第二章光調(diào)制

1、2022-4-161第二章第二章 光輻射的調(diào)制光輻射的調(diào)制o 調(diào)制的內(nèi)容：調(diào)制的內(nèi)容：是指改變光波振幅、強(qiáng)度、相位是指改變光波振幅、強(qiáng)度、相位或頻率、偏振等參數(shù)，使之?dāng)y帶信息的過(guò)程?；蝾l率、偏振等參數(shù)，使之?dāng)y帶信息的過(guò)程。o 調(diào)制的目的：調(diào)制的目的：光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制o 調(diào)制的方法：調(diào)制的方法：n傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤（對(duì)光輻射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制）；傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤（對(duì)光輻射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制）；n現(xiàn)代方法：利用外場(chǎng)的微擾引起介質(zhì)的非線性極現(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

2、作用而實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射振幅頻率、相位等介質(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。參數(shù)的調(diào)制。2022-4-1622022-4-163o 光輻射的現(xiàn)代調(diào)制方法：光輻射的現(xiàn)代調(diào)制方法：n按調(diào)制是在光源內(nèi)發(fā)生還是光源外進(jìn)行分：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)制內(nèi)調(diào)制和和外調(diào)制外調(diào)制n內(nèi)調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將欲傳輸?shù)男盘?hào)直接加載于光源，以：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(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制；改變光源的輸出特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制； 例：對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源用調(diào)制信號(hào)直例：對(duì)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)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；接控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)所發(fā)射激光強(qiáng)度的調(diào)制； 又如

3、：把調(diào)制元件放在諧振腔內(nèi)，用欲傳輸?shù)挠秩纾喊颜{(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)的變化而改變光腔信號(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。參數(shù)，從而調(diào)制激光輸出。2022-4-164n外調(diào)制：在光源外的光路上放置調(diào)制器，將欲外調(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(guò)光的物理性質(zhì)傳輸?shù)男盘?hào)加載于調(diào)制器，透過(guò)光的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。將發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。o電光調(diào)制電光調(diào)制o聲光調(diào)制聲光調(diào)制o磁光調(diào)制磁光調(diào)制o熱光效應(yīng)熱光效應(yīng)n激光外調(diào)制激光外調(diào)制o體調(diào)制體調(diào)制o光波導(dǎo)調(diào)制光波導(dǎo)調(diào)制n光調(diào)制光調(diào)制o光調(diào)制：改變光強(qiáng)或頻率光

4、調(diào)制：改變光強(qiáng)或頻率o光偏轉(zhuǎn)：改變光的方向光偏轉(zhuǎn)：改變光的方向2022-4-1652.1 2.1 機(jī)械調(diào)制機(jī)械調(diào)制o 常用方法常用方法:機(jī)電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤等機(jī)電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤等o 用遮光或改變透過(guò)率方式作光通量的幅度調(diào)制。用遮光或改變透過(guò)率方式作光通量的幅度調(diào)制。MtNMtNo 缺點(diǎn)：難進(jìn)行高頻調(diào)制、體積較大等缺點(diǎn)：難進(jìn)行高頻調(diào)制、體積較大等2022-4-1662.2 2.2 電光調(diào)制電光調(diào)制o電光調(diào)制電光調(diào)制就是利用就是利用電光效應(yīng)電光效應(yīng)將電信號(hào)調(diào)制到將電信號(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。傳輸?shù)墓廨d波上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)控制。o晶體的電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體中傳播光波的晶體的電光效應(yīng)

5、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。調(diào)制，有相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和脈沖調(diào)制等。o在實(shí)際應(yīng)用中，電光晶體總是沿著相對(duì)光軸在實(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；的某些特殊方向切割而成的；o電光效應(yīng)在實(shí)際應(yīng)用中通常有兩種方式，即電光效應(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)；縱向與橫向電光效應(yīng)；2022-4-167一、一、 電光效應(yīng)電光效應(yīng)o晶體的折射率因外加電場(chǎng)而改變的現(xiàn)象稱為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)電光效應(yīng)。各向同性介質(zhì)各向同性介質(zhì)外加強(qiáng)電場(chǎng)外加強(qiáng)電場(chǎng)雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象雙折射現(xiàn)象雙折射變化雙折射變化e

6、 e光光晶體的截面晶體的截面O O光光 單色自然光單色自然光 2022-4-168 通常材料的介電常量通常材料的介電常量 與外電場(chǎng)無(wú)關(guān)，但當(dāng)外與外電場(chǎng)無(wú)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：起折射率變化：220032EEEEnknn 、為常量常量線性電光效應(yīng)，或線性電光效應(yīng)，或Pockels效應(yīng)（效應(yīng)（KDP、LiNbO3）二次電光效應(yīng)，或二次電光效應(yīng)，或Kerr效應(yīng)效應(yīng)（BaTiO3、硝基苯液體）、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)在討論現(xiàn)在討論線性電光效應(yīng)線性電光效應(yīng) 2022-4

