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第二章光调制2022/10/121本讲稿第一页，共二十九页载波调制信息振幅调制2022/10/122本讲稿第二页，共二十九页o 光辐射的现代调制方法：光辐射的现代调制方法：n按调制是在按调制是在光源内光源内发生还是发生还是光源外光源外进行分：进行分：内调制内调制和和外调制外调制n内调制内调制：将欲传输的信号直接加载于光源，以改：将欲传输的信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制；变光源的输出特性来实现调制；例：对半导体激光器的驱动电源用调制信号直例：对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制，实现对所发射激光强度的调制；接控制，实现对所发射激光强度的调制；又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输的又如：把调制元件放在谐振腔内，用欲传输的信号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔信号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔参数，从而调制激光输出。参数，从而调制激光输出。2022/10/123本讲稿第三页，共二十九页n外调制：外调制：在光源外的光路上放置调制器，将欲传输在光源外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加载于调制器，透过光的物理性质将发的信号加载于调制器，透过光的物理性质将发生变化，实现调制。生变化，实现调制。o电光调制电光调制o声光调制声光调制o磁光调制磁光调制o热光效应热光效应n激光外调制激光外调制o体调制体调制o光波导调制光波导调制n光调制光调制o光调制：改变光强或频率光调制：改变光强或频率o光偏转：改变光的方向光偏转：改变光的方向 2022/10/124本讲稿第四页，共二十九页2.1 2.1 机械调制机械调制o 常用方法：机电振子、旋转调光盘等常用方法：机电振子、旋转调光盘等o 用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。MtNMtN2022/10/125本讲稿第五页，共二十九页利用电磁感应的机械调制利用电磁感应的机械调制调制的波形与激磁电流的波形和强度、光束和挡片调制的波形与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。的相对形状和大小有关。调制线光源调制线光源1:1:线光源线光源2:2:圆筒圆筒3:3:狭缝狭缝4:4:缝隙光阑缝隙光阑o 优点：容易实现，不受波优点：容易实现，不受波 长限制等长限制等o 缺点：难进行高频调制、缺点：难进行高频调制、体积较大等体积较大等2022/10/126本讲稿第六页，共二十九页2.2 2.2 电光调制电光调制o电光调制电光调制就是利用就是利用电光效应电光效应将电信号调制到传将电信号调制到传输的光载波上，进而实现光学控制。输的光载波上，进而实现光学控制。o晶体的电光效应可实现对晶体中传播光波的调晶体的电光效应可实现对晶体中传播光波的调制，有制，有相位调制、相位调制、强度调制强度调制和和脉冲调制脉冲调制等。等。o在实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的在实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的某些某些特殊方向特殊方向切割而成的；切割而成的；o电光效应在实际应用中通常有两种方式，电光效应在实际应用中通常有两种方式，即：即：纵向纵向与与横向横向电光效应；电光效应；2022/10/127本讲稿第七页，共二十九页一、一、电光效应电光效应o晶体的折射率因外加电场而改变的现象称为晶体的折射率因外加电场而改变的现象称为电光效应电光效应。各向同性介质各向同性介质外加强电场外加强电场双折射现象双折射现象双折射晶体双折射晶体双折射性质变化双折射性质变化e e光光晶体的截面晶体的截面O O光光单色自然光单色自然光2022/10/128本讲稿第八页，共二十九页 通常材料的介电常量通常材料的介电常量 与外电场无关，但当外加电与外电场无关，但当外加电场较强时，介电常量便有微小的变化，从而引起折射场较强时，介电常量便有微小的变化，从而引起折射率变化：率变化：、为常量常量线性电光效应，或线性电光效应，或Pockels效效应（应（KDP、LiNbO3）二次电光效应，或二次电光效应，或Kerr效应效应（BaTiO3、硝基苯液体）、硝基苯液体）、k由介质本身的性质决定，取决于晶体本身的结构和对称性。