[信息与通信]电光调制.ppt

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1、电光调制器原理及其性能,主要内容,电光调制的基本原理及公式推导,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,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,或,线性电光效应（Pockels效应）,二次电光效应（Kerr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：,电光调制的基本原理及公式推导,1.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

2、射率)。,折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。,KDP为四方晶系，负单轴晶体，电光张量为,电光调制的基本原理及公式推导,KDP晶体独立的电光系数只有,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,电光调制的基本原理及公式推导,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。,KDP的纵向运用,电光调制的基本原理及公式推导,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,新折射率椭球各主轴方向的折射率为,电光调制的基本原理及公式推导,沿z 轴加电场时，折射率发生了变化

3、(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,KDP的纵向运用,电光调制的基本原理及公式推导,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,产生相位差,电光调制的基本原理及公式推导-光偏振态变化,纵向电光效应造成的双折射引起相位的延迟,电光晶体的相位延迟与外加电压成

4、正比变化，可用作“波片”，实现光的偏振态的变化,讨论三种情况,1,2,3,晶体不加电场：,晶体加电场：,晶体加电场：,1,2,3,晶体不加电场：,晶体加电场：,晶体加电场：,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,电光调制的基本原理及公式推导-光偏振态变化,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。,电光调制的基本原理及公式推导-光偏振态变化,a点：相位差 光场矢量是沿x方向的线偏振光 e点：相位

5、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,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,利用Pockels效应实现电光强度调制(主要讨论在晶体上施加空间基本均匀、时间变化的电场的情况）,纵向电光强度调制（电光晶体KDP）,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,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,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的两个分量Ex和Ey，它们的振幅

6、和位相都相等，分别为 复数表示为,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,入射光的强度为,当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，Ex和Ey间就产 生了相位差，用复数表示为,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,强度调制图,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,为实现线性调制，可引入固定的/2相位延迟，使调制器的电压偏置在T=50%的工作点上（B点）,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,改变工作点的常用方法1 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。2 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角，从

7、而使 Ex和Ey二分量间产生/2的固定相位差。,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,插入一个1/4波片情况的分析：设调制电压为正弦信号 总相位差为 其中电光调制器的透过率为,利用贝塞尔函数将 函数展开，可以知道输出的调谐光中含有高次谐波部分，使调制光发生畸变,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,解决畸变方法：将高次谐波的光强控制在允许的范围内，实现线性调制，这要求调制电压Vm不能太大。实现线性调制的判据为 此时的透过率为,输出的强度调制波是调制信号的线性复现,电光调制的基本原理及公式推导-强度调制,电光调制的基本原理及公式推导-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

8、偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴（），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。,电光调制的基本原理及公式推导-相位调制,光波只沿 方向偏振，相应的折射率为,若外加电场是,晶体入射面（）处的光场,则输出光场（处）就变为,略去式中相角的常数项，上式写成,相位调制系数,电光调制器的主要参数有：半波电压、特性阻抗、调制带宽、调制深度（调制效率）、透过率、消光比、插入损耗、品质因数等,电光调制器的技术参数,电光调制器的技术参数,半波电压：是指调制器从关态到开态的驱动电压。KDP的纵向运用中,特性阻抗,与驱动功率Pdri

9、,式中：c为真空中的光速C为电极每单位长度的电容C0为用空气代替所有波导材料的电极每单位长度电容。要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。,调制器在微波系统里是一个负载，它有自己的特性阻抗，通常微波输入端的匹配阻抗是50，如果两者不相等，即阻抗不匹配，会在调制器电极的输入端引起微波反射，驱动功率并不能完全进入调制器。微波驱动功率与进入调制器的功率之间的关系是从上式可以看出，仅当阻抗匹配的时候，驱动功率才能全部进入调制器。也因此成为优化设计中至关重要的一个参数，它受到电极宽度、厚度、间距以及波导位置的影响。,电光调制器的技术参数,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

10、定义是调制深度落到其最大值的50%（3dB）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 行波型电光调制器的调制带宽是由光波和调制波的匹配程度来确定。行波调制器的带宽可以表示为：,式中：,L 为电光相互作用长度,为光波折射率,为微波折射率。当微波和光波速度相等时，调制带宽理论上趋于无限宽。,电光调制器的技术参数,电光调制器的技术参数,调制深度,调制深度M和调制率Xm,调制率,当调制率,75%时，调制器可以较好地工作在线性范围内。,电光调制器的技术参数,5.透过率：调制器的输出光与输入光之比称为透过率。即 对于线性调制器，要求信号不失真，调制器的透过率与调制电压

11、应有良好的线性关系。在 附近近似是一条直线，所以静态工作点一般选在 处。,电光调制器的技术参数,6消光比：定义为 消光比是衡量电光开关性能的指标。显然（或）越大越好，即（或）越大，切断时通过的光越小，切开效果越好。影响消光比的因素有：光束发散角 与 成正比 晶体长度 L 其他因数，如偏振元件质量、晶体的光学均匀性、晶体端面加工的平面度和晶体夹持力等，都会影响到电光调制器的消光比,电光调制器的技术参数,7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。其定义为：,电光调制器的技术参数,8品质因数 品质因数即驱动电压与电极长度的乘积（

12、）。,高质量的电光调制器的设计要求,以KDP类电光调制器为例来说明如何选择参数,1 电光晶体材料的选择：1.光学性能好 对调制光波透明度高，吸收和散射损耗 小，并且晶体的折射率均匀，其折射率的变化应满足2.电光系数要大 因为调制器的半波电压及所耗功率分别 和 成正比3.调制晶体还要有要好的物理化学性能（硬度、光破坏阈值、温度影响和潮解等）。,2 降低功率损耗的方法,由于KDP类电光晶体的半波电压较高，为了降低其功率损耗，可采用n级晶体串联的方式（光路串联、电路并联）,4块KDP晶体串联，把相同极性的电极连在一起，为使4块晶体对入 射的偏振光的两个分量 的相位延迟皆有相同的 符号，则把晶体的x轴

13、 和y轴逐块旋转90放 置，其结果使相位延迟相加，这相当于降低了 半波电压,3 调制电压的选择 根据调制特性曲线，即使调制器工作在B点，若调 制信号电压幅值过大，仍会到达非线性部分，会使 调制光发生畸变。为使畸变尽可能小，必须把高次谐波的幅值控制在 允许的范围内，调制电压不能太大，当小于 5 时，要求,4 电光晶体尺寸的选择（KDP类晶体纵向运用电光晶体长度的选择）1增加晶体长度能减小调制器的电容使频带加宽2 长度越长对加工精度要求越高，否则晶体的光轴不可 能完全平行于光波传播方向，会受到晶体自然双折射的影响，增加相位延迟的不稳定性，L不能过长。横向截面：主要根据通光孔径的要求而定。,电光调制器应用实例,M-Z干涉仪式电光调制器,目前高速长距离系统中，所用调制器大多数是以M-Z干涉仪为基础的行波电极电光调制器.这种调制器具有如下优点：(l)采用行波电极，可获得很高的工作速度；(2)以 材料为衬底制作的M-Z调制器与DFB激光器组合，使调制信号的频率惆啾非常小；(3)性能的波长依赖性很小。,