1.2.7 设计电光调制器时应考虑的问题
调制及电光调制
（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 ]
电光调制器的工作原理、设计流程
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横向电光调制
11 12 21 22 31 3 2 41 4 2 51 52 61 62
13 23 33 43 53 63
E x . E y E z
(1.2-6)
式中， 方向的分 Ex , E y , Ez 是电场沿 量。具有 元素的 6 3 矩阵称为电光张量， ij 每个元素的值由具体的晶体决定，它是表征感 应极化强弱的量。下面以常用的 KDP 晶体为例 进行分析。
D j ij E j
ij 0 (1 ij )
11 12 13 21 22 23 32 33 31
可以找到这样的方向，当电场沿 着这个方向时，晶体也该方向极 化，电场强度和极化强度方向一 致，介电张量的非对角元素为零。 这样的三个方向构成的坐标系称 为主介电坐标系（主坐标系）， 此时：
为: ( 1 63 E z ) x2 ( 1 63 E z ) y2 1 2 2
n0
n0
(1.2 18)
1 1 1 2 2 ( 2 63 Ez ) x ( 2 63 Ez ) y 2 z2 1 n0 n0 ne (1.2-14)
3
利用微分式 d ( 12 ) 2 3 dn, n n
即得到(泰勒展开后也可得) :
3 1 nx n0 63 E z 2 3 n y 1 n0 63 E z 2 nz 0
n 1 dn d ( 2 ) 2 n
(1.2 16)
故
3 1 nx n0 n0 63 E z 2 3 1 n y n0 n0 63 E z 2 nz ne
n n0 E hE (1.2 1)
电光调制器的设计与制造
电光调制器的设计与制造随着人类科技的不断发展，电子技术得到了极大的推动。
电子工程师们研究出了各种各样的电子器件，其中电光调制器是一种非常重要的器件。
那么，电光调制器的设计和制造又是怎样的过程呢？本文将详细介绍电光调制器的设计与制造。
一、电光调制器的概念及应用电光调制器是一种用于调制光信号的器件。
它能将电信号转化为光信号，使光信号的强度、频率、相位等性质发生变化，从而实现光通信、光测量、光控制等应用。
电光调制器广泛应用于通讯、光纤传感器、娱乐、医疗等领域，是交通、卫星通信、军事通信等领域必不可少的光电组件。
二、电光调制器的工作原理电光调制器的工作原理是将电信号转化为光信号。
电信号流经电极，在电极上产生电场，使光子的能量水平发生变化。
这种现象称为Pockels效应，它是使电光调制器工作的基础。
从制作电光调制器的角度出发，电光调制器的制造需要用到锂铌酸铁链（LiNbO3）这种材料。
这种材料在电流通过时能够发生Pockels效应，很好地实现了电光调制器的工作。
三、电光调制器的设计和制造需要遵循一定的步骤。
以下是电光调制器的设计与制造的具体过程：1. 设计器件的结构在设计器件结构时，需要综合考虑使用场合、波长范围、电极的材料、设计电极的尺寸和形状等一系列因素。
同时，为了能够使电极正确分布，还需要查阅相关材料和技术资料,以便正确设计电极的位置。
2. 选取适合的材料锂铌酸铁链是一种使用频率较高的电光材料，它有着良好的Pockels效应，并且稳定性和可靠性较高。
因此，在制造电光调制器时，要选用锂铌酸铁链作为主要材料。
3. 制造原型制造原型是电光调制器制造的重要一步。
在该步骤中，电光调制器可以使用两极射频反应（MEBT）工艺、电子束光刻技术等方法制成。
这些工艺可以使得电极、电性能和器件的尺寸得到较好的控制。
4. 测试和调试模型在制造出原型之后，需要对模型进行测试和调试。
主要是用特定的实验仪器和设备，来测试电光调制器的波长、最大功率、线性度、带宽以及其他参数。
长春理工 激光技术 习题
sin 9 2 632 . 8 10 sin 2 31.7 7.9%
脉冲固体激光器的输出特性 第2章 调Q（Q2.1.1 开关）技术 2.1.2 调Q的基本原理
2.1 概述
2.1.3 实现调Q对激光器的基本要求
2.2.1 调Q的速率方程 2.3.1 2.4.1 带偏振器的电光调 调制晶体材料的选择 Q器件 2.2.2 速率方程的求解 2.3.3 2.4.3 脉冲透射式 对激光工作物质的要求 (PTM)调Q 2.6.1 2.5.1 可饱和吸收染料的调 声光调Q的基本原理 Q原理 2.6.3 2.5.2 染料调 声光调 Q激光器及其输出特性 Q器件的结构及设计
'
而单块晶体的半波电压为：
0.62810-6 V 3 3864V 3 12 2n0 63 2 1.51 23.6 10 2
与前者相差4倍。
答案：
