电光调制器,强度调制器,相位调制器,EOM原理

n 1

sin(m sin m t ) 2 J 2 n 1 (m) sin(2n 1) m t
知道了调制系数m，就可得各阶贝塞尔函数的值。 将以上两式代入利用三角函数关系式：
sin sin 1 cos( ) cos( ) 2

cos cos 1 cos( ) cos( ) 2
I (t ) e (t ) A cos (c t c )
2 2 c 2
于是，强度调制的光强表达式可写为 :
式中，k p 为比例系数。设调制信号是单频余弦波 a(t ) Am cos( m t ) 将其代入上式, 并令 k p Am m p (称为强度调制系数)
Ac2 I (t ) 1 m p cos m t cos2 ( c t c ) 2
EOM的工作原理
QQ775332295
目录
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EOM的定义 电光调制的分类 EOM的种类及应用 EOM的工作原理 EOM的特性参数 EOM的操作方法 EOM在本次试验中的作用
EOM的定义
• EOM，全称Electrooptic Modulator，即电 光调制器，利用电光效应工作的光调制器。 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。电光调制属于外调制，即在激光器外 的光路中进行调制。 目前光通信领域所用的电光调制器大多是 铌酸锂材料做的光波导强度调制器。
其中 Am 和 ω m 分别是调制信号的振幅和角频率，当进行激光振幅 调制之后，激光振幅 Ac 不再是常量，而是与调制信号成正比。
其调幅波的表达式为：e(t ) Ac 1 ma cos m t cos( c t c )
利用三角公式： cos cos 1 cos( ) cos( ) 2 得： e(t ) A cos( t ) ma A cos( )t
Ac2 I (t ) 1 k p a(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
强度调制
t
脉冲调制 以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡的
0.7 mf 7 0.44 0.11 0.02
c
1

m
6 m
角度调制波的频谱
显然, 若调制信号不是单频正弦波, 则其频谱将更加复杂。另外， 当角度调制系数较小（即m<<1）时，其频谱与调幅波有着相同的 形式。
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):
c c c


2
c
c
m
c

ma Ac cos( c m )t c 2 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 。 调 A
ma Ac 2
c
ma Ac 2
幅
波

其中 m f
k f Am
m
m
称为调频系数，kf 称为比例系数。
则调制波的表达式为： e(t ) Ac cos(c t m f sin mt c ) 同样，相位调制就是相位角不再是常数，而是随调制信 号的变化规律而变化，调相波的总相角为：
(t ) c t c k a(t ) c t c k Am cos m t
波, 称为模拟式调制。另外, 在目前的光通信中还广泛采用一 种在不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制(也称为
脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或
数字脉冲调制）, 再对光载波进行光强度调制。
周期脉冲序列载波
脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这 种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。即先用 模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、 位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化, 成为已调脉 冲序列, 然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制, 就可以得到相应变化的光脉冲序列。
则调相波的表达式为：
e(t ) Ac cos( c t m cos m t c )
m 式中， k Am 称为调相系数。 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 c t m sin m t c 利用 cos( ) cos cos sin sin 三角公式展开，得：
中的角频率ω c 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
(t ) c (t ) c k f a(t )
若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：
(t ) (t )dt c c k f a(t ) dt c
c t k f a (t )dt c ct k f ( Am cos mt )dt c c t m f sin mt c
e(t ) Ac cos( c t c ) cos(m sin m t ) sin( c t c ) sin(m sin m t )

将式中 cos(m sin m t )和 sin(m sin m t ) 两项按贝塞尔函数展开：
cos(m sin mt ) J 0 ( m) 2 J 2 n ( m) cos(2nmt ) n1
n n n0 E bE 2
式中， γE 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性 电光效应或泡克耳斯(Pockels)效应；由二次项 bE2 引起的折 射率变化，称为二次电光效应或克尔（Kerr ）效应。对于大 多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著，可略去二 次项，故在本章只讨论线性电光效应。
EOM的工作原理
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。 电光调制的物理基础 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而 折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。晶体折射率 可用施加电场E的幂级数表示，即 n n0 E bE 2 或写成
c m
c
c

