第五章光调制技术光信息系统的信号加载与控制e纵向横向电光效应20131122.pptx

因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差相位差式中的 V=Ez L 是沿 Z 轴加的电压；当电光晶体和通光波长确定后，相相位位差差的的变变化化仅仅取取决决于于外外加加电电压压，即只要改变电压，就能使相位成比例地变化。1当光波的两个垂直分量Ex,Ey 的光光程程差差为为半半个个波波长长(相应的相位差为)时所需要加的电压，称为“半波电压”，通常以 表示。由(1.2-19)式得到半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，这个电压越小越好，特别是在宽频带高频率情况下，半波电压半波电压小，需要的调制功率就小小，需要的调制功率就小。半波电压通常可用静态法(加直流电压)测出，再利用(1.2-20)式就可计算出电光系数 值。下表 为 KDP型(42m晶类)晶体的半波电压和电光系数（波长0.55um）的关系。2表1-2-1 KDP型(42m晶类)晶体的半波电压和 (波长0.5um)3 根据上述分析可知，两个偏振分量间的差异，会使一一个个分分量量相相对对于于另另一一个个分分量量有有一一个个相相位位差差（），而这个相相位位差差作作用用就就会会(类类似似于于波波片片）改改变变出出射射光光束束的的偏偏振振态态。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：这里我们有了一个与与外外加加电电压压成成正正比比变变化化的相相位位延延迟迟晶晶体体(相当于一个可可调调的的偏偏振振态态变变换换器器)，因此，就可能用电学方法将入射光波的偏振态变换成所需要的偏振态将入射光波的偏振态变换成所需要的偏振态3.光偏振态的变化光偏振态的变化4让我们先考察几种特定情况下的偏振态变化。这是一个直线方程，说明通过晶体后的合成光仍然是线偏振光，且与入射光的偏振方向一致与入射光的偏振方向一致，这种情况相当于一个“全波片”的作用。(1)当晶体上未加电场时，则上面的方程简化为：xxyyE5(2)当晶体上所加电场（）使 时，(1.2-21)式可简化为 这是一个正正椭椭圆圆方程，当A1=A2（？）时，其合成光就变成一个圆偏振光，相当于一个“1/4波波片片”的作用。6上式说明合成光又变成线偏振光，但偏偏振振方方向向相相对对于于入入射射光光旋旋转转了了一一个个2角角(若=450，即旋转了900，沿沿着着y方方向向),晶体起到一个“半波片半波片”的作用。(3)当外加电场V/2使=(2n+1),(1.2-21)式可简化为xxyyE7综上所述，设一束线偏振光线偏振光垂直于xy平面入射，且(电矢量E)沿沿X轴方向振动轴方向振动，它刚进入晶体（Z=0）即分解为相互垂直的 x,y 两个偏振分量，经过距离L后 分量为：8 在晶体的出射面(zL)处，两个分量间的相位差相位差可由上两式中指数的差指数的差得到(x 分量比y分量的大）1.2-25y分量为：1.2-261.2-27注意：c/c=2/9某一时刻、的变化曲线及相应的光场矢量变化情形 分析分析 0 Pi Pi、2 图1.2-4示出了某瞬间 和 两个分量(为便于观察，将两垂直分量分开画出)，也示出了沿着路径上不同点处光场矢量的顶端扫描的轨迹，在z0处(a)，相位差 ，光场矢量是沿X方向的线偏振光；在e点处，则合成光场矢量变为一顺时针旋转的圆偏振光；在i点处，则合成光矢量变为沿着Y方向的线偏振光方向的线偏振光，相对于入射偏振光旋转了入射偏振光旋转了90o。如果在晶体的输出端放置一个与入射光偏振方向相垂直的偏振器，当晶体上所加的电压在0 间变化间变化时。从检偏器输出的光只是椭圆偏振光的椭圆偏振光的Y向分量向分量，因而可以把把偏振态的变化变换成光强度的变化偏振态的变化变换成光强度的变化(强度调制强度调制)。112 纵向电光强度调制纵向电光强度调制图图5-8 纵向电光强度调制器纵向电光强度调制器 1.纵向电光调制纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）电光晶体电光晶体(KDP)置于两个成置于两个成正交的偏振器之间正交的偏振器之间，其中起偏器，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器轴，检偏器P2的偏振方向平行于的偏振方向平行于y轴，当沿晶体轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转轴方向加电场后，它们将旋转45o变为感应主轴变为感应主轴x,y。因此，沿。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为轴入射的光束经起偏器变为平行于平行于x轴的线偏振轴的线偏振光，进入晶体后光，进入晶体后(z=0)被分解为沿被分解为沿x和和y方向的两个分量方向的两个分量，两个振，两个振幅幅(等于入射光振幅的等于入射光振幅的1/）和）和相位都相等相位都相等分别为：分别为：13二、电光强度调制电光强度调制 或采用复数表示复数表示，即 E x(0)=A E y(0)=A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，由于电光效应电光效应，E x和E y二分量间就产生了一个相位差 ，则 E x（L）=A E y（L）=Aexp(-i )(1.2-28)E x=Acosc tE y=Acosc t14那么，通过检偏器后的总电场强度是E x(L)和E y（L）在y方向方向的投影之和，即 yYxX45o45o后一步考虑了(1.219)式和(1.220)式的关系（见下页）。