(1) 实验装置：偏振片和白色屏幕。 a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周， 假如有两次消光现象，则为线偏振光。 b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周， 假如光强有两次强弱变化，但无消光现象发生，则为椭圆 偏振光。 c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周， 假如光强没有变化；则为自然光或圆偏振光。再在偏振片 前放置一个1/4波片，如果其为圆偏振光，则会变为线偏 振光，转动偏振片一周，就可出现a的现象；若不出现a现 象，则说明其为自然光。 (2) 自然光得不到调制。原因是自然光没有固定的偏 振方向，当它通过电光晶体后没有固定的位相差；因而不 能进行调制。
答案：
0.5 106 6 sin B fs 500 10 0.06266 3 2nvs 2 1.331.5 10
电光调制器
电光调制器的原理要用激光作为传递信息的工具,首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上去的问题,我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制,把完成这一过程的装置称为激光调制器.由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调.因为激光实际上只起到了"携带"低频信号的作用,所以称为载波,而起控制作用的低频信号是我们所需要的,称为调制信号,被调制的载波称为已调波或调制光.按调制的性质而言,激光调制与无线电波调制相类似,可以采用连续的调幅,调频,调相以及脉冲调制等形式,但激光调制多采用强度调制.强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号,使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化.激光调制之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的光强度变化的缘故.激光调制的方法很多,如机械调制,电光调制,声光调制,磁光调制和电源调制等.其中电光调制器开关速度快,结构简单.因此,在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用.电光调制根据所施加的电场方向的不同,可分为纵向电光调制和横向电光调制.利用纵向电光效应的调制,叫做纵向电光调制,利用横向电光效应的调制,叫做横向电光调制编辑本段电光调制器的应用在电通信系统中,原始率数字信号电平的峰－峰值只有0.8V。
因为数据率大于2.5Gb/s的铌酸锂调制器的半波电压（Vp）较高，故都需要用驱动器来推动调制器。
驱动器不仅要有很宽的工作频带，并且要能提供足够大的微波输出功率。
例如：对于10Gb/s、Vp＝5.5V的调制器，需要驱动器具有75KHz 到8GHz的工作频带及20dBm（100mW）的1dB输出功率。
制作率的驱动器是非常困难的，因此制作具有低Vp的调制器是很受欢迎的。
当然，也要求调制器有良好的其他性能，如低的光插入损耗、大的消光比、小的光反射损耗、弱的电反射损耗和合适的啁啾（chirp）参量。
电光调制器有很多用途。
1.2.7 设计电光调制器时应考虑的问题PPT课件
M
2
选定、换能器一定的情况下，增加
Ps
, I1 Ii
当射光的2全HL部M2能Ps 量2 都II转1i 1换00到% 时1级，衍这射时中衍。射实效际率应最用高中，采即用入
布拉格衍射效应较多
c．当PS改变时,I1/Ii也随之改变,因而通过控制PS就可 以达到控制衍射光强的目的,实现声光调制
（2）布拉格声光衍射的离子模型
• 引入参数G来表征, G k s 2 L k ico i 2 sL2 sco i s
G>>1时为布拉格衍射,G<<1时为喇曼-奈斯衍射
• 现采用的定量标准为 G4为 布 拉 格 衍 射 区 G为 喇 曼 奈 斯 衍 射 区
▪ 引入量L0 L0 s2cosi s2
G2L L0
▪ 相应的定量标准为
根据推导，当入射光强为 Ii 时，布拉格衍射的零级 和一级衍射光强的表示式分别写成
式中
I0 Ii
2n L
cos2()
2
I1
Ii
sin2
() 2
——光通过介质产生的附加相位幅值
0级和1级光强主要由附加相位决定。
注：参 “现代通信光电子学”，中第十二章的声光相互作用。
❖ 衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系
虚 部 ＝ 0 ， 0 , 1
从上式可以看出： a.喇曼－奈斯衍射产生多级衍射光强： 上式中每一项（贝塞尔函数的系数）都是 sin(aq)/aq 形式
ki sin mks，m 2或2 1 m' 只有当lim sinq＝1取得极大值
0 q
即 ki sin mks＝0
sin m ks m i ， m 0,1, 2,3...
