第三讲-电光调制器.
电光调制器
电光调制器简介电光调制器（Electro-Optic Modulator，EOM）是一种利用外加电场改变光的折射率而实现光信号调制的器件。
其主要应用于光通信、光纤传感和光学仪器中。
本文将介绍电光调制器的工作原理、分类、应用以及未来发展方向。
工作原理电光调制器利用光学材料的Pockels效应实现调制光信号的功能。
Pockels效应是指在某些晶体中，当施加外加电场时，晶体的折射率发生变化。
其基本原理是通过施加电场，改变光传输介质中的折射率，从而实现光信号的调制。
一般而言，电光调制器由电光晶体和电极两部分组成。
电光晶体通常选用具有Pockels效应的非线性晶体，如锂铌酸锂（LiNbO3）、锂钼酸锂（LiMoO3）等。
当电压施加到电光晶体上时，电场会改变晶体中的分子极化状态，从而改变光的传播速度和方向，从而实现对光信号的调制。
分类根据工作原理和结构的不同，电光调制器可以分为以下几类：平面型电光调制器平面型电光调制器是一种常见的电光调制器。
其结构由一个电光晶体块和两个电极构成。
光信号通过电光晶体传播时，施加在电极上的电场会改变光的折射率，从而实现对光信号的调制。
波导型电光调制器波导型电光调制器是基于光波导结构的一种调制器。
其结构由光波导和电极构成。
光信号通过光波导传播时，在电极的作用下，调制电场会改变光波导中的折射率，从而实现对光信号的调制。
由于电场仅在波导中传播，波导型电光调制器具有较高的调制速度和较低的驱动电压。
光纤型电光调制器光纤型电光调制器是将电光晶体直接集成在光纤中的一种调制器。
其结构由光纤和电光晶体构成。
光信号在光纤中传播时，施加在电光晶体上的电场会改变光纤中的折射率，从而实现对光信号的调制。
光纤型电光调制器具有体积小、集成度高的特点。
应用电光调制器作为光通信、光纤传感和光学仪器中的关键设备，具有广泛的应用。
光通信电光调制器在光通信系统中用于调制和解调光信号。
其高速调制特性使其成为光纤通信中的关键器件。
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
电光调制器PPT幻灯片课件
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。
第3讲-调制及电光调制.ppt
AcJ0(m)c osc(tc)
Ac Jn(m) c osc(nm)tc (1)nc o(sc nm)tc
n1
8
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
第三章 激光调制技术
3.1 调制的基本概念
3.1.1 振幅调制 3.1.2 频率调制和相位调制━━调频和调相 3.1.3 强度调制 3.1.4 脉冲调制 3.1.5 脉冲编码调制（一般了解）
3.2 电光调制
3.2.1 电光调制的物理基础 3.2.2 电光强度调制 3.2.3 电光相位调制 3.2.4 电光调制器的电学性能 3.2.5 设计电光调制器应考虑的问题
s isn i n 1 2 c o s ) c ( o s )(c o cs o 1 2 s c o s ) c ( o s )
可得：e(t)AcJ0(m)c osc(tc)J1(m)c os(c m)tc J1(m)c os(c m)tc J2(m)c os(c 2m)t c J2(m)c os(c 2m)tc
这种将信息加载于激光的过程称之为调制
完成这一过程的装置称为
x(t)
调制器。其中激光称为载
波；起控制作用的低频信
息称为调制信号。
t
解调：调制的反过程，即
把调制信号还原成原来的
信息。
2
激光光波的电场强度是： ec(t)A ccocts (c)
其中 Ac 振幅 c 角频率c 相位角
因激光具有振幅、率、相位、强度等参量，如使其中某一参 量按调制信号的规律变化，则激光受到信号的调制，达到运载 信息的目的。
利用 c o )s c(c oo s ss isn i三n 角公式展开，得：
e(t)A cc o cts(c)c o m ssi (n m t)
电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理课件
应用领域与优势
应用领域
相位调制器广泛应用于光纤通信、光学传感、光学测量 等领域。
优势
相位调制器具有调制速度快、调制效率高、易于集成等 优点。
04
电光调制器强度调制器相位调制器EOM 比较
工作原理比较
电光调制器 (EOM)
通过施加电场改变晶体的折射率，从而实现 光的调制。
强度调制器 (IM)
通过改变光的传输损耗或反射系数，实现对 光强的控制。
类型与分类
类型
电光调制器可分为泡克耳斯调制器和 双折射调制器等。
分类
根据调制方式的不同，电光调制器可 分为单级调制器和双级调制器等。
应用领域与优势
应用领域
