第二章光调制PPT课件

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纵ห้องสมุดไป่ตู้电光效应
x12 x22 no2
x32 ne2
2γ63 Ex1 x2
1
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式中 63是电光系数的矩阵元。为消除上式中的交
叉项，使得在新的折射率感应主轴坐标系
下成为正椭圆，需进行图1所示的变换，
即 x1 x1' 和（x2 y）（x2' y）' 绕 z
轴逆时针旋转了45角。
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2. KDP的横向电光效应
若入射光方向与施加电场方向相垂直的电光效 应称为横向电光效应。电场可以沿晶体的任一 介电主轴（ x、y或z轴）加于晶体。例如，电场 沿z方向施加，光沿x轴方向入射，如图所示。
Z
x’ y’
V
调制光
入射光的
偏振方向
垂直于入射偏振
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光
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因外加电场仍沿z轴，与纵向运用时一样，晶体的主 轴x和y旋转45o。
1
n
2
0
3
1
n
2 z
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1 n2
0
4
1 n2
0
5
1 n2
0 6
0
x2
n
2 x
y2 n 2y
z2
n
2 z
1
10
施加电场时 E 0 ，折射率椭球系数的改变量
1 n2
l
1 n2
,
l
1 n2
0
l
与外加电场 E E1, E2, E3 成正比，即
1 n2
n0
2n0
、为常量
线性电光效应，或 Pockels效应（KDP、 LiNbO3）
二次电光效应，或Kerr效应 （BaTiO3、硝基苯液体）
、k由介质本身的性质决定，取决于晶体本身
的结构和对称性。
现在讨论线性电光效应
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在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述 晶体光学性质的折射率椭球方程为
1
n2
ij
是对称二阶张量
9
采用下标简化形式以
l
表示
ij ，则
1
n
2
,
l
的下标为
ij 11，22，33，23(32)，31(13)，12(21)
l 1, 2, 3, 4,
5,
6
1 n2
,
l
有6个独立的分量。
无电场时，E 0 ，于是
1
n
2
0
1
1
n
2 x
1
n
2
0
2
1
n
2 y
图. 沿KDP晶体光轴方向加电时，在 垂直光轴的平面内折射率主轴发生旋转
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在新的感应折射率主轴座标系 x' y' z 下，
折射率椭球方程变为
x12 x22 no2
x32 ne2
2γ63Ex1x2
1
x'2 y '2 z '2
1
n2 x'
n2 y'
n2 z'
沿光轴加电场后，
三个感应主轴的折射率分别为
You Know, The More Powerful You Will Be
结束语
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
Please Criticize And Guide The Shortcomings
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
I
I0 sin2
2
I0 sin2
2
V
V
优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的 影响；
缺点：半波电压太高，特别在调制频率太高时，功 耗较大。
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2、横向电光强度调制
纵向调制
V
V 2nx3r63
入射光 y
x
＝1m，V= 9.7kv
z
入射光
横向调制
V
d
2nz3r63 L
晶体的电光效应可实现对晶体中传播光波的调 制，有相位调制、强度调制和脉冲调制等。
在实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的 某些特殊方向切割而成的；
电光效应在实际应用中通常有两种方式， 即： 纵向与横向电光效应；
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一、 电光效应
晶体的折射率因外加电场而改变的现象称为 电光效应。
l
3
lk Ek
k 1
其中 lk 称为电光系数张量，共有18个元素， 可表示为6 3 的矩阵。
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由于电光晶体的对称性使电光系数减少，具 有对称中心的晶体，其电光系数都为零，故这种 晶体不产生线性电光效应；在没有对称中心的21 个点群中，有20个点群具有线性电光系数。
常用的电光晶体的电光系数值，可查阅有
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二、电光相位调制
以外加电场平行于光轴的KDP晶体为例，一束线偏 振光沿z轴方向入射晶体，且E矢量沿 x方向，进入 晶体后分解为沿x’和y’方向的两个垂直偏振分量。
光波沿z方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为
x' y' k0no3 63E3l k0no3 63V
完全由电光效应(纵向)引起——电光相位延迟。
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为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流 偏压 V 2 来完成。（插入1/4波片）
I/I0-V曲线
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由于检偏器的输出光强是晶体上电压的函数， 只要将电信号加载到晶体上，那么就能用电信号 调制光信号，故电光调制可以实现模拟信号和低 频数字信号的光传输。
调制信息
载波
振幅调制
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光辐射的现代调制方法：
按调制是在光源内发生还是光源外进行分：
内调制和外调制
内调制：将欲传输的信号直接加载于光源，以 改变光源的输出特性来实现调制；
