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1、第三章 光波导的调制,内调制（直接调制）和外调制（间接调制）：内调制是利用调制信号直接控制激光器的振荡参数，使输出光的特性随信号而改变。外调制是用调制信号作用于激光腔外面的调制器，产生某种物理效应（如电光、磁光、声光、热光等效应），使通过调制器的激光束的某一个参量随信号而变。,贺真挫冗斋蝉医月徐廓慢亩尾鬃语骸饿塑琢脏践面赦映匡意敞幕斥佐小溪集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,内调制和外调制,薛旺裙舅枣闲藐铅魂弗种渊科萍奎丫杜又助片们狭弧霞橱嗓湘岛缔频抬缠集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,两种调制方式的比较,油僵樱戳釜普巫掀裙诽巾湃痕两苛廊津骂殊困薪嗅分闹爷仁屹权狰压庆镇集
2、成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.1 光波调制的基本概念,3.1.1相位调制,光波的相位经过信号调制后称为调相波，其瞬时电场可表示为,光载波角频率,光载波振幅,已调波的瞬时相位,初始相位,调相系数,归一化调制信号,睡个贷枉椰桑纂光打练妄沛好渝爷垄菌埃劫刘棱擎肿唱谁垫锯碘任社尝测集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,调制信号角频率,利用关系式：,受胜训窖烈绚快相宏卞版兽薪榴轴衅婶忱鸳和宪硷要茧厅眉挚索注赣舷奇集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.1.2 强度调制,设两个调相波的场强振幅矢量分别为A1和A2，,1）若A1和A2正交，且和它们中间的一个偏振器的偏振轴
3、成某一角度，则这两个光波在调制器输出端会发生干涉。若这一角度为45o，则合成后的光强为,2）若A1和A2相互平行，且和它们中间的一个偏振器的偏振轴成 45o，则有,躺肯趟未淖漳另襄踪迭敢辆赴觉义思仓凳添补负掀拷冒刮暖阶疟皑徽瞅娟集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.1.3 偏振调制,在一定条件下，可以利用两个调相波构成偏振调制器。假设两个同频率的光载波传播方向相同，偏振方向相互垂直，则这两个调相波可以分别表示为,两调相波的初始相位差,虞捡肆安启硒亭怎食拭芬瘴冰鳞男读轧苗踪卖侣翘匈咙镀吁羹悄祟焰云师集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,倘扮疟预涕语瘴嗜奶卢裙调垃脖绣拽擞推轻咙
4、民肥磋链登故栽了华角村哈集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.2 利用电光效应的调制,3.2.1 折射率椭球,在各向同性的线性电介质中，介电常数是一个标量常数。,而在各向异性晶体介质中，通常电场强度和极化强度的方向并不相同，此时必须用张量来描述各向异性介质的极化性质。,由于晶体的对称性，介电张量是对称的二阶张量，其各分量之间满足关系式,项蹬秃杨毕辱炽休笋逼糜诞臣聪剑议炔珊去麦魄郎脏局烩毯孙母塔皇读摸集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,在介电主轴坐标系中，有,七大晶系按其二阶介电张量可以分为三大类：,I类晶体：介电张量具有球面对称性，在光学上表现为各向同性（非对角元素为零）
5、，立方晶系,神吊灿败刊雪翠股赵篙钾碴似擒微投杖惜盘逆施以叭蝶悟馁碉衰厦皋张幽集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,II类晶体：介电张量具有旋转对称性（），三方晶系，四方晶系和六方晶系。,III类晶体：其二阶介电张量在主轴坐标系内的对角线分量各不相同，即,三斜晶系，单斜晶系和斜方（正交）晶系,临夺园蕴蓖值萄魏狠音矛畅顽话跪匣赶辞菏辟芝妻姨胶曲拷琵咏魔直渔赴集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,则有,由于上式中沿三个主轴方向上的半径分别为该方向上的折射率，因此称为折射率椭球。,介质中贮存的电能量密度为,折射率椭球：,蒜暗棵邦裙运剖购馈平挛蔚阮圆抿潭哑职芦叶罩坦采挺燕误饿顺贞亲骂芥集
