光电子材料-5光调制

第5章光调制1.载波(carrier):激光是一种光频电磁波，与无线电波类似可用来作为传递信息的载体。2.调制(Modulation):将信息加载于激光的过程。3.解调(Demodulation):把调制信号还原成原来的信息的过程。4.调制器(Modulator):完成将一个携带信息的信号叠加到载波光波上这一过程的器件。光调制：改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数,使之携带信息的过程。一、光调制的基本概念1.根据调制器和激光器的相对关系：内腔调制和外腔调制；2.根据调制器的工作原理，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制；3.按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等；二、光调制的分类()cos()ccccetAt振幅角频率相位角激光的电场强度是：载波(carrier)（7.1.1）能够利用非线性相互作用进行光调制的相关物理效应有电光效应声光效应磁光效应强磁场中激光的Zeeman效应5.1光调制器的基本原理电光调制的物理基础：电光效应电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等电光效应：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，其传播特性就受到影响而改变。外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为...20hEEnn...20hEEnnn或线性电光效应（Pockels效应）二次电光效应（Kerr效应）5.1.1电光调制一、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：2222221xyzxyznnn1.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；2.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。1.电致折射率变化KDP为四方晶系，负单轴晶体，电光张量为0,xyzennnnnKDP晶体独立的电光系数只有6341和KDP的纵向运用外加电场的方向平行于Z轴，即折射率椭球方程为0xyEE222632220021zexyzxyEnnn222''''''1xyzxyznnn对上式主轴化(寻找新坐标系使得折射率椭球不含交叉项)通过坐标变换将上式变换成具有标准形式的椭球方程。考虑x和y方向是对称的，所以将x坐标和y坐标绕z轴旋转45°得到新的坐标系下的折射率椭球方程1111222632026320'''znyEnxEnezz新折射率椭球各主轴方向的折射率为zxEnnn6330021zyEnnn6330021eznn沿z轴加电场时，折射率发生了变化(电致折射率变化),KDP晶体由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45°角转角与外加电场大小无关，折射率变化与电场大小成正比电致折射率变化是实现光调制、调Q、锁模技术的物理基础2.电光相位延迟纵向电光效应：电场方向与通光方向一致的电光效应横向光电效应：电场方向与通光方向垂直的电光效应以KDP晶体为例(电场沿晶体z轴，光波沿z方向传播)进入晶体后即分解为沿方向的两个垂直偏振分量当它们经过长度L后，光程分别为'y'和x''yxEE和LnLn''21和33636322yxnnozoLnEnVØ电光晶体的相位延迟与外加电压成正比变化，可用作“波片”，实现光的偏振态的变化33636322yxnnozoLnEnV当波长和电光晶体确定后，相位差的变化仅决定于外电压。相位延迟完全决定于电光效应造成的双折射。3.光的偏振态变化2222212122cossinyxyxEEEEAAAA123晶体不加电场：...),,(2102nn晶体加电场：晶体加电场：...)2,1,0(12nn1(0,1,2...)2nn通过晶体后的合成光仍然是偏振光，且与入射光的偏振方向一致（全波片）出射光为椭圆偏振光，当方向分量相同时，合成光为圆偏振光，相当于1/4波片'y'x出射光为线偏振光，但偏振方向相对于入射光有一个夹角。当入射光偏振方向与夹角为，出射光的偏振方向与入射光偏振方向垂直，晶体起到半波片作用。'x452222212122cossinyxyxEEEEAAAAa点：相位差光场矢量是沿x方向的线偏振光e点：相位差合成光场矢量变为逆时针旋转的圆偏振光i点：相位差则合成光矢量变为沿着y方向的线偏振光，相对于入射光偏转了90°02/波导调制器除了通过感应折射率变化来改变光波相位实现调制外，还可以通过波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等。★调制原理波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场加在通光波导区，由于E＝V/d，因而可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。二、电光波导调制器的原理16一、声光效应物理基础：声光相互作用声波在介质中传播时，介质的折射率沿声波的传播方向发生周期性变化。介质就如同一个光学的“相位光栅”。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。5.1.2声光调制17超声行波在介质中的传播超声驻波结论：声行波形成的光栅以声速向前推进，频率为fsxktAkdtdatxxkAtxassssssin,tcos,tsincos2tcoscos2,sssssxkAdtdaxkAtxa结论：声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，若超声频率为fs，光栅出现和消失的次数为2fs，光波通过该介质后受到的调制频率为2fs。18二、声光相互作用的类型1.Raman-Nath衍射特点：•声波频率较低•光波平行于声波面入射（垂直于声场传播方向）•声光互作用长度L较短结论：存在多级衍射，最强的一级光衍射效率也不会超过34%。192.Bragg衍射特点：•声波频率比较高•光波与声波以一定的角度斜入射•声光互作用长度L比较长光波在介质中穿过多个声波面,当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光相互干涉，各高级项衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（-1级）衍射光。