第二章光調(diào)制

1、2022-4-161第二章第二章 光輻射的調(diào)制光輻射的調(diào)制o 調(diào)制的內(nèi)容：調(diào)制的內(nèi)容：是指改變光波振幅、強度、相位是指改變光波振幅、強度、相位或頻率、偏振等參數(shù)，使之攜帶信息的過程?；蝾l率、偏振等參數(shù)，使之攜帶信息的過程。o 調(diào)制的目的：調(diào)制的目的：光信息系統(tǒng)的信號加載與控制光信息系統(tǒng)的信號加載與控制o 調(diào)制的方法：調(diào)制的方法：n傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤（對光輻射強度進行調(diào)制）；傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤（對光輻射強度進行調(diào)制）；n現(xiàn)代方法：利用外場的微擾引起介質(zhì)的非線性極現(xiàn)代方法：利用外場的微擾引起介質(zhì)的非線性極化，從而改變介質(zhì)的光學性質(zhì)。在外場下利用光和化，從而改變介質(zhì)的光學性質(zhì)。在外場下利用光和介質(zhì)的相互

2、作用而實現(xiàn)對光輻射振幅頻率、相位等介質(zhì)的相互作用而實現(xiàn)對光輻射振幅頻率、相位等參數(shù)的調(diào)制。參數(shù)的調(diào)制。2022-4-1622022-4-163o 光輻射的現(xiàn)代調(diào)制方法：光輻射的現(xiàn)代調(diào)制方法：n按調(diào)制是在光源內(nèi)發(fā)生還是光源外進行分：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)制內(nèi)調(diào)制和和外調(diào)制外調(diào)制n內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將欲傳輸?shù)男盘栔苯蛹虞d于光源，以：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；改變光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制； 例：對半導體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號直例：對半導體激光器的驅(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；接控制，實現(xiàn)對所發(fā)射激光強度的調(diào)制； 又如

3、：把調(diào)制元件放在諧振腔內(nèi)，用欲傳輸?shù)挠秩纾喊颜{(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)的變化而改變光腔信號控制調(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。參數(shù)，從而調(diào)制激光輸出。2022-4-164n外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將欲外調(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)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。將發(fā)生變化，實現(xiàn)調(diào)制。o電光調(diào)制電光調(diào)制o聲光調(diào)制聲光調(diào)制o磁光調(diào)制磁光調(diào)制o熱光效應熱光效應n激光外調(diào)制激光外調(diào)制o體調(diào)制體調(diào)制o光波導調(diào)制光波導調(diào)制n光調(diào)制光調(diào)制o光調(diào)制：改變光強或頻率光

4、調(diào)制：改變光強或頻率o光偏轉(zhuǎn)：改變光的方向光偏轉(zhuǎn)：改變光的方向2022-4-1652.1 2.1 機械調(diào)制機械調(diào)制o 常用方法常用方法:機電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤等機電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤等o 用遮光或改變透過率方式作光通量的幅度調(diào)制。用遮光或改變透過率方式作光通量的幅度調(diào)制。MtNMtNo 缺點：難進行高頻調(diào)制、體積較大等缺點：難進行高頻調(diào)制、體積較大等2022-4-1662.2 2.2 電光調(diào)制電光調(diào)制o電光調(diào)制電光調(diào)制就是利用就是利用電光效應電光效應將電信號調(diào)制到將電信號調(diào)制到傳輸?shù)墓廨d波上，進而實現(xiàn)光學控制。傳輸?shù)墓廨d波上，進而實現(xiàn)光學控制。o晶體的電光效應可實現(xiàn)對晶體中傳播光波的晶體的電光效應

5、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。調(diào)制，有相位調(diào)制、強度調(diào)制和脈沖調(diào)制等。o在實際應用中，電光晶體總是沿著相對光軸在實際應用中，電光晶體總是沿著相對光軸的某些特殊方向切割而成的；的某些特殊方向切割而成的；o電光效應在實際應用中通常有兩種方式，即電光效應在實際應用中通常有兩種方式，即縱向與橫向電光效應；縱向與橫向電光效應；2022-4-167一、一、 電光效應電光效應o晶體的折射率因外加電場而改變的現(xiàn)象稱為晶體的折射率因外加電場而改變的現(xiàn)象稱為電光效應電光效應。各向同性介質(zhì)各向同性介質(zhì)外加強電場外加強電場雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象雙折射變化雙折射變化e

6、 e光光晶體的截面晶體的截面O O光光 單色自然光單色自然光 2022-4-168 通常材料的介電常量通常材料的介電常量 與外電場無關(guān)，但當外與外電場無關(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：起折射率變化：220032EEEEnknn 、為常量常量線性電光效應，或線性電光效應，或Pockels效應（效應（KDP、LiNbO3）二次電光效應，或二次電光效應，或Kerr效應效應（BaTiO3、硝基苯液體）、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。現(xiàn)在討論現(xiàn)在討論線性電光效應線性電光效應 2022-4

