激光技術(shù)第一講

1、激光技術(shù)-第一講電光調(diào)制電光調(diào)制調(diào)制的基本概念調(diào)制的基本概念F第四章第四章 激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)一、調(diào)制的基本概念一、調(diào)制的基本概念1.目的：目的：通過調(diào)制進(jìn)行信息的傳遞通過調(diào)制進(jìn)行信息的傳遞2.調(diào)制：調(diào)制：把信息加到載波的過程即調(diào)制把信息加到載波的過程即調(diào)制定義：利用調(diào)制信號去改變載波的某一參數(shù)，使其參數(shù)定義：利用調(diào)制信號去改變載波的某一參數(shù)，使其參數(shù)按調(diào)制訊號的規(guī)律發(fā)生變化的過程。按調(diào)制訊號的規(guī)律發(fā)生變化的過程。第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制的基本概念調(diào)制的基本概念二激光調(diào)制二激光調(diào)制1.1.激光調(diào)制：利用激光作為載波進(jìn)行調(diào)制的過程激光調(diào)制：利用激光作為載波進(jìn)行調(diào)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(shí)間相干性和空間相干性具有較好的時(shí)間相干性和空間相干性2.2.調(diào)制器：完成激光調(diào)制的裝置調(diào)制器：完成激光調(diào)制的裝置1) 1) 內(nèi)調(diào)制：內(nèi)調(diào)制：在激光形成過程中在激光形成過程中，以調(diào)制信號的規(guī)律去改變激光振蕩的，以調(diào)制信號的規(guī)律去改變激光振蕩的某一參數(shù)。即用調(diào)制信號控制激光的形成某一參數(shù)。即用調(diào)制信號控制激光的形成2) 2) 外調(diào)制：把調(diào)制器放在激光器的外面，用調(diào)制信號改變光波的參量外調(diào)制：把調(diào)制器放在激光器的外面，用調(diào)制信號改變光波的參量優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：調(diào)制效率高點(diǎn)：調(diào)制效率高缺缺 點(diǎn)：點(diǎn)

3、：a. a. 調(diào)制帶寬受到泵浦源和諧振腔參數(shù)的限制調(diào)制帶寬受到泵浦源和諧振腔參數(shù)的限制 b. b. 調(diào)制器放在腔內(nèi)，增加腔內(nèi)的損耗調(diào)制器放在腔內(nèi)，增加腔內(nèi)的損耗, ,降低了平均輸降低了平均輸出功率出功率1）內(nèi)調(diào)制）內(nèi)調(diào)制調(diào)制泵浦功率調(diào)制泵浦功率優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)：點(diǎn)：a.a.因?yàn)檎{(diào)制器和激光形成無關(guān)因?yàn)檎{(diào)制器和激光形成無關(guān), ,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(diào)制帶寬不受諧振腔參數(shù)的限制，適于高速調(diào)制調(diào)制帶寬不受諧振腔參數(shù)的限制，適于高速調(diào)制缺缺 點(diǎn)：調(diào)制效率相對較低點(diǎn)：調(diào)制效率相對較低2）外調(diào)制）外調(diào)制4.1.1 振幅調(diào)制(1) 定義：以調(diào)制信號去改變激光的振幅，使其振幅按定義：以

4、調(diào)制信號去改變激光的振幅，使其振幅按調(diào)制信號的規(guī)律變化調(diào)制信號的規(guī)律變化調(diào)制前：調(diào)制前： 調(diào)制信號：調(diào)制信號：調(diào)制后：調(diào)制后：調(diào)幅系數(shù)：調(diào)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(diào)幅波含三個(gè)不同的頻率調(diào)幅波含三個(gè)不同的頻率 ：(2)(2)調(diào)幅波的頻譜分析調(diào)幅波的頻譜分析1. 1. 定義：以調(diào)制信號去改變