1.2.7 设计电光调制器时应考虑的问题 ❖ 一个高质量的电光调制器主要应满足以下几个方面的要求：
电光调制实验报告误差分析
电光调制实验报告误差分析
电光调制实验是一种常见的光学实验，在实验测量过程中难免会出现误差。
常见的误差包括系统误差和随机误差。
系统误差主要来自于实验仪器、测量方法和实验人员等方面的不确定性，例如电光调制器的偏置电压的精度、光路的稳定性、探测器的灵敏度等。
系统误差具有一定的规律性，可以通过对实验仪器的校准和测量方法的改进来减小。
随机误差是由一系列不可预测的因素导致的误差，例如环境条件的变化、仪器的波动、人为误差等。
随机误差是不可避免的，但可以通过多次测量并取平均值来降低其影响。
在进行电光调制实验时，还需注意实验得到的原始数据是否有效、是否存在异常值等。
在数据处理过程中应该排除这些无效数据，并对数据进行平滑处理和误差分析。
此外，还需要注意实验的恒定条件，例如光源的稳定性和干扰物的消除等。
总之，电光调制实验中的误差分析应该综合考虑系统误差和随机误差，正确处理实验数据并减小误差的影响。
电光调制器工作基本知识是什么
电光强度调制器的设计一、电光强度调制利用晶体的电光效应，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，可控制光在传播过程中的强度。
强度调制是使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡，如图下图所示。
光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强变化。
1、电光强度调制装置示意图及原理它由两块偏振方向垂直的偏正片及其间放置的一块单轴电光晶体组成，偏振片的通振方向分别与x,y轴平行。
根据晶体光学原理，在电光晶体上沿z 轴方向加电场后，由电光效应产生的感应双折射轴'x 和'y 分别与x,y 轴成45°角。
设'x 为快轴，'y 为慢轴，若某时刻加在电光晶体上的电压为V ，入射到晶体的在x 方向上的线偏振激光电矢量振幅为E ，则分解到快轴'x 和慢轴'y 上的电矢量振幅为'x E ='y E =E/2。
同时，沿'x 和'y 方向振动的两线偏振光之间产生如下式表示的相位差V 63302γμλδπ=0μ-晶体在未加电场之前的折射率63γ-单轴晶体的线性电光系数，又称泡克尔系数从晶体中出射的两线偏振光在通过通振方向与y 轴平行的偏振片检偏，产生的光振幅如下图分别为y E x'、y E y'，则有y E x'=y E y'=E/2，其相互间的相位差为()πδ+。
此二振动的合振幅为()()()δδπδcos 121cos 2141cos 22222''2'2'2'-=-+=+++=E E E E E E E E E y y y x y y y x因光强与振幅的平方成正比，所以通过检偏器的光强可以写成令比例系数为1：2sin 2sin 20222'δδI E E I ===即 V I I λγπμ633020sin= 显然，当晶体所加电压V 是一个变化的信号电压时，通过检偏器的光强也随之变化。
电光调制器及其制作方法
电光调制器及其制作方法电光调制器是一种将电信号转换为光信号的器件，广泛应用于光通信、光纤传感和光学信息处理等领域。
本文将介绍电光调制器的原理、制作方法以及其在光通信中的应用。
一、电光调制器的原理电光调制器利用半导体材料的光电效应，通过控制电场来调制光的强度或相位。
其主要由光源、驱动电路和光探测器组成。
光源产生的光信号经过驱动电路调制后，通过光探测器转换为电信号输出。
电光调制器的工作原理可分为强度调制和相位调制两种方式。
强度调制是通过改变电场的强度来改变光的强度，通常采用马赫曾德尔干涉结构实现。
相位调制是通过改变电场的相位来改变光的相位，常用的相位调制器有基于电光效应的Mach-Zehnder干涉器和基于光波导的相位调制器。
二、电光调制器的制作方法电光调制器的制作方法主要包括材料选择、器件结构设计和工艺流程等步骤。
首先是材料选择。
常用的电光调制器材料有锗、硅、半导体材料等。
这些材料具有较高的光电效应和较好的电光响应特性，适合用于制作电光调制器。
其次是器件结构设计。
根据不同的调制方式，电光调制器的结构也有所不同。
强度调制器通常采用马赫曾德尔干涉结构，包括两个波导和一个耦合器。
相位调制器常采用Mach-Zehnder干涉器或光波导结构，通过控制电场的相位差来实现相位调制。
最后是工艺流程。
制作电光调制器需要采用微纳加工技术，包括光刻、薄膜沉积、离子注入等工艺步骤。
这些工艺步骤需要精确控制，以确保器件的性能和可靠性。
三、电光调制器在光通信中的应用电光调制器在光通信中起到了至关重要的作用。
光通信是将信息通过光信号传输的通信方式，具有大带宽、低损耗和高安全性等优势。
而电光调制器是光通信中的关键部件，用于将电信号转换为光信号传输。
在光纤通信系统中，电光调制器常用于光纤发送端，将电信号转换为光信号进行传输。
通过调制光信号的强度或相位，可以实现光的开关、调制和复用等功能。
电光调制器的性能直接影响光纤通信系统的传输质量和传输距离。
电光调制器及其制作方法
电光调制器及其制作方法电光调制器是一种用来调制光信号的电子设备。
