光電子技術(shù)課件：第五章-光調(diào)制技術(shù)3

1、第五章 光調(diào)制技術(shù)北京航空航天大學(xué) 第五章 光調(diào)制技術(shù)5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制5.2 光在晶體中的傳播5.3 電光調(diào)制5.4 聲光調(diào)制5.5 磁光調(diào)制5.6 光調(diào)制器件5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制光電技術(shù)對于光的研究主要內(nèi)容是光的特性、光的控制與光的應(yīng)用。光的應(yīng)用光通信-將各種信息加載到光波上，利用光波進行傳播。光傳感外界物理量影響到光波的傳播特性。光調(diào)制是分析控制光的技術(shù)。5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制將各種信息加載到光波上，利用光波進行傳播是控制光波的一項重要內(nèi)容，同時也是光波應(yīng)用的內(nèi)容。 應(yīng)用光波作為信息傳遞的方式擁有悠久而古老的歷史：烽火臺；航標(biāo)燈的信號等?，F(xiàn)代光通

2、信技術(shù)將光波的信息載體功能發(fā)揮到極致。 采用激光器作為光源，光波導(dǎo)作為傳輸介質(zhì)有如下的好處：光頻率高，能夠傳輸?shù)男畔⑷萘看螅患す獾南喔尚院?，易于信息的加載；方向性好，可直接用于空間傳輸；光波導(dǎo)的損耗小，傳輸不受環(huán)境的影響；光信息傳輸?shù)谋Ｃ苄院谩?5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制如何將光波帶上要傳輸?shù)男畔⒛兀?光調(diào)制將激光作為信息的載體，通過改變激光的振幅、波長（頻率）、相位、偏振參數(shù)、方向等各參量，使光波攜帶信息的過程，稱為光的調(diào)制。5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制與電子學(xué)中的載流子如電子、空穴等帶電粒子不同，光波（光子）是中性的，不能夠用外界電場直接的調(diào)制，要通過改變發(fā)光的結(jié)構(gòu)或者用外電

3、場改變材料的光學(xué)性質(zhì)來間接地實現(xiàn)對光波的調(diào)制。 激光的調(diào)制分為：內(nèi)調(diào)制外調(diào)制5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制激光的內(nèi)調(diào)制將傳輸?shù)妮斎胄盘栔苯蛹虞d到激光器上，改變激光器的出射特性進行的光波調(diào)制。調(diào)制后的激光輸出光束就包含了帶傳輸?shù)男畔?。例如半?dǎo)體激光器中直接將調(diào)制信號控制激光器的輸入電流，從而使其發(fā)出的光強度隨要輸?shù)男盘栕兓兓?，實現(xiàn)了信號調(diào)制。激光的外調(diào)制在激光器諧振腔外的光路上放置光調(diào)制器件，將待傳輸?shù)男盘柤虞d到調(diào)制器上，于是，當(dāng)激光通過這種調(diào)制器時，激光的某一參數(shù)（強度、位相、頻率等）發(fā)生改變，從而光波的特征上帶有了被傳輸?shù)男盘栃畔ⅲ瑢崿F(xiàn)了信號調(diào)制。外調(diào)制方式不涉及激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，構(gòu)

4、成單獨的一個 器件，可采用各種性能優(yōu)秀的激光器，因此被廣泛使用。5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制5.1 光信息系統(tǒng)的信號加載與控制改變光的強度或者頻率、偏振等特性的技術(shù)統(tǒng)稱為光調(diào)制技術(shù)。改變光的傳播方向也是一種調(diào)制技術(shù)，在光的控制方面也有重要的應(yīng)用。本章討論的光調(diào)制技術(shù)主要是通過調(diào)制，將信息加載到光波上，達到傳輸?shù)哪康摹?.2 光在晶體中的傳播晶體隨著激光、紅外和光通信技術(shù)的發(fā)展，對各種光學(xué)晶體元件的應(yīng)用也越來越廣泛，因此晶體光學(xué)也逐步由專業(yè)學(xué)科向基礎(chǔ)學(xué)科轉(zhuǎn)變。晶體光學(xué)已成為一門獨立的基礎(chǔ)課程。我們這里把晶體光學(xué)主要講述晶體光學(xué)的基本概念和調(diào)制應(yīng)用。 5.2 光在晶體中的傳播晶體晶體是組成物