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

6、coscos(cos)cos(cos)ccccmmccmmccmmttk a tta tAttk Attmtmk Ac ccccccccce(t)=Ae(t)=A調(diào)調(diào)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(shè)設(shè)，則則e(t)=AAe(t)=AA為為調(diào)調(diào)相相系系數(shù)數(shù)（單單位位：弧弧度度）調(diào)調(diào)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(diào)調(diào)頻頻后后的的電電場場：調(diào)頻調(diào)頻 ：調(diào)頻系數(shù)調(diào)頻系數(shù) 2. 2.頻譜頻譜調(diào)頻和調(diào)相實(shí)質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可以寫成調(diào)頻和調(diào)相實(shí)質(zhì)上最終都是調(diào)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(diào)制時(shí)，其角度調(diào)制波的頻譜是由在單頻正弦波調(diào)制時(shí)，其角度調(diào)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(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制(1)(1)定義定義: :以調(diào)制信號去改變激光的光強(qiáng)，使光強(qiáng)按著調(diào)制信以調(diào)制信號去改變激光的光強(qiáng)，使光強(qiáng)按著調(diào)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(shí)光強(qiáng)常數(shù)光強(qiáng)的最大值當(dāng)光強(qiáng)受到調(diào)制時(shí)， 不再是常數(shù)，按調(diào)制信號的規(guī)律變化為比例系數(shù)設(shè)并令稱為強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)光強(qiáng)調(diào)制波的頻譜與調(diào)幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除光強(qiáng)調(diào)制波的頻譜與調(diào)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(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩的

10、波，以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩的波，稱為稱為模擬式調(diào)制模擬式調(diào)制。4.1.4 4.1.4 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制1. 1. 脈沖調(diào)制的概念脈沖調(diào)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(jìn)行調(diào)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(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（也稱為脈沖編碼調(diào)制）脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（也稱為脈沖編碼調(diào)制）。它們一般是。它們一般是先進(jìn)行先進(jìn)行電調(diào)制電調(diào)制（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字調(diào)制），再對光載波進(jìn)行（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字調(diào)制），再對光載波進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制光強(qiáng)度調(diào)制。4.2.1 電光調(diào)制器的物理基礎(chǔ)電光調(diào)制器的物理基礎(chǔ)利用晶體的電光效應(yīng)晶體光學(xué)中已經(jīng)講過

11、。利用晶體的電光效應(yīng)晶體光學(xué)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(yīng)電光效應(yīng)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(yīng)的改變，因而晶體的雙折射特性也要改變發(fā)生相應(yīng)的改變，因而晶體的雙折射特性也要改變電光電光效應(yīng)效應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 電光調(diào)制電光調(diào)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(yīng)或泡克耳斯線性電光效應(yīng)或泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)效應(yīng)hE2：二次電光效應(yīng)或克爾二次電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)效應(yīng)1.1.電致折射率變化

12、電致折射率變化未加電場時(shí)的折射率橢球方程：未加電場時(shí)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(fù)單軸晶體，這類晶方晶系，是負(fù)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(gè)新的坐標(biāo)系（尋求一個(gè)新的坐標(biāo)系（x x ,y,y ,z,z ）, ,使橢球方程不含交叉項(xiàng)：使橢球方程不含交叉項(xiàng)：2222221xyzxyznnn坐標(biāo)系變換關(guān)系：坐標(biāo)系變換關(guān)系：cossinsincosxxyyxy22263636322211sin2sin22cos21zzzooezExEyEx y

14、nnn cos20452226363222111zzooezExEynnn6322632222111111zxozyozeEnnEnnnn36336312120 xozyozznnEnnEn 3633631212xoozyoozzennnEnnnEnnKDP晶體沿晶體沿z z軸加電場時(shí)，由單軸晶體變成軸加電場時(shí)，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(zhuǎn)了軸旋轉(zhuǎn)了4545，稱為感應(yīng)主軸，此，稱為感應(yīng)主軸，此轉(zhuǎn)角與外加電場轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)的大小無關(guān)，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(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制、調(diào)這是利用電光效應(yīng)實(shí)

15、現(xiàn)光調(diào)制、調(diào)Q Q、鎖模、鎖模等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。2.2.電光相位延遲電光相位延遲在實(shí)際應(yīng)用中，電光晶體沿著特殊方向切割，外電場沿某一主在實(shí)際應(yīng)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(yīng)：縱向電光效應(yīng)：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(yīng)：橫向電光效應(yīng)：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(gè)重要參數(shù)，這個(gè)電壓的一個(gè)重要參數(shù)，這個(gè)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(diào)制功調(diào)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(jìn)一步計(jì)算出晶體的電光系數(shù)。測出，并進(jìn)一步計(jì)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(shè)一束線偏振光入射晶體，其沿假設(shè)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(dòng)為一個(gè)情況下，出射的合成振動(dòng)為一個(gè)橢圓偏振光橢圓偏振光（1）當(dāng)晶體上未加電壓時(shí)，輸出線偏振光，相當(dāng)于全波片）當(dāng)晶體上未加電壓時(shí)，輸出線偏振光，相當(dāng)于全波片2222212122cossinyxyxEE EEAAA A22121=00tanyxyxxEEAEEEAAA（2）V=V /4時(shí)，輸出圓偏振光，相當(dāng)于時(shí)，輸出圓偏振光，相當(dāng)于 /4波片波片222212=12yxEEAA（3）V=V /2時(shí)，輸出線偏振光，相當(dāng)于時(shí)，輸出線偏振光，相當(dāng)于 /2波片