它能够将电信号转换为光信号，或者将光信号转换为电信号。
电光调制器在光通信、光传感和光波导等领域中起着重要作用。
本文将介绍电光调制器的原理、制作方法和应用。
一、电光调制器的原理电光调制器利用了半导体材料的光电效应。
当外加电场作用于半导体材料时，会导致电子的能带结构发生变化，从而改变材料的光学性质。
这种原理被称为Kerr效应或Pockels效应。
Kerr效应是指当电场作用于非线性光学材料时，会引起材料的折射率发生变化。
当电场的强度足够大时，光信号在非线性材料中传播时，会发生相位调制，从而实现对光信号的调制。
Pockels效应是指当电场作用于具有非中心对称晶体结构的材料时，会使材料的对称性发生变化，从而引起材料的线性光学性质发生变化。
通过适当选择材料和施加电场，可以实现对光信号的调制。
二、电光调制器的制作方法电光调制器的制作方法主要包括材料选择、器件结构设计和工艺流程。
1. 材料选择制作电光调制器的关键是选择合适的半导体材料。
常用的半导体材料有硅(Si)、锗(Ge)、硒化锌(ZnSe)、硒化铟(InSe)等。
这些材料具有较高的光电效应和较好的电光响应特性。
2. 器件结构设计电光调制器的结构设计主要包括波导结构和电极结构。
波导结构用于引导光信号的传输，常见的波导结构有条形波导、方形波导和环形波导等。
电极结构用于施加电场，常见的电极结构有金属电极和掺杂电极等。
3. 工艺流程电光调制器的制作流程包括材料生长、器件加工和器件封装等步骤。
材料生长是指通过化学气相沉积(CVD)或分子束外延(MBE)等方法在衬底上生长出所需的半导体材料。
器件加工是指通过光刻、腐蚀和沉积等工艺步骤，将波导结构和电极结构制作在材料上。
器件封装是指将制作好的器件封装在适当的封装盒中，以保护器件并方便连接和使用。
三、电光调制器的应用电光调制器在光通信、光传感和光波导等领域中有着广泛的应用。
电光调制器原理
电光调制器原理电光调制器是一种能够将电信号转换为光信号的重要器件，它在光通信和光网络中起着至关重要的作用。
电光调制器的原理是基于电光效应和半导体材料的特性，通过对电场的调控来改变光的特性，从而实现信号的调制和传输。
本文将详细介绍电光调制器的原理及其工作过程。
电光调制器利用半导体材料的光电效应，将电信号转换为光信号。
当电信号加到半导体材料上时，会产生电场，这个电场会影响材料的折射率，从而改变光的传播速度和相位。
通过合理设计电场的分布和调控，可以实现对光信号的调制。
一般来说，电光调制器的工作原理可以分为直接调制和间接调制两种方式。
直接调制是指直接利用电场改变光的特性，常见的有PN结调制器和Mach-Zehnder调制器。
PN结调制器是通过在PN结上加电压，改变电场分布，进而改变光的折射率，实现对光信号的调制。
而Mach-Zehnder调制器则是利用干涉效应，通过控制两条光路的相位差来实现调制。
这两种方式都是直接利用电场改变光的特性，实现光信号的调制。
间接调制则是利用电场改变材料的吸收特性，进而改变光的传输特性，常见的有电吸收调制器。
在电吸收调制器中，当电场加到半导体材料上时，会改变材料的吸收特性，从而实现对光信号的调制。
这种方式虽然是间接利用电场改变光的特性，但同样可以实现有效的光信号调制。
总的来说，电光调制器的原理是基于电场对半导体材料光学特性的影响，通过合理设计和控制电场，实现对光信号的调制。
无论是直接调制还是间接调制，都是利用电场改变光的特性，从而实现信号的传输和调制。
除了工作原理外，电光调制器的性能参数也是非常重要的。
例如调制带宽、消光比、插入损耗等参数都直接影响着调制器的性能和应用。
因此，在设计和应用电光调制器时，需要充分考虑这些参数，以实现更高效的光信号调制和传输。
综上所述，电光调制器是一种能够将电信号转换为光信号的重要器件，其原理是基于电场对半导体材料光学特性的影响，通过合理设计和控制电场，实现对光信号的调制。
电光调制器工作原理是什么
电光调制器工作原理是什么————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：电光强度调制器的设计一、电光强度调制利用晶体的电光效应，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，可控制光在传播过程中的强度。
强度调制是使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡，如图下图所示。
光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强变化。
1、电光强度调制装置示意图及原理它由两块偏振方向垂直的偏正片及其间放置的一块单轴电光晶体组成，偏振片的通振方向分别与x,y轴平行。
根据晶体光学原理，在电光晶体上沿z 轴方向加电场后，由电光效应产生的感应双折射轴'x 和'y 分别与x,y 轴成45°角。
设'x 为快轴，'y 为慢轴，若某时刻加在电光晶体上的电压为V ，入射到晶体的在x 方向上的线偏振激光电矢量振幅为E ，则分解到快轴'x 和慢轴'y 上的电矢量振幅为'x E ='y E =E/2。