现在讨论现在讨论线性电光效应线性电光效应 2022/10/129本讲稿第九页，共二十九页 在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述晶体在晶体的介电坐标系中，无外加电场时，描述晶体光学性质的折射率椭球方程为光学性质的折射率椭球方程为 其中下标其中下标1，2，3分别表示坐标分别表示坐标 x、y、z。当当晶晶体体施施加加任任意意电电场场时时，晶晶体体的的折折射射率率发发生生变变化化，可可以以把把电电场场对对晶晶体体的的这这种种作作用用归归结结为为折折射射率率椭椭球球系系数数的的改改变变。因因此此，当当有有电电场场存存在在时时，折折射射率率椭椭球球在在介介电电主轴座标系中的方程为主轴座标系中的方程为其中其中是对称二阶张量是对称二阶张量 2022/10/1210本讲稿第十页，共二十九页采用下采用下标简标简化形式以化形式以 表示表示，则则的下的下标为标为 11，22，33，23(32)，31(13)，12(21)1,2,3,4,5,6有有6个独立的分量。个独立的分量。无无电场时电场时，于是，于是2022/10/1211本讲稿第十一页，共二十九页施加施加电场时电场时，折射率，折射率椭椭球系数的改球系数的改变变量量与外加与外加电场电场成正比，即成正比，即 其中其中称称为电为电光系数光系数张张量，共有量，共有18个元素，个元素，可表示可表示为为6 3 的矩的矩阵阵。2022/10/1212本讲稿第十二页，共二十九页 由于电光晶体的对称性使电光系数减少，由于电光晶体的对称性使电光系数减少，具有对具有对称中心的晶体，其电光系数都为零，故这种晶体不产称中心的晶体，其电光系数都为零，故这种晶体不产生线性电光效应生线性电光效应；在没有对称中心的在没有对称中心的21个点群中，有个点群中，有20个点群具有线性电光系数个点群具有线性电光系数。常用的电光晶体的电光系数值，可查阅有关常用的电光晶体的电光系数值，可查阅有关书籍和技术手册，当掌握了电光系数后，可由上书籍和技术手册，当掌握了电光系数后，可由上式解出式解出 对电场的依赖关系，最后代入折射率椭对电场的依赖关系，最后代入折射率椭球方程式。球方程式。2022/10/1213本讲稿第十三页，共二十九页 KDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应o常用的电光晶体是一些各向异性的光学晶体，如磷常用的电光晶体是一些各向异性的光学晶体，如磷酸二氢钾酸二氢钾 ，磷酸二氘钾磷酸二氘钾 ，磷酸二氢氨磷酸二氢氨 ，铌酸锂，铌酸锂 (记为记为 )等。以下结合等。以下结合 加以加以说明。说明。o 为单轴晶体，属立方晶系的点群。有为单轴晶体，属立方晶系的点群。有 ，。Zxy光轴光轴:晶体中有一个方向，光沿这个方向晶体中有一个方向，光沿这个方向传播不发生双折射，这个方向叫做光传播不发生双折射，这个方向叫做光轴。轴。2022/10/1214本讲稿第十四页，共二十九页o如果如果沿晶体光轴方向加电场沿晶体光轴方向加电场，由于，由于 ，而而 ，可以得到在介电主轴坐标系中的折，可以得到在介电主轴坐标系中的折射率椭球方程为射率椭球方程为 1.KDP的纵向电光效应的纵向电光效应纵向电光效应 2022/10/1215本讲稿第十五页，共二十九页式中式中是电光系数的矩阵元。为消除上式中的交叉是电光系数的矩阵元。为消除上式中的交叉项，使得在新的折射率感应主轴坐标系下成项，使得在新的折射率感应主轴坐标系下成为正椭圆，需进行图为正椭圆，需进行图1所示的变换，即所示的变换，即和（和（）（）绕）绕轴逆时针旋转了轴逆时针旋转了45角。角。图图.沿沿KDP晶体光轴方向加电时，在垂直晶体光轴方向加电时，在垂直光轴的平面内折射率主轴发生旋转光轴的平面内折射率主轴发生旋转2022/10/1216本讲稿第十六页，共二十九页在新的感应折射率主轴座标系在新的感应折射率主轴座标系下，下，折射率椭球方程变为折射率椭球方程变为三个感应主轴的折射率分别为三个感应主轴的折射率分别为沿光轴加电场后，沿光轴加电场后，xoy截面由圆变为截面由圆变为椭圆椭圆沿沿x方向偏振的方向偏振的传播传播速度加大，速度加大，沿沿y方向方向偏振的偏振的传播速度减小。传播速度减小。xyxy2022/10/1217本讲稿第十七页，共二十九页oKDP晶体沿晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了轴旋转了450角，此角，此转角与外加电场的大小无关。转角与外加电场的大小无关。2022/10/1218本讲稿第十八页，共二十九页2.KDP的横向电光效应的横向电光效应o若若入射光方向与施加电场方向相垂直的入射光方向与施加电场方向相垂直的电光效应称电光效应称为横向电光效应。电场可以沿晶体的任一介电主轴为横向电光效应。电场可以沿晶体的任一介电主轴（x、y或或z轴）加于晶体。例如，电场沿轴）加于晶体。例如，电场沿z方向施加，方向施加，光沿光沿x轴方向入射，如图所示。轴方向入射，如图所示。