结论：理想的Bragg衍射，入射光可以全部转化为衍射光，衍射效率达到100%。故声光调制器中多采用Bragg衍射效应。ns2sin布拉格衍射公式20三、声光调制器1、声光调制器的组成（1）声光介质（2）压电换能器（利用某些压电晶体，石英等，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波）（3）吸声（或反射）装置。对于行波超声波，用来吸收已通过介质的残留超声波（防止返回介质产生干扰）；对于驻波超声波，用反射装置以形成驻波。212.声光调制的工作原理声光调制=利用声光效应将信息加载于光频载波上。调制信号以电信号形式作用于压电换能器上超声场光强强度调制波。调制特性曲线类似于电光强度调制，一般情况下为非线性调制，需加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。22一、自然旋光效应1.自然旋光现象一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而该现象应属另外一种新现象，这就是旋光现象。实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的角度θ与在该介质中通过的距离l成正比：θ=αl比例系数α表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。5.1.3磁光调制232.自然旋光现象的理论解释——菲涅耳假设线偏振光=右旋圆偏振光+左旋圆偏振光菲涅耳认为：在各向同性介质中，线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度相等，因而其相应的折射率相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也不相等。在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快。右旋石英与左旋石英24二、磁光效应——法拉第效应1.法拉第效应本来不具有旋光性的介质，在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应，简称为磁光效应（法拉第效应）。振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l和磁感场强度H成正比，即：θ=VHl式中，V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。物质温度/CV/［弧度/(特·米)］水晶(垂直光轴)二硫化碳181820162033204.869.224.8310.443.8138.5712.30252.旋光现象的物理成因当一束线偏光通过时，分解为左旋圆偏光和右旋圆偏光，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延迟分别为：LLLLRLR22,22121通过介质后，又合成一线偏光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度：LLR21注意：磁致旋光效应的旋转方向仅于磁场方向有关，而与光线传播方向的正反无关。因此，当光通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加。而晶体的双折射效应产生的自然双折射现象，当光束往返穿过晶体时，因旋转角相等方向相反而互抵消。26二、磁光调制与磁光隔离器27让偏振片P1与P2的透振方向成45°角，调整磁感应强度B，使从法拉第盒出来的光振动面相对P1转过45°，于是，刚好能通过P2；但对于从后面光学系统各界面反射回来的光，经P2和法拉第盒后，其光矢量与P1垂直，因此被隔离而不能返回到光源。三、磁光体调制器zzHdc45入射光起偏器调制信号检偏器YIG棒为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。磁光调制：先将电信号转换成与之相对应的交变磁场，再由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。00sinLHtHdcHss：是单位长度饱和法拉第旋转角；：是调制磁场如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。2tiIIcoszzHdc45入射光起偏器调制信号检偏器YIG棒磁光隔离器：令θ=45º，则2θ=90º，反射光不能通过偏振片P，从而消除了反射光的干扰。光隔离器在激光多级放大技术中是不可缺少的器件。·BPM磁致旋光物质···磁光隔离器：两偏振片透光轴方向夹角为θ=45º。激光放大器激光放大器zU1P2P12激光输入激光输出当输入的电流大到使M沿z方向饱和时，则转换效率达到最大。若器件的T=2.5μm，蛇形线路中输入0.5A直流电流，磁光互作用长度L=6mm，则可将输入的TM模（λ=1.152μm）52%的功率转换到TE模。磁光波导模式转换调制器的输出耦合器是一个具有高双折射的金红石棱镜。使输出的TE和TM模分成20°11′张角的两条光束，输入蛇形线路的电流频率为0~80MHz，均可观察到两个模式的光强度被调制的情况。5.1.4直接调制直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（LD或LED），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。一、半导体激光器直接调制的原理半导体激光器（LD）是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。图示为AsGaAl双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。半导体激光器有一个阈值电流It，当驱动电流密度小于It时，激光器基本上不发光或只发很弱的、谱线宽度很宽、方向性较差的荧光；当驱动电流密度大于It时，则开始发射激光，此时谱线宽度、辐射方向明显变窄，强度显著增大，而且随着电流的增加呈现线性增长。为了获得线性调制，使工作点位于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同