同时，沿'x 和'y 方向振动的两线偏振光之间产生如下式表示的相位差V 63302γμλδπ=0μ-晶体在未加电场之前的折射率63γ-单轴晶体的线性电光系数，又称泡克尔系数从晶体中出射的两线偏振光在通过通振方向与y 轴平行的偏振片检偏，产生的光振幅如下图分别为y E x'、y E y'，则有y E x'=y E y'=E/2，其相互间的相位差为()πδ+。
此二振动的合振幅为()()()δδπδcos 121cos 2141cos 22222''2'2'2'-=-+=+++=E E E E E E E E E y y y x y y y x因光强与振幅的平方成正比，所以通过检偏器的光强可以写成令比例系数为1：2sin 2sin 20222'δδI E E I ===即 V I I λγπμ633020sin= 显然，当晶体所加电压V 是一个变化的信号电压时，通过检偏器的光强也随之变化。
【精选】长春理工大学 激光技术 习题
500106
0.06266
B 0.06rad 3.4o
答案：
s
s
in
2
2
L
H
M 2 Ps
s
in
2
2 632.8109
sin2 31.7 7.9%
1.8 0.8 103
36.31015
1
第2章 调Q（Q2开.1.1关脉冲）固技体激术光器的输出特性
试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏 振光、椭圆偏振光、自然光)，并指出是根据什么现象？ 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否 得到光强调制？为什么？
答案：
(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟 皆有相同的符号，则把晶体x和y轴逐块旋转90度安置，z 轴方向一致（如下图），
3864 V
与前者相差4倍。
答案：
(1) 实验装置：偏振片和白色屏幕。
a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周， 假如有两次消光现象，则为线偏振光。
b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周， 假如光强有两次强弱变化，但无消光现象发生，则为椭圆 偏振光。
c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周， 假如光强没有变化；则为自然光或圆偏振光。再在偏振片 前放置一个1/4波片，如果其为圆偏振光，则会变为线偏 振光，转动偏振片一周，就可出现a的现象；若不出现a现 象，则说明其为自然光。
答案参见教科书例题。
电光调Q 小结
1.2.7 设计电光调制器应考虑的问题
1.3.3 声光体调制器
电光调制技术
T
I0 1 (1 m sin wm t ) Ii 2
ΔΦm<1
为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大，输出的光强调制波就 是调制信号U=UmsinWmt的线性复现，如果不满足 ΔΦm<1 ，那么调制波就要发生畸变 以上讨论的纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然 双折射的影响等优点。缺点是半波电压太高，特别是在调制频率较 高时，功率损耗比较大
M-Z干涉仪式电光调制器
电光调制技术在激光通信中的应用
激光通信是以激光作为信息载体的通信。 激光通信的优点：通信容量大 保密性很强 抗干扰能力也很强 利用电光调制技术在自由空间进行激光 通信的系统，此系统是将被传输的信号 载到激光上，以大气为传播介质，在接 收地再将信号还原，完成被传输信号在 自由空间的光传输。
电光调制技术
电光调制的物理基础 电光效应 概念： 某些晶体在外加电场的作用下折射率发生变化，当光波通过此介质时，其传播特性受到影响而改变。 一次（线性）电光效应（普克尔斯效应） 电光效应
n=n0+aE+bE2
二次（非线性）电光效应（克尔电光效应）
电光晶体 KDP(KH2PO4）：是水溶液培养的一种人工晶体，由于它很容易生长成大块均匀晶体，在 0.2~1.5μm波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高，所以在光电子技术中有广泛的 应用。它的主要缺点是易潮解。 LINbO3：是单轴晶体，在0.4~5μm波长范围内透射率高达98%，光学均匀性好，不潮解，因 此在光电子技术中经常采用。它的主要缺点是光损伤阈值较低。
横向电光效应补偿方式
组合调制器
【1】将两块尺寸几乎完全相同的晶体 光轴互成90串接排列，即一块晶体的 y‘和z轴方别与另一块晶体的z轴和y'轴 平行
1.2电光调制
0 0 0 ij 41 0 磷酸二氢钾(KDP),磷酸二氘钾(DKDP)由于其拥有优越的紫外 透过、高损伤阈值、双折射系数高等特性，具有广泛工业用途 0
(其非线性系数偏低)。如：这两种晶体通常被用于做Nd:YAG激 光器的二、三、四倍频器件（室温条件下）。另外，它们也具 有电光系数高的特点，故也被用于制作Q开关等。
由于外电场的作用，折射率椭球各系数 其变化量可定义为:
2
1n 随之发生线性变化，
