第二章光調(diào)制

1、2020/7/4,1,第二章光輻射的調(diào)制,調(diào)制的內(nèi)容：是指改變光波振幅、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：光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制,調(diào)制的方法：傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤（對(duì)光輻射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制）；現(xiàn)代方法：利用外場(chǎng)的微擾引起介質(zhì)的非線性極化，從而改變介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。在外場(chǎng)下利用光和介質(zhì)的相互作用而實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射振幅頻率、相位等參數(shù)的調(diào)制。,2020/7/4,2,載波,調(diào)制信息,振幅調(diào)制,2020/7/4,3,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(jìn)行分：內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將欲傳輸?shù)男盘?hào)直接加載于光源，以改變光源的輸出特性來實(shí)現(xiàn)調(diào)制；例：對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)

2、電源用調(diào)制信號(hào)直接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)所發(fā)射激光強(qiáng)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?hào)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。,2020/7/4,4,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?hào)加載于調(diào)制器，透過光的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，實(shí)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(qiáng)或頻率光偏轉(zhuǎn)：改變光的方向,2020/7/4,5,2.1機(jī)械調(diào)制,常用方法：機(jī)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。,M,t,N,M,t,N,2020/7/4,6,利用電磁感應(yīng)的機(jī)械調(diào)制調(diào)制的波形與激磁電流的

3、波形和強(qiáng)度、光束和擋片的相對(duì)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(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)，不受波長(zhǎng)限制等,缺點(diǎn)：難進(jìn)行高頻調(diào)制、體積較大等,2020/7/4,7,2.2電光調(diào)制,電光調(diào)制就是利用電光效應(yīng)將電信號(hào)調(diào)制到傳輸?shù)墓廨d波上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)控制。,晶體的電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體中傳播光波的調(diào)制，有相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和脈沖調(diào)制等。在實(shí)際應(yīng)用中，電光晶體總是沿著相對(duì)光軸的某些特殊方向切割而成的；電光效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中通常有兩種方式，即：縱向與橫向電光效應(yīng)；,2020/7/4,8,一、電光效應(yīng)晶體的折射率因外加電場(chǎng)而改變的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。,各向同性介質(zhì),外加強(qiáng)電場(chǎng),雙折射現(xiàn)象,

4、雙折射晶體,雙折射性質(zhì)變化,2020/7/4,9,通常材料的介電常量與外電場(chǎng)無關(guān)，但當(dāng)外加電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，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(duì)稱性。,現(xiàn)在討論線性電光效應(yīng),2020/7/4,10,在晶體的介電坐標(biāo)系中，無外加電場(chǎng)時(shí)，描述晶體光學(xué)性質(zhì)的折射率橢球方程為其中下標(biāo)1，2，3分別表示坐標(biāo)x、y、z。,當(dāng)晶體施加任意電場(chǎng)時(shí)，晶體的折射率發(fā)生變化，可以把電場(chǎng)對(duì)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(dāng)

5、有電場(chǎng)存在時(shí)，折射率橢球在介電主軸座標(biāo)系中的方程為,2020/7/4,11,無電場(chǎng)時(shí)，,，于是,2020/7/4,12,2020/7/4,13,由于電光晶體的對(duì)稱性使電光系數(shù)減少，具有對(duì)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(duì)稱中心的21個(gè)點(diǎn)群中，有20個(gè)點(diǎn)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(cè)，當(dāng)掌握了電光系數(shù)后，可由上式解出對(duì)電場(chǎng)的依賴關(guān)系，最后代入折射率橢球方程式。,2020/7/4,14,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

6、說明。,為單軸晶體，屬立方晶系的點(diǎn)群。有，。,光軸:晶體中有一個(gè)方向，光沿這個(gè)方向傳播不發(fā)生雙折射，這個(gè)方向叫做光軸。,2020/7/4,15,如果沿晶體光軸方向加電場(chǎng)，由于，而，可以得到在介電主軸坐標(biāo)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),2020/7/4,16,式中,是電光系數(shù)的矩陣元。為消除上式中的交叉項(xiàng)，使得在新的折射率感應(yīng)主軸坐標(biāo)系下成為正橢圓，需進(jìn)行圖1所示的變換，即,軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了45,角。,圖.沿KDP晶體光軸方向加電時(shí)，在垂直光軸的平面內(nèi)折射率主軸發(fā)生旋轉(zhuǎn),2020/7/4,17,在新的感應(yīng)折射率主軸座標(biāo)系,下，,折射率橢球方程變?yōu)?三個(gè)感應(yīng)主軸的折射

7、率分別為,沿光軸加電場(chǎng)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。,2020/7/4,18,KDP晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，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(chǎng)的大小無關(guān)。,2020/7/4,19,2.KDP的橫向電光效應(yīng),若入射光方向與施加電場(chǎng)方向相垂直的電光效應(yīng)稱為橫向電光效應(yīng)。電場(chǎng)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(chǎng)沿z方向施加，光沿x軸方向入射，如圖所示。,2020/7/4,20,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(jìn)行補(bǔ)償。,因外加電場(chǎng)仍沿z軸，與縱

8、向運(yùn)用時(shí)一樣，晶體的主軸x和y旋轉(zhuǎn)45o。但此時(shí)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(jìn)入晶體后將分解為沿y和z方向振動(dòng)的兩個(gè)分量，,2020/7/4,21,二、電光相位調(diào)制,以外加電場(chǎng)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(jìn)入晶體后分解為沿x和y方向的兩個(gè)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。,2020/7/4,22,電光相位延遲,當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)（相位差為）所加的電壓稱為半波電壓，,2020/7/4,23,進(jìn)行縱向電光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所

9、示，它由一對(duì)平行偏振器和一塊晶體組成。,1.縱向電光強(qiáng)度調(diào)制,三、電光強(qiáng)度調(diào)制,2020/7/4,24,其中,為檢偏器的最大輸出光強(qiáng)。,的函數(shù)。,時(shí)，光強(qiáng)有最大值,當(dāng),時(shí)，,，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。,顯然，檢偏器的輸出光強(qiáng)是電壓,當(dāng),可見出射光強(qiáng)隨外加電壓而變，如果把信號(hào)加在晶體上，輸出光強(qiáng)就隨信號(hào)而變，就為信號(hào)所調(diào)制。,2020/7/4,25,下圖畫出了曲線的一部分以及光強(qiáng)調(diào)制的情形。,由于調(diào)制器的工作點(diǎn)在透射曲線的非線性區(qū)，故輸出光信號(hào)失真，光信號(hào)的頻率為調(diào)制信號(hào)的兩倍。為了獲得線性調(diào)制，可引入一個(gè)固定的/2相位延遲，常在調(diào)制器的光路中插入一個(gè)/4波片。,2020/7/4,26,I/I0-V曲線,為使工作點(diǎn)選在曲線中點(diǎn)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）,2020/7/4,27,由于檢偏器的輸出光強(qiáng)是晶體上電壓的函數(shù)，只要將電信號(hào)加載到晶體上，那么就能用電信號(hào)調(diào)制光信號(hào)，故電光調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和低頻數(shù)字信號(hào)的光傳輸。,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響；缺點(diǎn)：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率太高時(shí)，功耗較大。,2020/7/4,28,縱向調(diào)制,1m，V=9.7k