电光调制和扫描技术review

注意：在调制的 区域要求器件的 线性度高。若调 制器工作在非线 性部分,则调制光 将发生畸变。
电光调制器透过率
常用材料：铌酸锂LiNbO3、砷化镓GaAs、钽酸锂LiTaO3
2. 声光效应调制器
弹光效应：超声波引 起晶体的应变场，使 入射晶体中的光被这 种弹性波衍射。
声光效应调制器工作原理
声波的应变场改变某些晶体的折射率，由于声波的周期性，会引 起折射率的周期性变化，产生类似于光栅的结构，从而对入射的 光波产生调制。
υe∆t
e光的波阵面为椭球面
负晶体 v0 < ve n0 > ne
光轴
υo∆t
υe∆t
寻常光与非常光在光轴方向有相同速率，故在光轴处相切
单轴晶体中波阵面 惠更斯作图法 光轴平行入射面，自然光斜入射负晶体中
•B
A ••
•B '
光轴
•Ao' • Ae'
o光
光轴
e光
o光
e光
与光轴有夹角
光轴
垂直光轴
平行光轴
度不同，出射光为两束位 d
相有差别，振动方向相互 垂直的偏振光。
波晶片 e光
通过波晶片前、后
• •
λ
•
• •
o
光
o 光经过光程为 nod 位相改变为
∆ϕo = −( nod λ) 2π
e 光经过光程为 ned 位相改变为
∆ϕe = −( ned λ) 2π
出射 o 光和 e
光的相位差为
∆ϕ
=
∆ϕe
cos[(ωc
− ωm )t
+ϕc ]
式中，ma = Am Ac称为调幅系数。可见调幅波的频谱是
由三个频率成分组成的，其中，第一项是载频分量，第
二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量。
ma Ac 2
ωc −ωm
Ac
ωc
ma Ac 2
ωc +ωm
2ω m
调 幅 ω波 频 谱
二、频率和相位调制（角度调制）
••
•••
e光
o光 •
尼科耳棱镜 能将两束偏 振光完全分 开。
尼科耳棱镜可以用作起偏器或检偏器
渥拉斯顿棱镜:由光轴相互垂直的方解石三角棱镜构成.
••
••
Ι
• • e光
o光
e光
• • • ••
e光
o光
波晶片（晶体移相器）
C o光
—— 光轴平行于表面且厚度均匀的晶片
光束垂直入射到波晶 片后，分解为 o 光和 e 光，传播方向相同，但速
外调制方式
一、振幅调制
激光瞬时电场
E(t) = Ac cos(ωct + ϕc )
调制信号
a(t) = Am cosωmt
调制后
E(t) = [ Ac + a(t)]cos(ωct + ϕc )
= Ac cos(ωct + ϕc ) +
ma Ac 2
cos[(ωc
+ ωm )t
+ ϕc
]+
ma Ac 2
晶体有两条光轴：双轴晶体
晶体主平面 (principal plane of crystal) 晶体有一条光轴：单轴晶体 —— 晶体中某光线与晶体光轴构成的平面
光 轴
O 光的
主平面
光 轴
e光的
主平面
o光
e光
o 光振动垂直 o 光主平面， e 光振动在 e 光主平面内
光轴在入射面时，o 光主平面和 e 光主平面重合,此时 o 光振动和 e 光振动相互垂直.
频率调制
ω(t)
= t
ωc
+
k
f
a(t)
则
Ψ(t) = ∫ω(t)dt + ϕc
0
=
ωct
+
k f Am
ωm
sin ωmt
+ ϕc
于是，调频波为
E(t) = Ac cos(ωct + m f sin ωmt + ϕc )
相位调制
Ψ(t) = ωct + kϕ a(t) + ϕc = ωct + kϕ sin ωmt + ϕc
−
∆ϕo
=
2π λ
(no
−
ne )d
波晶片分类：
(no
−
ne )d
=
λ
4
(no
−
ne )d
=
λ
2
(no − ne )d = λ
∆ϕ = π
2
∆ϕ = π
1
波片(quarter-wave plate)
4
半波片(half-wave plate)
∆ϕ = 2π 全波片
折射率椭球
用解析的方法讨论光在晶体中沿任一方向传播时的相速度和偏振方向 的关系是十分复杂的,而采用折射率椭球的几何图形方法能较直观解决此问 题.
