光电子技术第七讲 电光调制教材
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调制及电光调制
e(t ) Ac [1 m cosmt ]cos(ct c )
（3.1.2） （3.1.3）
m m e(t ) Ac cos(ct c ) Ac cos[(c m )t c ] Ac cos[(c m )t c ] 2 2
m Am / Ac 为调幅系数。
比较以上两式，由于外电场，折射率椭球各系数 1/ n2 发生线性变化，
其变化量定义为：
3 1 2 ij E j n i j 1
（3.2.3）
ij —线性电光系数，
16
i 1, 2,
6
j 1, 2, 3
上式（3.2.3）可用矩阵形式表示为：
1 n2 1 2 n 1 2 n 1 11 21 2 61 6
1
x(t )
t
分类：根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。
内调制：调制信号是在激光振荡过程中形成的。如，注入式半导体
激光器，用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出光的强度受到调
制，调Q技术。 外调制：在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器 的物理性能从而使激光器受到调制。 特点：外调制调整方便，对激光器没有影响，调制速率高，带宽宽。
又， cos(m sin m t ) J 0 (m) 2 J 2 n (m) cos(2n mt )
n 1
（3.1.8）
sin(m sin m t ) 2 J 2 n-1 (m)sin((2n -1) mt )
n 1
将上两式代入（6.1.8）可得：
e(t ) Ac J 0 (m) cos(ct c ) Ac J n (m){cos[(c nm )t c ]
（3.1.2） （3.1.3）
m m e(t ) Ac cos(ct c ) Ac cos[(c m )t c ] Ac cos[(c m )t c ] 2 2
m Am / Ac 为调幅系数。
比较以上两式，由于外电场，折射率椭球各系数 1/ n2 发生线性变化，
其变化量定义为：
3 1 2 ij E j n i j 1
（3.2.3）
ij —线性电光系数，
16
i 1, 2,
6
j 1, 2, 3
上式（3.2.3）可用矩阵形式表示为：
1 n2 1 2 n 1 2 n 1 11 21 2 61 6
1
x(t )
t
分类：根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。
内调制：调制信号是在激光振荡过程中形成的。如，注入式半导体
激光器，用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出光的强度受到调
制，调Q技术。 外调制：在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器 的物理性能从而使激光器受到调制。 特点：外调制调整方便，对激光器没有影响，调制速率高，带宽宽。
又， cos(m sin m t ) J 0 (m) 2 J 2 n (m) cos(2n mt )
n 1
（3.1.8）
sin(m sin m t ) 2 J 2 n-1 (m)sin((2n -1) mt )
n 1
将上两式代入（6.1.8）可得：
e(t ) Ac J 0 (m) cos(ct c ) Ac J n (m){cos[(c nm )t c ]
电光调制器PPT幻灯片课件
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。
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。
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 ...
折射率椭球方程可以描述光波在晶体 中的传播特性。
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。
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。
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 ...
折射率椭球方程可以描述光波在晶体 中的传播特性。
光电子技术王俊波电光调制.ppt
L (c / n)
激光通过长度为L的晶体所需时间。
对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的 调制带宽。
前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频
率(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且入远大于晶体的
长度L，因而在光波通过晶体L的渡越时间 d
L (c / n)
内，调制信号
由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使 调制光发生畸变。为了获得线性调制，必须将高次
2019/10/15 共29页 9
UP
DOWN
BACK
谐波控制在允许的范围内。设基频波和高次谐波的幅 值分别为I1和I2n+1, 则高次谐波与基频波成分的比值为
(3.2-33)
若取 ＝1rad， 则J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以I3 /I 1
UP
DOWN
BACK
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压， 但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
其二，在光路上插入一个1／4波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体 主轴x成45o 角，使E x’和E y’二分量间产生 /2 的固定相位差。 (3.2-30)式中的总相位差
UP
DOWN
BACK
1．外电路对调制带宽的限制
调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。
