電光調(diào)制技術(shù)

1、2022-6-231 利用泡克耳斯效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制可以分為兩種情況。利用泡克耳斯效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制可以分為兩種情況。 一種是一種是施加在晶體上的電場在空間上基本是均勻的但在施加在晶體上的電場在空間上基本是均勻的但在時(shí)間上是變化的時(shí)間上是變化的當(dāng)一束光通過晶體之后，可以使一個(gè)隨時(shí)間當(dāng)一束光通過晶體之后，可以使一個(gè)隨時(shí)間變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由光波的強(qiáng)度或相位變化來體現(xiàn)變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由光波的強(qiáng)度或相位變化來體現(xiàn)要傳遞的信息，這種情況主要應(yīng)用于光通信、光開關(guān)等領(lǐng)域。要傳遞的信息，這種情況主要應(yīng)用于光通信、光開關(guān)等領(lǐng)域。 一種是一種是施加在晶體上的電場在空間上有一定的分布，施加在晶體上的

2、電場在空間上有一定的分布，形成形成電場圖像，即隨電場圖像，即隨X和和y坐標(biāo)變化的強(qiáng)度透過率或相位分布，但在坐標(biāo)變化的強(qiáng)度透過率或相位分布，但在時(shí)間上不變或者緩慢變化，從而對(duì)通過的光波進(jìn)行調(diào)制，在后時(shí)間上不變或者緩慢變化，從而對(duì)通過的光波進(jìn)行調(diào)制，在后面介紹的空間光調(diào)制器就屬于這種情況。面介紹的空間光調(diào)制器就屬于這種情況。本節(jié)先討論前一種情本節(jié)先討論前一種情況的電光強(qiáng)度調(diào)制。況的電光強(qiáng)度調(diào)制。1 電強(qiáng)度調(diào)制電強(qiáng)度調(diào)制 電光調(diào)制技術(shù)電光調(diào)制技術(shù)2022-6-2321. 縱向電光調(diào)制縱向電光調(diào)制（通光方向與電場方向一致） 電光晶體電光晶體(KDP)置于兩個(gè)成正交的偏振器之間，其中起偏置于兩個(gè)成正交的

3、偏振器之間，其中起偏器器P1的偏振方向平行于電光晶體的的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器軸，檢偏器P2的偏振方向平的偏振方向平行于行于y軸，當(dāng)沿晶體軸，當(dāng)沿晶體z軸方向加電場后，它們將旋轉(zhuǎn)軸方向加電場后，它們將旋轉(zhuǎn)45o變?yōu)楦袘?yīng)變?yōu)楦袘?yīng)主軸主軸x,y。因此，沿。因此，沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏谳S入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚軸的軸的線偏振光，進(jìn)入晶體后線偏振光，進(jìn)入晶體后(z=0)被分解為沿被分解為沿x和和y方向的兩個(gè)分量，方向的兩個(gè)分量，兩個(gè)振幅兩個(gè)振幅(等于入射光振幅的等于入射光振幅的 1/21/2）和相位都相等分別為：）和相位都相等分別為：入射光入射光P1IixyzxyP2I

4、o調(diào)制光調(diào)制光UL起偏器起偏器 /4波片波片檢偏器檢偏器圖圖4 4 縱向電光強(qiáng)度調(diào)制縱向電光強(qiáng)度調(diào)制2022-6-233 或采用復(fù)數(shù)表示， 即 E x(0)=Aexp(ic t) E y(0)=Aexp(ic t)由于光強(qiáng)正比于電場的平方，因此，入射光強(qiáng)度為 當(dāng)光通過長度為L的晶體后，由于電光效應(yīng)，E x和E y二分量間就產(chǎn)生了一個(gè)相位差 ，則 E x（L）= A E y（L）= Aexp(-i )(1) 222200AEEEEIyxi(0)cos(0)cosxcycEAtEAt2022-6-234那么，通過檢偏器后的總電場強(qiáng)度是那么，通過檢偏器后的總電場強(qiáng)度是E x(L)和和E y（L）在）

