激光技術(shù)-第一講電光調(diào)制調(diào)制的基本概念第四章激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)一、調(diào)制的基本概念1.目的：通過調(diào)制進行信息的傳遞2.調(diào)制：把信息加到載波的過程即調(diào)制

定義：利用調(diào)制信號去改變載波的某一參數(shù)，使其參數(shù)按調(diào)制訊號的規(guī)律發(fā)生變化的過程。從定義看出調(diào)制的含義：1)調(diào)制信號：需要調(diào)制的信息需轉(zhuǎn)化為電信號，即調(diào)制信號2)載波：為傳遞信息附加的載體。載波一般用無線電波、光波等，需要頻率較高，而且頻率固定。第一節(jié)調(diào)制的基本概念二．激光調(diào)制1.激光調(diào)制：利用激光作為載波進行調(diào)制的過程激光頻率高，可利用的帶寬很寬單色性好，發(fā)散角小3)具有較好的時間相干性和空間相干性2.調(diào)制器：完成激光調(diào)制的裝置3.調(diào)制的分類

1)內(nèi)調(diào)制：在激光形成過程中，以調(diào)制信號的規(guī)律去改變激光振蕩的某一參數(shù)。即用調(diào)制信號控制激光的形成

2)外調(diào)制：把調(diào)制器放在激光器的外面，用調(diào)制信號改變光波的參量優(yōu)點：調(diào)制效率高缺點：

a.調(diào)制帶寬受到泵浦源和諧振腔參數(shù)的限制

b.調(diào)制器放在腔內(nèi)，增加腔內(nèi)的損耗,降低了平均輸出功率1）內(nèi)調(diào)制調(diào)制泵浦功率優(yōu)點：

a.因為調(diào)制器和激光形成無關(guān),不影響激光器的輸出功率

b.調(diào)制帶寬不受諧振腔參數(shù)的限制，適于高速調(diào)制缺點：調(diào)制效率相對較低2）外調(diào)制4.1.1振幅調(diào)制(1)定義：以調(diào)制信號去改變激光的振幅，使其振幅按調(diào)制信號的規(guī)律變化調(diào)制前：

調(diào)制信號：調(diào)制后：調(diào)幅系數(shù)：

調(diào)幅波含三個不同的頻率：第一項為調(diào)制前的激光振蕩波第二項激光頻率和調(diào)制頻率之和第三項激光頻率和調(diào)制頻率之差(2)調(diào)幅波的頻譜分析4.1.2相位調(diào)制和頻率調(diào)制1.定義：以調(diào)制信號去改變激光振蕩的相位（頻率），使激光的相位（頻率）按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程稱相位（頻率）調(diào)制，統(tǒng)稱為角度調(diào)制調(diào)頻調(diào)相總相位：調(diào)頻和調(diào)相以后使總相位

(t)變化——按調(diào)制信號的規(guī)律變。因此兩者可歸為一類，兩者的差別是實現(xiàn)方法不同。

調(diào)相：

調(diào)頻：調(diào)頻系數(shù)2.頻譜調(diào)頻和調(diào)相實質(zhì)上最終都是調(diào)制總相角，因此可以寫成統(tǒng)一的形式在單頻正弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜是由光載波與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的。各邊頻之間的頻率間隔為

m，各邊頻幅度的大小由貝塞爾函數(shù)決定。4.1.3強度調(diào)制

(1)定義:以調(diào)制信號去改變激光的光強，使光強按著調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程。光強調(diào)制波的頻譜與調(diào)幅波的頻譜略有不同，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻

m和直流分量。以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩的波，稱為模擬式調(diào)制。4.1.4脈沖調(diào)制1.脈沖調(diào)制的概念在目前的光通信中，廣泛采用一種在不連續(xù)狀態(tài)下進行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（也稱為脈沖編碼調(diào)制）。它們一般是先進行電調(diào)制（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字調(diào)制），再對光載波進行光強度調(diào)制。

2.脈沖調(diào)制的類型：

脈沖調(diào)幅（PAM） 脈沖強度調(diào)制（PIM） 脈沖調(diào)頻（PFM） 脈沖調(diào)位（PPM） 脈沖調(diào)寬（PWM）

脈沖編碼調(diào)制（PCM）4.2.1電光調(diào)制器的物理基礎(chǔ)

利用晶體的電光效應(yīng)－晶體光學(xué)中已經(jīng)講過。1.自然雙折射－o光、e光2.電光效應(yīng) 如果在晶體中沿某一方向加一定電壓，則晶體的折射率要發(fā)生相應(yīng)的改變，因而晶體的雙折射特性也要改變－電光效應(yīng)電光調(diào)制：強度調(diào)制，相位調(diào)制1.KDP縱向運用，KDP，LN橫向運用2.調(diào)制器應(yīng)注意的問題第二節(jié)電光調(diào)制晶體折射率可用外加電場E的冪級數(shù)表示

