激光技術第一講

1、激光技術-第一講電光調制電光調制調制的基本概念調制的基本概念F第四章第四章 激光調制與偏轉技術激光調制與偏轉技術一、調制的基本概念一、調制的基本概念1.目的：目的：通過調制進行信息的傳遞通過調制進行信息的傳遞2.調制：調制：把信息加到載波的過程即調制把信息加到載波的過程即調制定義：利用調制信號去改變載波的某一參數(shù)，使其參數(shù)定義：利用調制信號去改變載波的某一參數(shù)，使其參數(shù)按調制訊號的規(guī)律發(fā)生變化的過程。按調制訊號的規(guī)律發(fā)生變化的過程。第一節(jié)第一節(jié) 調制的基本概念調制的基本概念二激光調制二激光調制1.1.激光調制：利用激光作為載波進行調制的過程激光調制：利用激光作為載波進行調制的過程1)1)激光頻

2、率高，可利用的帶寬很寬激光頻率高，可利用的帶寬很寬2)2)單色性好，發(fā)散角小單色性好，發(fā)散角小3)3)具有較好的時間相干性和空間相干性具有較好的時間相干性和空間相干性2.2.調制器：完成激光調制的裝置調制器：完成激光調制的裝置1) 1) 內調制：內調制：在激光形成過程中在激光形成過程中，以調制信號的規(guī)律去改變激光振蕩的，以調制信號的規(guī)律去改變激光振蕩的某一參數(shù)。即用調制信號控制激光的形成某一參數(shù)。即用調制信號控制激光的形成2) 2) 外調制：把調制器放在激光器的外面，用調制信號改變光波的參量外調制：把調制器放在激光器的外面，用調制信號改變光波的參量優(yōu)優(yōu) 點：調制效率高點：調制效率高缺缺 點：點

3、：a. a. 調制帶寬受到泵浦源和諧振腔參數(shù)的限制調制帶寬受到泵浦源和諧振腔參數(shù)的限制 b. b. 調制器放在腔內，增加腔內的損耗調制器放在腔內，增加腔內的損耗, ,降低了平均輸降低了平均輸出功率出功率1）內調制）內調制調制泵浦功率調制泵浦功率優(yōu)優(yōu) 點：點：a.a.因為調制器和激光形成無關因為調制器和激光形成無關, ,不影響激光器的輸出功率不影響激光器的輸出功率b.b.調制帶寬不受諧振腔參數(shù)的限制，適于高速調制調制帶寬不受諧振腔參數(shù)的限制，適于高速調制缺缺 點：調制效率相對較低點：調制效率相對較低2）外調制）外調制4.1.1 振幅調制(1) 定義：以調制信號去改變激光的振幅，使其振幅按定義：以

4、調制信號去改變激光的振幅，使其振幅按調制信號的規(guī)律變化調制信號的規(guī)律變化調制前：調制前： 調制信號：調制信號：調制后：調制后：調幅系數(shù)：調幅系數(shù)：( )cos()ccce tAt( )cosmma tAt( )(1cos)cos()camcce tAmtt/amcmAA( )cos( )(1cos)cos()cos()coscos()cos()cos()cos()22mmcamcccccamccaacccccmcccmca tAte tAmttAtmttmmAtAtAt調幅波含三個不同的頻率調幅波含三個不同的頻率 ：(2)(2)調幅波的頻譜分析調幅波的頻譜分析1. 1. 定義：以調制信號去改變

5、激光振蕩的相位（頻率），使激光定義：以調制信號去改變激光振蕩的相位（頻率），使激光 的相位（頻率）按調制信號的規(guī)律變化的過程稱相位的相位（頻率）按調制信號的規(guī)律變化的過程稱相位（頻率）調制，統(tǒng)稱為（頻率）調制，統(tǒng)稱為角度調制角度調制cos()cctce(t)=A( )( )ccftk a t 常數(shù)( )( )ccctk a t 常數(shù)總相位：總相位：調頻和調相以后使總相位調頻和調相以后使總相位 (t)變化變化按調制信號的規(guī)律變。因按調制信號的規(guī)律變。因此兩者可歸為一類，兩者的差別是實現(xiàn)方法不同。此兩者可歸為一類，兩者的差別是實現(xiàn)方法不同。 調相：調相： cos()cos( )cos ( )( )

