电光调制器PPT幻灯片课件
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折射率椭球方程可以描述光波在晶体 中的传播特性。
7
电光效应
克尔效应： 玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应。内盛某
种液体的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压 后产生横向电场。无电场时液体为各向同性，光不能通过。存在 电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光 通过。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。 电场的极化作用非常迅速，撤去电场后在同样短的时间内重新变 为各向同性。克尔效应的这种瞬时反应的性质可用来制造几乎无 惯性的光的开关—光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获 得了重要应用。
5
电光效应
电光调制的物理基础：电光效应 电光效应：当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将
发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光 信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。 电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应。 外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为
n n0 aE bE2 ... 或 n n n0 aE bE 2 ...
调制器：器件的主要功能是通过暂时改变光波的某一特性 而将信息加载到光波上。
开关：改变光线的空间位置，或者是将光导通或断开。
3
电光调制
电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参量的改变而 改变。光波作为信息的载波。 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。 性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置 电压。 电光调制器的主要参数有：半波电压、特性阻抗、调制带宽、调制深 度（调制效率）、透过率、消光比、插入损耗、品质因数等。
4
电光调制
半波电压：是指调制器从关态到开态的驱动电压。 调制带宽：强度调制的调制带宽反映了器件工作的频率范围，它
的定义是调制深度落到其最大值的50%所对应的上下两频率之差。 调制带宽是量度调制器所能使光载波携带信息容量的主要参数。 特性阻抗：要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。 透过率：调制器的输出光与输入光之比称为透过率。 消光比：消光比是衡量电光开关性能的指标。消光比越大越好， 因为切断时通过的光越小，切开效果越好。 插入损耗：插入损耗是反映调制器插入光路引起光功率损耗程度 的参数。对于外部调制器而言，必须保证器件的插入损耗最小。 品质因数：即驱动电压与电极长度的乘积。
光变为椭圆偏振光，再通过检偏器转变为光的强度调制。
根据电光调制器器件结构的不同，可以分成体型电光调制器和 波导传输型电光调制器。
12
电光调制的主要方式
直接调试： 电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使输出激光强度
随电信号而改变。 优点：
采用单一晶体、成本廉价、附件损耗小。 缺点：
电百度文库调制器
1
C目录 ONTENTS
1 电光调制 2 电光效应 3 电光调制的主要方式 4 电光调制器的分类与应用 5 总结
2
调制器和开关
在许多情形中，根据输入和输出端口的安排以及光波与 控制电信号之间相互作用的强度，同一个器件既可以起调 制器的作用，又可以具有开关的功能。在设计或评价调制 器和开关时，有许多相同的因素需要加以考虑，因而合在 一起讨论。
10
电光调制
电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生 变化的电光效应而进行工作的。
根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同, 可分为纵向调制和横向调制。
纵向电光调制：电场方向与光的传播方向平行。 横向电光调制：电场方向与光的传播方向垂直。
11
电光调制
由于纵向调制电光器件需要透明电极，器件工艺复杂、加工成 本大，因此常用的电光器件大多采用横向调制设计。 电光调制又有调相和调幅之分。 电光调相：不改变输出光的偏振态，只改变其相位。 电光调幅：是借助于晶体的电光效应，使光束的偏振态从线偏振
8
电光效应
泡克耳斯效应： 一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）
作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。 不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过 检偏器。加电场后，晶体产生双折射，有光通过检偏器。 大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与 克尔效应一样常用于光闸、激光器的 Q 开关和光波调制等。
不干扰激光器工作，波长稳定；可对信号实现多种编码格式； 高速率、大的消光比；低啁啾、低的调制信号劣化。 缺点：
额外增加了光学器件、成本增加、增加了光线线路的损耗。
14
纵向电光调制器
纵向电光强度调制（电光晶体KDP、通光方向与电场方向一致）
电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间。 P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，P2的偏振方向平行于y轴。 当沿晶体z轴方向加电场后，x和y轴旋转45°变为感应主轴x’和y’。 因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶
线性电光效应
二次电光效应
（Pockels效应） （Kerr效应）
6
电光效应
折射率椭球 在晶体未加外电场时，主轴坐标系中 折射率椭球的方程为：
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32
x，y，z为介质的主轴方向，在晶体 内沿着主轴方向的电位移D和电场强 度E是互相平行的；
n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方 向的折射率(主折射率)。
调制频率受限、与激光器弛豫振荡有关、产生强的频率啁啾、 限制传输距离、光波长随驱动电流而改变、光脉冲前沿和后沿产 生大的波长漂移；适用于短距离、低速率的传统系统。
13
电光调制的主要方式
外调制： 调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、热光或声
光等物理效应，从而使通过调制器的激光束的光参量随信号而 改变。 优点：
9
电光效应
利用泡克耳斯电光效应实现电光调制可以分为两种情况： 一是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的。但在
时间上是变化的。当一束光通过晶体之后，可以使一个随 时间变化的电信号转换成光信号，由光波的强度或相位变 化来体现要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、光 开关等领域。 一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布， 形成电场图像，即随X和y坐标变化的强度透过率或相位分 布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进 行调制。
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电光效应
克尔效应： 玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应。内盛某
种液体的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压 后产生横向电场。无电场时液体为各向同性，光不能通过。存在 电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光 通过。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。 电场的极化作用非常迅速，撤去电场后在同样短的时间内重新变 为各向同性。克尔效应的这种瞬时反应的性质可用来制造几乎无 惯性的光的开关—光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获 得了重要应用。
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电光效应
电光调制的物理基础：电光效应 电光效应：当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将
发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光 信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。 电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应。 外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为
n n0 aE bE2 ... 或 n n n0 aE bE 2 ...