常用材料：压电晶体(石英、铌酸锂)或压电半导体
3. 磁光效应光调制器
磁光调制原理图
法拉第效应：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质 时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作 用而发生偏转。
常用材料：钇铁石榴石(YIG)或掺镓YIG晶体
光调制器的性能参量
半波电压、消光比、调制带宽、插入损耗
− sin(ωct + φc ) sin(m sin ωmt) ]
将式中 cos(m sin ω mt)和sin(m sin ω mt) 两项按贝塞
尔函数展开：
∞
∑ cos( m sin ω m t ) = J 0 (m ) + 2 J 2n (m ) cos( 2nω m t )
n =1
∞
∑ sin(m sin ω mt) = 2 J 2n −1 (m) sin[(2n − 1)ω mt] n=1
如下图是m=1时的角度调制波的频谱。
0.77
0.44
mf =1
0.11
0.02
ωc
ω
ωm
6ω m
显然, 若调制信号不是单频正弦波, 则其频谱将更加复杂.
三、强度调制
光束强度
I (t) = E 2 (t) = Ac2 cos2 (ωct + ϕc )
则强度调制的光强
I (t)
=
Ac 2 2
[1+ k pa(t)]cos2 (ωct + ϕc )
CH.4 电光调制和扫描技术
光调制的基本概念
一.振幅调制 二.频率和相位调制 三.强度调制 四.脉冲调制和脉冲编码调制
光调制原理及特性
直接调制(内调制)：把承载信息的电信号 作为驱动电流直接施加在激光器上。
基本的直接调制方式
外调制：通过光调制器，将携带信息的电信号与 输入光调制器的连续光载波相作用。包括：幅度调 制、频率调制、相位调制、偏振调制。
=
Ac 2 2
(1+ mp
cosωmt) cos2 (ωct + ϕc )
其中，mp=kpAm
四、脉冲调制和编码脉冲调制
脉冲调制
周期性光脉冲（载波）
１.脉位调制 ２.脉冲幅度调制
电调制
调制信号
３.脉冲频率调制 ４.脉冲宽度调制
已调脉冲序列
强百度文库度 调 制
光载波
脉冲编码调制
调制信号 调制 周期性光脉冲（载波）
假设电磁波在晶体中传播时没有被吸收,电场能量密度是一常数,可得
W= 1/2D·E = C
x2 nx2
+
y2 ny2
+
z2 nz 2
=1
其中
nx 2 = ε11 / ε 0 ; ny 2 = ε 22 / ε 0 ; nz 2 = ε 33 / ε 0
x = Dx / 2ε 0C ; y = Dy / 2ε 0C ; z = Dz / 2ε 0C .
方解石
Calcite (optically anisotropic)
1. 沿xy平面 2. 沿z轴
光沿某一方向传播时,出现了两个k值的现象即光的双折射
晶体中的o光和e光
寻常光和非常光：
i n1
遵从折射定律
n2
γe
n1 sin i = n2 sin io — 寻常光
γo
e光
不遵从折射定律
O光
s i n i ≠ c o n s t —非常光（Extraordinary light）
调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。 光纤通信系统对调制器的要求：
高的调制速率 低的半波电压 低的插入损耗
宽的调制带宽 高的消光比
光波在晶体中的传播
介电参量
晶体的双折射现象
双折射(birefringence)：一束光入射到各向异性的介质后出现两 束折射光线的现象。
Halite (cubic sodium chloride crystal, optically isotropic)
o光
e光
光轴
o光
e光
晶体光学器件 波晶片（wave plate）
e光
• ••
晶体的二向色性、晶体偏振片
光轴
某些晶体对o光和e光的吸收有很大差异，称晶体的二向色性
利用晶体的二向色性(dichroism)可产生线偏振光
偏振棱镜 尼科耳棱镜(Nicol prism)
no (1.658) > n(1.55) > ne (1.486)
于是，调频波为
E(t) = Ac cos(ωct + mϕ sin ωmt + ϕc )
其中， mϕ = kϕ Am
调频:
E(t) = Ac cos(ωct + m f sin ωmt + ϕc )
调相:
mf
=
k f Am
ωm
E(t) = Ac cos(ωct + mϕ sin ωmt + ϕc )
电光效应：介质在外加电场作用下出现的光学特 性（各向异性）改变