调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法 工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在 晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束：
当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。
于是，通过两块晶体之后的总相位差
(3.2-37) 因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自 然双折射的影响即可得到补偿。
《光电子技术》全册完整教学课件
2022/2/28
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
2022/2/28
• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
2022/2/28
• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
电光调Qppt课件
e'光
➢施加半波电压情况Vx V 2
E
o e
C
n0 sin 45 ne sino o 450 2012 ne sin 45 n0 sine 450 e 205
o 47 012
4028 o'光
z e 42055 x 4039
F
y
B
D
e
A
xo
A n0
B B 450 450
4. o、e光走的路程不同，因此当 Vx V 时，o、e光并非完
全旋转90度。
2
12
2.3.2 单块双450电光调Q器件
双450 Q开关的特点 优点：
比较成熟，激光 能量达200mJ，
脉宽6~10ns
1. 双 450 电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件。
16
§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题
一、调制晶体材料的选择
选择电光晶体材料应注意的几个技术指标： ✓半波电压要低
KD＊P晶体的半波电压为6000伏，远比KDP低 ；LiNbO3 晶体的半波电压～9000（d/L），一般在2000～3000伏。
✓抗破坏阈值要高
KDP类晶体可达500MW/cm2(极限)；大都数普克尔盒Q开
两点结论
✓单块双45度LiNbO3晶体，第一个45度反射面的前段相当 于一个起偏器，它能产生o光和e光两束线偏光，第二个45 度反射面的后段相当于一个检偏器，所以双45度LN晶体等 效于在两个偏振器之间夹一块调制晶体。
✓当在晶体上加有半波电压时，通过晶体的o光和e光都偏 离原入射光的传播方向，这时Q开关处于“关闭”状态， 当光泵激励工作物质，上能级反转粒子数积累到最大值时， 瞬间撤去半波电压，则o光和e光经晶体后的出射光平行于 入射光，Q开关打开，激光振荡得以形成得到巨脉冲。11
电光调制课件
实验步骤２
• 实验过程——判断电光调制现象 １、插入起偏器 (P)，调节起偏器的镜片架转角， 使透光轴与垂直方向约成 P＝45。 ２、插入检偏器(A)转动检偏器，使激光点消失，光 强指示接近于0，表示此时检偏器与起偏器的光轴 己处于正交状态(P A)． ３、将电光晶体插入光具座，使激光束透过，适当 调节电光晶体平台上三个调节螺丝，使反射光斑 打在激光器光源输出口附近，此时激光束基本正 射透过。调节电光晶体旋转镜片架角度，使接收 光强趋近于0(达到最小，应该在0.1以下)。此时 从示波器观察应出现倍频现象，即解调信号频率 是调制信号频率的两倍。 特别注意：在这个环节中，要保证每个光学器件加 入光路时反射点都要几乎原路返回，且不可相交。
选择不同工作点时的输出波形
IA
③ 工作点③ ② 工作点②
IA
① o
o
Uπ/2
Uπ
U
t
工作点①
t
选择工作点②(U＝U /2)时，输出波形最大且不失真。相位差在＝ /2或(U＝U /2 )附近时，光强IA与相位差(或电压U)呈线性关系，从 调制的实际意义上来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。 选择工作点①(U＝0)或③ (U＝U)时，输出波形小且严重失真，同时 输出信号的频率为调制频率的两倍，即倍频现象。
2插入检偏器a转动检偏器使激光点消失光强指示接近于0表示此时检偏器与起偏器的光轴己处于正交状态p3将电光晶体插入光具座使激光束透过适当调节电光晶体平台上三个调节螺丝使反射光斑打在激光器光源输出口附近此时激光束基本正射透过
电光调制实验
Electro-optic modulation
实验目的
• 掌握晶体电光调制的原理和实验方法。 • 对电光调制原理中的有关物理量进行 定性或定量分析。
光电子技术基础07
晶胞的选取
晶胞的选取可以有多种方式，但在实际确定晶胞时，要尽 可能选取对称性高的初基单胞，还要兼顾尽可能反映晶体 内部结构的对称性，所以有时使用对称性较高的非初基胞惯用晶胞。
3.2 晶体光学基础
晶体材料：激光晶体、半导体晶体、非线 性光学晶体、调制晶体（电光晶体、磁光 晶体、弹光晶体、声光晶体）。 晶体是原子(包括离子，原子团)在三维空 间中周期性排列形成的固体物质。
晶格
晶体点阵与晶体对称性
在每个重复周期都选取一个代表点，就可以 用三维空间点阵来描述晶体的平移对称性。 而平移对称性是晶体最为基本的对称性。整 个点阵沿平移矢量 t=ua+vb+wc
Ac2 I (t ) 1 m p cos m t cos2 ( c t c ) 2
光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与 调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两 边频之外，还有低频 m 和直流分量。
I(t)
调制信号
载波
t
强度调制
3.1-4脉冲调制
角度调制波的频谱图
3.1-3强度调制
强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的 激光振荡。激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接 收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘 故。 激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波
电场强度有效值的平方):
线性调制
I (t ) E 2 (t ) Ac2 cos2 (ct c )
a(t ) Am cosmt
Am 和 ωm 分别是调制信号的振幅和角频率.