18、波片22121=0tanyxyxxEEAEEEAAA 在晶體的輸出端放置一個(gè)與入射光偏振方向相垂直的偏振器，當(dāng)晶體上所在晶體的輸出端放置一個(gè)與入射光偏振方向相垂直的偏振器，當(dāng)晶體上所加的電壓在加的電壓在0V /2間變化時(shí)，從檢偏器輸出的光只是橢圓偏振光的間變化時(shí)，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(diào)制）變換成（偏振調(diào)制）變換成光強(qiáng)度的變化光強(qiáng)度的變化（強(qiáng)度調(diào)制）（強(qiáng)度調(diào)制）。4.2.2 4.2.2 電光強(qiáng)度調(diào)制器電光強(qiáng)度調(diào)制器1. 1. 縱向電光調(diào)制器縱向電光調(diào)制器晶體的運(yùn)用方式兩種：晶體的運(yùn)用方式兩種：縱向運(yùn)用：加場的方向和通光

19、的方向都沿縱向運(yùn)用：加場的方向和通光的方向都沿z z方向。方向。橫向運(yùn)用：加場的方向和通光方向垂直。橫向運(yùn)用：加場的方向和通光方向垂直?？v向運(yùn)用的結(jié)構(gòu)和原理縱向運(yùn)用的結(jié)構(gòu)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(gè)分量向的兩個(gè)分量coscosxcycEAtEAt用復(fù)數(shù)表示：用復(fù)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(qiáng)度是沿通過檢偏器的總電場強(qiáng)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(qiáng)：入射光強(qiáng)： 200002ixxyyIEEEEAx-y輸出光強(qiáng)為輸出光強(qiáng)為 222sin2yyooIEEA調(diào)制器的透過率：調(diào)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(diào)制非線性調(diào)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(shí)，此時(shí)，112mmJ要獲得線性調(diào)制，應(yīng)?。阂@得線性調(diào)制，應(yīng)?。?21mmVradVx-y透過率：透過率：縱向電光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)：縱向電光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(diǎn)：缺點(diǎn)：半波電壓太高，特別在半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時(shí)，功率損耗比調(diào)制頻率較高時(shí)，功率損耗比較大。較大。11sin2mmiITtI2 2橫向電光調(diào)制橫向電光調(diào)制1KDP類的橫向運(yùn)用（三種）類的橫向運(yùn)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(yùn)用方式為例進(jìn)行討論類的第一種運(yùn)用方式為例進(jìn)行討論: :強(qiáng)度調(diào)制中

22、，影響輸出光強(qiáng)的主要因素是強(qiáng)度調(diào)制中，影響輸出光強(qiáng)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(nèi)）平面內(nèi)）由于在由于在z z向加電場，所以三個(gè)感應(yīng)主軸的折射率和縱向運(yùn)用相同。向加電場，所以三個(gè)感應(yīng)主軸的折射率和縱向運(yùn)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(dòng)的兩方向振動(dòng)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(xiàng)是與外加電場無關(guān)的晶體本身的第一項(xiàng)是與外加電場無關(guān)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(xiàng)，這一項(xiàng)對調(diào)制器的工作沒有作用，相反，當(dāng)晶體溫度變化時(shí)會增加附加的相位差，對調(diào)制器的工作沒有作用，相反，當(dāng)晶體溫度變化時(shí)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(xiàng)是第二項(xiàng)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(guān)，而且與晶體的尺寸有關(guān)，而