5、在y方方向的投影之和，即向的投影之和，即 yYxX45o45o后一步考慮了后一步考慮了(4）式和）式和(5)式的關(guān)系（見下頁）。式的關(guān)系（見下頁）。與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為：與之相應(yīng)的輸出光強(qiáng)為： (3)將出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)相比將出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)相比(22)公式公式/ (21)公式公式得：得： cos,2ixixeex2cos12sinxx注意公式：注意公式：0()exp( i) 12yAE 200() ()expi1exp i12oyyAIEE 22sinsin22oiIUTIU(2)2022-6-235上式中的上式中的T T稱為調(diào)制器的透過率稱為調(diào)制器的透過率。根據(jù)上述關(guān)系可以畫出光強(qiáng)調(diào)。根

6、據(jù)上述關(guān)系可以畫出光強(qiáng)調(diào)制特性曲線制特性曲線,如圖如圖5所示。由圖可見，在一般情況下所示。由圖可見，在一般情況下,調(diào)制器的輸出調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。（5）26330063302rr/ncnU22sinsin22oiIUTIU（6）.4）( U2 E26330z6330rrnLnyxnn-2022-6-236 若調(diào)制器工作在非線性部分若調(diào)制器工作在非線性部分,則調(diào)制光將發(fā)生畸變。則調(diào)制光將發(fā)生畸變。 為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個(gè)固定的為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個(gè)固定的 2相位相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏置在延遲，使調(diào)制器的電壓偏置在

7、T50的工作點(diǎn)上。常用的辦的工作點(diǎn)上。常用的辦法有兩種：法有兩種：50100透過率(%)0透射光強(qiáng)時(shí)間電壓調(diào)制電壓UU/2m圖圖5 電光調(diào)制特性曲線電光調(diào)制特性曲線B2sin2UU2022-6-237式中，式中，m = Um/U （相當(dāng)于（相當(dāng)于25式中的式中的 ）是相應(yīng)于外）是相應(yīng)于外加調(diào)制信號(hào)最大電壓加調(diào)制信號(hào)最大電壓Um的相位延遲。其中的相位延遲。其中Um sinmt 是外加是外加調(diào)制信號(hào)電壓。調(diào)制信號(hào)電壓。其一其一，在調(diào)制晶體上除了施加信號(hào)電壓之外，再附加一個(gè)，在調(diào)制晶體上除了施加信號(hào)電壓之外，再附加一個(gè) U/4 的固定偏壓，但此法會(huì)增加電路的復(fù)雜性，而且工作點(diǎn)的固定偏壓，但此法會(huì)增加

8、電路的復(fù)雜性，而且工作點(diǎn)的穩(wěn)定性也差。的穩(wěn)定性也差。其二其二，在調(diào)制器的光路上插入一個(gè)，在調(diào)制器的光路上插入一個(gè)14波片波片(圖圖4)其快慢軸其快慢軸與晶體主軸與晶體主軸x成成45o 角，從而使角，從而使E x和和E y二分量間產(chǎn)生二分量間產(chǎn)生 /2 的的固定相位差。于是，固定相位差。于是，(25)式中的總相位差式中的總相位差sinsin22mmmmUttU2022-6-238因此，調(diào)制的透過率可表示為因此，調(diào)制的透過率可表示為 （7) 利用貝塞爾函數(shù)恒等式將上式利用貝塞爾函數(shù)恒等式將上式 展開，展開，得得 （8)由此可見，輸出的調(diào)制光中含有高次詣波分量，使調(diào)制光發(fā)生由此可見，輸出的調(diào)制光中含

9、有高次詣波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變?；儭榱双@得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。為了獲得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。2sin2oiITI2sinsin4211 sinsin2ommimmITtItsinsinmmt2101sin212onmmniITJntI2022-6-239 設(shè)基頻波和高次諧波的幅值分別為設(shè)基頻波和高次諧波的幅值分別為I1和和I2n+1, 則高次諧則高次諧波與基頻波成分的比值為波與基頻波成分的比值為 (9)若取若取 1rad， 則則J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以所以I3 /I 1 =0.045，即三次諧波為基波的，即三次諧

