光电子技术第5章

画出了 I I 0 V 曲线的一部分以及光强调制的情形。为 使工作点选在曲线中点处，插入λ/4 波片，使之产生 90 度的 相位差。
激光器输出为偏振光
采用电光调制器的光通信线路
3 横向电光强度调制 电压加在X方向，入射光沿Z方向，X方向偏振；X、Y、Z与 晶体边平行。
3 no kl 3 l x y k o (no 63 E3 ) ne l k o (no ne )l 0 no 63V 2 2d 2 d V V k o (no ne )l 3 k o no 63 l V
第一项表示天然双折射造成的相位差； 第二项由电光效应引起，为电光延迟。 由第一项确定工作点位置后，根据第二项正比于l/d，恰当选 择长宽比，以实现有效的电光调制。 自然双折射容易受温度影响，必须对晶体进行温控。
采用光轴方向垂直的两 块晶体串接可消除自然 双折射． 横向电光调制可降低半波电压，通过晶体长度选择可以 控制相位延迟大小和工作点；采用两块晶体可消除自然双折 射，但结构较复杂。

2 5 no ne

2 2 2 2 E 2 n n 41 2 o e 2
（1）施加外场后，新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕 y旋转
角后形成的，与外加电场成正比，但是一个小值。 （ 2）施加外场后，折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球，单 轴晶体变为双轴晶体，双轴晶体的光轴方向之一仍为原 z 轴， 另一光轴位于以 轴为对称轴且和 z 对称的方向上。 z
（4）脉冲调制与脉冲编码调制
脉冲调制： 用一种间歇的周 期性脉冲序列作 为载波，使载波 的某一参量按调 制信号规律变化 的调制方法。 调幅度 调宽度 调频率 调位置
脉冲编码调制（采样、量化、编码）
用码子的不同组合表示欲传递的信息。
5.3 电光调制
5.3.1 电光效应
电光效应：当介质的两端所加外电场较强时，原子内的电 子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率 也各向异性地发生变化的现象。 电光效应弛豫时间很短，仅有10-11ｓ量级

2
y' 方向的二线偏振光之间的位相差
2

2 n0 63V
2 2 j1 所以， E x E0e ，E y E0e j1 e j 2 2 再经1/4波片后，引入 / 2 相位差，则
j ( 1 2 ) 2 2 j ( 1 2 ) E x E0 e ，E y E0 e e j ( / 2 ) 2 2
利用超声波作用下介质折射率周期性变化的声光效应可以 制作声光调制器；
利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器。
3. 调制方式
激光的瞬时光场
E(t ) E0 sin( 0 t )
调制信号是余弦信号 a(t ) Am cos mt （1）幅度调制
E ( t ) E0 (1 M a cos m t ) sin( 0t )
第五章 光调制技术----光信息系统的信号加载与控制 5.1 调制的基本概念
光调制 通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数， 使传播的光波携带信息的过程。 功能 在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换。
光调制器
利用光和物质相互作用所产生的效应来控制光波的强度或 相位的器件。 载波：激光（高频） 调制信号：起控制作用的低频信息
外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成 可用作高速调制器、高速开关等 为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件 （1）外加电场相对光场为低频
（2）外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体，此时D与E的 方向一致，因而D只随E的大小变化。
泡克尔斯(Pockels)效应与克尔(Kerr)效应
当外加电场沿某一介电主轴作用于晶体时，电位移矢量为
1 1 2 63 E 3，n z ne 2 n y n0
2 由于 63 E3 1 / n0 ，运用近似式得到：
3 no n x no 63 E3 2
n y
3 no no 63 E3 2
结论：
(1) 施加外场 E3 后， KDP 由单 轴晶体变为双轴晶体。 x 方向 偏振光的折射率小， y 方向偏 振光的折射率大。 (2)沿 x 方向偏振的光传播相 速度加大，而沿 y 方向偏振 的光传播速度减小，因此 x 轴称为快轴， y 轴为慢轴。
3 2 n E E E kE 2 n0 2n 0