一、电场作用下材料的非线性极化
• 介质受光频电场（入射光场）和外加电场（低频或直流） 的共同作用，应同时考虑电子的受迫振动和离子的受迫振 动；（位能函数，运动方程）
射频电流，它是一种高频交流变化电 磁波的简称。每秒变化小于1000次的 交流电称为低频电流，大于10000次的 称为高频电流，而射频就是这样一种 高频电流。
正晶体(positive crystal)、负晶体(negative crystal)
寻常光 向各个 方向传 播的速 率相同
光轴
υo∆t
•••••• ••••••••••
非常光 向各个 方向传 播的速 率不同
光轴
υo∆t
υe∆t
o光的波阵面为球面
正晶体 v 0 > v e n0 < ne
光轴
υo∆t
mϕ = kϕ Am
下面再分析一下调频和调相波的频谱。由于调频和
调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一
的形式
E(t) = Ac cos[ ωct + m sin ωmt + φc
⎤ ⎥⎦
利用 cos(α + β) = cosα cosβ − sinα sinβ 三角公式
展开得：
E(t) = Ac [ cos(ωct + φc ) cos(m sin ωmt)
已调脉冲序列
量 化 抽样
强度调制
光载波
二进制编码
光调制器的种类
1. 电光效应光调制器
M-Z型电光强度调制器
电光效应: 在较强外电场作用下，介质的极化强度以及折射率会 各向异性的发生变化。 电光效应驰豫的时间很短，仅有10-11s量级，外场的施加或撤销 导致的折射率变化或恢复瞬间即可完成，因而可用作高速调制 器、高速开关等。
sin ie
e 光折射线也不一定在入射面内
两束折射光的三个特点：
（1） 均为线偏振光，偏振态相互垂直。
（2） 当垂直入射时，一般
γ 0 = 0,γ e ≠ 0
（3） 对寻常光来说，
n0 = c / v = const
对非寻常光来说，一般
i n1
γe n2
γo
ne =ne(i) ⇒ne(i) =c/v(i)
线性
D
外加 电场
光频
Eo
电场
E
若外加电场不在主轴
方向ε，' 是张量。
• 考虑 D ~ E 关系，（为简化，设外加电场 // 晶体某
主轴，则 D // E ，标量关系）；
D = εE +αE2 + βE3 +L
ε ' = dD = ε + 2αE + 3βE 2 +L
D
dE
斜率，代表介质材料对电场响应的大小
= AcJ0(m)cos(ωct +φc)+
∞
∑ Ac Jn(m)[ cos(ωc +nωm)t +φc +(−1)n cos(ωc −nωm)t +φc ]
n=1
可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波
的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多
对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是 ωm ,
各边频幅度的大小 Jn(m)由贝塞尔函数决定。
• 晶体的光轴（Optical axis）
O 光 e光
在大量实验中发现，各种晶体 都存在着一个特殊的方向，当光 沿该特殊方向传播时，不发生双 折射，该方向称为晶体的光轴。
强调：光轴是一特殊方向,凡平行于此方向的直线均为光轴。
单轴晶体(uniaxial crystal)：方解石，石英，红宝石等 双轴晶体(biaxial crystal)：蓝宝石，云母，硫磺等
任一方向(与光轴)的折射率,可在 图中过原点作垂直于传播方向的平面
电光效应
(electro-optical effect) 一、电场作用下材料的非线性极化
二、电光系数张量
三、折射率椭球的形变
前面提到的双折射是晶体自身的结构特性引起的,属自然双折射.在加 上外部电场后,本来是各向同性的介质,有可能产生双折射;而原来已有光 学各向异性的介质,其双折射性质可能发生变化.即外电场引入出现了人 为双折射现象.
知道了调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得 各阶贝塞尔函数的值。
具体展开可得：
E(t) = Ac{J0(m)cos(ωct +φc)+ J1(m)cos[ (ωc +ωm)t +φc ] −J1(m)cos[ (ωc −ωm)t +φc ]+ J2(m)cos[ (ωc +2ωm)t +φc ]+ J2(m)cos[ (ωc −2ωm)t +φc ]+KK }