电光调制器

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
M-Z 干涉仪式调制器

在MZ干涉仪型强度调制器中，为了提高其调制深度及降低插 入损耗，必须采取以下措施：
① 分支张角不宜太大（一般为1左右），因为张角越大， 辐射损耗越大。


② 波导必须设计成单模，防止高阶模被激励。

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。
电光效应

泡克耳斯效应：
一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致） 作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应。 不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，光不能通过 检偏器。加电场后，晶体产生双折射，有光通过检偏器。 大多数压电晶体都能产生泡克耳斯效应。泡克耳斯效应与 克尔效应一样常用于光闸、激光器的 Q 开关和光波调制等。
M-Z 干涉仪式调制器

在 M-Z 干涉仪式调制器中，调制带宽受到光波速度和电微波 或毫米波速度之差、电极特征阻抗和电极传播损耗的限制，尤其 是光波和电毫米波之间的速度匹配和微波衰减是影响行波调制器 性能的两个关键问题。目前可通过对行波电极构形的设计来解决 这两个问题。如采用 Z 切不对称条状线（ASL）电极构形可比其 它电极构形有更好的阻抗匹配，从而减小损耗；或采用 Z 切共 面波导（CPW）电极，可获得更低的驱动功率，也可提供较好的 阻抗匹配。


电光调制

电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生 变化的电光效应而进行工作的。

根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同 , 可分为纵向调制和横向调制。
纵向电光调制：电场方向与光的传播方向平行。 横向电光调制：电场方向与光的传播方向垂直。

电光调制
由于纵向调制电光器件需要透明电极，器件工艺复杂、加工成 本大，因此常用的电光器件大多采用横向调制设计。
n n0 aE bE2 ...
线性电光效应 （Pockels效应） 二次电光效应 （Kerr效应）
或
n n n0 aE bE2 ...
电光效应
折射率椭球 在晶体未加外电场时，主轴坐标系中 折射率椭球的方程为：
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 n1 n2 n3
M-Z 干涉仪式调制器

M-Z 干涉仪式调制器结构：输入光波经过一段光路后在一个 Y分支处， 被分成相等的两束，分别通过两个光波导传输，光波导是由电光材料 制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达 第二个 Y 分支处产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，两 束光相干加强；若两束光的光程差是波长的 1/2，两束光相干抵消， 调制器输出很小。因此通过控制电压就能对光信号进行调制。
纵向电光调制器

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。 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） 。

纵向电光调制器

改变工作点的常用方法： 一是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。 二是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 度角，从而使 Ex’和Ey’二分量间产生π/2的固定相位差。为了获得线 性调制，要求调制信号不宜过大 (小信号调制 ) ，那么输出的强调制波就 是调制信号的线性复现。

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： 采用单一晶体、成本廉价、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、光脉冲前沿和后沿产 生大的波长漂移；适用于短距离、低速率的传统系统。
电光调制的主要方式


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； 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。
电光效应

克尔效应：
玻璃板在强电场作用下具有双折射性质，称克尔效应。内盛某 种液体的玻璃盒子称为克尔盒，盒内装有平行板电容器，加电压 后产生横向电场。无电场时液体为各向同性，光不能通过。存在 电场时液体具有了单轴晶体的性质，光轴沿电场方向，此时有光 通过。液体在电场作用下产生极化，这是产生双折射性的原因。 电场的极化作用非常迅速，撤去电场后在同样短的时间内重新变 为各向同性。克尔效应的这种瞬时反应的性质可用来制造几乎无 惯性的光的开关—光闸，在高速摄影、光速测量和激光技术中获 得了重要应用。


横向电光调制器

T与V的关系是非线性的，若 工作点选择不适合，会使输 V 出信号发生畸变。但 在 2 附近有一近似直线部分，这 一直线部分称作线性工作区。 为了获得线性调制，可以通 过引入一个固定的π/2相位 延迟，使调制器的电压偏置 在T=50%的工作点上。

横向电光调制器

优点： 半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。 缺点： 存在自然双折射引起的相位延迟，这意味着在没有外加电场时， 通过晶体的线偏振光的两偏振分量之间就有相位差存在，当晶体因 温度变化而引起折射率的变化时，两光波的相位差发生漂移。 在KDP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，在实际应用中，除了尽量采取 一些措施(如散热、恒温等 )以减小晶体温度的漂移之外，主要是采 用一种“组合调制器”的结构予以补偿。


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 一个方向偏振，外电场不改变出射光的偏振态，仅改变相位。
体型电光调制器

小功率体型电光调制器是将电光晶体置于起偏器和检偏器之间， 起偏器和检偏器的偏振方向互相垂直。电光晶体经过特殊切割并在 其上下两面制作一对电极。当不施加电场时，入射线偏振光通过晶 体偏振方向不发生改变，这时输出光强是零。当施加电场以后，由 于电场作用，晶体的折射率椭球发生改变，入射线偏振光经过晶体 后偏振方向发生旋转，输出光强不为零，这样实现了输出光强的电 光调制。

电光调制又有调相和调幅之分。 电光调相：不改变输出光的偏振态，只改变其相位。 电光调幅：是借助于晶体的电光效应，使光束的偏振态从线偏振 光变为椭圆偏振光，再通过检偏器转变为光的强度调制。 根据电光调制器器件结构的不同，可以分成体型电光调制器和 波导传输型电光调制器。

电光调制的主要方式
直接调试：
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。
波导电光调制器
波导电光相位调制器

波导电光调制器也是利用晶体介质的泡克耳斯效应使介质的介电 张量产生微小的变化来产生相差，但由于波导调制器基本上只是对很 小的包膜区施加外电场，将场限制在薄膜区附近，因此它需要的驱动 功率比体调制器要小一到两个数量级。具体到波导电光调制器来说， 为了利用最大的电光系数，常常使外加电场取 z 向，为避免双折射 效应，光波的偏振方向与外加电场一致，这样不会出现非对角的张量 变化，当工作模式设计为单模传输，可以不考虑模式间的耦合问题。
体型电光调制器

这种调制器几乎是整个晶体材料都要受到外加电 场的作用，因此必须施加很强的外电场才能改变整个 晶体的光学特性，达到调制晶体中光波的目的。所以 这种调制器的缺点是调制电压比较高（几百伏甚至上 千伏），因为目前电光晶体的电光系数都比较小，因 而要在传播方向上实现偏振面90°的旋转需要施加很 高的电压，所以目前很少使用这种类型的调制器。
纵向电光强度调制（电光晶体KDP、通光方向与电场方向一致）

电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间。 P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，P2的偏振方向平行于y轴。 当沿晶体 z轴方向加电场后，x和y轴旋转45°变为感应主轴x’和y’。
因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶 体后被分解为沿x’和y’方向的两个分量，它们的振幅和相位都相等。
电光调制器
C
ONTENTS