(1.2-29)与之相应的输出光强为：(1.2-30)将出射光强与入射光强相比(1.2-29)公式/(1.2-28)公式得：注意公式：15上一讲的(1.219)式和(1.220)式如下：(1.2-30)式中的T称为调制器的透过率。根据上述关系可以画出光强调制光强调制特性曲线,如图1.2-6所示。V和V/2 是一回事。16第 5 章 晶体的感应双折射 图 5-9 透过率与外加电压关系图 由图可见，在一般情况下一般情况下,调制器的输出特性与外加电压外加电压的关系是非线性的非线性的。但是但是 A点附近点附近第 5 章 晶体的感应双折射 如果外加电压是正弦信号正弦信号 则透过率为 该式说明，一般的输出调制信号不是正弦信号，它们发一般的输出调制信号不是正弦信号，它们发生了生了畸变畸变，如图 5-9 中曲线 3 所示。其一，在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个 V/4 的固定偏压固定偏压，但此法会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。其二，在调制器的光路上插入一光路上插入一个个14波片波片(1.2-5图)其快慢轴与晶体主轴其快慢轴与晶体主轴x成成45o 角角(?)，从而使E x和E y二分量间产生产生 /2 的固定相位差的固定相位差。19由图可见，在一般情况下一般情况下,调制器的输出特性与外加电压外加电压的关系是非线性的非线性的。但是但是 A点附近点附近第 5 章 晶体的感应双折射 如果在光路中插插入入1/4波波片片，则光通过调制器后的总相位差是(/2+j)，因此第 5 章 晶体的感应双折射 工作点由工作点由O移到移到A点点。在弱信号调制时，VV/2，上式可近似表示为 可见，当当插插入入 1/4 波波片片后后，一一个个小小的的正正弦弦调调制制电电压压将将引引起起透透射射光光强强在在50%透透射射点点附附近近作作正正弦弦变变化化，如图 5-9 中的曲线 4 所示。所以为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出的光强调制波就是调制信号V=Vm sinmt 的线性复现线性复现。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自然双折射的影响等优点。其缺点缺点是半波电半波电压太高压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。22使用电光调制器的光通信线路使用电光调制器的光通信线路 2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）物理光学已经讲过，横向电光效应可以分为三种不同物理光学已经讲过，横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：的运用方式：(1)沿沿z轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于z轴轴，并与，并与x或或y 轴轴成成45o夹角夹角 (2)沿沿x方向加电场方向加电场(即电场方向垂直于即电场方向垂直于x光袖光袖)，通光方向，通光方向 垂直于垂直于x轴轴。(3)沿沿y轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于y轴。轴。以下仅以以下仅以KDP类晶体为代表讲述第一种运用方式。类晶体为代表讲述第一种运用方式。24横向电光调制如图横向电光调制如图1.2-7所示。因为外加电场是沿所示。因为外加电场是沿z轴方向，轴方向，因此和纵向运用时一样，因此和纵向运用时一样，Ex=Ey=0,Ez=E，晶体的主轴晶体的主轴 x,y 旋转旋转45o 至至 x，y,相应的三个主折射率如前面相应的三个主折射率如前面(1.2-17)式所式所示示:-x25但此时的通光方向与但此时的通光方向与z轴相垂直轴相垂直，并，并沿着沿着y方向入射方向入射(入射入射光偏振方向与光偏振方向与z袖成袖成450角角)，进入晶体后将，进入晶体后将分解为沿分解为沿x和和z方向振动的两个分量方向振动的两个分量，其折射率分别为，其折射率分别为nx和和nz；若通光方；若通光方向的晶体长度为向的晶体长度为L，厚度，厚度(两电极间距离两电极间距离)为为d，外加电压，外加电压VEzd，则从晶体出射两光波的相位差，则从晶体出射两光波的相位差(1.2-36)26 由此可知，由此可知，KDP晶体的晶体的63 横向电光效应使光波通过晶横向电光效应使光波通过晶体后的体后的相位差包括两项相位差包括两项：第一项是与外加电场无关的晶体本身的第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射自然双折射引起引起的相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而的相位延迟，这一项对调制器的工作没有什么贡献，而且当晶体且当晶体温度变化时温度变化时，还，还会带来不利的影响会带来不利的影响，因此应设，因此应设法消除法消除(补偿补偿)掉；掉；第二项是第二项是外加电场作用产生的相位延迟外加电场作用产生的相位延迟，它与，它与外加电压外加电压V和和晶体的尺寸晶体的尺寸(Ld)有关有关，若适当地选择晶体尺，若适当地选择晶体尺寸，则寸，则可以可以降低其半波电压降低其半波电压。