方向垂直，稱為橫向電光調(diào)制。以鈮酸鋰晶體為例，分析電光調(diào)制。以鈮酸鋰晶體為例，分析電光相位延遲電光相位延遲外加電場沿Z軸方向運用，折射率橢球不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在一定條件下可以防止自然雙折射的問題；為了在同樣條件下獲得更顯著的電光效應，應該利用 的方向，而這正是z方向，因此選取電場方向為z方向。33根據(jù)以下圖來討論LN晶體的橫向電光運用。由于外加電場是沿z軸方向，晶體的主軸不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，仍為x，y，z方向，此時的通光方向與z軸垂直，并沿Y方向入射，假設入射光偏振方向與z軸成45角，進入晶體分解為X和z方向振動

24、的兩個分量，其折射率分別為 ；假設通光方向的晶體長度為假設通光方向的晶體長度為L，厚度，厚度(電極電極間距間距)為為d，外加電壓，外加電壓V=Ezd，那么從晶體，那么從晶體出射的兩光波的相位差為出射的兩光波的相位差為由此可知，x軸與z軸的綜合電光效應使光波經(jīng)過晶體后的相位差包括兩項：第一是與外加電場無關(guān)的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲，這對調(diào)制器的任務沒有奉獻，而且會因溫度變化引起折射率(no和ne)的變化而導致相位差漂移，進而使調(diào)制光發(fā)生畸變，甚至使調(diào)制器不能正常任務，應設法消除或補償雙折射景象；第二項是外加場作用產(chǎn)生的相位延遲，它與外加電場和晶體的尺寸有關(guān)。另外假設采取組合調(diào)制器或者12波片補償?shù)姆椒梢允箍傁嗖顬楫斚辔徊顬?時，此時的電壓為半波電壓，它反映了調(diào)制功率的大小，此處的半波電壓表示為假設入射光偏振方向為Z方向，那么光束經(jīng)過LN晶體不會有雙折射景象，經(jīng)過L長間隔的晶體后，其感應的相位變化為其半波電壓為從上式可以看出，第一種方法的半波電壓較小些，但由于該效應是尋常光和非尋常光電光效應之差，同樣會有溫度導致的相位差漂移景象；而且它必需求兩塊晶體，體積較大，而且還需加檢偏安裝，構(gòu)造復雜，而且尺寸加工要求較高，故這類晶體的橫向調(diào)制多采用第二種方法。從上面可知，可以經(jīng)過減小晶體厚度，添加電光互作用長度