7、-169 在晶體的介電坐標系中，無外加電場時，描述在晶體的介電坐標系中，無外加電場時，描述晶體光學性質(zhì)的折射率橢球方程為晶體光學性質(zhì)的折射率橢球方程為 其中下標其中下標1，2，3分別表示坐標分別表示坐標 x、y、z。 2223122221231xxxnnn 當晶體施加任意電場時，晶體的折射率發(fā)生變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球在介電主軸座標系中的方程為ijjiijxxn11,2其中

8、其中ijn21是對稱二階張量是對稱二階張量 2022-4-1610lij,21lnijl,21ln采用下標簡化形式以采用下標簡化形式以 表示表示，則，則的下標為的下標為 11，22，33，23(32)，31(13)，12(21) 1, 2, 3, 4, 5, 6有有6個獨立的分量。個獨立的分量。0E201211xnn202211ynn203211znn05204211nn01062n無電場時，無電場時，于是，于是1nznynx2z22y22x22022-4-16110E02,22111lllnnnE321,EEE3121kklklEnlk施加電場時施加電場時，折射率橢球系數(shù)的改變量，折射率橢球

9、系數(shù)的改變量與外加電場與外加電場成正比，即成正比，即 其中其中稱為電光系數(shù)張量，共有稱為電光系數(shù)張量，共有18個元素，個元素，可表示為可表示為6 3 的矩陣的矩陣。 2022-4-1612 由于電光晶體的對稱性使電光系數(shù)減少，由于電光晶體的對稱性使電光系數(shù)減少，具具有對稱中心的晶體，其電光系數(shù)都為零，故這種有對稱中心的晶體，其電光系數(shù)都為零，故這種晶體不產(chǎn)生線性電光效應晶體不產(chǎn)生線性電光效應；在沒有對稱中心的在沒有對稱中心的21個點群中，有個點群中，有20個點群具有線性電光系數(shù)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

10、掌握了電光系數(shù)后，可關(guān)書籍和技術(shù)手冊，當掌握了電光系數(shù)后，可由上式解出由上式解出 對電場的依賴關(guān)系，最后代入折對電場的依賴關(guān)系，最后代入折射率橢球方程式。射率橢球方程式。 ,21ln2022-4-1613 KDP晶體的線性電光效應晶體的線性電光效應o常用的電光晶體是一些各向異性的光學晶體，常用的電光晶體是一些各向異性的光學晶體，如磷酸二氫鉀如磷酸二氫鉀 ， 磷酸二氘鉀磷酸二氘鉀 ， 磷酸磷酸二氫氨二氫氨 ，鈮酸鋰，鈮酸鋰 (記為記為 )等。以等。以下結(jié)合下結(jié)合 加以說明。加以說明。KDPPKD*ADP3LiNbOLNKDPo 為單軸晶體，屬立方晶系的點群。有為單軸晶體，屬立方晶系的點群。有 ，

11、 。KDPoyxnnneznn Zxy光軸光軸: 晶體中有一個方向，光沿這個晶體中有一個方向，光沿這個方向傳播不發(fā)生雙折射，這個方向方向傳播不發(fā)生雙折射，這個方向叫做光軸。叫做光軸。2022-4-1614o如果如果沿晶體光軸方向加電場沿晶體光軸方向加電場，由于，由于 ，而而 ，可以得到在介電主軸坐標系中的，可以得到在介電主軸坐標系中的折射率橢球方程為折射率橢球方程為 021 EEEE 31. KDP的縱向電光效應的縱向電光效應縱向電光效應 12216322322221xExnxnxxeo2022-4-1615式中式中63是電光系數(shù)的矩陣元。為消除上式中的交是電光系數(shù)的矩陣元。為消除上式中的交叉

12、項，使得在新的折射率感應主軸坐標系叉項，使得在新的折射率感應主軸坐標系下成為正橢圓，需進行圖下成為正橢圓，需進行圖1所示的變換，所示的變換，即即1x1x和（和（yx 2）（2yx ）繞）繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)了軸逆時針旋轉(zhuǎn)了45角。角。 圖圖. 沿沿KDP晶體光軸方向加電時，在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)垂直光軸的平面內(nèi)折射率主軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)2022-4-1616在新的感應折射率主軸座標系在新的感應折射率主軸座標系xy下，下，z折射率橢球方程變?yōu)檎凵渎蕶E球方程變?yōu)?22 22 22 zyxnznynx三個感應主軸的折射率分別為三個感應主軸的折射率分別為ezooyooxnnEn