10、波為基波的4.5%。在這個(gè)范圍內(nèi)可以獲在這個(gè)范圍內(nèi)可以獲得近似線性調(diào)制得近似線性調(diào)制，因而取，因而取 (10)作為線性調(diào)制的判據(jù)。作為線性調(diào)制的判據(jù)。 此時(shí)此時(shí) 代入（代入（8)式得式得 (11)m1(1sin)2ommiITtI2121110,1,2,nmnmJInIJ1mmUradU112mmJ2022-6-2310 此外此外,在在28式中式中 sin(m sinmt) 的的m 若遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于若遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1， 則則(8)式也變?yōu)槭揭沧優(yōu)?1(1sin)2ommiITtI 由此也可得出以上同樣的結(jié)論。所以為了由此也可得出以上同樣的結(jié)論。所以為了獲得線性調(diào)制，獲得線性調(diào)制，要求調(diào)制信號(hào)不宜過大要求調(diào)

11、制信號(hào)不宜過大( (小信號(hào)調(diào)制小信號(hào)調(diào)制) )，那么輸出的光強(qiáng)調(diào)制，那么輸出的光強(qiáng)調(diào)制波就是調(diào)制信號(hào)波就是調(diào)制信號(hào)U=Um sinmt 的線性復(fù)現(xiàn)。如果的線性復(fù)現(xiàn)。如果m 1rad的條件不能滿足的條件不能滿足(大信號(hào)調(diào)制大信號(hào)調(diào)制)，則光強(qiáng)調(diào)制波就要發(fā)生畸變。，則光強(qiáng)調(diào)制波就要發(fā)生畸變。 以上討論的縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、以上討論的縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在不存在自然雙折射自然雙折射的影響等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是半波電壓太高，的影響等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時(shí)，功率損耗比較大。特別在調(diào)制頻率較高時(shí)，功率損耗比較大。2sinsin4211 sinsi

12、n2ommimmITtIt2022-6-23112 2橫向電光調(diào)制橫向電光調(diào)制（通光方向與電場方向垂直）（通光方向與電場方向垂直） 物理光學(xué)已經(jīng)講過，橫向電光效應(yīng)可以分為三種不同物理光學(xué)已經(jīng)講過，橫向電光效應(yīng)可以分為三種不同的運(yùn)用方式：的運(yùn)用方式： (1)沿沿z軸方向加電場，通光方向垂直于軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與軸，并與x或或y 軸成軸成45o夾角夾角(晶體為晶體為45o-z切割切割)。 (2)沿沿x方向加電場方向加電場(即電場方向垂直于即電場方向垂直于x光袖光袖)，通光方向，通光方向 垂宜于垂宜于x軸，并與軸，并與z軸成軸成45o 夾角夾角(晶體為晶體為45o -x切割切割)。

13、 (3)沿沿y軸方向加電場，通光方向垂直于軸方向加電場，通光方向垂直于y軸，并與軸，并與z軸成軸成 45o夾角夾角(晶體為晶體為45o -y切割）。切割）。 以下僅以以下僅以KDPKDP類晶體為代表講述第一種運(yùn)用方式類晶體為代表講述第一種運(yùn)用方式。2022-6-2312橫向電光調(diào)制如圖橫向電光調(diào)制如圖6所示。所示。因?yàn)橐驗(yàn)橥饧与妶鍪茄赝饧与妶鍪茄貁 z軸方向，因軸方向，因此和縱向運(yùn)用時(shí)一樣此和縱向運(yùn)用時(shí)一樣，Ex=Ey=0, Ez=E，晶體的主軸，晶體的主軸 x, y 旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)45o 至至 x，y,相應(yīng)的三個(gè)主折射率如下所示相應(yīng)的三個(gè)主折射率如下所示:300 633300 6331212xyz