5、質(zhì)的微粒（原子、分子或者離子）或者微粒群在空間按照一定的規(guī)則周期性排列形成的一種晶態(tài)固體。晶體與非晶體的重要區(qū)別是晶體在不同的空間方向上表現(xiàn)不同的光學(xué)特性，構(gòu)成晶體的分子或原子按一定方向排成周期性結(jié)構(gòu)，如下面的長方體就是一種結(jié)構(gòu)。5.2 光在晶體中的傳播晶體周期性排列、不斷重復(fù)的微粒或者微粒群是晶體的基本單元，稱為基元。所有基元是相同的，晶體中把這些基元用一些結(jié)點來表征，于是，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可以概括成為有一些相同的結(jié)點在空間有規(guī)則的做周期性的分布。結(jié)點的結(jié)合成為點陣。點陣結(jié)構(gòu)形成了許多的直線和平面簇，構(gòu)成一種格子結(jié)構(gòu)，稱為晶體的晶格。 結(jié)點就是晶格的格點。5.2 光在晶體中的傳播晶體中的波動方

6、程由于晶體不同方向性質(zhì)不同，我們稱為各向異性，在均勻介質(zhì)中，物質(zhì)方程為E= D，而在各向異性介質(zhì)中，不同方向的介電常數(shù)是不同的。這指的是，由 場引起介質(zhì)的極化在不同的方向不一致，從而造成的電位移矢量 不再與 平行。具體地說，在空間由場產(chǎn)生的場的每一個分量都由 場的三個分量的不同加權(quán)的線性組合而來。4-495.2 光在晶體中的傳播簡寫為 9個元素的二階介電張量可簡化為只含三個元素的對角張量其中， 5.2 光在晶體中的傳播在直角坐標(biāo)系中 4-51得到晶體中的波動方程 5.2 光在晶體中的傳播這一組齊次方程組有非零解的條件是其系數(shù)行列式為零 4-52這是關(guān)于( n2)的一個二次方程，它確定（n2）為

7、k ( kX , ky ,kz)的函數(shù)?？梢宰C明這個方程一般存在兩個不相等的實根，這兩個根分別用n12 和 n22 表示，它們就是與波矢量 k0 相應(yīng)的兩個折射率。還可求出與之分別對應(yīng)的兩個偏振態(tài)。因此，在給定的晶體中沿著每一個給定的波矢量方向，允許兩個平面波傳播，這兩個波有著不同的折射率（不同的相速）和不同的偏振態(tài)，這就是通常所說的“雙折射現(xiàn)象”。5.2 光在晶體中的傳播上述的光在晶體中傳輸?shù)奶匦钥梢杂谜凵渎蕶E球來描述。在直角主介電坐標(biāo)系中，對于任給出的波矢量K傳播的波面可以由方程給出：該橢球上任一矢徑的方向表示光波電位移矢量D的方向，矢徑的長度表示D沿矢量方向振動的光波折射率。對于任意給定

8、的K波矢，利用折射率橢球可求出光波D的偏振方向和相應(yīng)的折射率。 5.2 光在晶體中的傳播單軸晶體 n1=n2n3，這種晶體僅有一條光軸，稱為單軸晶體。單軸晶體中，取Z軸為光軸 n1=n2=n0, n3=ne 5.2 光在晶體中的傳播光在單軸晶體界面上的折射雙折射。 5.3 電光調(diào)制電光效應(yīng)當(dāng)外界電場很小時，認(rèn)為材料的介電常數(shù)與外場無關(guān)（常量）。但是，當(dāng)介質(zhì)兩端所施加的外加電場較強時，介質(zhì)內(nèi)的電子分布狀態(tài)發(fā)生變化，以至介質(zhì)的極化強度以及折射率也各向異性的發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)的電光效應(yīng)。電光調(diào)制就是利用電光效應(yīng)進行光的調(diào)制。晶體存在著天然的雙折射現(xiàn)象。晶體的雙折射是由于晶體的介電常數(shù)的各向異