1 E 2 ij j n i j 1
式中， γ
ij 称为线性电光系数； i 取值 1~6 ； j 取值 1~3 。上式可以
3
用张量的矩阵形式表式为：
1. 电致折射率变化
( 1 ) 1 n2 将上式用张量的 1 ) ( 2 2 矩阵形式表示： n ( 1 ) 3 n2 )4 ( 1 2 n ( 1 ) 5 n2 ) ( 1 2 6 n 11 21 31 41 51 61
§1.2 电光调制
——以电光效应为物理基础。 电光调制的物理基础是电光效应。 即：如果在晶体中沿某一方向加一定电压(晶体在外
加电场的作用下)，则晶体的折射率要发生相应的改
变，因而晶体的双折射特性也要改变；那么，当光波
通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。
——电光效应
1.2.1 电光调制的物理基础
6 3 矩阵称为电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，
它是表征感应极化强弱的量。
Hale Waihona Puke 以常用的KDP晶体为例分析:
注：由于晶体几何结构上的对称性， 使得晶体的线性电光张量中有许多元 素为零。
电光调制器实验报告
一、实验目的1. 了解电光调制器的基本原理和结构；2. 掌握电光调制器的实验方法；3. 分析电光调制器的性能参数。
二、实验原理电光调制器是一种将电信号转换为光信号的装置，主要应用于光通信、光纤陀螺、大功率激光等领域。
其基本原理是利用电光效应，即电场与光场之间的相互作用，将电信号调制到光波上。
电光调制器主要有以下几种类型：1. 马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪调制器；2. 电光晶体调制器；3. 薄膜铌酸锂（LiNbO3）调制器。
本实验采用薄膜铌酸锂调制器，其结构如图1所示。
调制器主要由铌酸锂晶体、电极、偏振片和光纤耦合器组成。
当电信号施加到电极上时，电极产生的电场会改变铌酸锂晶体的折射率，从而改变光波传播方向，实现电信号调制。
三、实验仪器与设备1. 光源：波长为1550nm的单模激光器；2. 光电探测器：PIN光电二极管；3. 电光调制器：薄膜铌酸锂调制器；4. 偏振片；5. 光纤耦合器；6. 信号发生器；7. 信号分析仪；8. 电源。
四、实验步骤1. 将光源输出端连接到电光调制器的输入端，调制器的输出端连接到光电探测器；2. 打开信号发生器，产生一定频率和幅值的电信号；3. 将电信号输入到电光调制器的电极上，观察光电探测器输出端的信号变化；4. 改变电信号幅度和频率，观察光电探测器输出端的信号变化；5. 测量电光调制器的调制深度、调制速率等性能参数。
五、实验结果与分析1. 电光调制器调制深度：调制深度是指电光调制器输出端信号变化的最大幅度与输入端信号幅度之比。
本实验中，调制深度约为80%。
2. 电光调制器调制速率：调制速率是指电光调制器在单位时间内能调制的最大信号频率。
本实验中，调制速率约为100MHz。
3. 电光调制器线性度：线性度是指电光调制器输出端信号变化与输入端信号变化之间的比例关系。
本实验中，线性度约为0.98。
4. 电光调制器噪声：噪声是指电光调制器输出端信号中的随机波动。
电光调制器原理及其性能
测量方法：光功率计、 光谱分析仪等
降低插入损耗的方法： 优化调制器设计、提
高材料性能等
电光调制器的运 用实例
光通信领域
01 02 03 04
01
光纤通信：电光调制器在光器在光网络 中用于信号处理和传输
03
光存储：电光调制器在光存储 中用于数据存储和读取
02
基本原理：电场作用下，晶体 折射率发生变化，导致光信号 的相位、幅度和频率发生变化
04
调制方式：分为相位调制、幅 度调制和频率调制
05
应用领域：光通信、光传感、 光计算等
公式推导
电光调制器原 理：利用电光 效应，通过改 变电场强度来 改变晶体的折 射率，从而实 现光信号的调 制
公式推导：根 据电光效应， 推导出电光调 制器的调制深 度、调制带宽 等性能参数
03
电光调制器的性 能：调制深度、 调制速度、消光 比等指标
05
02
电光调制器：利 用电光效应实现 光信号的调制
04
公式推导：根据 晶体的折射率与 电场强度的关系， 推导出电光调制 器的调制公式
调制原理
01
电光调制器：利用电场改变晶 体折射率，实现光信号的调制
03
公式推导：根据晶体折射率与 电场的关系，推导出光信号调 制的公式
04
光传感：电光调制器在光传感 中用于信号检测和测量
激光雷达
激光雷达是一种利用激 光技术进行测距的传感 器
激光雷达广泛应用于自 动驾驶、机器人等领域
电光调制器在激光雷达 中用于控制激光的强度 和频率
电光调制器在激光雷达 中起到关键作用，影响 激光雷达的性能和精度
光信号处理
01
光信号的调制： 将电信号转换
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ki sin mks，m 2 或2 1 m ' 只有当lim sinq ＝1取得极大值
0 q
即 ki sin mks＝0
sin m ks m i ，
ki
s
m 0,1, 2,3...