m
频 谱
2 m
频率调制和相位调制━━调频和调相 调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变 化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角 (t) 的变化，因此统称为角度调制。 对于调频而言，就是式
ec (t ) Ac cos( c t c )
1.电致折射率变化 对电光效应的分析和描述有两种方法：一种是电磁理论方法， 但数学推导相当繁复；另一种是用几何图形───折射率椭球体( 又称光率体)的方法，这种方法直观、方便，故通常都采用这种 方法。 在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折射率椭球由如 2 y2 z2 下方程描述： x 2 1 2 2 nx n y nz 式中，x，y，z 为介质的主轴方向，也就是说在晶体内沿着这些 方向的电位移D和电场强度E是互相平行的；nx，ny，nz 为折射 率椭球的主折射率。 当晶体施加电场后，其折射率椭球就发生“变形”，椭球方 程变为 如下形式： 1 2 1 2 1 2 1
• 根据调制参量的不同，可以分为相位调制器和强度调制器。
相位调制器 相位调制器是电光波导调制器中最简单的器件，选择合适的晶体取向以 切，表示的是基片取向， 便获得最大电光系数 r33（为获得最大调制深度，一般取Z方向为电场方 如z切，即表示晶体的z 向），选取合适的波导和电极结构，然后在调制电压信号的作用下，电 轴垂直于晶体光滑表面， 光晶体的折射率发生相应的改变，晶体中o光和e光经过不同的光程，产 生附加相位。 如下图所示，电场分量沿水平方向（x切y晶体）或者垂直方向（y切x晶体） 加在铌酸锂基片上，光波导传输的模式应为TE模（水平偏振），即晶 体中的e光。产生的附加相位为 n L 2L n V G
周期脉冲序列载波
(a)调制信号
(b)脉冲幅度调制
(c)脉冲宽度调制 (d)脉冲频率调制
(e)脉冲位置调制
脉冲调制形式
EOM的种类及应用
电光调制器有很多种，根据不同的标准可以分成不同的类别。
• 根据电极结构不同，EOM可以分为集总参数调制器 和行波调制器； • 根据波导结构不同，EOIM可以分为Msch-Zehnder 干涉式强度调制器和定向耦合式强度调制器； • 根据通光方向与电场方向的关系，EOM可以分为纵 向调制器和横向调制器。纵向电光调制器具有结 构简单、工作稳定（与偏振无关）、不存在自然 双折射的影响等优点，其缺点是半波电压太高， 特别在调制频率较高时，功率损耗比较大；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，可采用“组合调制器”的结构予 以衬偿。
Ac n1
J

n
(m) cos( c n m )t c (1) n cos( c n m )t c

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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 m , 各边频幅度的大小 J n (m) 由贝塞尔函数决定。 如下图是m=1时的角度调制波的频谱。
电光调制的分类
电光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及强度调 制等。 振幅调制 振幅调制就是使载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡， 简称调幅。 设激光载波的电场强度为：
ec (t ) Ac cos(ct c )
如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：
a(t ) Am cos mt
• 根据电光晶体材料的不同，可分为KDP晶体，铌 酸锂EOM，硝基苯EOM，锂铌酸钾EOM； • 根据所用电光效应的不同也可分类，若电光材料 折射率与调制电压呈线性关系，即称为线性电光 效应（泡克尔斯效应），如KDP晶体，铌酸锂； 若电光材料的折射率与调制电压的二次方成正比， 即克尔效应，如硝基苯，锂铌酸钾； • 另外，此处还需介绍EAM，电吸收调制器，一种 和铌酸锂波导调制器一样应用广泛的调制器，属 于是内调制器，主要用于和半导体激光器集成， 体积小，功耗低，驱动电压低，但传输性能比 EOM稍差，比直接调制的半导体激光器稍好，多 用于中短距离传输，发展前途较好。
可得： e(t ) Ac J 0 (m) cos( c t c ) J 1 (m) cos ( c m )t c J 1 (m) cos ( c m )t c J 2 (m) cos ( c 2 m )t c J 2 (m) cos ( c 2 m )t c Ac J 0 (m) cos( c t c )
3 e 33
• 强度调制器 强度调制的实质仍然 是相位调制产生的。激 光经过第一个3dB耦合器 分成两部分，每个分支 光波导所发生的现象均 是相位调制，通过第二 个3dB耦合器，相位调制 才转变为强度调制。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。 常见的强度调制器是Msch-Zehnder干涉式强 度调制器和定向耦合式强度调制器，但由于前 者数学模型简单而且驱动电压低，所以商用的 强度调制器多数为M-Z干涉式强度调制器。