9、性。晶體在受到外加電場作用后，晶體的介電常數(shù)也會發(fā)生變化，引起晶體折射率的改變。利用晶體的這一變化特性進行光的調(diào)制，就是電光調(diào)制。5.3 電光調(diào)制折射率成為外加電場的函數(shù)第一項稱為線性電光效應(yīng)，或泡克爾斯（Pockels）效應(yīng)。第二項稱為二次電光效應(yīng)，或克爾（Kerr）效應(yīng)。對于大多數(shù)電光晶體，一次效應(yīng)比二次效應(yīng)顯著得多。 式中，c1和c2為常量，n0為未加電場時的折射率。5.3 電光調(diào)制電致折射率變化在晶體未加電場時，折射率橢球方程為給晶體施加電場后，橢球方程為折射率橢球各系數(shù)（1/n2）發(fā)生線性變化，表示為5.3 電光調(diào)制以KDP（負(fù)單軸晶體）為例，外加電場沿Z軸新的感應(yīng)主軸坐標(biāo)系下，橢球

10、方程5.3 電光調(diào)制電光相位延遲令z=0，得到橢圓方程一線偏振光沿Z軸方向入射晶體，兩偏振方向的相位延遲相位差（電光效應(yīng)延遲）5.3 電光調(diào)制電光強度調(diào)制（KDP電光晶體）縱向電光調(diào)制：光波傳播方向與外加電場一致。5.3 電光調(diào)制電光強度調(diào)制（KDP電光晶體）橫向電光調(diào)制：光波傳播方向垂直與外加電場方向。5.3 電光調(diào)制電光相位調(diào)制（KDP電光晶體）折射率為：外加電場為：入射光場：輸出光場：相位變化：5.3 電光調(diào)制光軸為z軸方向E3=V/dno、ne 分別為尋常光和非尋常光的折射率， 13、33為有關(guān)的泡克爾系數(shù)電光調(diào)制（ LiNbO3電光晶體）5.3 電光調(diào)制1、當(dāng)光沿Y方向入射，采用一個

11、偏振鏡起偏。出射光采用一個偏振鏡檢偏情況。且i=o=0。光傳輸L長度后，位相變化為E3為外加電場的調(diào)制，可以看出光的位相由外加電場進行了調(diào)制。2、考慮i=45,o= - 45，入射光與z軸和x軸的偏振夾角相等，因此兩個分量相等，傳輸?shù)恼凵渎史謩e為nz、nx 5.3 電光調(diào)制=0 時，+45度與-45度設(shè)置的偏振器使得輸出為零。=/2 時，兩正交的Z、X偏振態(tài)合成一個圓偏振光，輸出光為光強的一半。= 時，兩正交的Z、X偏振態(tài)合成一個線偏振光，與原入射偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，此時輸出為最大。 調(diào)節(jié)E3可以改變輸出的光強度。 = 時所需要的外加電壓稱為半波電壓。5.3 電光調(diào)制體調(diào)制方法調(diào)制器為

12、單一的晶體。調(diào)制電場加載整個晶體上，改變了晶體的折射率，從而使通過的激光束產(chǎn)生了位相變化，產(chǎn)生調(diào)制。波導(dǎo)調(diào)制方法將具有電光特性的材料制備成光波導(dǎo)，調(diào)制電場施加在通光波導(dǎo)區(qū)，由于E3=V/d，因而可以在很低的外加電場下獲得所需要的調(diào)制場強E3 。波導(dǎo)調(diào)制器可以通過波導(dǎo)特性，進行模式轉(zhuǎn)換，模式耦合，定向耦合等，制備出各種功能器件，在光信息傳輸中發(fā)揮作用。 5.3 電光調(diào)制行波調(diào)制加在電極上的信號頻率達到微波領(lǐng)域時，在光波還沒有傳輸?shù)絃距離時，外加信號電壓就發(fā)生改變，使得調(diào)制效率下降。為此高頻調(diào)制采用了行波調(diào)制技術(shù)。如下圖所示，微波調(diào)制信號加在器件的入射端電極上，作為行波在電極上傳輸，精心設(shè)計的電極