13、nnEnnn6336332121沿光軸加電場后，沿光軸加電場后，xoy截面由圓變截面由圓變?yōu)闄E圓為橢圓沿沿x方向偏振的方向偏振的傳傳播速度加大，播速度加大，沿沿y方向偏振的方向偏振的傳播速傳播速度減小。度減小。xyxy2022-4-1617oKDP晶體沿晶體沿z軸加電場時，由單軸晶體變成了雙軸加電場時，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)了軸旋轉(zhuǎn)了450角，角，此轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)。此轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)。2022-4-16182. KDP的橫向電光效應的橫向電光效應o若若入射光方向與施加電場方向相垂直的入射光方向與施加電場方向相垂直的電光效

14、電光效應稱為橫向電光效應。電場可以沿晶體的任一應稱為橫向電光效應。電場可以沿晶體的任一介電主軸（介電主軸（ x、y或或z軸）加于晶體。例如，電場軸）加于晶體。例如，電場沿沿z方向施加，光沿方向施加，光沿x軸方向入射，如圖所示。軸方向入射，如圖所示。ZxyV入射光的偏振方向垂直于入射偏振光調(diào)制光2022-4-1619o橫向電光效應包含了自然雙折射造成的相位差，易受橫向電光效應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。溫度影響。采用組合調(diào)制器進行補償。o因外加電場仍沿因外加電場仍沿z軸，與縱向運用時一樣，晶體的主軸，與縱向運用時一樣，晶體的主軸軸x和和y旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)45o。o

15、但此時通光方向與但此時通光方向與z垂直，且入射光偏振方向與垂直，且入射光偏振方向與z成成45o ，沿，沿x方向入射，進入晶體后將分解為沿方向入射，進入晶體后將分解為沿y和和z方方向振動的兩個分量，向振動的兩個分量，ZxyV調(diào)制光36321()2zoeoyLnn LnVd2022-4-1620二、電光相位延遲二、電光相位延遲o以以外加電場平行于光軸的外加電場平行于光軸的KDP晶體為例晶體為例，一束線偏，一束線偏振光沿振光沿z軸方向入射晶體，且軸方向入射晶體，且E矢量沿矢量沿 x方向，進入方向，進入晶體后分解為沿晶體后分解為沿x和和y方向的兩個垂直偏振分量。方向的兩個垂直偏振分量。o光波沿光波沿z

16、方向傳播距離方向傳播距離l后，兩偏振光之間的相位差為后，兩偏振光之間的相位差為330633063ooxyk nE lk nV 完全由電光效應完全由電光效應引起引起電光相位延遲電光相位延遲。2022-4-1621電光相位延遲電光相位延遲xyzExEyxyxyOxyxyo當光波的兩個垂直分量的光程差為半個波長時（相當光波的兩個垂直分量的光程差為半個波長時（相位差為位差為 ）所加的電壓稱）所加的電壓稱為半波電壓為半波電壓，6330onkV bacdefghi2022-4-1622o進行縱向電光效應的實驗裝置如圖所示，它由一對平行進行縱向電光效應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。偏

17、振器和一塊晶體組成。330633063ooxyk nE lk nV1. 縱向電光強度調(diào)制縱向電光強度調(diào)制三、電光強度調(diào)制三、電光強度調(diào)制2022-4-16232200sinsin22VIIIV其中其中0I為檢偏器的最大輸出光強。為檢偏器的最大輸出光強。V的函數(shù)。的函數(shù)。0V時，光強有最大值時，光強有最大值0I當當VV 時，時，0I，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。 顯然，檢偏器的輸出光強是電壓顯然，檢偏器的輸出光強是電壓當當 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。VnI調(diào)制信號變實現(xiàn)光強調(diào)制2022-4-16240III 輸出V 輸入tt 下圖畫

18、出了 曲線的一部分以及光強調(diào)制的情形。0IIo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，可引入一個固定的線性調(diào)制，可引入一個固定的 /2/2相位延遲，常在調(diào)制相位延遲，常在調(diào)制器的光路中插入一個器的光路中插入一個 /4/4波片。波片。2sin2VV2022-4-1625 I/I0-V曲線p 為使工作點選在曲線中點處，通常在調(diào)制晶體上外加直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流偏壓 來完成。（插入來完成。（插入1/41/

19、4波片）波片） 2V2022-4-1626 由于檢偏器的輸出光強是晶體上電壓的函數(shù)，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。頻數(shù)字信號的光傳輸。 o優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響；雙折射的影響；o缺點：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率太缺點：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率太高時，功耗較大。高時，功耗較大。2022-4-1627縱向調(diào)制縱向調(diào)制3632xVn r