强度调制器广泛应用于光纤通信、光信息处理、光谱分析等 领域。
优势
电光调制器具有调制速度快、调制效率高、稳定性好等优点 ，能够实现高速、高精度、高稳定性的光信号调制。
特性。
IM
结构简单、易于集成、低成本； 但调制速度相对较慢，且带宽受限 。
PM
调制速度高、带宽大、易于实现高 精度相位编码；但插入损耗较大， 且对温度和波长敏感。
05
电光调制器强度调制器相位调制器EOM 发展前景
技术发展趋势
集成化与小型化
随着微纳加工技术的发展，电光调制器将趋向于集成化和微型化， 以提高稳定性和降低成本。
相位调制器 (PM)
通过改变光的相位，实现对光束相位的控制 。
应用领域比较
EOM
主要用于高速光通信、光信号处理和光传感等领 域。
IM
广泛应用于光开关、光限幅器和光放大器等器件 。
PM
适用于光学干涉、光学相位编码和光学相干检测 等领域。
优缺点比较
电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理
电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理电光调制器（Electro-Optic Modulator，EOM）是一种能够通过改变光波的相位或强度来调制光信号的器件。
它在光通信、光纤传感、光学成像等领域有广泛的应用。
本文将详细介绍电光调制器的工作原理、分类及应用。
一、工作原理在电光调制器中，材料通常选择具有非中心对称晶体结构的材料，例如锂钌酸铋（LiNbO3）。
当施加电场时，锂钌酸铋晶体的晶格结构发生变化，进而引起折射率的变化，从而改变光波的相位或强度。
二、分类根据光波的调制方式，电光调制器可以分为强度调制器和相位调制器。
1. 强度调制器（Intensity Modulator）强度调制器通过改变光波的强度来调制光信号。
最简单的强度调制器是电吸收调制器（Electro-Absorption Modulator，EAM），它基于材料的电吸收效应。
当施加电场时，电吸收调制器中的吸收边沿会产生位移，从而改变光的吸收量。
通过调控电场的强弱，可以实现对光的强度的调制。
2. 相位调制器（Phase Modulator）相位调制器通过改变光波的相位来调制光信号。
最常见的相位调制器是Pockels单元，它基于Pockels效应。
当施加电场时，Pockels单元中的晶格结构发生变化，进而引起折射率的变化。
调节电场的强弱，可以改变光波的相位。
除了强度调制器和相位调制器，还有一种常见的电光调制器是所谓的“In-phase/Quadrature-phase调制器”（IQ Modulator），它可以同时调制光波的强度和相位。
三、应用在光通信系统中，电光调制器通常用于实现光信号的调制和解调。
例如，将电信号转换为相应的光信号进行传输，或者将光信号转换为电信号进行处理。
在光纤传感系统中，电光调制器可用于光纤传感器的光信号调制，以实现对物理量的测量。
例如，通过改变光波的相位或强度，可以实现对应变光纤传感器的灵敏度控制。
在光学成像系统中，电光调制器常用于实现高速和高分辨率的图像采集。
电光调制器原理和其性能
调制器件
01 电光调制器：利用电光效 应实现光信号的调制
02 调制方式：直接调制和 间接调制
03 调制材料：晶体、液晶、 聚合物等
04 调制原理：利用电场改变 材料的折射率或吸收系数， 实现光信号的调制
电光调制器性能
调制带宽
调制带宽是指电光调制器能够调制的频率范围 调制带宽决定了电光调制器的应用范围
02
电光调制器在光纤
通信中的作用
01
电光调制器在光纤
通信中的应用
激光雷达
激光雷达是利用电 光调制器进行光信
号调制的设备 1
电光调制器在激光 4
雷达中的性能直接 影响激光雷达的探
测精度和距离
电光调制器在激光 雷达中用于控制激
2 光的强度、相位和
频率等参数
3
激光雷达广泛应用 于自动驾驶、机器 人导航等领域
应用：光通信、光传感、光 计算等领域
调制方式
直接调制：通过 改变电光晶体的 折射率来调制光 信号
间接调制：通过 改变电光晶体的 厚度或折射率分 布来调制光信号
相位调制：通过 改变电光晶体的 相位差来调制光 信号
频率调制：通过 改变电光晶体的 谐振频率来调制 光信号
强度调制：通过 改变电光晶体的 透射率来调制光 信号
电光调制器原理及其性能
演讲人
目录
01. 电 光 调 制 器 原 理
02. 电 光 调 制 器 性 能
03. 电 光 调 制 器 应 用
电光调制器原理
调制原理
电光调制器：利用电场改变 晶体折射率，实现光信号的 调制
原理：通过外加电场，改变 晶体的折射率，从而改变光 信号的相位、振幅或频率
调制方式：相位调制、振幅 调制、频率调制
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。
电光调制器工作原理是什么2.