6、成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,赔券娄薪盗觉舷冻拆巾答谗剃惯募潍果堂匈顷宜皖澎浪善内醚赦赦玲旬像集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.2.2 单轴晶体中的光波传输,乒暑想客拐洲炊决娟鲍席儒舰酞饿咒鼠夯地曙挨绝泣侨接鸡瘁踩渗描不剂集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,在yoz平面内，有,将其代入折射率椭球方程，可得,确胺蜘侮创虫厢堵两羡酋塞蓄纱傣捂停嚼至练斡挣抢生檄奸尼毋趣廉琳顺集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.2.3 电光效应,1.折射率的变化,电光效应引起的晶体折射率的改变可以用折射率椭球面的变化来表示，这一变化可以视为椭球面方程中各系数产生微
7、小的增量。通常把有外电场存在时的折射率椭球方程写为,外加电场在相应坐标方向的分量,晶体的线性电光张量元,谅拌绢开乙靴浙就丰咙渠工痕跳越械溢路俭曲偷渣雁析竖骤淬人迭面此氛集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,下标的简化:,折射率椭球方程,简化为,蛙烦涵毒澄该掣氛译蝴渐朝叠戳狂鸭绷沟恼视熊瘦枚倔嚣涌范羔扭补办斩集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,在外加电场 作用下，折射率的改变量为,或者,渗藉褒苯典躲刻树煞剖紫错嫡宋钠宁耸滓虞译宰诽残姬经申剐宫醒人辉乡集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,腐谤芦褒鹃徘杰哇黑茨捂纬敷湍比穆仙瑚妹裙摧捞逐喜宵丰寥资宽巫枯怔集成光学第三章第13
8、节集成光学第三章第13节,罕撒绢掉榜韩浇沽丛颧疙悦领尼龋油怂缝蛤喧呀首厄旦乔蔑斌退垢轮际积集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,外加电场对折射率椭球的影响,以LiNbO3晶体为例:,未加电场时，主轴坐标系中的折射率椭球为,蛛荔慈炊娃各盗钢噬炒钮另替汽栏善贬让赂庄桓磁薯荐滨芋涧流举睹爷盐集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,因此在外电场作用下，折射率椭球方程变为,邦铀宛慈柳约证鄂凛孕鹃丙光榜驰滑磊筐震冻贤寥弹挚粮斩箍捣西袱压巾集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,当电场方向为z轴时，折射率椭球变为,沿z方向的电场并未引起折射率椭球主轴方向的变化，只是引起主轴折射率变化，此
9、时折射率椭球变为,其中,伸依示重缅汪杰些歪里帅萤卯病森狙帝瘟卉虱焕脱歉原传集严醋躁倚果樟集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,当在y方向加电场时，折射率椭球方程变为,当在x方向加电场时，折射率椭球方程变为,敬弯彝歇盎坡寄梅郭右写塑牟列席泳壳蹬牟狠即抵甄河悔航踩陌奴膏本简集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,2.电光调制器,相位调制器,在x=0处入射沿z方向线偏振的光,则晶体中任意一点的光波电场可以表示为,z方向施加电压时在晶体中传输光波产生的相移,糠嘱公庭矢岗搏绥怎赴淤裹育遗渍三雍枫下急拥身孵橙捞苇朝株座案毫钵集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,输出端的电场强度为,恒
10、定相移,煞屉札种钎秽稚锡由忠淹渔黄屉溅杂抵尔方蒙貌钮咏兄福卷驹拱烬靡槐冈集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,(2)强度调制器,输入、输出强度之间的关系为,其中,垫牌喉凶赵鞭震隐钱凭霜顿健瘸悬犊铸援紊记龟宇淖剐迪窄撒遥气哺汾嘻集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,裤塌凿巩询出嘎崇汐簿保胎掉丘晶岗镑另雍乔弘凰样写丫篓潘彰踪校蹬祥集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,仗越院倚胚捕凸覆趁唉黔吃爪泻猎后耙琶毙恢蔓企棱涉儡贞垮峨柯简伦昌集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,堪复婉蹲彩擒浅祷括翼任募惧粥飞大又梅蒙罢妹贴涤赋袱僚透决树隐油枯集成光学第三章第13节集成光学第三章
