第二章光调制

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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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
3 2 2 n E E E kE n0 2n0
线性电光效应，或 Pockels效应（KDP、 LiNbO3）

、为常量
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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2、横向电光强度调制
纵向调制
V
入射光 y 入射光 x z
V

2n r
＝1m，V= 9.7kv 横向调制
3 x 63
V
入射光
V
d
2n r L
3 z 63
入射光
z y x
V可为伏量级
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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2 V I I 0 sin I 0 sin 2 2 V
2
其中 I 0 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 I 0
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
2 2 x12 x2 x3 2 2 1 2 n1 n2 n3
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 ,

V 输入
t
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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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）
第二章 光辐射的调制
调制的目的：光信息系统的信号加载与控制 调制的内容：是指改变光波振幅、强度、相位 或频率、偏振等参数，使之携带信息的过程。 调制的方法：
传统方法：调制盘（对光辐射强度进行调制）； 现代方法：利用外场的微扰引起介质的非线性极 化，从而改变介质的光学性质。 在外场下利用光和介质的相互作用而实现对光 辐射振幅频率、相位等参数的调制。
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第2章
1. 2. 3. 4.
要求
什么是光辐射的调制？ 光辐射的调制有哪些方法？如何分类？ 何谓电光效应？分为哪几种？ 以KDP为例，简述(横向、纵向)电光(强度、 相位)调制的原理。
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1 1 1 2 2 2 0 n 4 n 5 n 6
x 2 y2 z 2 2 2 1 2 n x n y nz
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施加电场时 E 0 ，折射率椭球系数的改变量
1 1 1 2 2 2 n l n l n l
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 3 2013-8-12 k0 no 63 22
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。
3 3 x' y' k0 no 63 E3l k0 no 63V
纵向电光效应
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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， ' ' ' x1 x1 和（ x2 y）（ x2 y）绕 z 即 轴逆时针旋转了45 角。
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
沿光轴加电场后， xoy截面由圆变 为椭圆
x’
x
1 3 n x ' no no 63 E 2 1 3 n y ' no no 63 E 2 n z' ne
沿x’方向偏振的传 播速度加大，沿y’ 方向偏振的传播速 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。
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调制信息
载波
振幅调制
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2

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。
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
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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。
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；
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。
2 V I I 0 sin I 0 sin 2 2 V
2
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. 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
y’
x’ V 调制光
入射光的 偏振方向
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垂直于入射偏振 光
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3
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
来自百度文库
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。
M M N
t
N
t
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调制线光源
1: 3: 线光源 狭缝 2: 4: 圆筒 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。

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, 2 l
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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。
KDP为单轴晶体，属立方晶系的点群。有 Z nx ny no ， nz ne 。
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。
调制信号 V n I 变 实现光强调制
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下图画出了 I I 0 曲线的一部分以及光强调制的情形。
I I0
sin 2
V
2 V
I 输出
x
光轴: 晶体中有一个方向，光沿这个 方向传播不发生双折射，这个方向 叫做光轴。
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y
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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 ， E3 E 0 而 E1 E2 ，可以得到在介电主轴坐标系中的 折射率椭球方程为
2 2 x12 x2 x3 2 2γ63 Ex1 x2 1 2 no ne
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1 n 2 xi x j 1 ij i j
1 其中 2 是对称二阶张量 n ij 10
采用下标简化形式以 l 表示 ij ，则 的下标为
ij 11，22，33，23(32)，31(13)，12(21) l 1, 2, 3, 4, 5, 6
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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。 外加强电场 各向同性介质 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
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O光 e光
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：
1 2 n l
,
1 2 n l
,
有6个独立的分量。
无电场时，E 0 ，于是
1 1 2 2 n 1 n x
0 0
0
1 1 2 2 n 2 n y
0
0
1 1 2 2 n 3 nz
0
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y' 在新的感应折射率主轴座标系 x
'
z
下，
折射率椭球方程变为 2 2 2 x '2 y '2 z '2 x1 x2 x3 2 2 1 2 2γ63 Ex1 x2 1 2 2 no ne n x' n y' n z '
三个感应主轴的折射率分别为
y’ y
3 3 x' y' k0 no 63 E3l k0 no 63V
完全由电光效应(纵向)引起——电光相位延迟。
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x’ z y’ Ex’
电光相位延迟
y’ y
x’
x
Ey’
y’ O
x
x’
y
b c d e f
a z0
0


2
g
h
i

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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。 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 x’ 调制光
y’
y' z
2
1 3 L [(no ne ) L no 63 V ] 2 d
, 0
与外加电场 E E1, E2 , E3 成正比，即
3 1 2 lk Ek n l 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 关书籍和技术手册，当掌握了电光系数后，可 1 由上式解出 n 对电场的依赖关系，最后代入折 射率椭球方程式。