光的i ：极光大波值长方；向。s ：声波波长； 角取几个分离值，是衍射
❖ b.第m级衍射光强大小为
sin2
( 2
)
——光通过介质产生的附加相位幅值
0级和1级光强主要由附加相位决定。
注：参 “现代通信光电子学”，中第十二章的声光相互作用。
❖ 衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系
无论是喇曼—纳斯衍射还是布拉格衍射，光通过超声 场时产生的各级衍射光强主要由附加相位决定。
B
:Im
J
2 m
(
);L
:I1
x)
n(x,t) n0 n(x,t)
n0 n cos(st ks x)
n
0
1 2
n03
PS[cos(st
ks
x)]
超声行波在介质中的传播
❖ 驻波
▪ 声驻波是由波长、振幅和相位相同，传播方向相反的 两束声波叠加而成的，如图所示。
▪
声驻波的方程为
a(x,t) 2Acos(2
x ) sin(2 t )
超声波－>弹性力－>弹性应变－>－>正弦相位光栅－>光衍射－>光 强－>控制超声波强弱
❖ 行波
▪ 介质密度（对应的折射率） 受声场影响的分布情况。
▪ 运动的“声光栅”可以看作 是静止的。
a(x,t) Asin(st ks x)
n( x, t )
da( x, t ) dx
ks
A cos(st
ks
ki cosi
2 L
2s cosi
G>>1时为布拉格衍射,G<<1时为喇曼-奈斯衍射
• 现采用的定量标准为 G 4为布拉格衍射区
G 为喇曼 奈斯衍射区
大，光栅变成三维空间 相位光栅。 (3)入射光不是垂直入射， 而是与声波波面有一定 角度。
布拉格声光衍射
分两步进行讨论 a,光线入射到同一镜面的反射情况。 ❖ 两束光的干涉情况
设 BC＝X, AC－BD是两衍射光的光程差 i 入射光的入射角, d－衍射光的衍射角 AC x cosi
BD x cosd
Im
J
2 m
(
)
J
2 m
()
J
2 m
()
式中 2nL / nki L 为光通
过介质后相位变化的幅值。
❖ c.各级光强不等。m越大，光强越小。
❖ d.在忽略介质对光的吸收损耗时,各级 衍射光强之和恒等于1。
J
2 0
(
)
2
J
2 m
(
)
1
2.布拉格衍射
条件: (1)声波的频率 f 较高 (2)声光相互作用长度L较
1.2.7 设计电光调制器时应考虑的问题 ❖ 一个高质量的电光调制器主要应满足以下几个方面的要求：
▪ (1)调制器应有足够宽的调制带宽，以满足高效率无畸变地传输信息。 ▪ (2)调制器消耗的电功率小。 ▪ (3)调制特性曲线的线性范围大。 ▪ (4)工作稳定性好。
❖各参数的选择：（晶体质量，尺寸，运用方式）
q2
❖ 很远处P点的总衍射光场强 EP q 2 exp{iki[lx Ln sin(ks x)]}dx
l sin
(由物理光学的衍射公式得到)
2nL / nkiL
将上式分成实部和虚部两部分进行积分
❖ 实部
q
2
q 2
cos(
xki
sin
sin ks x)dx
q
2
q 2
[cos(
xki
sin( sin ks x) 2 J2 1() sin[(2 1)ks x] 0
r
式中 J r 是 r 阶贝赛尔函数，代入上两式进行积分
实部
A( )
cq
0
J 2
(
)
sin[(ki sin
(ki sin
2 ks 2 ks )
)
q 2
q 2
]
sin[(ki sin (ki sin
2 ks )
图中
2 ks s
——声波矢量，
2 2 ki i c '
——入射光波矢量
kd
2 d
2 (
fs) / c'
——衍射光波矢量
式中 ——光频， c '——光在介质中的速度， fs ——声频
因为光波频率远远高于声波频率 , 所以衍射光的偏移可以忽略不计。
则 d i s i
在上面的等腰三角形中
ki 2 ni (i )
kd 2 nd (d )
ks 2 s 2 fs ( )
kd2
ks2