例：对半导体激光器的驱动电源用调制信号直 接控制，实现对所发射激光强度的调制； 又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输的信 号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔参 数，从而调制激光输出。
M
M
N
t
N
t
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调制线光源
1: 线光源 2: 圆筒 3: 狭缝4: 缝隙光阑
利用电磁感应的机械调制
调制的波形与激磁电流的波形和强度、光 束和挡片的相对形状和大小有关。
优点：容易实现，不受波 长限制等
缺点：难进行高频调制、 体积较大等 5
2.2 电光调制
电光调制就是利用电光效应将电信号调制到 传输的光载波上，进而实现光学控制。
关书籍和技术手册，当掌握了电光系数后，可
由上式解出
1
n
2
,
对电场的依赖关系，最后代入折
l
射率椭球方程式。
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KDP晶体的线性电光效应
常用的电光晶体是一些各向异性的光学晶体， 如磷酸二氢钾 KDP， 磷酸二氘钾 KD*P ， 磷酸 二氢氨 ADP ，铌酸锂 LiNbO3 (记为 LN)等。以 下结合KDP 加以说明。
调制信号 V n I变 实现光强调制
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下图画出了 I I0 曲线的一部分以及光强调制的情形。
I
I0
sin 2
2
V
V
I 输出
t
V 输入
t
由于调制器的工作点在透射曲线的非线性区，故输出光 信号失真，光信号的频率为调制信号的两倍。为了获得 线性调制，可引入一个固定的/2相位延迟，常在调制 器的光路中插入一个/4波片。
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外调制：
在光源外的光路上放置调制器，将欲传输 的信号加载于调制器，透过光的物理性质将发 生变化，实现调制。
电光调制
声光调制
磁光调制
热光效应
激光外调制
体调制
光波导调制
光调制
光调制：改变光强或频率 光偏转：改变光的方向
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2.1 机械调制
• 常用方法：机电振子、旋转调光盘等 • 用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。
KDP为单轴晶体，属立方晶系的点群。有
nx ny no ， nz ne 。
Z
x
光轴: 晶体中有一个方向，光沿这个 y
方向传播不发生双折射，这个方向
叫做光轴。
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1. KDP的纵向电光效应
如果沿晶体光轴方向加电场，由于
，
而 E1 E2 ，0 可以得E3到 在E 介电主轴坐标系中的 折射率椭球方程为
各向同性介质 外加强电场 双折射现象
双折射晶体
双折射性质变化
•• ••
•• ••
单色自然光
• •• • • • •• • •
晶体的截面
O光 e光
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通常材料的介电常量 与外电场无关，但当外 加电场较强时，介电常量便有微小的变化，从而引 起折射率变化：
n E 3 E 2 E kE 2
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x’
z y’
Ex’
Ey’
电光相位延迟
y’
y x’
x
y’ x x’ Oy
a
bc d
e
f
z0
0
2
g
h
i
当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时（相
位差为）所加的电压称为半波电压，V
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k0no3 63
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三、电光强度调制
1. 纵向电光强度调制
进行纵向电光效应的实验装置如图所示，它由一对平行 偏振器和一块晶体组成。
但此时通光方向与z垂直，沿x’方向入射，且入射光 偏振方向与z成45o ，进入晶体后将分解为沿y’和z方 向振动的两个分量，
Z
V
调制光
x’ y’
y'
z
2
[(no
ne )L
1 2
no3 63
LV] d
横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受 温度影响。采用组合调制器进行补偿。
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x12 n12
x22 n22
x32 n32
1
其中下标1，2，3分别表示坐标 x、y、z。
当晶体施加任意电场时，晶体的折射率发生变
化，可以把电场对晶体的这种作用归结为折射率椭
球系数的改变。因此，当有电场存在时，折射率椭
球在介电主轴座标系中的方程为
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i
j
1 n2
,
ij
xi
x
j
1
其中
V可为伏量级
V
入射光 z
y
x
入射光
缺点：存在自然双折射引起的相位差，易受温度环境影
响，导致调制光发生畸变。
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写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
xoy截面由圆变 为椭圆
y’
y
x’
nx'
no
1 2
no3 63E
x
n y'
no
1 2
no3
63 E
沿x’方向偏振的 传播速度加大，沿y’
方向偏振的传播速
nz' ne
度减小。
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KDP晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了双 轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了450角， 此转角与外加电场的大小无关。
x' y' k0no3 63E3l k0no3 63V
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I
I0 sin2
2
I0 sin2
2
V
V
其中 I0 为检偏器的最大输出光强。 显然，检偏器的输出光强是电压 V 的函数。
当 V 0 时， I 0，出现消光现象。
当 V V 时，光强有最大值 I0
可见出射光强随外加电压而变，如果把信号加在晶 体上，输出光强就随信号而变，就为信号所调制。