6、coscos(cos)cos(cos)ccccmmccmmccmmttk a tta tAttk Attmtmk Ac ccccccccce(t)=Ae(t)=A調調制制后后e(t)=AAe(t)=AA其其中中 （t）t）為為總總相相位位假假設設，則則e(t)=AAe(t)=AA為為調調相相系系數(shù)數(shù)（單單位位：弧弧度度）調調制制前前cct（t）=000( )( )( )coscossinsin( )cos(sin)tctccftccfmmtcmmcfmfcmcmcmcfccmcfk a t dttk a t dta tAttk Atdtk Atttmte tAtmt0 0總總相相位位： （t

7、t）= =（t t）d dt t+ +其其中中：（t t）= =調調頻頻后后的的電電場場：調頻調頻 ：調頻系數(shù)調頻系數(shù) 2. 2.頻譜頻譜調頻和調相實質上最終都是調制總相角，因此可以寫成調頻和調相實質上最終都是調制總相角，因此可以寫成統(tǒng)一的統(tǒng)一的形式形式( )cos(sin)cos()cos(sin)sin()sin(sin)ccmccccmcccme tAtmtAtmtAtmt021211cossin( )2( )cos 2sinsin2( )sin21mnmnmnmnmtJmJmntmtJmnt其中： 0112201( )coscoscoscos2cos2( )cos( ) cos1cos

8、ccccmccmccmccmcccccncmcnncmce tAJmtJmtJmtJmtJmtA JmtAJmntnt 在單頻正弦波調制時，其角度調制波的頻譜是由在單頻正弦波調制時，其角度調制波的頻譜是由光載波與在光載波與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的。各邊頻之間的所組成的。各邊頻之間的頻頻率間隔為率間隔為 m，各邊頻幅度的大小由貝塞爾函數(shù)決定。，各邊頻幅度的大小由貝塞爾函數(shù)決定。4.1.3 4.1.3 強度調制強度調制(1)(1)定義定義: :以調制信號去改變激光的光強，使光強按著調制信以調制信號去改變激光的光強，使光強按著調制信號的規(guī)律變化的過程。號的規(guī)

9、律變化的過程。 2222002222( )( )cos ()( )1( )cos (),2cos,()1coscos ()2cccccpccpmmpmpcpmccI te tAtAIIAI tk a ttka tAtk AmAI tmtt瞬時光強常數(shù)光強的最大值當光強受到調制時， 不再是常數(shù)，按調制信號的規(guī)律變化為比例系數(shù)設并令稱為強度調制系數(shù)光強調制波的頻譜與調幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除光強調制波的頻譜與調幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻低頻 m和直流分量和直流分量。以上幾種調制方式所得到的調制波都是一種連續(xù)振蕩的

10、波，以上幾種調制方式所得到的調制波都是一種連續(xù)振蕩的波，稱為稱為模擬式調制模擬式調制。4.1.4 4.1.4 脈沖調制脈沖調制1. 1. 脈沖調制的概念脈沖調制的概念在目前的光通信中，廣泛采用一種在不連續(xù)狀態(tài)下進行調制的在目前的光通信中，廣泛采用一種在不連續(xù)狀態(tài)下進行調制的脈沖調制和數(shù)字式調制（也稱為脈沖編碼調制）脈沖調制和數(shù)字式調制（也稱為脈沖編碼調制）。它們一般是。它們一般是先進行先進行電調制電調制（模擬脈沖調制或數(shù)字調制），再對光載波進行（模擬脈沖調制或數(shù)字調制），再對光載波進行光強度調制光強度調制。4.2.1 電光調制器的物理基礎電光調制器的物理基礎利用晶體的電光效應晶體光學中已經(jīng)講過