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，这是因为接收器普通都是直接响应其所接收的光强变化。
它由两块偏振方向垂直的偏正片及此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E =E =E/ 2 。
同时， 沿 x' 和 y'方向振动的x' y'两线偏振光之间产生如下式表示的相位差2π0 63-晶体在未加电场之前的折射率-单轴晶体的线性电光系数，又称泡克尔系数636 = 入 3 V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E 、E ，则有E =E =E/2，x'y y'y x'y y'y其相互间的相位差为(6 + 爪)。
此二振动的合振幅为E '2 = E 2 + E 2 + 2E E cos (6 + 爪 )x'y y'y x'y y'y= 1 (E 2 + E 2 )- 1E 2 cos 6 4 2 = 1 E 2 (1- cos 6 ) 2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：即6 6I = E '2 = E 2 sin 2= I sin 22 0 2I = I sin 2爪山3Y 0 63V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
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
第三讲-电光调制器
第三章电光调制器内容•电光调制的基本原理•铌酸锂（LiNbO3）电光调制器•半导体电吸收调制器（EAM）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。
强度调制的方式作为信息载体的光载波是一种电磁场：()()0cos E t eA t ωφ=+r r 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。
在模拟信号的调制中称为AM 、FM 和PM ；在数字信号的调制中称为ASK 、FSK 和PSK 。
调制器：将连续的光波转换为光信号，使光信号随电信号的变化而变化。
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。
电光调制的主要方式直接调制：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：采用单一器件成本低廉附件损耗小缺点：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、后沿产生大的波长漂移适用于短距离、低速率的传输系统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：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、成本增加增加了光纤线路的损耗目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器调制器调制器连续光源光传输NRZ 调制格式其他调制格式: •相位调制•偏振调制•相位与强度调制想结合光传输RZ 调制格式脉冲光源电光调制折射率的改变通过电介质晶体Pockels 效应和半导体材料中的电光效应光吸收的改变通过半导体材料中的Franz-Keldysh效应量子阱半导体材料中的量子限制的Stark 效应光与物质相互作用相位调制偏振调制(双折射材料)强度调制强度调制通过-干涉仪结构-定向耦合光在晶体中的传播－电光效应在光与物质相互作用中，电场强度（E）与电极化矢量（P）的关系。
光电子技术 电光调制
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
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。
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 ）。
光电子技术课件：5_3 电光调制
4）使
(n
1 )
2
时，
E2 x
A12
E
2 y
A22
1
这是一个正椭圆方程，当A1=A2 时，其合成光就变成一 个圆偏振光，相当于一个“1/4波片”的作用。
(3) 当外加电场Vλ/2使△ = (2n+1)π, 有
Ex Ey 2 0
A1
A2
Ey
(
A 2
A
)Ex
Extg( )
1
x’
x y’
y
E
上式说明合成光又变成线偏振光，但偏振方向相对于入射光旋
Ex 0 Acoswct Ey 0 Acoswct
复数形式为
Ex0 Aexpiwct Ey0 Aexpiwct
由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为
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