7、-169 在晶體的介電坐標(biāo)系中，無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，描述在晶體的介電坐標(biāo)系中，無(wú)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晶體光學(xué)性質(zhì)的折射率橢球方程為 其中下標(biāo)其中下標(biāo)1，2，3分別表示坐標(biāo)分別表示坐標(biāo) x、y、z。 2223122221231xxxnnn 當(dāng)晶體施加任意電場(chǎng)時(shí)，晶體的折射率發(fā)生變當(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)有電場(chǎng)存在時(shí)，折射率橢球系數(shù)的改變。因此，當(dāng)有電場(chǎng)存在時(shí)，折射率橢球在介電主軸座標(biāo)系中的方程為球在介電主軸座標(biāo)系中的方程為ijjiijxxn11,2其中

8、其中ijn21是對(duì)稱二階張量是對(duì)稱二階張量 2022-4-1610lij,21lnijl,21ln采用下標(biāo)簡(jiǎn)化形式以采用下標(biāo)簡(jiǎn)化形式以 表示表示，則，則的下標(biāo)為的下標(biāo)為 11，22，33，23(32)，31(13)，12(21) 1, 2, 3, 4, 5, 6有有6個(gè)獨(dú)立的分量。個(gè)獨(dú)立的分量。0E201211xnn202211ynn203211znn05204211nn01062n無(wú)電場(chǎng)時(shí)，無(wú)電場(chǎng)時(shí)，于是，于是1nznynx2z22y22x22022-4-16110E02,22111lllnnnE321,EEE3121kklklEnlk施加電場(chǎng)時(shí)施加電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球系數(shù)的改變量，折射率橢球

9、系數(shù)的改變量與外加電場(chǎng)與外加電場(chǎng)成正比，即成正比，即 其中其中稱為電光系數(shù)張量，共有稱為電光系數(shù)張量，共有18個(gè)元素，個(gè)元素，可表示為可表示為6 3 的矩陣的矩陣。 2022-4-1612 由于電光晶體的對(duì)稱性使電光系數(shù)減少，由于電光晶體的對(duì)稱性使電光系數(shù)減少，具具有對(duì)稱中心的晶體，其電光系數(shù)都為零，故這種有對(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)晶體不產(chǎn)生線性電光效應(yīng)；在沒有對(duì)稱中心的在沒有對(duì)稱中心的21個(gè)點(diǎn)群中，有個(gè)點(diǎn)群中，有20個(gè)點(diǎn)群具有線性電光系數(shù)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)

10、掌握了電光系數(shù)后，可關(guān)書籍和技術(shù)手冊(cè)，當(dāng)掌握了電光系數(shù)后，可由上式解出由上式解出 對(duì)電場(chǎng)的依賴關(guān)系，最后代入折對(duì)電場(chǎng)的依賴關(guān)系，最后代入折射率橢球方程式。射率橢球方程式。 ,21ln2022-4-1613 KDP晶體的線性電光效應(yīng)晶體的線性電光效應(yīng)o常用的電光晶體是一些各向異性的光學(xué)晶體，常用的電光晶體是一些各向異性的光學(xué)晶體，如磷酸二氫鉀如磷酸二氫鉀 ， 磷酸二氘鉀磷酸二氘鉀 ， 磷酸磷酸二氫氨二氫氨 ，鈮酸鋰，鈮酸鋰 (記為記為 )等。以等。以下結(jié)合下結(jié)合 加以說(shuō)明。加以說(shuō)明。KDPPKD*ADP3LiNbOLNKDPo 為單軸晶體，屬立方晶系的點(diǎn)群。有為單軸晶體，屬立方晶系的點(diǎn)群。有 ，

11、 。KDPoyxnnneznn Zxy光軸光軸: 晶體中有一個(gè)方向，光沿這個(gè)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)方向方向傳播不發(fā)生雙折射，這個(gè)方向叫做光軸。叫做光軸。2022-4-1614o如果如果沿晶體光軸方向加電場(chǎng)沿晶體光軸方向加電場(chǎng)，由于，由于 ，而而 ，可以得到在介電主軸坐標(biāo)系中的，可以得到在介電主軸坐標(biāo)系中的折射率橢球方程為折射率橢球方程為 021 EEEE 31. KDP的縱向電光效應(yīng)的縱向電光效應(yīng)縱向電光效應(yīng) 12216322322221xExnxnxxeo2022-4-1615式中式中63是電光系數(shù)的矩陣元。為消除上式中的交是電光系數(shù)的矩陣元。為消除上式中的交叉

12、項(xiàng)，使得在新的折射率感應(yīng)主軸坐標(biāo)系叉項(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)行圖下成為正橢圓，需進(jìn)行圖1所示的變換，所示的變換，即即1x1x和（和（yx 2）（2yx ）繞）繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了45角。角。 圖圖. 沿沿KDP晶體光軸方向加電時(shí)，在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)垂直光軸的平面內(nèi)折射率主軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)2022-4-1616在新的感應(yīng)折射率主軸座標(biāo)系在新的感應(yīng)折射率主軸座標(biāo)系xy下，下，z折射率橢球方程變?yōu)檎凵渎蕶E球方程變?yōu)?22 22 22 zyxnznynx三個(gè)感應(yīng)主軸的折射率分別為三個(gè)感應(yīng)主軸的折射率分別為ezooyooxnnEn