(3.1 2)
当进行激光振幅调制时，上式中的激光振幅 Ac 不再是常 量，而是与调制信号成正比。
电光调制
为实现线性调制，可引入固定的π /2相位延迟，使调制器 的电压偏置在T=50%的工作点上（B点）
17
电光调制的基本原理及公式推导-强度调制
改变工作点的常用方法 1 在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个半波电压，但此法增 加了电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。 2 在调制器的光路上插入一个1/4波片，使其快慢轴与晶体主轴x成45角， 从而使 Ex’和Ey’二分量间产生π /2的固定相位差。
n1 n2 n0, n3 ne KDP为四方晶系，负单轴晶体， 电光张量为
KDP晶体独立的电光系数只有 41和 63
4
电光调制的基本原理及公式推导
KDP的纵向运用
外加电场的方向平行于Z轴，即
折射率椭球方程为
Ex Ey 0
x2 y 2 z 2 2 2 2 63 xyEz 1 2 n0 n0 ne
2 2
调制器的透过率为
15
I out 2 2 V T sin ( ) sin Ii 2 2 V
电光调制的基本原理及公式推导-强度调制
强度调制图
16
电光调制的基本原理及公式推导-强度调制
调制器的透过 率与外加电压 呈非线性关系 若调制器工作 在非线性电压 部分，调制光 将发生畸变
Z m 1/ c(1/ CC0 )1/ 2
式中：c为真空中的光速 C为电极每单位长度的电容 C0为用空气代替所有波导材料的电极每单位长度电容。 要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。
24
电光调制器的技术参数
调制器在微波系统里是一个负载，它有自己的特性阻抗，通常 微波输入端的匹配阻抗是50Ω ，如果两者不相等，即阻抗不匹 配，会在调制器电极的输入端引起微波反射，驱动功率并不能 完全进入调制器。微波驱动功率与进入调制器的功率之间的关 系是 2
光电子技术 电光调制
§3第.2电三光章调制 光束的调制和扫描
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V
3.2 电光调制
怎么来的？
3 2 n 63 0
33
一、强度调制
1. 纵向电光调制
V 1 V T sin ( ) [ 1 cos ]
2
2 V
2
V
T (%)
T称为调制器的透过率。从而
可以画出光强调制特性曲线。
0 V
32
一、强度调制
1. 纵向电光调制 在一般情况下，输出的光强和调制电压并不是线性关系－波形失真。
Vm sinωmt 是外加调制信号电压。
27
一、强度调制
把
V m sin t sin t m m m 2 V 2
1. 纵向电光调制
代入到调制的透过率中
T
I 2 1 m T sin ( sin t ) [ 1 sin( sin t )] m m m I 42 2 i
利用贝塞尔函数恒等式展开
I 2 sin ( ) Ii 2
1 cos 2 x 2 sin x 2
sin( sin t ) 2 J ( ) sin ( 2 n 1 ) t m m 2 n m 1 m
n 1
26
一、强度调制
1. 纵向电光调制 得
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
电光调制 周自刚
本讲主要内容
纵向电光调制
一、强度调制
横向电光调制
二、相位调制
40
电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用 下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受 到影响而改变，这种现象称为电光效应。 泡克耳斯效应（Pockels)：平面偏振光沿着处 在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现 象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比的电 1. 纵向电光调制 将出射光强与入射光强相比，得：
1.2 电光调制
获得线性调制的方法
1,在调制晶体上除了施加信号电压外,再附加一个Vλ/4的 固定偏压;
• 缺点,增加电路的复杂性,工作点的稳定性也差
2,在调制器的光路上插入一个1/4波片,其快慢轴与晶 体主轴X成45角,从而使Ex′﹑Ey′二分量间产生π/2的固定 位相差.
总的相位差： ∆ϕ = 调制器的透过率： T =
π
2
+π
I π ∆ϕm = sin 2 [ + sin ωm t ] Ii 4 2
Vm π sin ω m t = + ∆ϕ m sin ω m t Vπ 2
1 = [1 + sin(∆ϕm sin ωm t )] 2 1 ∞ = + ∑ J 2 n +1 (∆ϕm )sin[(2n + 1)ωm t ] 2 n=0
由此可见,一般情况下,调制器的输出特性与外加电压的 关系是非线性的.