2728 KDP晶体横向电光调制的主要晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折缺点是存在自然双折射引起的相位延迟射引起的相位延迟，这意味着在，这意味着在没有外加电场时没有外加电场时，通过，通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体因晶体因温度变化而引起折射率温度变化而引起折射率n0和和ne的变化的变化时，两光波时，两光波的的相位差发生漂移相位差发生漂移。在在KDP晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导晶体横向调制器中，自然双折射的影响会导致调制光发生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在致调制光发生畸变。甚至使调制器不能工作。所以，在实际应用中，除了尽量采取一些措施实际应用中，除了尽量采取一些措施(如散热、恒温等如散热、恒温等)以以减小晶体温度的漂移之外减小晶体温度的漂移之外，主要是采用一种，主要是采用一种“组合组合调制器调制器”的结构予以的结构予以衬偿衬偿。常用的补偿方法有两种：。常用的补偿方法有两种：一种方法是，将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的一种方法是，将两块几何尺寸几乎完全相同的晶体的光光轴（轴（z轴）相互成轴）相互成90o串接串接排列，排列，29即一块晶体的即一块晶体的y和和z轴分别与另一轴分别与另一块晶体的块晶体的z轴和轴和y轴平行轴平行(见图见图1.2-8(a)。另一种方法是，两块晶体。另一种方法是，两块晶体的的z轴和轴和y轴互相轴互相反向平行反向平行排列排列,中中间放置一块间放置一块12 波片波片(见图见图1.2-8(b)。这两种方法的补偿原理是。这两种方法的补偿原理是相同的。外电场沿相同的。外电场沿z轴轴(光轴光轴)方向，方向，但在两块晶体中电场相对于光轴但在两块晶体中电场相对于光轴反向，反向，30当 时，半波电压为 其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以 可见，横向半波电压是纵向半波电压的横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍倍。减小d，增加长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两必须用两块晶体块晶体，所以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。314 相位调制相位调制 图示的是一电光相位调制的原理图，它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不再分解成沿x、y两个分量两个分量，而是沿着x(或y)轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化的变化为 说明通过外加调制电压可以实现位相调制说明通过外加调制电压可以实现位相调制。6 电光偏转器件电光偏转器件光楔偏转光楔就是利用介质几何形状引起光偏转的。其偏转角 光楔偏转原理 KDP电光晶体偏转器.KDP电光晶体偏转器电光晶体偏转器 将KDP晶体研磨成两块直角棱镜，然后把它们沿斜面胶合在一起，光束偏转角与外加电压与外加电压V成线性比例关系，成线性比例关系，通过调节通过调节V可使光束发生连续偏转可使光束发生连续偏转。KDP电光晶体偏转器组 m=5 KDP电光晶体偏转器组 随着对数m的增加，偏转角随之增大，实现了有效的电光偏转有效的电光偏转。38 附录附录经过12波片后，两束光的偏振方向各旋转波片后，两束光的偏振方向各旋转90。，经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2 光,o1光变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差于是，通过两块晶体之后的总相位差 (1.2-37)因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然双则自然双折射的影响即可得到补偿。折射的影响即可得到补偿。39因为光波只沿x方向偏振，相应的折射率为 。若 外加电场是 ,在晶体入射面(z0)处的光场 ，则输出光场(zL处)就变为略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式可写成 (1239)式中 称为相位调制系数40因此，调制的透过率可表示为 （1.2-31)利用贝塞尔函数恒等式将上式 展开，得 （1.2-32)由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使调制光发生畸变。为了获得线性调制，必须将高次41谐波控制在允许的范围内。设基频波和高次谐波的幅值分别为I1和I2n+1,则高次谐波与基频波成分的比值为 (1.2-33)若取 1rad，则J1(1)=0.44,J3(1)=0.02,所以I3/I 1=0.045，即三次谐波为基波的4.5%。在这个范围内可以获得近似线性调制，因而取 (1.2-34)作为线性调制的判据。此时 代入（1.2-32)式得 (1.2-35)42