14、ennn r Ennn r Enn(33)VL zz x輸入輸入KDP起偏起偏 y輸出輸出d2022-6-2313 但此時(shí)的通光方向與但此時(shí)的通光方向與z軸相垂直，并沿著軸相垂直，并沿著y方向入射方向入射(入入射光偏振方向與射光偏振方向與z軸成軸成450角角)，進(jìn)入晶體后將分解為沿，進(jìn)入晶體后將分解為沿x和和z方向振動(dòng)的兩個(gè)分量，其折射率分別為方向振動(dòng)的兩個(gè)分量，其折射率分別為nx和和nz；若通光方；若通光方向的晶體長度為向的晶體長度為L，厚度，厚度(兩電極間距離兩電極間距離)為為d，外加電壓，外加電壓UE3d，則從晶體出射兩光波的相位差，則從晶體出射兩光波的相位差(34)3300 63221

15、2xeLnnLnnLn rUd2022-6-2314 由此可知，由此可知，KDPKDP晶體的晶體的r r63 63 橫向電光效應(yīng)使光波通過晶體橫向電光效應(yīng)使光波通過晶體后的相位差包括兩項(xiàng)后的相位差包括兩項(xiàng)：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自然雙折射引起引起的相位延遲，這一項(xiàng)對(duì)調(diào)制器的工作沒有什么貢獻(xiàn)，而的相位延遲，這一項(xiàng)對(duì)調(diào)制器的工作沒有什么貢獻(xiàn)，而且當(dāng)晶體溫度變化時(shí)，還會(huì)帶來不利的影響，因此應(yīng)設(shè)且當(dāng)晶體溫度變化時(shí)，還會(huì)帶來不利的影響，因此應(yīng)設(shè)法消除法消除(補(bǔ)償補(bǔ)償)掉；掉；第二項(xiàng)是外加電場作用產(chǎn)生的相位延遲，它與外加電壓第二項(xiàng)是外加電場作用產(chǎn)生的

16、相位延遲，它與外加電壓U和晶體的尺寸和晶體的尺寸(Ld)有關(guān)，若適當(dāng)?shù)剡x擇晶體尺寸，則有關(guān)，若適當(dāng)?shù)剡x擇晶體尺寸，則可以降低其半波電壓。可以降低其半波電壓。2022-6-2315 KDP晶體橫向電光調(diào)制的主要缺點(diǎn)晶體橫向電光調(diào)制的主要缺點(diǎn)是是存在自然雙折射存在自然雙折射引起的相位延遲，這意味著在沒有外加電場時(shí)，通過晶體引起的相位延遲，這意味著在沒有外加電場時(shí)，通過晶體的線偏振光的兩偏振分量之間就有相位差存在的線偏振光的兩偏振分量之間就有相位差存在，當(dāng)晶體因，當(dāng)晶體因溫度變化而引起折射率溫度變化而引起折射率n0和和ne的變化時(shí)，兩光波的相位差發(fā)的變化時(shí)，兩光波的相位差發(fā)生漂移。生漂移。 在在KD

17、PKDP晶體橫向調(diào)制器中，自然雙折射的影響會(huì)導(dǎo)致調(diào)晶體橫向調(diào)制器中，自然雙折射的影響會(huì)導(dǎo)致調(diào)制光發(fā)生畸變。甚至使調(diào)制器不能工作。制光發(fā)生畸變。甚至使調(diào)制器不能工作。所以，在實(shí)際應(yīng)所以，在實(shí)際應(yīng)用中，除了盡量采取一些措施用中，除了盡量采取一些措施(如散熱、恒溫等如散熱、恒溫等)以減小晶以減小晶體溫度的漂移之外，主要是采用一種體溫度的漂移之外，主要是采用一種“組合調(diào)制器組合調(diào)制器”的結(jié)的結(jié)構(gòu)予以補(bǔ)償。構(gòu)予以補(bǔ)償。常用的補(bǔ)償方法有兩種常用的補(bǔ)償方法有兩種：一種方法是，將兩塊幾何尺寸幾一種方法是，將兩塊幾何尺寸幾乎完全相同的晶體的光相互成乎完全相同的晶體的光相互成90o串接排列，串接排列，2022-6