13、形狀，可使得微波的相位速度和光的群速度相等，使高頻調(diào)制成為可能。5.4 聲光調(diào)制晶體在應(yīng)力作用下發(fā)生形變時，分子間的相互作用力發(fā)生改變，導(dǎo)致介電常數(shù)（及折射率）的改變，從而影響光在晶體中的傳播特性，這種物理現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是超聲波在材料中傳輸時，它使介質(zhì)中各質(zhì)點沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)的折射率也隨之發(fā)生相應(yīng)的周期性變化，使入射到晶體中的光波在這種周期分布的彈性波中發(fā)生衍射。電場可以改變晶體的折射率，形成對通過晶體的激光的位相調(diào)制，同樣，聲波場對某些晶體材料的折射率分布產(chǎn)生影響，形成折射率“光柵”狀的結(jié)構(gòu)，從而對入射的光波產(chǎn)生調(diào)制作

14、用，這種調(diào)制稱為聲光調(diào)制。5.4 聲光調(diào)制彈光效應(yīng)晶體上不加聲場，在xyz主介電坐標(biāo)系中折射率橢球：晶體加聲場后，外力作用引起彈性應(yīng)變，折射率橢球以各向同性熔融石英加x方向一維聲場為例，折射率橢球變?yōu)槭街?，Bij就是外力對n影響的體現(xiàn)。其中，Pijkl稱為彈光系數(shù)，Skl是外力作用引起的彈性應(yīng)變。5.4 聲光調(diào)制行波聲場 介質(zhì)折射率的變化正比于介質(zhì)質(zhì)點沿x方向位移的變化率，相應(yīng)的介質(zhì)折射率變化為駐波聲場 形成凝固的空間光柵，相應(yīng)的介質(zhì)折射率變化為聲波方程：駐波方程：5.4 聲光調(diào)制拉曼-奈斯衍射當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行與聲波面入射，聲光互作用長度較短時，產(chǎn)生拉曼-奈斯衍射。以聲速運動、周期等

15、于聲波周期的相位光柵。由于聲速比光速小得多，聲光介質(zhì)可視為一個靜止的平面相位光柵。5.4 聲光調(diào)制拉曼-奈斯衍射的光場強度分布 衍射光場強度極大值m為正整數(shù)各級衍射方位角為 各極大值對稱分布5.4 聲光調(diào)制布喇格衍射當(dāng)聲波頻率較高，聲光作用長度較大，而且光束與聲波波面間以一定角度入射時，介質(zhì)中形成“體位相光柵”。當(dāng)入射光波與聲波面夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各衍射光相互干涉，各高級衍射光將相互抵消，只出現(xiàn)0級+1級（或-1級），即產(chǎn)生布喇格衍射。5.4 聲光調(diào)制布喇格衍射條件：聲場運動的影響反射光束的多普勒頻移：衍射光頻率聲波迎向光傳播方向：聲波背向光傳播方向：5.4 聲光調(diào)制聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)聲光介質(zhì)是聲光相互作用的區(qū)域；電-聲換能器起著將調(diào)制的電功率轉(zhuǎn)換成聲功率的作用；吸收裝置用以吸收通過介質(zhì)的聲波；驅(qū)動電源驅(qū)動聲光調(diào)制器工作。5.4 聲光調(diào)制聲光調(diào)制器工作原理拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射的判斷依據(jù)是聲光相互作用的特征長度L0 ，L0=2/。拉曼-奈斯衍射：LL0/2；布拉格衍射： L2L05.4 聲光調(diào)制衍射效率拉曼-奈斯型聲光調(diào)制器：布喇格型聲光調(diào)制器：調(diào)制帶寬聲束與光束的匹配（一級衍射）其中，聲束與光束的發(fā)散角之比（=1.5時性能最好）聲光介質(zhì)中激光束的直徑5.4 聲光調(diào)制聲光調(diào)制器件5.4 聲光調(diào)制5.5