13、nnEnnn6336332121沿光軸加電場(chǎng)后，沿光軸加電場(chǎng)后，xoy截面由圓變截面由圓變?yōu)闄E圓為橢圓沿沿x方向偏振的方向偏振的傳傳播速度加大，播速度加大，沿沿y方向偏振的方向偏振的傳播速傳播速度減小。度減小。xyxy2022-4-1617oKDP晶體沿晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶體變成了雙軸加電場(chǎng)時(shí)，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)了軸旋轉(zhuǎn)了450角，角，此轉(zhuǎn)角與外加電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān)。此轉(zhuǎn)角與外加電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān)。2022-4-16182. KDP的橫向電光效應(yīng)的橫向電光效應(yīng)o若若入射光方向與施加電場(chǎng)方向相垂直的入射光方向與施加電場(chǎng)方向相垂直的電光效

14、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（介電主軸（ x、y或或z軸）加于晶體。例如，電場(chǎng)軸）加于晶體。例如，電場(chǎng)沿沿z方向施加，光沿方向施加，光沿x軸方向入射，如圖所示。軸方向入射，如圖所示。ZxyV入射光的偏振方向垂直于入射偏振光調(diào)制光2022-4-1619o橫向電光效應(yīng)包含了自然雙折射造成的相位差，易受橫向電光效應(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。溫度影響。采用組合調(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償。o因外加電場(chǎng)仍沿因外加電場(chǎng)仍沿z軸，與縱向運(yùn)用時(shí)一樣，晶體的主軸，與縱向運(yùn)用時(shí)一樣，晶體的主軸軸x和和y旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)45o。o

15、但此時(shí)通光方向與但此時(shí)通光方向與z垂直，且入射光偏振方向與垂直，且入射光偏振方向與z成成45o ，沿，沿x方向入射，進(jìn)入晶體后將分解為沿方向入射，進(jìn)入晶體后將分解為沿y和和z方方向振動(dòng)的兩個(gè)分量，向振動(dòng)的兩個(gè)分量，ZxyV調(diào)制光36321()2zoeoyLnn LnVd2022-4-1620二、電光相位延遲二、電光相位延遲o以以外加電場(chǎng)平行于光軸的外加電場(chǎng)平行于光軸的KDP晶體為例晶體為例，一束線偏，一束線偏振光沿振光沿z軸方向入射晶體，且軸方向入射晶體，且E矢量沿矢量沿 x方向，進(jìn)入方向，進(jìn)入晶體后分解為沿晶體后分解為沿x和和y方向的兩個(gè)垂直偏振分量。方向的兩個(gè)垂直偏振分量。o光波沿光波沿z

16、方向傳播距離方向傳播距離l后，兩偏振光之間的相位差為后，兩偏振光之間的相位差為330633063ooxyk nE lk nV 完全由電光效應(yīng)完全由電光效應(yīng)引起引起電光相位延遲電光相位延遲。2022-4-1621電光相位延遲電光相位延遲xyzExEyxyxyOxyxyo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)（相位差為位差為 ）所加的電壓稱）所加的電壓稱為半波電壓為半波電壓，6330onkV bacdefghi2022-4-1622o進(jìn)行縱向電光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，它由一對(duì)平行進(jìn)行縱向電光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，它由一對(duì)平行偏振器和一塊晶體組成。偏

17、振器和一塊晶體組成。330633063ooxyk nE lk nV1. 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制縱向電光強(qiáng)度調(diào)制三、電光強(qiáng)度調(diào)制三、電光強(qiáng)度調(diào)制2022-4-16232200sinsin22VIIIV其中其中0I為檢偏器的最大輸出光強(qiáng)。為檢偏器的最大輸出光強(qiáng)。V的函數(shù)。的函數(shù)。0V時(shí)，光強(qiáng)有最大值時(shí)，光強(qiáng)有最大值0I當(dāng)當(dāng)VV 時(shí)，時(shí)，0I，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。 顯然，檢偏器的輸出光強(qiáng)是電壓顯然，檢偏器的輸出光強(qiáng)是電壓當(dāng)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。VnI調(diào)制信號(hào)變實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制2022-4-16240III 輸出V 輸入tt 下圖畫

18、出了 曲線的一部分以及光強(qiáng)調(diào)制的情形。0IIo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)固定的線性調(diào)制，可引入一個(gè)固定的 /2/2相位延遲，常在調(diào)制相位延遲，常在調(diào)制器的光路中插入一個(gè)器的光路中插入一個(gè) /4/4波片。波片。2sin2VV2022-4-1625 I/I0-V曲線p 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流偏壓 來(lái)完成。（插入來(lái)完成。（插入1/41/

19、4波片）波片） 2V2022-4-1626 由于檢偏器的輸出光強(qiáng)是晶體上電壓的函數(shù)，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)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。頻數(shù)字信號(hào)的光傳輸。 o優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、不存在自然優(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；雙折射的影響；o缺點(diǎn)：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率太缺點(diǎn)：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率太高時(shí)，功耗較大。高時(shí)，功耗較大。2022-4-1627縱向調(diào)制縱向調(diào)制3632xVn r