18、-2316即即一塊晶體的一塊晶體的x x和和z z軸分別與另軸分別與另一塊晶體的一塊晶體的z z軸和軸和x x軸平行軸平行(見見圖圖7(a)。另一種方法是，另一種方法是，兩塊晶體的兩塊晶體的z z軸軸和和x x軸互相反向平行排列軸互相反向平行排列, ,中間中間放置一塊放置一塊1 12 2 波片波片(見圖見圖7(b)。這兩種方法的補(bǔ)償原理是相同這兩種方法的補(bǔ)償原理是相同的。外電場沿的。外電場沿z軸軸(光軸光軸)方向，方向，但在兩塊晶體中電場相對(duì)于光但在兩塊晶體中電場相對(duì)于光軸反向，軸反向， 當(dāng)線偏振光沿當(dāng)線偏振光沿y y軸方向入射第一塊晶體時(shí)軸方向入射第一塊晶體時(shí)，電矢量分解為沿，電矢量分解為沿

19、z方向方向e1光和沿光和沿x方向的方向的o1光兩個(gè)分量，當(dāng)它們光兩個(gè)分量，當(dāng)它們經(jīng)過第一塊晶體經(jīng)過第一塊晶體之后，兩束光的相位差之后，兩束光的相位差 31300 633212xennn r EL(35)7-x-xyy-x-xyy2022-6-2317 經(jīng)過經(jīng)過1 12 2波片波片后，后，兩束光的偏振方向各旋轉(zhuǎn)兩束光的偏振方向各旋轉(zhuǎn)9090。，經(jīng)過。，經(jīng)過第二塊晶體后，原來的第二塊晶體后，原來的e1光變成了光變成了o2 光光, o1光變成光變成e2光，則它光，則它們經(jīng)過第二塊晶體后，其相位差們經(jīng)過第二塊晶體后，其相位差于是，通過兩塊晶體之后于是，通過兩塊晶體之后的的總相位差總相位差 (37)因此

20、，若兩塊晶體的尺寸、性能及受外界影響完全相同，則因此，若兩塊晶體的尺寸、性能及受外界影響完全相同，則自然雙折射的影響即可得到補(bǔ)償自然雙折射的影響即可得到補(bǔ)償。3230 633212xeonnn r EL3120 632Ln r Ud (36)2022-6-2318根據(jù)(37)式，當(dāng) 時(shí)，半波電壓為 其中括號(hào)內(nèi)的就是縱向電光效應(yīng)的半被電壓，所以 可見，橫向半波電壓是縱向半波電壓的d/L倍。減小d，增加長度L可以降低半波電壓。但是這種方法必須用兩塊晶體，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其尺寸加工要求極高。/230 632dUn rL/2/2dUUL橫縱2022-6-2319 2 2 電相位調(diào)制電相位調(diào)制 圖圖8

21、所示的是一電光相位調(diào)制的原理圖，它由起偏器和電光所示的是一電光相位調(diào)制的原理圖，它由起偏器和電光晶體組成。晶體組成。起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸x x( (或或y y) )，此時(shí)入射晶體的線偏振光不再分解成沿此時(shí)入射晶體的線偏振光不再分解成沿x x、y y兩個(gè)分量，而是沿兩個(gè)分量，而是沿著著x x( (或或y y) )軸一個(gè)方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，軸一個(gè)方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位僅改變其相位，相位的變化為相位的變化為 (38)入射光偏振器調(diào)制光ULxyz圖8 電光相位調(diào)制原理圖xxn Lc 2022-6-

22、2320這里的這里的 因?yàn)楣獠ㄖ谎匾驗(yàn)楣獠ㄖ谎豿方向偏振，相應(yīng)的折射率方向偏振，相應(yīng)的折射率 。若若 外加電場是外加電場是 , 在晶體入射面在晶體入射面(z0)處的光場處的光場 ，則輸出光場，則輸出光場(zL處處)就變?yōu)榫妥優(yōu)槁匀ナ街邢嘟堑某?shù)項(xiàng)，因?yàn)樗鼘?duì)調(diào)制效果沒有影響，則上略去式中相角的常數(shù)項(xiàng)，因?yàn)樗鼘?duì)調(diào)制效果沒有影響，則上式可寫成式可寫成 (39)式中式中 稱為相位調(diào)制系數(shù)。稱為相位調(diào)制系數(shù)。2/csinzmmEEtcosincEAt363321Ennnoox30631cossin2occoommEAtknn r Et LcossinoutcEAtmt3063,2omk n r UmUE