11、。利用晶體的電光效應晶體光學中已經(jīng)講過。 1.1.自然雙折射自然雙折射o o光、光、e e光光 2.2.電光效應電光效應如果在晶體中沿某一方向加一定電壓，則晶體的折射率要如果在晶體中沿某一方向加一定電壓，則晶體的折射率要發(fā)生相應的改變，因而晶體的雙折射特性也要改變發(fā)生相應的改變，因而晶體的雙折射特性也要改變電光電光效應效應第二節(jié)第二節(jié) 電光調制電光調制晶體折射率可用外加電場晶體折射率可用外加電場E的冪級數(shù)表示的冪級數(shù)表示20nnEhE E：線性電光效應或泡克耳斯線性電光效應或泡克耳斯（Pockels）效應效應hE2：二次電光效應或克爾二次電光效應或克爾（Kerr）效應效應1.1.電致折射率變化

12、電致折射率變化未加電場時的折射率橢球方程：未加電場時的折射率橢球方程：2222221xyzxyznnn在外加電場在外加電場E下的折射率橢球方程：下的折射率橢球方程：2222222221234561111112221xyzyzxzxynnnnnn折射率橢球各系數(shù)的變化量：折射率橢球各系數(shù)的變化量：3211ijjiEn線性電光系數(shù)線性電光系數(shù)用矩陣表示：用矩陣表示：212211121321222323313233414243245152536162632526111111xyznnEnEEnnnKDP（KH2PO4）類晶體屬于四類晶體屬于四方晶系，是負單軸晶體，這類晶方晶系，是負單軸晶體，這類晶體

13、的電光張量為：體的電光張量為：415263000000000000000ij 4152其中：在外加電場在外加電場E下的折射率橢球方程：下的折射率橢球方程：2224141632222221xyzooexyzyzExzExyEnnn,0zxyEEEE令2226322221zooexyzxyEnnn尋求一個新的坐標系（尋求一個新的坐標系（x x ,y,y ,z,z ）, ,使橢球方程不含交叉項：使橢球方程不含交叉項：2222221xyzxyznnn坐標系變換關系：坐標系變換關系：cossinsincosxxyyxy22263636322211sin2sin22cos21zzzooezExEyEx y

14、nnn cos20452226363222111zzooezExEynnn6322632222111111zxozyozeEnnEnnnn36336312120 xozyozznnEnnEn 3633631212xoozyoozzennnEnnnEnnKDP晶體沿晶體沿z z軸加電場時，由單軸晶體變成軸加電場時，由單軸晶體變成雙軸晶體雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞，折射率橢球的主軸繞z z軸旋轉了軸旋轉了4545，稱為感應主軸，此，稱為感應主軸，此轉角與外加電場轉角與外加電場的大小無關的大小無關，其，其折射率變化與電場成正比折射率變化與電場成正比，這是利用電光效應實現(xiàn)光調制、調這是利用電光效應實

15、現(xiàn)光調制、調Q Q、鎖模、鎖模等技術的物理基礎。等技術的物理基礎。2.2.電光相位延遲電光相位延遲在實際應用中，電光晶體沿著特殊方向切割，外電場沿某一主在實際應用中，電光晶體沿著特殊方向切割，外電場沿某一主軸方向加到晶體上軸方向加到晶體上?？v向電光效應：縱向電光效應：電場方向與通光方向一致。電場方向與通光方向一致。橫向電光效應：橫向電光效應：電場方向與通光方向垂直。電場方向與通光方向垂直。對對KDPKDP類晶體，取電場方向和通過方向均為類晶體，取電場方向和通過方向均為z z方向。方向。x x 和和y y 方向的電光相位延遲方向的電光相位延遲：36336322122212xynxooznyooz