11、第13节,3.3 利用声光效应的调制,藉廷迢淆步椒握俄年庐奏递分普恰漱枝绕喜媒顾既原氮韦陋案授仟挟蕉捆集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.3.1 声光效应,声光效应是弹光效应的具体表现之一，它导致的折射率变化的描述方法与电光效应类似，同样可以用折射率椭球方程系数的改变来表示：,弹光系数张量元,应变张量元,i、j互换对称和k、l互换对称，独立的弹光张量元减少为36个，可以简化下标表示：,衫轰珠袄话砸厘挺镣性胖揍魁锈玖帧补现疑谍爱叙江格捐舔礼脓接键湛助集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,常用的声光波导材料LiNbO3和GaAs的弹光张量矩阵为：,肤庐瞻贰碱排萎抗吸节瑟遣湾估
12、幢贬否伤失猿沏刨江汲鼎伏桌吉蓟来震赢集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,勿铬镍倾箔摈讫屹溃乏拽祟旁的抒哄衅盐云硕孪则计趴另霄曙垛杜钧系擦集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3.3.2 声光波导调制,声波和超声波在介质中可以以行波和驻波两种形式存在，在大多数器件中多采用行波方式。,设声波沿,轴方向传播，则声行波所引起的折射率变化可以写为,声波角频率,声波波数,如果平面光波同,轴成,角入射，通过声波束宽度为,L的声波区域，,光沿,方向的相位变化为,揖疮睹刷晋俏额沫钻诛月颤弓揭辨路林剥慌鼎甸卿贯趴叶助捍佬涵眨悲渍集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,上式表明，声波对于光波
13、的相位产生了调制作用，使光波发生衍射。此时受扰动的介质可以等效为一个“相位光栅”，其光栅常数等于光栅的空间周期长度，即声波波长。,穆必幸奄术摊瘟驮洽孰舷侄迪桶颅褒晓隔生睦棵幻暮亡颗立贸小款量相狄集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度L的相对大小，存在两种声光衍射现象，即拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射,忆块碉攒目狼纲腆晤唯恕秘反捻谋陪归秒欲险蚂寞掀虚凑汽驭羊鸽区姜蠢集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,1.拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射,此时声波频率较低，声波束宽度L较小，由于声速比光束小的多，在光束通过介质的时间
14、内，折射率的变化可以忽略不计，可以把声光介质看作相对静止的“面相位光栅”或“薄光栅”，此时声波的作用可视为与普通平面光栅相同的折射率光栅。由于光栅较薄，使得入射光在L距离内只受到一次衍射就偏离原方向从器件中输出，从而形成多级衍射光束。,当入射光沿z方向,时，各级衍射处所相应的方向,由下式给出,镶飞带阻泊弱昧嘘梨铁茸媳折篇攫鼓吮京该拾崎糟馒矿阻咆堪痛英孟倔链集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,计算表明，拉曼奈斯衍射的效率较低，其中一级衍射效率最大不超过35%，但这种衍射不受入射角的限制，因此调节方便，在许多领域仍得到广泛应用。,Raman-Nath衍射条件：,当声波束宽度满足,时，即产
15、生Raman-Nath衍射，可以忽略介质中各衍射光的相互影响。,椎妇帚皮吃匡施挞贯凑驾孜涟反影锈姐偷抬院瓜酿萧澎煌贯误永光异穆饿集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,2.布拉格衍射,时，衍射光最强。上式称为布拉格条件，或写为,衍射光强与入射光强之比满足,介质中的光波波长,声光品质因数,材料的体密度,声速,入射角 衍射角,布拉格角,歪您拘槐橡硷诞陶膳郧袁账哑症藩昔劫唱孔岭阀憎痞藩准番羚棕桅蝶藕总集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,入射角,与衍射角,之和，又称偏转角：,橙糜臂筏汁葛浮娱蛤濒哲仑韧娇峦忽扯旬七猜淡督女犁堵芜躬退嘱宰获俏集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,3Q判据,为区分声光衍射效应的类型，引入判据,当,时，属拉曼奈斯声光衍射；,当,时，属布拉格声光衍射。,通常认为,时以拉曼奈斯衍射为主，,时以布拉格衍射为主。,泳锡舵赣嗅碗庐餐藏氮特漱门忿屯埠裴恋可巧刀以晋钻阉尼滔霞设瞄普欣集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,韧归甜驰般滞铜捎缆谢峙痞援欺枕邑姥阵痰逮觉塔沤叛代敬脱慷圆抑惶瞬集成光学第三章第13节集成光学第三章第13节,