24、且與晶體的尺寸L L/ /d有關(guān)，合理選擇晶體的尺寸增大有關(guān)，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(yùn)用的最大優(yōu)點(diǎn)是半波電壓比縱向運(yùn)用低得多，在實(shí)際應(yīng)用中，主要采橫向運(yùn)用的最大優(yōu)點(diǎn)是半波電壓比縱向運(yùn)用低得多，在實(shí)際應(yīng)用中，主要采用一種用一種”組合調(diào)制器組合調(diào)制器“的結(jié)構(gòu)予以補(bǔ)償。的結(jié)構(gòu)予以補(bǔ)償。 4.2.3 4.2.3 電光相位調(diào)制器電光相位調(diào)制器相位調(diào)制即是用調(diào)制信號的規(guī)律來改變激光振蕩的相位角。相位調(diào)制即是用調(diào)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(yīng)主軸的感應(yīng)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(gè)方向偏振，軸一個(gè)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(diào)制器的結(jié)構(gòu)相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu) 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(xiàng)：略去常數(shù)項(xiàng)：cossinmccmEAtmt相位調(diào)制系數(shù)：相位調(diào)制系數(shù)：3363632comomnE Ln

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

27、學(xué)系統(tǒng)微型光學(xué)系統(tǒng)。(2)(2)分類：分類： 矩形波導(dǎo)平板波導(dǎo)平面波導(dǎo)漸變折射率fSennn光波導(dǎo)調(diào)制器的特點(diǎn)：光波導(dǎo)調(diào)制器的特點(diǎn)：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(qū)驅(qū)動(dòng)功率比體調(diào)制器小動(dòng)功率比體調(diào)制器小1-21-2個(gè)數(shù)量級。個(gè)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(diào)制器的要求，材料有確定的相對固定的折射率。種滿足調(diào)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(shí)，折射率的變化，使兩傳播模間利用電光、聲光控制時(shí)，折射率的變化，使兩傳播模間有一相位差。與體調(diào)制器不同的地方：由于外場的作用導(dǎo)有

28、一相位差。與體調(diào)制器不同的地方：由于外場的作用導(dǎo)致波導(dǎo)中本征模（如致波導(dǎo)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(zhuǎn)換耦合轉(zhuǎn)換（模耦合調(diào)制）。（模耦合調(diào)制）。2.電光波導(dǎo)調(diào)制器的調(diào)制原理電光波導(dǎo)調(diào)制器的調(diào)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▽?dǎo)中電光材料均勻，加電場均勻。通?？珊喕喝绻▽?dǎo)中電光材料均勻，加電場均勻。TETE，TMTM完全限制在波完全限制在波導(dǎo)薄膜層中，階次相同，導(dǎo)薄膜層中，階次相同，m=lm=l，這時(shí)積分取極大值。這時(shí)，這時(shí)積分取極大值。這時(shí)，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(zhuǎn)換，必須滿足：功率轉(zhuǎn)換，必須滿足：無轉(zhuǎn)換時(shí)：無轉(zhuǎn)換時(shí)： 波導(dǎo)調(diào)制器的輸出光強(qiáng)波導(dǎo)調(diào)制器的輸出光強(qiáng)(TM)(TM)與

30、輸入光強(qiáng)之比為：與輸入光強(qiáng)之比為： d-波導(dǎo)薄膜厚度 00TETMmlkn3012oijn kE TETMml00( )sin( )cosTMlTEmAziAzAzAz 22ll 0,1,2,nln322sin,2()2oijnLkLVd0III/I02.2.電光波導(dǎo)相位調(diào)制電光波導(dǎo)相位調(diào)制設(shè)傳播的波為設(shè)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(dǎo)相位調(diào)制，不存在不同模之間的互耦合。對于電光波導(dǎo)相位調(diào)制，不存在不同模之間的互耦合。 363oznE l自學(xué)：自學(xué)： yy的確定的確定3.3.電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制電光波導(dǎo)強(qiáng)度調(diào)制在在LiNbO3晶體作為波導(dǎo)基片的沉底上，用射頻濺射刻蝕法制晶體作為波導(dǎo)基片的沉底上，用射頻濺射刻蝕法制造造Ti擴(kuò)散分叉條狀波導(dǎo)，條狀波導(dǎo)中間和兩側(cè)制作表面電極。擴(kuò)散分叉條狀波導(dǎo)，條狀波導(dǎo)中間和兩側(cè)制作表面電極。兩個(gè)分路的光在電光效應(yīng)區(qū)受到相位調(diào)制兩個(gè)分路的光在電光效應(yīng)區(qū)受到相位調(diào)制，它們再相遇時(shí)，它們再相遇時(shí)，兩個(gè)線偏光相干合成而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制兩個(gè)線偏光相干合成而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。相位差為：。相位差為： 3e33c22nE l提高調(diào)制深度及減提高調(diào)制深度及減小插入損耗的措施：小