16、Ln LnnELn LnnE336363222yxnnyxozoLnnLnEnV相位差：相位差：半波電壓：半波電壓：/23632oVn半波電壓是半波電壓是表征電光晶體性能優(yōu)劣表征電光晶體性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，這個電壓的一個重要參數(shù)，這個電壓越小越好，特別是在高頻情況下，半波電壓小，需要的越小越好，特別是在高頻情況下，半波電壓小，需要的調制功調制功率率就小就小。半波電壓可用半波電壓可用靜態(tài)法靜態(tài)法測出，并進一步計算出晶體的電光系數(shù)。測出，并進一步計算出晶體的電光系數(shù)。3.3.光偏振態(tài)的變化光偏振態(tài)的變化假設一束線偏振光入射晶體，其沿假設一束線偏振光入射晶體，其沿x 方向的電場為方向的電場為Ex

17、 ，振幅為，振幅為A1，其沿，其沿y 方向的電場為方向的電場為Ey ，振幅為，振幅為A2，初位相相同。在一般，初位相相同。在一般情況下，出射的合成振動為一個情況下，出射的合成振動為一個橢圓偏振光橢圓偏振光（1）當晶體上未加電壓時，輸出線偏振光，相當于全波片）當晶體上未加電壓時，輸出線偏振光，相當于全波片2222212122cossinyxyxEE EEAAA A22121=00tanyxyxxEEAEEEAAA（2）V=V /4時，輸出圓偏振光，相當于時，輸出圓偏振光，相當于 /4波片波片222212=12yxEEAA（3）V=V /2時，輸出線偏振光，相當于時，輸出線偏振光，相當于 /2波片

18、波片22121=0tanyxyxxEEAEEEAAA 在晶體的輸出端放置一個與入射光偏振方向相垂直的偏振器，當晶體上所在晶體的輸出端放置一個與入射光偏振方向相垂直的偏振器，當晶體上所加的電壓在加的電壓在0V /2間變化時，從檢偏器輸出的光只是橢圓偏振光的間變化時，從檢偏器輸出的光只是橢圓偏振光的y向分量向分量，因而可以把因而可以把偏振態(tài)的變化偏振態(tài)的變化（偏振調制）變換成（偏振調制）變換成光強度的變化光強度的變化（強度調制）（強度調制）。4.2.2 4.2.2 電光強度調制器電光強度調制器1. 1. 縱向電光調制器縱向電光調制器晶體的運用方式兩種：晶體的運用方式兩種：縱向運用：加場的方向和通光

19、的方向都沿縱向運用：加場的方向和通光的方向都沿z z方向。方向。橫向運用：加場的方向和通光方向垂直。橫向運用：加場的方向和通光方向垂直?？v向運用的結構和原理縱向運用的結構和原理x-yx-y先討論不含先討論不含1/4波片的情況：波片的情況：入射光經(jīng)起偏器后，沿入射光經(jīng)起偏器后，沿x方向線偏振入射晶體，分解為沿方向線偏振入射晶體，分解為沿x，y方方向的兩個分量向的兩個分量coscosxcycEAtEAt用復數(shù)表示：用復數(shù)表示： 00expxyEAEAi通過晶體后：通過晶體后： expxyELAELAi通過檢偏器的總電場強度是沿通過檢偏器的總電場強度是沿y y方向的投影之和：方向的投影之和：1 ex

20、p2yoAEi 入射光強：入射光強： 200002ixxyyIEEEEAx-y輸出光強為輸出光強為 222sin2yyooIEEA調制器的透過率：調制器的透過率：22/21sinsin22iIVTIV總相位差：總相位差：/2sinsin22mmmmVttV透過率：透過率：21sinsin1 sinsin422mmmmiITttI考慮含考慮含1/4波片的情況：波片的情況：非線性調制非線性調制x-y貝塞爾展開：貝塞爾展開：2101sin212nmmnTJnt高頻諧波與基頻波成分的比值：高頻諧波與基頻波成分的比值：212111nmnmJIIJ 1331110.44,10.02,/0.045mradJ

21、JII取此時，此時，112mmJ要獲得線性調制，應?。阂@得線性調制，應?。?21mmVradVx-y透過率：透過率：縱向電光調制器的優(yōu)點：縱向電光調制器的優(yōu)點：結構結構簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射。雙折射。缺點：缺點：半波電壓太高，特別在半波電壓太高，特別在調制頻率較高時，功率損耗比調制頻率較高時，功率損耗比較大。較大。11sin2mmiITtI2 2橫向電光調制橫向電光調制1KDP類的橫向運用（三種）類的橫向運用（三種）xoz平面平面xoy平面平面Y yoz平面平面現(xiàn)以現(xiàn)以KDPKDP類的第一種運用方式為例進行討論類的第一種運用方式為例進行討論: :強度調制中