23、 L2022-6-2321相位調(diào)制的頻譜相位調(diào)制的頻譜相位調(diào)制的結(jié)果，總相位是時(shí)間的函數(shù)，也使光的頻率變相位調(diào)制的結(jié)果，總相位是時(shí)間的函數(shù)，也使光的頻率變化，頻率是總相位角的導(dǎo)數(shù)?；l率是總相位角的導(dǎo)數(shù)。v(1)當(dāng)當(dāng)mRe,大部分調(diào)制電壓降在晶體上大部分調(diào)制電壓降在晶體上,所以所以L越越小小,容許調(diào)制頻率越高。能提高調(diào)制效率，但阻抗僅在頻帶容許調(diào)制頻率越高。能提高調(diào)制效率，但阻抗僅在頻帶間隔間隔內(nèi)才較高所以內(nèi)才較高所以其頻帶寬度就要受到約其頻帶寬度就要受到約束：束： 對(duì)于正弦調(diào)制信號(hào)，調(diào)制器消耗的功率為對(duì)于正弦調(diào)制信號(hào)，調(diào)制器消耗的功率為0122mLfR C2222030 63/4mmmmm

24、mAPuCfuA LffLn r 2/2mLPuR330 630 6322mmn r Un r u 0122mLfR C 稱為稱為“體調(diào)制器體調(diào)制器”。其缺點(diǎn)在于要給整個(gè)晶體施加外。其缺點(diǎn)在于要給整個(gè)晶體施加外電場，要改變晶體的光學(xué)性能，需要加相當(dāng)高的電壓，電場，要改變晶體的光學(xué)性能，需要加相當(dāng)高的電壓，從而使通過的光波受到調(diào)制從而使通過的光波受到調(diào)制2022-6-2326330 630 6322( )( )( )n rn r E zLULdz 2 2高頻率調(diào)制渡越時(shí)間的影響高頻率調(diào)制渡越時(shí)間的影響當(dāng)調(diào)制頻率極高時(shí)，在光波通過晶體的渡越時(shí)間內(nèi)，當(dāng)調(diào)制頻率極高時(shí)，在光波通過晶體的渡越時(shí)間內(nèi)，最場

25、可能發(fā)生較大的變化，則相位延遲應(yīng)由積分給出最場可能發(fā)生較大的變化，則相位延遲應(yīng)由積分給出由于光波通過晶體的時(shí)間為及由于光波通過晶體的時(shí)間為及/ ,dnL c20 632( )dn r E t ctdd / ,zc t n設(shè)外加電場為單頻正弦信號(hào)設(shè)外加電場為單頻正弦信號(hào)220 630 63221dmm dmdititittdn r ecn r cetei 1m dimdei 渡越時(shí)間引起的峰值相位延遲的減?。ǘ稍綍r(shí)間引起的峰值相位延遲的減小（縮減縮減）0.9,/224mmdmcfnL 1,1md 當(dāng)當(dāng)無縮減，當(dāng)調(diào)制限度無縮減，當(dāng)調(diào)制限度2022-6-2327 4 電光波導(dǎo)調(diào)制器體調(diào)制器：上面講述

26、過的都是此類。體積大的分離器 件，而且整個(gè)晶體都受到外界電場的作用。集成光學(xué)集成光學(xué)就是利用光波導(dǎo)把光波限制在微米量級(jí)波導(dǎo)就是利用光波導(dǎo)把光波限制在微米量級(jí)波導(dǎo)區(qū)中沿一定方向傳播的特性，來實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的平面化和區(qū)中沿一定方向傳播的特性，來實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的平面化和光學(xué)系統(tǒng)集成化。具體地說，就是把激光器、調(diào)制器、探光學(xué)系統(tǒng)集成化。具體地說，就是把激光器、調(diào)制器、探測器等有源器件測器等有源器件“集成集成”在同一襯底上，并通過波導(dǎo)、耦在同一襯底上，并通過波導(dǎo)、耦合器等無源器件連結(jié)起來構(gòu)成一個(gè)完整的微型光學(xué)系統(tǒng)。合器等無源器件連結(jié)起來構(gòu)成一個(gè)完整的微型光學(xué)系統(tǒng)。 介質(zhì)光波導(dǎo)介質(zhì)光波導(dǎo)則是集成光學(xué)技術(shù)的基本