Δn 与外加电场的一次方成正比，称为泡克尔斯效应；
Δn与外加电场平方成正比，称为克尔效应。
5.3.2 KDP晶体的线性电光效应 KDP晶体是人工生长的KH2PO4单晶的简称。
1.外加电场平行于光轴 新主轴 x y z 相对旧主轴 xyz 旋转了 450 角度，则 1 1 得 到 ：2 2 63 E 3， n x n0
根据这一原理，可完成光信号强度随电信号的变化而不断 改变的调制过程，即实现强度调制。 设入射光场为
Ein Ae jt
3 e
外加电场作用下光波产生的相位变化为：
n 33 LV / d n 33
3 e
L Vm sin m t d
5.3.3 电光调制 1. 电光相位延迟 以外加电场平行于光轴（Z轴）的KDP晶体为例，光波沿z 方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为
3 3 x y ko no 63 E3l ko no 63V
V E3l
E x 、E y 的变化曲线及相应的光场矢量变化情形
D 0 E E 2 E 3
为不加电场时的介电常数，称线性介电常数。
0
dD 0 2E 3E 2 dE
2 n 2 n0 2E 3E 2
第一项大大于后面各项，作泰勒级数展开
n n0

n0
E
3 2 E 2n 0
如果外加信号电压为正弦电压， V Vm sint ，则透过率为：
Vm 1 I / I [1 sin( sint )] 2 V
一般情况下： Vm / V 1
V 3 2n0 63
I 1 Vm sint I 0 2 2 V
输出光强近似为正弦形，实现无失真调制。
部分晶体的 V 和 63
2 纵向电光强度调制
图(4-21) 电光调制装置示意图
（1）电光强度调制装置由两块交叉偏振片及其间放置的一块单 轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行。 （2）设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在x 方向上的线偏振激光电矢量振幅为E0 进入晶体时沿快轴 x' 和慢轴 y' 的电矢量振幅都变为 E0 通过晶体后，沿 x ' 和
4 电光相位调制
加电场后，振动方向与晶体的感应主轴相平行的光通 过长度为 l 的晶体，其位相增加为
3 n0 2 n0 63 Ez l 2
出射光为：
E0 E0e jt e jk0 nx l
3 n E0e jt e jk0 n0 l e xp( jk0 0 63V ) 2
当相位延迟Γ＝０时，光场为 x 方向偏振的线偏振光，当 Γ＝π/2时，光场为圆偏振光，当Γ＝π时，光场又变成 沿y方向偏振的线偏振光。 与Γ＝π对应的偏振光相对入射光旋转了 90°，其相应的 电压称为半波电压
V

3 k o no 63
晶体的电光系数越大，相应半波电压越低 .
通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。
2 外加电场垂直于光轴
E1 E3 0
E2 E 0
新主轴坐标系中三个主折射率近似为 5 2 no ne 2 2 2 2 n x no E 2 n n 41 2 e o 2 2 2 2 no ne




ny no
n z no
2 2 2 no ne
E p ( t ) E 0 cos( 0 t p cos m t )
频率调制和相位调制都是调相位角．
p k Am
E(t ) E0 cos( c t m cosm t c )
m为调制系数
产生无数多个边频，当m很小时，边频数量减少。
（3）强度调制 2 E0 I (t ) (1 M I cos m t ) sin2 ( 0 t ) 2 为得到较好的抗干扰效果，常采用二次调制方式，即先 用低频信号对高频副载波进行频率调制，再用已调频的高频 信号对光波进行强度调制（称为FM/IM调制）。在传输过程 中，即使受到干扰使强度发生抖动，但在解调时，信息包含 在调频副载波中，不会受到破坏。
E0 A cos( t sinm t )
3 n0 式中， k0 63V 为相位调制度, 2
k0n0l
Байду номын сангаас
5 波导电光调制器
波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电 场加在通光波导区，可以在很低的外加电压下获得所需的 调制场强。 可以通过波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦合等 特性来实现光的直接强度调制与开关等 。
Ma Am / E0
Ma Ma E ( t ) E0 sin( 0t ) E0 sin( 0 m )t E0 sin( 0 m )t 2 2
产生2个边频
（2）频率调制和相位调制
激光频率调制和相位调制的表达式分别为： M f / m E f ( t ) E 0 cos{( 0 M f cos m )t }
通过振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分 别为 E x' y ， E y' y ，则有：
j ( 1 2 ) 1 1 j ( 1 2 ) E xy E0 e ，E yy E0 e e j ( / 2 ) 2 2 沿y方向分量的总和： j ( 1 2 ) 1 E y E0e e j ( / 2 ) 1 2