22、，影響輸出光強的主要因素是強度調制中，影響輸出光強的主要因素是 ，入射光的偏振方，入射光的偏振方向和向和x x 軸軸成成4545角（在角（在x x ozoz平面內）平面內）由于在由于在z z向加電場，所以三個感應主軸的折射率和縱向運用相同。向加電場，所以三個感應主軸的折射率和縱向運用相同。由于沿由于沿yy方向通光，光在晶體中分解為沿方向通光，光在晶體中分解為沿xx和和z z方向振動的兩方向振動的兩束光。束光。3633631212xoozyoozzennnEnnnEnn e e，o o光的折射率光的折射率: : 這兩束光通過晶體后的位相差為這兩束光通過晶體后的位相差為: : een 36312x

23、oozonnnE 363363221()()221()2xzoeozoeoznn Lnn LnE LLVnn lnVEdd其中第一項是與外加電場無關的晶體本身的第一項是與外加電場無關的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲自然雙折射引起的相位延遲，這一項，這一項對調制器的工作沒有作用，相反，當晶體溫度變化時會增加附加的相位差，對調制器的工作沒有作用，相反，當晶體溫度變化時會增加附加的相位差，造成造成隨溫度變化，工作不穩(wěn)定，必須消除這種影響。隨溫度變化，工作不穩(wěn)定，必須消除這種影響。 第二項是第二項是外加電場作用產(chǎn)生的位相差外加電場作用產(chǎn)生的位相差。不僅與。不僅與V V有關，而且與晶體的尺寸有關，而

24、且與晶體的尺寸L L/ /d有關，合理選擇晶體的尺寸增大有關，合理選擇晶體的尺寸增大L L/ /d ，則可降低晶體的半波電壓，則可降低晶體的半波電壓V V /2/2。橫向運用的最大優(yōu)點是半波電壓比縱向運用低得多，在實際應用中，主要采橫向運用的最大優(yōu)點是半波電壓比縱向運用低得多，在實際應用中，主要采用一種用一種”組合調制器組合調制器“的結構予以補償。的結構予以補償。 4.2.3 4.2.3 電光相位調制器電光相位調制器相位調制即是用調制信號的規(guī)律來改變激光振蕩的相位角。相位調制即是用調制信號的規(guī)律來改變激光振蕩的相位角。由起偏器和由起偏器和KDP電光晶體組成，電光晶體組成，起偏器的偏振軸平行于晶

25、體起偏器的偏振軸平行于晶體的感應主軸的感應主軸x ，電場沿，電場沿z方向加到晶體上，入射晶體的線偏振方向加到晶體上，入射晶體的線偏振光不再分解，沿光不再分解，沿x 軸一個方向偏振，軸一個方向偏振，外電場不改變出射光的外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位。偏振狀態(tài)，僅改變其相位。相位調制器的結構相位調制器的結構 x 軸折射率為：軸折射率為：36312xooznnnE輸出電場（輸出電場（z=L處）：處）：3631cossin2cmccoommEAtnnEt Lc外加電場外加電場略去常數(shù)項：略去常數(shù)項：cossinmccmEAtmt相位調制系數(shù)：相位調制系數(shù)：3363632comomnE Ln

26、E Lmc4.2.44.2.4電光波導調制器電光波導調制器1.1.體調制器：前面講的各種電光調制器，具有較大體積尺寸體調制器：前面講的各種電光調制器，具有較大體積尺寸的分離器件。的分離器件。特點：幾乎整個晶體材料都受到外加電場的作用，需要較強特點：幾乎整個晶體材料都受到外加電場的作用，需要較強的電場（缺點）的電場（缺點）2.2.光波導調制器：光波導調制器：(1)(1)定義：把激光器、調制器、探測器等有源器件定義：把激光器、調制器、探測器等有源器件“集成集成”在在同一襯底上，并通過波導、耦合器等無源元件連同一襯底上，并通過波導、耦合器等無源元件連接起來，接起來，構成一個完整的構成一個完整的微型光