ZxyV入射光的偏振方向垂直于入射偏振光调制光2022/10/1219本讲稿第十九页，共二十九页o横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受温度横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差，易受温度影响。采用组合调制器进行补偿。影响。采用组合调制器进行补偿。o因外加电场仍沿因外加电场仍沿z轴，与纵向运用时一样，晶体的主轴轴，与纵向运用时一样，晶体的主轴x和和y旋转旋转45o。o但此时通光方向与但此时通光方向与z垂直，沿垂直，沿x方向入射，方向入射，且入射光偏振方且入射光偏振方向与向与z成成45o，进入晶体后将分解为沿进入晶体后将分解为沿y和和z方向振动的两个方向振动的两个分量，分量，ZxyV调制光2022/10/1220本讲稿第二十页，共二十九页二、电光相位调制二、电光相位调制o以以外加电场平行于光轴的外加电场平行于光轴的KDP晶体为例晶体为例，一束线偏，一束线偏振光沿振光沿z轴方向入射晶体，且轴方向入射晶体，且E矢量沿矢量沿 x方向，进入方向，进入晶体后分解为沿晶体后分解为沿x和和y方向的两个垂直偏振分量。方向的两个垂直偏振分量。o光波沿光波沿z方向传播距离方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为后，两偏振光之间的相位差为 完全由电光效应完全由电光效应(纵向纵向)引起引起电光相位延迟电光相位延迟。2022/10/1221本讲稿第二十一页，共二十九页电光相位延迟电光相位延迟xyzExEyxyxyOxyxyo当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时（相位当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时（相位差为差为）所加的电压称）所加的电压称为半波电压为半波电压，bacdefghi2022/10/1222本讲稿第二十二页，共二十九页o进行纵向电光效应的实验装置如图所示，它由一对平行偏振器进行纵向电光效应的实验装置如图所示，它由一对平行偏振器和一块晶体组成。和一块晶体组成。1.纵向电光强度调制纵向电光强度调制三、电光强度调制三、电光强度调制2022/10/1223本讲稿第二十三页，共二十九页其中其中为检为检偏器的最大偏器的最大输输出光出光强强。的函数。的函数。时时，光，光强强有最大有最大值值当当时时，出，出现现消光消光现现象。象。显显然，然，检检偏器的偏器的输输出光出光强强是是电压电压当当 可见出射光强随外加电压而变，如果把信号加在晶体上，输出光强就随信号而变，就为信号所调制。2022/10/1224本讲稿第二十四页，共二十九页I 输出V 输入 下图画出了 曲线的一部分以及光强调制的情形。o由于调制器的工作点在透射曲线的非线性区，故输出光信号由于调制器的工作点在透射曲线的非线性区，故输出光信号失真，光信号的频率为调制信号的两倍。为了获得线性调制，失真，光信号的频率为调制信号的两倍。为了获得线性调制，可引入一个固定的可引入一个固定的/2/2相位延迟，常在调制器的光路中插相位延迟，常在调制器的光路中插入一个入一个/4/4波片。波片。2022/10/1225本讲稿第二十五页，共二十九页 I/I0-V曲线曲线o为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压偏压 来完成。（插入来完成。（插入1/41/4波片）波片）2022/10/1226本讲稿第二十六页，共二十九页 由于检偏器的输出光强是晶体上电压的函数，只要由于检偏器的输出光强是晶体上电压的函数，只要将电信号加载到晶体上，那么就能用电信号调制光信号，将电信号加载到晶体上，那么就能用电信号调制光信号，故电光调制可以实现模拟信号和低频数字信号的光传输。故电光调制可以实现模拟信号和低频数字信号的光传输。o优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响；影响；o缺点：半波电压太高，特别在调制频率太高时，功缺点：半波电压太高，特别在调制频率太高时，功耗较大。耗较大。2022/10/1227本讲稿第二十七页，共二十九页纵向调制纵向调制 1 m，V=9.7kvzyx入射光入射光V入射光入射光入射光入射光xzyV入射光入射光横向调制横向调制V 可为伏量级可为伏量级2、横向电光强度调制、横向电光强度调制缺点：存在自然双折射引起的相位差，易受温度环境影缺点：存在自然双折射引起的相位差，易受温度环境影 响，导致调制光发生畸变。响，导致调制光发生畸变。2022/10/1228本讲稿第二十八页，共二十九页第2章 要求1.什么是光辐射的调制？什么是光辐射的调制？2.光辐射的调制有哪些方法？如何分类？光辐射的调制有哪些方法？如何分类？3.何谓电光效应？分为哪几种？何谓电光效应？分为哪几种？4.以以KDP为例，简述为例，简述(横向、纵向横向、纵向)电光电光(强度、强度、相位相位)调制的原理。调制的原理。2022/10/1229本讲稿第二十九页，共二十九页