文档介绍：——光调制原理与技术杨军哈尔滨工程大学理学院2007年9月234光调制的基本概念1、光调制:通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参数,使传播的光波携带信息的过程。2、调制的目的:对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换,使之便于处理、传输和检测。3、光调制的分类:按调制位置是在光源内发生还是在光源外进行分为内调制和外调制。内调制内调制:将要传输的信号直接加载于光源,改变光源的输出特性来实现调制。最简单的是对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制,实现对所发射激光的强度的调制。另一方法是把调制元件(如电光、声光晶片)放在激光器的谐振腔内,用要传输的信号控制该调制元件物理性质的变化,改变光腔参数,实现调制激光输出。外调制外调制:在光源外的光路上放置调制器,将要传输的信号加载于调制器上,当光通过调制器时,透过光的物理性质将发生改变,实现信号的调制。按调制元件应用的物理效应分为电光调制、声光调制、磁光调制;按调制光波的参量可分为振幅调制、频率调制、相位调制等。按调制的形式分模拟调制、数字调制和脉冲调制。信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振。特点是在任何时刻信号的幅度与波参数的幅度之间一一对应。模拟调制1脉冲调制对信号的幅度按一定规律间隔取样,用脉冲序列作载波。对信号的幅度按一定规律间隔取样,以编码的形式转变为脉冲序列。载波脉冲在时间上的位置是固定的,幅度是被量化的。常采用两电平表示的二进制编码形式。、电光效应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,这种现象称为电光效应。当晶体的折射率与外加电场幅度成线性变化时,称为线性电光效应,即泡克耳斯效应(Pockels)。当晶体的折射率与外加电场幅度的平方成比例变化时,称为非线性电光效应,即克尔效应(Krtt)。电光调制器主要利用晶体的普科尔效应。电光效应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密切相关。晶体折射率可用施加电场E的幂级数表示,即式中,γ和h为常量,n0为未加电场时的折射率。γE是一次项,由该项引起的折射率变化,即线性电光效应或泡克耳斯(Pockels效应;由二次项γE2引起的折射率变化,即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。n=n0+γE+hE2+K∆n=n−n0=γE+hE2+K2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,折射率椭球由如下2方程描述:x2+y+z2=1(1222折射率椭球方程当晶体施加电场后,其折射率椭球就发生“变形”,椭球方程变为如下形式:i,j=11⎞⎜⎟∑⎢⎛⎝n⎠⎣23⎡i,j1⎞⎤+∆⎛⎜2⎟⎥xixj=1⎝n⎠i,j⎦(2由于外电场的作用,折射率椭球各系数随之发生线性变化,其变化量可定义为nxnynz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。1,2,3。1⎞∆⎛⎜2⎟=∑γijEj⎝n⎠ij=13(3式中,γij称为线性电光系数;i取值1,…,6;j取值折射率增量折射率增量可以用张量的矩阵形式表式为:⎛∆(1⎞⎜n21⎟⎟⎜⎜∆(122⎟⎡⎜n⎟⎢⎜1⎟⎢⎜∆(n23⎟⎢⎟=⎢⎜⎜∆(14⎟⎢2⎜n⎟⎢⎜1⎟⎢⎜∆(25⎟⎢⎣⎜n⎟1⎟⎜(∆⎜6⎟⎝n2⎠KDP晶体电光调制系数下面以常用的KDP晶体为例进行分析,KDP(KH2PO4)类晶体属于四方晶系,42m点群,是负单轴晶体,因此有γ12γ22γ32γ42γ52γ62γ13⎤γ23⎥⎥⎡E⎤γ33⎥⎢x⎥⎥⋅Eγ43⎥⎢y⎥⎢E⎥γ53⎥⎣z⎦⎥γ63⎥⎦1⎞∆⎛⎜2⎟=∑γijEj⎝n⎠ij=13或式中,Ex、Ey、Ez是电场沿x,y,z方向的分量。具有γij元素的6×3矩阵称为电光张量,每个元素的值由具体的晶体决定,它是表征感应极化强弱的量。γ11γ21γ31γ41γ51γ61nx=ny=n0,nz=ne,且n0>ne0⎡0⎢00⎢⎢00=⎢γ⎢410⎢0γ52⎢0⎢⎣0这类晶体的电光张量为:[