27、學系統(tǒng)微型光學系統(tǒng)。(2)(2)分類：分類： 矩形波導平板波導平面波導漸變折射率fSennn光波導調制器的特點：光波導調制器的特點：a.a.加電場的區(qū)域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量級。加電場的區(qū)域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量級。驅驅動功率比體調制器小動功率比體調制器小1-21-2個數(shù)量級。個數(shù)量級。材料的要求：至少有一材料的要求：至少有一種滿足調制器的要求，材料有確定的相對固定的折射率。種滿足調制器的要求，材料有確定的相對固定的折射率。b.b.利用電光、聲光控制時，折射率的變化，使兩傳播模間利用電光、聲光控制時，折射率的變化，使兩傳播模間有一相位差。與體調制器不同的地方：由于外場的作用導有

28、一相位差。與體調制器不同的地方：由于外場的作用導致波導中本征模（如致波導中本征模（如TETE模和模和TMTM模）傳播特性的變化以及兩模）傳播特性的變化以及兩不同模式之間的不同模式之間的耦合轉換耦合轉換（模耦合調制）。（模耦合調制）。2.電光波導調制器的調制原理電光波導調制器的調制原理()( )exp() TETMexp () ( )4TETMTETMmlmlTMTETETMlmmlmlxyyxdAi AizdzdAi Aizdzx EE dx 與模耦合方程：參考：參考： A.Yariv, Quantum Electronics, 2rd edition, John Willy & So

29、ns模振幅模振幅傳播常數(shù)傳播常數(shù)模耦合系數(shù)模耦合系數(shù)通?？珊喕喝绻▽е须姽獠牧暇鶆?，加電場均勻。通?？珊喕喝绻▽е须姽獠牧暇鶆?，加電場均勻。TETE，TMTM完全限制在波完全限制在波導薄膜層中，階次相同，導薄膜層中，階次相同，m=lm=l，這時積分取極大值。這時，這時積分取極大值。這時，TETE模和模和TMTM模的場模的場分布幾乎相同，僅電矢量的方向不同。且分布幾乎相同，僅電矢量的方向不同。且 如果相位匹配如果相位匹配 ，則，則要獲得完全的要獲得完全的TETETMTM功率轉換，必須滿足：功率轉換，必須滿足：無轉換時：無轉換時： 波導調制器的輸出光強波導調制器的輸出光強(TM)(TM)與

30、輸入光強之比為：與輸入光強之比為： d-波導薄膜厚度 00TETMmlkn3012oijn kE TETMml00( )sin( )cosTMlTEmAziAzAzAz 22ll 0,1,2,nln322sin,2()2oijnLkLVd0III/I02.2.電光波導相位調制電光波導相位調制設傳播的波為設傳播的波為TMTM波，電場方向波，電場方向E Ez z，相位變化：，相位變化：對于電光波導相位調制，不存在不同模之間的互耦合。對于電光波導相位調制，不存在不同模之間的互耦合。 363oznE l自學：自學： yy的確定的確定3.3.電光波導強度調制電光波導強度調制在在LiNbO3晶體作為波導基片的沉底上，用射頻濺射刻蝕法制晶體作為波導基片的沉底上，用射頻濺射刻蝕法制造造Ti擴散分叉條狀波導，條狀波導中間和兩側制作表面電極。擴散分叉條狀波導，條狀波導中間和兩側制作表面電極。兩個分路的光在電光效應區(qū)受到相位調制兩個分路的光在電光效應區(qū)受到相位調制，它們再相遇時，它們再相遇時，兩個線偏光相干合成而實現(xiàn)強度調制兩個線偏光相干合成而實現(xiàn)強度調制。相位差為：。相位差為： 3e33c22nE l提高調制深度及減提高調制深度及減小插入損耗的措施：小