E：線性電光效應(yīng)或泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)hE2：二次電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)1.電致折射率變化未加電場時的折射率橢球方程：在外加電場E下的折射率橢球方程：折射率橢球各系數(shù)的變化量：線性電光系數(shù)用矩陣表示：KDP（KH2PO4）類晶體屬于四方晶系，是負單軸晶體，這類晶體的電光張量為：在外加電場E下的折射率橢球方程：尋求一個新的坐標(biāo)系（x,y,z）,使橢球方程不含交叉項：坐標(biāo)系變換關(guān)系：KDP晶體沿z軸加電場時，由單軸晶體變成雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)了45°，稱為感應(yīng)主軸，此轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)，其折射率變化與電場成正比，這是利用電光效應(yīng)實現(xiàn)光調(diào)制、調(diào)Q、鎖模等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。2.電光相位延遲在實際應(yīng)用中，電光晶體沿著特殊方向切割，外電場沿某一主軸方向加到晶體上?？v向電光效應(yīng)：電場方向與通光方向一致。橫向電光效應(yīng)：電場方向與通光方向垂直。對KDP類晶體，取電場方向和通過方向均為

z方向。x

和y方向的電光相位延遲：相位差：半波電壓：半波電壓是表征電光晶體性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，這個電壓越小越好，特別是在高頻情況下，半波電壓小，需要的調(diào)制功率就小。半波電壓可用靜態(tài)法測出，并進一步計算出晶體的電光系數(shù)。3.光偏振態(tài)的變化假設(shè)一束線偏振光入射晶體，其沿x

方向的電場為Ex，振幅為A1，其沿y方向的電場為Ey，振幅為A2，初位相相同。在一般情況下，出射的合成振動為一個橢圓偏振光（1）當(dāng)晶體上未加電壓時，輸出線偏振光，相當(dāng)于全波片（2）V=V/4時，輸出圓偏振光，相當(dāng)于

/4波片（3）V=V/2時，輸出線偏振光，相當(dāng)于

/2波片在晶體的輸出端放置一個與入射光偏振方向相垂直的偏振器，當(dāng)晶體上所加的電壓在0~V/2間變化時，從檢偏器輸出的光只是橢圓偏振光的y向分量，因而可以把偏振態(tài)的變化（偏振調(diào)制）變換成光強度的變化（強度調(diào)制）。4.2.2電光強度調(diào)制器1.縱向電光調(diào)制器

晶體的運用方式兩種：縱向運用：加場的方向和通光的方向都沿z方向。橫向運用：加場的方向和通光方向垂直。縱向運用的結(jié)構(gòu)和原理x

-y

x

-y

先討論不含1/4波片的情況：入射光經(jīng)起偏器后，沿x方向線偏振入射晶體，分解為沿x，y方向的兩個分量用復(fù)數(shù)表示：通過晶體后：通過檢偏器的總電場強度是沿y方向的投影之和：入射光強：x

-y

輸出光強為調(diào)制器的透過率：總相位差：透過率：考慮含1/4波片的情況：非線性調(diào)制x

-y

貝塞爾展開：高頻諧波與基頻波成分的比值：此時，要獲得線性調(diào)制，應(yīng)?。簒

-y

透過率：縱向電光調(diào)制器的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射。缺點：半波電壓太高，特別在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大。2．橫向電光調(diào)制

1．KDP類的橫向運用（三種）xoz平面xoy平面Y

yoz平面現(xiàn)以KDP類的第一種運用方式為例進行討論:強度調(diào)制中，影響輸出光強的主要因素是

，入射光的偏振方向和x

軸成45°角（在xoz平面內(nèi)）由于在z向加電場，所以三個感應(yīng)主軸的折射率和縱向運用相同。由于沿y’方向通光，光在晶體中分解為沿x’和z方向振動的兩束光。e，o光的折射率:這兩束光通過晶體后的位相差為:

第一項是與外加電場無關(guān)的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲，這一項對調(diào)制器的工作沒有作用，相反，當(dāng)晶體溫度變化時會增加附加的相位差，造成

隨溫度變化，工作不穩(wěn)定，必須消除這種影響。第二項是外加電場作用產(chǎn)生的位相差。不僅與V有關(guān)，而且與晶體的尺寸L/d有關(guān)，合理選擇晶體的尺寸增大L/d