ExL A EyL Aexp i
与之相应的输出光强为：
( 1 E )x2 ( 1 E ) y2 1 z2 1
n2
63 z
n2
63 z
n2
0
0
e
这就是KDP类晶体沿Z轴加电场之后的新椭球方程，如图所示。 其椭球主轴的半长度由下式决定：
y
y'
x'
1 nx2
1 no2
63Ez
450
x
1 ny2
1 n02
63Ez
11 nz2 ne2
由于γ63 很小（约10-10m/V）,一般是γ63EZ <<
3. 光偏振态的变化
根据上述分析可知，两个偏振分量间的差异，会使一个分 量相对于另一个分量有一个相位差（△），而这个相位差作用 就会改变出射光束的偏振态。在一般情况下，出射的合成振动 是一个椭圆偏振光，用数学式表示为：
电光调制器的功能是怎样的呢
电光调制器的功能是怎样的呢什么是电光调制器电光调制器也称为电光调制器件，是一种将电信号转换为光信号的器件，它将来自电子设备的电信号转换成可用于光纤传输的光信号。
这种器件通常由半导体材料制成，内部装置有电极和折射率较高的光纤。
电光调制器的类型电光调制器主要分为两种类型：外差电光调制器该电光调制器的基础是外差技术，通过在半导体材料中输入两个互相独立的信号，一个是调制信号，一个是载波信号，从而实现光信号的调制，达到传送数据的目的。
外差电光调制器具有频段宽、速度快的特点，通常用于高速数据传输领域，如光纤通信、光纤传感。
直接调制电光调制器该电光调制器直接将调制信号输入到半导体材料中，使其发生改变，从而调制出光信号，实现了数据传输。
同样是用于数字、模拟光信号的调制，但是具有频宽小、速度慢的特点，在短距离数据传输领域广泛应用。
电光调制器的主要功能光通信功能电光调制器被广泛应用于光通信领域，它是实现数字光纤通信的核心部件。
光信号在传输过程中，需要从电信号的角度调制出不同频率及振幅的光波，用于信号的识别和传输。
光纤传感功能光纤传感是目前最常见的一种传感方式，其优势在于不受电磁干扰、防腐蚀、易于集成。
在各种光纤传感器中，光纤光栅传感器是最为常见的一种，它实现了对光的调制和传感功能，通过使用电光调制器进行光的调制，获取光的频率、波长等信息，从而达到传感目的。
其他功能除光通信和光纤传感功能外，电光调制器在光学成像、人体控制研究、雷达探测等方面也有应用。
而随着科技不断发展，电光调制器在各种应用领域的作用也在不断拓展。
总结电光调制器正日益成为光学工程和信息网络技术中重要的一环，它的主要功能包括光通信、光纤传感和其他领域的应用等。
随着科技的不断发展，电光调制器在应用领域也将不断拓展。
电光调制器强度调制器相位调制器EOM原理课件
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平方电光效应
电场引起的折射率变化与电场 强度的平方成正比。
电光效应的物理机制
与晶体的内部结构、电子云分 布和能带结构有关。
电光调制器的工作原理
01
调制信号输入
将需要调制的信号输入到电光调制 器中。
光学调制
折射率的变化导致光波的相位和振 幅发生变化，从而实现调制。
03
02
电场作用
通过施加电场，改变晶体的折射率 。
04
EOM（电光调制器）原理
EOM的基本结构和工作原理
基本结构
EOM通常由电光晶体和电极组成。电光 晶体具有特殊的电光效应，当施加电压 时，能够改变其折射率，从而改变光的 传播方向或振幅。电极用于施加电信号 。
VS
工作原理
在EOM中，当电信号施加到电光晶体上 时，由于电光效应，电光晶体的折射率发 生变化，导致通过的光的相位或偏振态发 生改变。这种相位或偏振态的变化可以通 过检测器检测，从而实现对光的调制。
相位调制器的应用
光纤通信系统
相位调制器在光纤通信系统中有着广泛的应用。通过将信息编码为光波的相位变化，可以实现高速、 大容量的光纤通信系统。相位调制器可以提高通信系统的传输速率和传输距离，同时降低噪声和干扰 的影响。
光学干涉仪
相位调制器在光学干涉仪中也有着重要的应用。通过将光波的相位变化引入干涉仪中，可以实现对光 波干涉图样的控制和测量。相位调制器可以提高干涉仪的测量精度和稳定性，广泛应用于光学测量、 光学传感等领域。
强度调制器
广泛应用于高速光信号处 理、光强调制、光功率控 制等领域。
相位调制器
广泛应用于光学干涉、光 学成像、量子通信等领域 。
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第三章电光调制器内容•电光调制的基本原理•铌酸锂（LiNbO3）电光调制器•半导体电吸收调制器（EAM）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。
强度调制的方式作为信息载体的光载波是一种电磁场：()()0cos E t eA t ωφ=+r r 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。
在模拟信号的调制中称为AM 、FM 和PM ；在数字信号的调制中称为ASK 、FSK 和PSK 。
