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1、电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。,3.2 电光调制,利用泡克耳斯效应实现电光调制可以分为两种情况。,一、电光强度调制,一种是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的但在时间上是变化的当一束光通过晶体之后，可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号，由光波的强度或相位变化来体现要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。,另一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布，形成电场图像，即随x和y坐标变化的强度透过率或相位分布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进行调
2、制。,1.纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）,电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x,y。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x和y方向的两个分量，两个振幅(等于入射光振幅的1/）和相位都相等分别为：,或采用复数表示，即,当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，E x和E y二分量间就产生了一个相位差，则,(3.2-28),由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为,后一步考虑了(3.2-19)式和
3、(3.2-20)式的关系。,注意公式：,V和V/2 是一回事。,若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的/2相位延迟，使调制器的电压偏置在T50的工作点上。常用的办法有两种：,电调制特性曲线,m=Vm/V（相当于3.2-30式中的）是相应于外加调制信号vm的相位延迟。其中Vm sinmt 是外加调制信号电压。,其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 V/4 的固定偏压，但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。其二，在光路上插入一个14波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体主轴x成45o 角，使E x和E y二分量间产生/2 的固定相位差。(3.2-
4、30)式中的总相位差,因此，调制的透过率可表示为,利用贝塞尔函数恒等式将上式,（3.2-31),（3.2-32),由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使调制光发生畸变。为了获得线性调制，必须将高次,展开，得,若取 1rad，则J1(1)=0.44,J3(1)=0.02,所以I3/I 1=0.045，即三次谐波为基波的4.5%。在这个范围内可以获得近似线性调制，因而取,谐波控制在允许的范围内。设基频波和高次谐波的幅值分别为I1和I2n+1,则高次谐波与基频波成分的比值为,(3.2-33),作为线性调制的判据。此时 代入（3.2-32)式得,(3.2-34),(3.2-35),sin(m s
5、inmt)的m 若远远小于1，则:,为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出的光强调制波就是调制信号V=Vm sinmt 的线性复现。如果m 1rad的条件不能满足(大信号调制)，则光强调制波就要发生畸变。,纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。,横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：(1)沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x或y 袖成45o夹角(晶体为45o-z切割)。(2)沿x方向加电场(即电场方向垂直于x光袖)，通光方向垂宜于x铀，并与z轴成45o 夹角(晶体为45o
6、-x切割)。(3)沿y轴方向加电场，通光方向垂直于y轴，并与z轴成45o夹角(晶体为45o-y切割）。,2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）,因为外加电场是沿z轴方向，因此和纵向运用时一样，Ex=Ey=0,Ez=E，晶体的主轴 x,y 旋转45o 至 x，y，相应的三个主折射率如前面(3.2-17)式所示:,通光方向与z轴相垂直，并沿着y方向入射(入射光偏振方向与z袖成450角)，进入晶体后将分解为沿x和z方向振动的两个分量，其折射率分别为nx和nz；苦通光方向的晶体长度为L，厚度(两电极间距离)为d，外加电压VEzd，则从晶体出射两光波的相位差,(3.2-36),由此可知，KDP晶体的6
7、3 横向电光效应使光波通过晶体后的相位差包括两项：第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而且当晶体温度变化时，还会带来不利的影响，因此应设法消除(补偿)掉；第二项是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压V和晶体的尺寸(L/d)有关，若适当地选择晶体尺寸，则可以降低其半波电压。,KDP晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体因温度变化而引起折射率n0和ne的变化时，两光波的相位差发生漂移。,在KDP晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调
8、制光发生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应用中，除了尽量采取一些措施(如散热、恒温等)以减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种“组合调制器”的结构予以衬偿。常用的补偿方法有两种：一种方法是，将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光相互成90o串接排列，,即一块晶体的y和z轴分别与另一块晶体的z轴和y轴平行(见图a）。另一种方法是，两块晶体的z轴和y轴互相反向平行排列,中间放置一块12 波片(见图b)。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿z轴(光轴)方向，但在两块晶体中电场相对于光轴反向，,当线偏振光沿x轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方向e1光和沿y方向的o1光两个分量，当它们经