调制器：器件的主要功能是通过暂时改变光波的某一特性 而将信息加载到光波上。
开关：改变光线的空间位置，或者是将光导通或断开。
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电光调制
电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参量的改变而 改变。光波作为信息的载波。 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。 性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置 电压。 电光调制器的主要参数有：半波电压、特性阻抗、调制带宽、调制深 度（调制效率）、透过率、消光比、插入损耗、品质因数等。
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电光调制
半波电压：是指调制器从关态到开态的驱动电压。 调制带宽：强度调制的调制带宽反映了器件工作的频率范围，它
的定义是调制深度落到其最大值的50%所对应的上下两频率之差。 调制带宽是量度调制器所能使光载波携带信息容量的主要参数。 特性阻抗：要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。 透过率：调制器的输出光与输入光之比称为透过率。 消光比：消光比是衡量电光开关性能的指标。消光比越大越好， 因为切断时通过的光越小，切开效果越好。 插入损耗：插入损耗是反映调制器插入光路引起光功率损耗程度 的参数。对于外部调制器而言，必须保证器件的插入损耗最小。 品质因数：即驱动电压与电极长度的乘积。
光变为椭圆偏振光，再通过检偏器转变为光的强度调制。
根据电光调制器器件结构的不同，可以分成体型电光调制器和 波导传输型电光调制器。
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电光调制的主要方式
直接调试： 电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使输出激光强度
随电信号而改变。 优点：
采用单一晶体、成本廉价、附件损耗小。 缺点：
电百度文库调制器
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C目录 ONTENTS
1 电光调制 2 电光效应 3 电光调制的主要方式 4 电光调制器的分类与应用 5 总结
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调制器和开关
在许多情形中，根据输入和输出端口的安排以及光波与 控制电信号之间相互作用的强度，同一个器件既可以起调 制器的作用，又可以具有开关的功能。在设计或评价调制 器和开关时，有许多相同的因素需要加以考虑，因而合在 一起讨论。
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电光调制
电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生 变化的电光效应而进行工作的。
根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同, 可分为纵向调制和横向调制。
纵向电光调制：电场方向与光的传播方向平行。 横向电光调制：电场方向与光的传播方向垂直。
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电光调制
由于纵向调制电光器件需要透明电极，器件工艺复杂、加工成 本大，因此常用的电光器件大多采用横向调制设计。 电光调制又有调相和调幅之分。 电光调相：不改变输出光的偏振态，只改变其相位。 电光调幅：是借助于晶体的电光效应，使光束的偏振态从线偏振
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电光效应
泡克耳斯效应： 一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）
作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。 不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过 检偏器。加电场后，晶体产生双折射，有光通过检偏器。 大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与 克尔效应一样常用于光闸、激光器的 Q 开关和光波调制等。
不干扰激光器工作，波长稳定；可对信号实现多种编码格式； 高速率、大的消光比；低啁啾、低的调制信号劣化。 缺点：
额外增加了光学器件、成本增加、增加了光线线路的损耗。
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纵向电光调制器
纵向电光强度调制（电光晶体KDP、通光方向与电场方向一致）
电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间。 P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，P2的偏振方向平行于y轴。 当沿晶体z轴方向加电场后，x和y轴旋转45°变为感应主轴x’和y’。 因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶
线性电光效应
二次电光效应
（Pockels效应） （Kerr效应）
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电光效应
折射率椭球 在晶体未加外电场时，主轴坐标系中 折射率椭球的方程为：
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32
x，y，z为介质的主轴方向，在晶体 内沿着主轴方向的电位移D和电场强 度E是互相平行的；
n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方 向的折射率(主折射率)。
调制频率受限、与激光器弛豫振荡有关、产生强的频率啁啾、 限制传输距离、光波长随驱动电流而改变、光脉冲前沿和后沿产 生大的波长漂移；适用于短距离、低速率的传统系统。
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电光调制的主要方式
外调制： 调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、热光或声
光等物理效应，从而使通过调制器的激光束的光参量随信号而 改变。 优点：
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电光效应
利用泡克耳斯电光效应实现电光调制可以分为两种情况： 一是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的。但在
时间上是变化的。当一束光通过晶体之后，可以使一个随 时间变化的电信号转换成光信号，由光波的强度或相位变 化来体现要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、光 开关等领域。 一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布， 形成电场图像，即随X和y坐标变化的强度透过率或相位分 布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进 行调制。