(1)当晶体加以直流电压VD 时：out = I in sin 2 π VD I
2Vπ
Iout/Iin和VD 的曲线不 是线性关系，易发生 畸变,在Vπ/2附近有一 段近似线性部分，波 形畸变小。
电光调制特性曲线
电场→晶体束缚电荷重新分布→介电常数变化 →晶体离子晶格微小形变→
n = n0 + γ E + hE + L
2
∆n = n − n0
γ,h为常数
线性电光效应,泡克耳斯(Pockels)效应 二次电光效应,克尔(Kerr)效应
1、电致折射率变化（折射率椭球）
x2 y2 z 2 未加电场： + + = 1 2 2 nx ny nz2
以KDP晶体为例：
电光调制ppt课件
实现线性调制的判据为
m 1rad
此时的透过率为
m
Vm V
1rad
T
I Io
1 2
[1
m
sin
mt ]
输出的强度调制波是调制信号的线性复现
20
电光调制的基本原理及公式推导-相位调制
工作原理： 电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成
起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴（x'或y' ），此时入射晶体 的线偏振光不再分解成沿x’和y’ 两个分量，而是沿着x’或y’轴
KDP的纵向运用中 特性阻抗 Zm 与驱动功率Pdri
V
2n03 63
Z m 1/ c(1/ CC0 )1/ 2
式中：c为真空中的光速 C为电极每单位长度的电容 C0为用空气代替所有波导材料的电极每单位长度电容。
要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。
24
电光调制器的技术参数
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32 1.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； 2. n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方向的折射率(主折射率)。
折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。
3
电光调制的基本原理及公式推导
KDP为四方晶系，负单轴晶体，n1 n2 n0,n3 ne 电光张量为
其定义为：
L
10 10
lg(Imax lg(Iin /
/ Iin I max
) )
Imax Iin Iin Imax
30
电光调制器的技术参数
8．品质因数 品质因数即驱动电压与电极长度的乘积（ V L ）。
光电子技术第七讲 电光调制教材
100 透过率 (%)
50
0
V/2 调制电压
透射光强 时间
V
电压
30
一、强度调制
1. 纵向电光调制
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压，但会增 加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
自然光
x -y
z ？
输出光
29
一、强度调制
1. 纵向电光调制
其二，在光路上插入一个1／4波片其快慢轴与晶体主轴x成45o 角，使Ex’和Ey’二 分量间产生 /2 的固定相位差。则总相位差
35
一、强度调制
1. 纵向电光调制
(Ey )0
A [exp i 1]
2
与之相应的输出光强为：
x
x’
y’
45o 45o y
I
E E*
A2
[exp i 1][exp i 1]
2A2
sin 2
2
2
注意要用到： cos x eix eix 2
即:
m
Vm V
1rad
作为线性调制的判据。 此时
J m
1 2
m
T
I Ii
1 2
[1
s in( m
sin
mt)]
1 2
(1
m
s
in
mt
)
23
一、强度调制
1. 纵向电光调制
结论
实现线性调制，需调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出的光强调制 波就是调制信号V=Vm sinωmt 的线性复现。
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T(%) 100
调制的目的：利用调制传递信息。
如果在调制过程中波形失真，使调制 的信号不能还原——达不到目的。 0
V1 调制电压
透射光强 时间
V
V
31
一、强度调制
1. 纵向电光调制
为了获得线性调制，可以
通过引入一个固定的 /2相位延 迟，使调制器的电压偏置在T＝ 50％的工作点上。常用的办法 有两种：
解：
| nx
|| ny
|
1 2
n03
63 Ez
1 2
n03
63
V l
n 1 1.513 10.6 10 12 4000 ＝7.3 10 6
2
10 10 3
14
一、强度调制
2．横向电光调制
2
[(no
ne
)L
1 2
no 3
63
(
L d
)V
]
KDP晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射引起的相位延 迟，这意味着在没有外加电场时，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之
1
2
2
no
3
63V
L d
若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然双折射的
影响即可得到补偿。
8
一、强度调制
2．横向电光调制
当
时，半波电压为
V 2
2no 3
63
d L
例 在半波电压对KDP晶体纵向电光调制中，波长为1.06μm时，
12
一、强度调制
2．横向电光调制 常用的补偿方法有两种： 方法一：将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光相互成90o串接排列。
x1 光波
+ z1 V
-
y
x2
L
z2
+
D
V 调制电压
-
11
一、强度调制
2．横向电光调制
方法二：两块晶体的z轴和y’轴互相反向平行排列，中间放置一块1／2 波片。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿z轴(光轴)方向，但在两 块晶体中电场相对于光轴反向。