调制器：将连续的光波转换为光信号，使光信号随电信号的变化而变化。
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。
电光调制的主要方式直接调制：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：采用单一器件成本低廉附件损耗小缺点：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、后沿产生大的波长漂移适用于短距离、低速率的传输系统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：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、成本增加增加了光纤线路的损耗目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器调制器调制器连续光源光传输NRZ 调制格式其他调制格式: •相位调制•偏振调制•相位与强度调制想结合光传输RZ 调制格式脉冲光源电光调制折射率的改变通过电介质晶体Pockels 效应和半导体材料中的电光效应光吸收的改变通过半导体材料中的Franz-Keldysh效应量子阱半导体材料中的量子限制的Stark 效应光与物质相互作用相位调制偏振调制(双折射材料)强度调制强度调制通过-干涉仪结构-定向耦合光在晶体中的传播－电光效应在光与物质相互作用中，电场强度（E）与电极化矢量（P）的关系。
在各向同性的介质中，P与E同向：在各向异性的介质中，P与E一般不同向：光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应泡克耳斯效应（Pockels effect）：某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。
折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克耳斯发现。
光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应光在晶体中的传播－电光效应电光系数•当外加直流电场时，晶体折射率的改变可表示为：•18个矩阵元描述了晶体的电光特性•仅有少数的矩阵元不为零，取决于晶体点群的对称性•对于GaAs和InP，属于43m点群，仅需要参数r41就可描述电光特性•对于LiNbO3晶体，需用3个参量来进行描述。
LiNbO 3晶体特性•主要参数–高的电光参数–在光通信窗口，高的透明特性–高T C–机械与化学的稳定性–加工的兼容性•LiNbO 3和GaAs的矩阵元：•非零矩阵元的数值与光波长密切相关•对GaAs波长为900nm 时，r41=1.1pm/V，波长接近1300nm ，增加至1.43pm/V。
•对InP波长为1060nm 时，r41=1.45pm/V，波长接近1300nm ，降低至1. 3pm/V。
电光系数•LiNbO3光波导通常用来制作调制器•LiNbO3的电光响应受四个参数所支配•在1500nm处，•电场的作用沿着晶轴Z向，应选择r 33•折射率沿着Z轴的变化为：•当•当调制器的长度为L时，光相位变化为：•采用Mach－Zehnder结构，将相位调制转化为幅度调制。
电光波导调制器•相位调制器：合适长度的单一光波导•幅度调制器：双波导的MZ 结构•重要的设计参数V π：产生π相移的作用电压•由折射率变化决定电极间隔•Г为光场与电场的重叠因子，一般取0.5LiNbO 3调制器•对于3dB 耦合器，传输的光功率可表示为：•是由直流偏置，产生的相移•常数K 表示调制效率•当时，可实现接近的线性响应：•调制器的插入损耗与消光比定义为：•目前LiNbO3调制器的消光比可达20dB ，插入损耗小于5dB 。
幅度调制器的时域响应•AM 调制器会产生频率啁啾•对于平衡型MZ 干涉仪，光场的传输可表示为：•和是两臂上电压引起的相移。
•当时，•当时，调制器的输出是啁啾的。
•当时，调制是无啁啾的。
•同时，π相移发生在半波电压处。
•这种调制器可称之为推挽式调制器。
调制器导致的频率啁啾•如图为X －切向、Z －切向的LiNbO3调制器。
•在X －切向的设计中，边电极是接地的。
•如果其中一臂的折射率增加，另一臂的折射率减少。
调制器的设计•LiNbO3调制器可工作在高于10Gb/s 的速率下，RF 的传输将设计成共面波导。
•这种调制器是指行波调制器。
•MZ 的输入、输出端与光纤的尾纤相耦合，构成全光纤器件。
调制器的设计•调制器的设计需要优化几个关键的参数。
•LiNbO 3的折射率在光频处为2.2，但在微波频率处就增加到6。
•需要SiO2的缓冲层减少光波与微波间的速度失配。
•商用化的调制器是十分紧凑的，宽1.5cm ，长12cm ；调制输率为10Gb/s 时，偏置电压<5V 。
•2000年后，就有速率>40Gb/s 的调制器，偏置电压为>10V 。