ki2
2ks ki
cos(
2
i )
ks2 ki2 2kski sin(i )
ki2 ks2 kd2 2kskd sin(d )
sin i
2ni (i )vs
fs
vs2
2 fs
[ni2
Ii
sin2 ( )
2
❖ 衍射光强度与声光材料特性和声场强度的关系
I1
Ii
sin2 ( )
2
sin2[ 1 2
( 2
nL)]，n
1 2
n3PS
超声驱动功率：Ps
1 (HL)vs ( 2
vs2S 2 )
1 2
vs3S 2HL
S 2Ps HLvs3
n 1 n3P 2
2Ps
HL vs3
1 n3P 2
no3
63
Ez
ny2'
no
1 2
no3
63
Ez
1
2
3
4
2
no3 63 4V
串联电光晶体
在同样相位延迟时，在每一块晶体
1
上加的电压为：V
4
V
2
(3) 选择调制电压，减小调制光的畸变
为了防止失真，一般选择（ 在（0.2-0.5）之间。
Vm V
）在/10~/2范围，Vm
(4) 晶体尺寸的确定
包括晶体的长度和横截面积。在纵向运用中，半波电压与晶 体的尺寸无关，一般选l =5mm-15mm。 A——满足通光孔径。
s
(sin i
sin d
)
n
由于
i
d
，因此
2s
sin B
n
布拉格条件：sin B
2ns
2nvs
fs
布拉格角：θB
产生布拉格衍射条件的模型
(3)布拉格衍射光强分布公式
根据推导，当入射光强为 Ii 时，布拉格衍射的零级 和一级衍射光强的表示式分别写成
式中
I0
2n L
Ii
cos
2
(
)
2
I1
Ii
波，在介质中就产生了随时间和空间周期变化的弹性应变，因而介 质中各点的折射率就会随着该点上的弹性应变而发生相应的改变。 折射率的改变影响了光的传播特性。
3)光被介质中的超声波场衍射或散射：当介质中存在超声波时， 介质的折射率发生相应的改变，正弦相位光栅，光通过此种介质时， 光的传播特性发生改变，光被介质衍射或散射。
kd ki
ks 2ki sinB
和上面推导的布拉格条件相同。入射光的布拉格角只由光波长，声波长
决定。
sin B
i 2ns
❖ （3）异常布拉格衍射
❖ 狄克逊(R.W.Dixon)方程 ▪ 式中第一项就是正常布喇 格衍射条件，而第二项只 有在各向异性介质中才存 在，它随晶体不同而异 ▪ 这说明：虽然θi-fs关系与 正常市喇格衍射不同，但 是α和fs的关系与正常布喇 格衍射完全相同 ▪ 可调谐特性
(1)晶体的选择
a.光学性能好，吸收和散射小，光损耗小。
b.晶体的折射率均匀，n≤10-4/cm，可以减小对的影响。
c.选择电光系数大的晶体，降低半波电压。
V
2no3
63
，
63越大，V
越小。
d.晶体有较好的物理性能，硬度大，不易损坏。
(2)降低调制器功率损耗 根据实际情况的要求，合理的选择运用方式。 KDP的纵向运用，半波电压高，但结构简单，可以采取措
s
Ts
▪ 声驻波形成的折射率变化为 n(x,t) 2n sin(st) sin(ks x)
超声驻波
1.3.2 声光作用
1.喇曼－奈斯衍射
条件: (1)超声波频率比较低。 (2)光线平行于声波面入射和声
波传播方向垂直入射。 (3)超声波的宽度L比较小时，
平面相位光栅声速比光速小 的多, 相当于一个平面相位 光栅。
（2）布拉格声光衍射的离子模型
根据量子力学理论，具有传播矢量 ki 和频率 i 的光 可以认为是由一束具有动量和能量的微粒流组成
p
E
n
h
n
k
2
n
cc
2 cT
h h 2 2
同样：声波也可以被认为是具有动量 ks 和能量 s 的微 粒流组成。光通过声束的衍射可以认为是光微粒和声微粒 的一系列碰撞。一次碰撞的结果，一个入射光子和一个声 波微粒湮灭了，同时产生一个新的光子。
横向电光调制器，一般使
l d
，V
2
。
1.3 声光调制
声光调制的理论基础 —声光调制和声光作用
声光调制器
声光偏转
声光调制器的设计考虑
一、声光效应