D
传播方向
电极
18
一、强度调制
2．横向电光调制
由于影响输出光强的主要因素是，所以只讨论 。
由于在z向加场，三个感应主轴的折射率和纵向运用相同。
nx ' ny '
no no
1 2 1 2
no3 63Ez no3 63Ez
nz ne
由于沿x’方向通光，入射光的振动方向 和z成450，光在晶体中分解为沿z，y’方向 振动的两束光。
V
2n03 63
33
一、强度调制
1. 纵向电光调制
T
sin 2 ( V
2V
)
1 2
[1
c
os
V
V
]
T (%)
T称为调制器的透过率。从而 可以画出光强调制特性曲线。
0 V
32
一、强度调制
1. 纵向电光调制 在一般情况下，输出的光强和调制电压并不是线性关系－波形失真。
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
第七讲 电光调制 周自刚
本讲主要内容
一、强度调制
纵向电光调制 横向电光调制
二、相位调制
40
电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用 下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受 到影响而改变，这种现象称为电光效应。
36
一、强度调制
1. 纵向电光调制
由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为
Ii
E E*
Ex 0 2
Ey 0 2
2A2
当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，E x’和E y’二分量间就产生了一
个相位差 ，则
Ex L A E y L Aexp i
并与x或y 轴成45o夹角(晶体为45o-z切割)。
21
一、强度调制
2．横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）
横向电光效应可以分为三种不同的运用方式： (2)沿x方向加电场(即电场方向垂直于x光
轴)，通光方向垂直于x铀，并与z轴成45o 夹角 (晶体为45o -x切割)。
20
一、强度调制
2．横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）
(n 0,1,2,3,)
若取 m ＝1rad
则J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以I3 /I 1 =0.045，即三次谐波为基波的4.5%。 在这个范围内可以获得近似线性调制。
24
一、强度调制
1. 纵向电光调制
如在sin(△m sinωmt) 中△m 取远远小于1，
35
一、强度调制
1. 纵向电光调制
(Ey )0
A [exp i 1]
2
与之相应的输出光强为：
x
x’
y’
45o 45o y
I
E E*
A2
[exp i 1][exp i 1]
2A2
sin 2
2
2
注意要用到： cos x eix eix 2
2
[(no
ne )l
1 2
no3
63
l d
V
]
其中Ez
V d
16
一、强度调制
2．横向电光调制
2
(ny '
nz )l
2
[(no
ne )l
1 2
no3 63Ezl ]
2
[(no
ne )l
1 2
no3 63
l d
V
]
其中Ez
z x
zV x
λ/2波片 L
y
y
V
D
x z
10
一、强度调制
2．横向电光调制
针对方法二讨论：
当线偏振光沿x’轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方向
e1光和沿y’方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束
光的相位差
z
V
λ/2波片
y/
1
y
x
2
(no
ne
1 2
no
3
63
Ez
)L
9
一、强度调制
2．横向电光调制 经过1/2波片后，两束光的偏振方向各旋转900。
经过第二块晶体后，原来e1光变成o2 光， o1光变成e2光，则它们经过第二
块晶体后，其相位差
2
z
y
2
(ne
no
1 2
no
3
63
Ez
)
L
于是，通过两块晶体之后的总相位差
sin x 1 cos x
2
2
34
一、强度调制
1. 纵向电光调制
将出射光强与入射光强相比，得：
T I sin 2 ( ) sin 2 ( V )
Ii
2
2V
怎么来的？
n x
ny
2
n03 63Ez L
2
n03 63V
V 2
100 透过率 (%)
50
0
V/2 调制电压
透射光强 时间
V
电压
30
一、强度调制
1. 纵向电光调制
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压，但会增 加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
自然光
x -y
z ？
输出光
29
一、强度调制
1. 纵向电光调制
其二，在光路上插入一个1／4波片其快慢轴与晶体主轴x成45o 角，使Ex’和Ey’二 分量间产生 /2 的固定相位差。则总相位差
[1
sin(
m
s
in
mt
)]
利用贝塞尔函数恒等式展开
sin(m sin mt) 2 J 2n1(m )sin(2n 1)mt n1
26
一、强度调制
1. 纵向电光调制
得
T
I Ii
1 2
n0
J 2n 1 (m
) s in
(2n
1)mt
横向电光效应可以分为三种不同的运用方式： (3)沿y轴方向加电场，通光方向垂直于y
轴，并与z轴成45o夹角(晶体为45o -y切割）。
19
一、强度调制
2．横向电光调制
外加电场是沿z轴方向，Ex=Ey=0， Ez=E，晶体的主轴 x， y旋转
45o 至 x’，y’。
输入光偏 振方向
L z
xy
V 调制电压
V d
晶体自然双折射引
起的相差与外加电场 无关，在实际应用中 起偏置作用，对温度 非常敏感。
使降低调制电压的途径： 在达到一定量相位调制的前 提下，
①增加晶体长度 ②减小晶体厚度
15
一、强度调制
2．横向电光调制 例题：在长度为10mm的KDP晶体上施加4000V的电压，计算
折射率变化情况。
调制光 Io