，則可降低晶體的半波電壓V/2。橫向運用的最大優(yōu)點是半波電壓比縱向運用低得多，在實際應(yīng)用中，主要采用一種”組合調(diào)制器“的結(jié)構(gòu)予以補償。4.2.3電光相位調(diào)制器

相位調(diào)制即是用調(diào)制信號的規(guī)律來改變激光振蕩的相位角。由起偏器和KDP電光晶體組成，起偏器的偏振軸平行于晶體的感應(yīng)主軸x

，電場沿z方向加到晶體上，入射晶體的線偏振光不再分解，沿x

軸一個方向偏振，外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位。相位調(diào)制器的結(jié)構(gòu)x軸折射率為：輸出電場（z=L處）：外加電場略去常數(shù)項：相位調(diào)制系數(shù)：4.2.4．電光波導(dǎo)調(diào)制器

1.體調(diào)制器：前面講的各種電光調(diào)制器，具有較大體積尺寸的分離器件。 特點：幾乎整個晶體材料都受到外加電場的作用，需要較強的電場（缺點）

2.光波導(dǎo)調(diào)制器：

(1)定義：把激光器、調(diào)制器、探測器等有源器件“集成”在同一襯底上，并通過波導(dǎo)、耦合器等無源元件連 接起來，構(gòu)成一個完整的微型光學(xué)系統(tǒng)。

(2)分類：

光波導(dǎo)調(diào)制器的特點：

a.加電場的區(qū)域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量級。驅(qū)動功率比體調(diào)制器小1-2個數(shù)量級。材料的要求：至少有一 種滿足調(diào)制器的要求，材料有確定的相對固定的折射率。

b.利用電光、聲光控制時，折射率的變化，使兩傳播模間有一相位差。與體調(diào)制器不同的地方：由于外場的作用導(dǎo)致波導(dǎo)中本征模（如TE模和TM模）傳播特性的變化以及兩 不同模式之間的耦合轉(zhuǎn)換（模耦合調(diào)制）。2.電光波導(dǎo)調(diào)制器的調(diào)制原理參考：A.Yariv,QuantumElectronics,2rdedition,JohnWilly&Sons模振幅傳播常數(shù)模耦合系數(shù)通常可簡化：如果波導(dǎo)中電光材料均勻，加電場均勻。TE，TM完全限制在波導(dǎo)薄膜層中，階次相同，m=l，這時積分取極大值。這時，TE模和TM模的場分布幾乎相同，僅電矢量的方向不同。且如果相位匹配，則要獲得完全的TE

TM功率轉(zhuǎn)換，必須滿足：無轉(zhuǎn)換時：

波導(dǎo)調(diào)制器的輸出光強(TM)與輸入光強之比為：d-波導(dǎo)薄膜厚度

I/I02.電光波導(dǎo)相位調(diào)制

設(shè)傳播的波為TM波，電場方向Ez，相位變化：

對于電光波導(dǎo)相位調(diào)制，不存在不同模之間的互耦合。自學(xué)：yy的確定3.電光波導(dǎo)強度調(diào)制

在LiNbO3晶體作為波導(dǎo)基片的沉底上，用射頻濺射刻蝕法制造Ti擴散分叉條狀波導(dǎo)，條狀波導(dǎo)中間和兩側(cè)制作表面電極。兩個分路的光在電光效應(yīng)區(qū)受到相位調(diào)制，它們再相遇時，兩個線偏光相干合成而實現(xiàn)強度調(diào)制。相位差為：提高調(diào)制深度及減小插入損耗的措施：1、張角不宜太大2、單模設(shè)計3、結(jié)構(gòu)設(shè)計上嚴(yán)格對稱4.2.5.電光偏轉(zhuǎn)應(yīng)用：激光顯示、傳真和光存儲實現(xiàn)方式：機械轉(zhuǎn)鏡、電光效應(yīng)和聲光效應(yīng)偏轉(zhuǎn)類型：模擬偏轉(zhuǎn)、數(shù)字偏轉(zhuǎn)1.電光偏轉(zhuǎn)原理電光偏轉(zhuǎn)利用電光效應(yīng)來改變光束在空間的傳播方向如果晶體的折射率是坐標(biāo)的線性函數(shù)A線和B線通過晶體所需時間A線相對B線落后距離雙KDP楔形棱鏡偏轉(zhuǎn)器由兩塊KDP直角棱鏡組成，兩塊晶體的z軸反向平行，電場沿z軸方向，光線沿y

方向傳播且沿x方向偏振。上部的A線完全在上棱鏡中傳播，“經(jīng)歷”折射率為