9、过第一块晶体之后，两束光的相位差,因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然双折射的影响即可得到补偿。,经过1/2波片后，两束光的偏振方向各旋转90。，经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2 光，o1光变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差,于是，通过两块晶体之后的总相位差,(3.2-37),其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以,可见，横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小d，增加长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。,根据(3.2-37)式，当 时，半波电压为,由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振方向平行于
10、晶体的感应主轴x(或y)，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x、y两个分量，而是沿着x(或y)轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化为,(3.2-38),二、电光相位调制,这里的 因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率为。若 外加电场是,在晶体入射面(z0)处的光场，则输出光场(zL处)就变为略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式写成(3.2-39)式中 称为相位调制系数。利用贝塞尔函数展开上式，便得到(3.1-12)式的形式。,渡越时间：激光通过长度为L的晶体所需时间。,对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的调制带宽。前面对电光
11、调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频率(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且入远大于晶体的长度L，因而在光波通过晶体L的渡越时间 内，调制信号电场在晶体各处的分布是均匀的，则光波在各部位所获得的相位延迟也都相同，即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电场的作用。在这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个电容即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制器。集总参量调制器的颇率特性主要受外电路参数的影响。,三、电光调制器的电学性能,调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现
12、阻抗匹配必须在晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束：当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。,1外电路对调制带宽的限制,体调制器：上面讲述过的都是此类。体积大的分离器件，而且整个晶体都受到外界电场的作用。,集成光学就是利用光波导把光波限制在微米量级波导区中沿一定方向传播的特性，来实现光学器件的平面化和光学系统集成化。具体地说，就是把激光器、调制器、探测器等有源器件“集成”在同一衬底上，并通过波导、耦合器等无源器件连结起来构成一个完整的微型光学系统。介质光波导则是集成光学技术的基本组成部件，它主要可分为平面波导和矩形波导两类，而平面波导又分为平板波导和渐变折射率波导两种。平板
13、波导是集成光路中结构最简单最常用的波导，它的结构如图。,四、电光波导调制器（一般了解）,光波导调制器的电光、声光等物理效应对光参数的控制过程,有与体调制器相同的一面，即能使介质的介电张量产生微小的变化(即折射率变化)，从而使两传播模间有一相位差；但由于外场的作用会导致波导中本征模(如TE模和TM模)（即Transversal Electric Field,Transversal Magnetic Field）传播特性的变化以及两不同模式之间的耦合转换(称为模耦合调制)，因此，光波导调制器的基本特性可用介质光波导耦合模理论来描述。,光波导调制器,1.电光波导调制器的调制原理 电光波导调制器实现调
14、制的物理基础是晶体介质的泡克耳斯效应。当波导上加电场时，产生介电张量(折射率)的微小变化，将引起波导中本征模传播的变化或不同模式之间功率的耦合转换。在波导坐标系中，电场引起介电张量变化的各个元素 与不同模之间的耦合具有一一对应关系，如果只含有对角线介电张量元素，则会引起TE模之间或TM棋之间的自耦合，即只改变其各自的相位，从而产生相对相位延迟，这种情况与体电光相位调制相似。但是，如果波导坐标系中，介电张量的变化含有非对角线张量元素,则将引起TE模和TM模之间的互耦合，就会导致模式间功率的转换，即一个输入模TE(或TM)的功率会转换到输出模TM(或TE)上去，其相应耦合方程，经过(量子电子学)推
15、证，可得到如下的简化形式：,式中 分别为第m阶和第l阶模振幅；分别为两个模的传播常数,k为模耦合系数,其表示式为(3.2-55)描述了TE模和TM模间的同向耦合，表明了每个模的振幅变化是介电张量(折射率)变化、模场分布以及其他模振幅的函数。设波导中电光材料是均匀的，而且电场分布也是均匀的，TE模和TM模完全限制在波导薄膜层中，且具有相同的阶次(m=L)时，(3.2-55)式的积分取极大值，这时TE模和TM模的场分布几乎相同，仅其电矢量的方向不同，而且，则耦合系数 近似为 在相位匹配条件下，而且光波是以单一模式输入，AmA0，Al0，则有:,从(3.2-56)式可见，在长度为L(zL)的波导中，要获得完全的TE-TM 功率转换，必须满足。此时，光波导的长度,n0，l，2，(3.2-58)而功率转换为0时，对应的波导长度为,n0，l，2，(3.2-59)可见，这种情况与前面介绍晶体电光调制器的“开”、“关”所需的条件相同。但在一般情况下，耦合系数小于(3.2-56)式之值，因此为了达到完全的功率转换所需要的EL乘积应相应地增大。,