调制器的设计封装后的LiNbO3 调制器模块典型的NRZ信号调制典型的RZ信号调制系统对调制器的要求•DWDM 要求多种多样的数据编码格式和调制技术•Pockels 效应: Δn =−12n 3rE n = 折射率= 2.2r 33= 电光系数=30.10-12 Vm -1E = 作用电场= 作用电压/ 有效的电极间隔在高速率数字调制系统中，需要用到不止一对电极电极的放置很关键选择晶体主轴是关键与光的偏振方向密切相关LiNbO 3Substrate与电极结构相匹配的行波阻抗层光波导Mach-Zehnder干涉仪LiNbO 3电光调制器小结LiNbO 3电光调制器小结From WOOTEN et al :IEEE J.Selected Topics inQuantum Electron.,6,1,2000Mach-Zehnder 强度调制器的关键参数：•插入损耗: 光的模场分布是关键，对波导优化设计以实现和电场的最佳交叠。
•偏振相关性: 入射的光纤要采用保偏光纤•切换电压: 与调制器长度、电场与光场的交叠程度有关•调制器的速度: 受限于光波与微波的速度失配。
厚(>10µm) 电极可减少速度失配。
•啁啾: 来自于干涉仪两臂不平衡的光场与电场作用. 有些结构设计成电场与光场分别进入两臂。
•直流偏移: 需要对直流的反馈控制。
•相位调制器：采用单一直波导。
•定向耦合器：采用两个平行光波导应用于2×2快速（ns级）空间光交换•对称注入的定向耦合器结构可增强线性调制范围•偏振调制器：利用各向异性的电光效应(r 52)•很高的频率的带通调制器：利用相位反转或谐振腔电极应用于光信号的微波传输LiNbO 3电光调制器小结可选择的调制器结构：电吸收效应effects）：在体材料•弗朗兹-凯尔迪什效应（Franz-Keldysh effects中，外电场使能带倾斜，当外电场很强时，价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加，有效带隙减少，使得吸收边红移。
•在吸收系数的后沿，呈指数衰减，减少了带隙。
•陡峭的吸收边沿，变得更加缓变。
•对于较薄的光波导，量子阱效应十分重要。
•在低于带隙的光谱范围内，激子效应占主导地位。
•量子限制的Stark 效应：在作用电场下，吸收谱将发生变化。
•调制器利用的半导体材料，其带隙稍大于需调制的光波的光子能量。
光波导中的电吸收效应电吸收调制器•基本的设计与半导体激光器的结构相似。
•量子的带隙大于调制光波的光子能量。
•在无电偏置的情况下光场透明传输。
•在有电压偏置的情况下，信号光场被吸收而损耗掉。
•在反偏电压为2－3V时，调制速率可达40Gb/s，消光比>15dB.电吸收调制器（EAM）的优点•零偏置电压（直流偏置）•低的驱动电压（交流峰值）•低/负的啁啾•高速率•可与DFB激光器进行集成电吸收调制器的基本结构•光波导类型被普遍采用。
•横向传输类型不会产生足够高的消光比。
Franz-Keldysh效应在体材料中，外电场使能带倾斜，当外电场很强时，价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加，有效带隙减少，使得吸收边红移。
Franz－Keldysh效应的特点：属于带间跃迁，加上材料抛物线型能态密度，使得体材料调制器具有吸收系数、折射率随电压变化缓慢、调制电压高、消光比低等缺点。
量子限制的Stark 效应在量子阱生长方向的电场作用下，电子、空穴的波函数向相反的方向移动，对应激子吸收峰的光子能量向低能的方向移动，即“红移”，同时激子束缚能下降，吸收谱中激子吸收峰值下降、吸收谱线展宽。
QCSE的特点：由于量子阱的束缚，电子和空穴需要相对更长时间才能通过隧道穿透效应从量子阱中逸出；量子阱层的厚度很小，使得束缚在其中的电子与空穴之间的库仑作用非常明显；激子共振可以存在于很大的外电场下，而不被离子化，改善了半导体电吸收调制器的性能。
电吸收调制器的设计•工作原理•消光比•插入损耗•调制效率•频率啁啾与优化•集成与封装基于量子限制的Stark 的EMA•平行于量子阱生长方向施加电压, 吸收系数将在合适的波长下发生急剧的变化。
消光比•消光比直接影响系统的误码率（BER）。
•增加调制器的长度，可提高消光比。
•但是光的传输损耗也将会增加。
[]L V R dB R e e V V P V P R off on off on L V L off out on out off on )0()(343.4)log(10)()()0(//)()0(/αααα−⋅======−−插入损耗•吸收损耗–调制器越长，附加损耗越大.–需与消光比这种考虑•与单模光纤的耦合损耗–采用波导耦合器可减少耦合损耗–最低可降至1 dB–典型的损耗数值为：5-6 dBL inout in e P V P P )0(1)0(Loss α−−==−=调制效率•调制效率可量化成需要多少的电压来调制光信号•小的失谐可增加调制效率。
然而，同时也增加了附加损耗。
[]FV L V V R offon ΔΔ=Δ−=Δααα343.4)0()(343.4/时域响应•如图，在三种不同波长下，透射率与调制器电压的关系。