27、組成部件，它主則是集成光學(xué)技術(shù)的基本組成部件，它主要可分為要可分為平面波導(dǎo)平面波導(dǎo)和和矩形波導(dǎo)矩形波導(dǎo)兩類，兩類，而而平面波導(dǎo)平面波導(dǎo)又分為平板波導(dǎo)和漸變折射率波導(dǎo)兩種。又分為平板波導(dǎo)和漸變折射率波導(dǎo)兩種。平板波導(dǎo)是集成光路中結(jié)構(gòu)最簡單最常用的波導(dǎo)，它的結(jié)平板波導(dǎo)是集成光路中結(jié)構(gòu)最簡單最常用的波導(dǎo)，它的結(jié)構(gòu)如圖構(gòu)如圖1.2-14所示。所示。 2022-6-2328光波導(dǎo)調(diào)制器的特點(diǎn)：a.a.加電場的區(qū)域很小，薄膜附近加電場的區(qū)域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量級(jí)。薄膜厚度微米量級(jí)。驅(qū)動(dòng)功率比體調(diào)制器小驅(qū)動(dòng)功率比體調(diào)制器小1-21-2個(gè)數(shù)量級(jí)。材料的要求：至少個(gè)數(shù)量級(jí)。材料的要求：至少有一種滿足調(diào)

28、制器的要求，材料有確定的相對(duì)固定的折有一種滿足調(diào)制器的要求，材料有確定的相對(duì)固定的折射率。射率。b.b.利用電光、聲光控制時(shí)，折射率利用電光、聲光控制時(shí)，折射率n的變化，使兩傳播模的變化，使兩傳播模間有一相位差間有一相位差。與體調(diào)制器不同的地方：由于外場的作。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（如用導(dǎo)致波導(dǎo)中本征模（如TETE模和模和TMTM模）傳播特性的變化模）傳播特性的變化以及兩不同模式之間的耦合轉(zhuǎn)換（模耦合調(diào)制）。以及兩不同模式之間的耦合轉(zhuǎn)換（模耦合調(diào)制）。1.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 () ( )4TETMT

29、ETMmlmlTMTETETMlmmlmlabxyyxdAi AizdzdAi Aizdzix EE dx 與模耦合方程：其中(1)l模的振幅模的振幅傳播常數(shù)傳播常數(shù)2022-6-2329v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。TE，TM完全完全限制在波導(dǎo)薄膜層中，階次相同，限制在波導(dǎo)薄膜層中，階次相同，m=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)，TE模模和和TM模的場分布幾乎相同，僅電矢量的方向不同。且模的場分布幾乎相同，僅電矢量的方向不同。且 v如果如果相位匹配相位匹配 ,(1)式變?yōu)椋菏阶優(yōu)椋簐要獲得要獲得完全的完全的

30、TETM功率轉(zhuǎn)換功率轉(zhuǎn)換，必須滿足：，必須滿足：v無轉(zhuǎn)換無轉(zhuǎn)換時(shí)：時(shí)： v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)與輸入光強(qiáng)之比為：與輸入光強(qiáng)之比為：d-波導(dǎo)薄膜厚度波導(dǎo)薄膜厚度 00TETMmlkn。3012oijn k r E TETMml00( )sin( )cosTMlTEmAziAzAzAz 22LL0,1,2,nLn322sin,2()2o ijn rLkLUd0II2022-6-23302.2.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TM波，電場方向波，電場方向Ez，相位變化：，相位變化：363ozn r E lx(a)z(c)y(b)l電極LiNbO3襯底+y(b)z(c)電極LiNbO3襯底光波導(dǎo)電力線圖4 LiNbO3電光波導(dǎo)相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖2022-6-2331( )mmmmdAiAxdz v對(duì)于電光波導(dǎo)相位調(diào)制不涉及不同模之間耦合對(duì)于電