第四章 光波导调制器
第四章 光波导调制器
实现光调制有两种方式: 一种方式是用调制信号直接控制激光器的振 荡参数,使输出光的特性随信号而改变,称为 内调制. 另一种方式是调制信号作用于激光腔外面的 调制器,产生某种物理效应(电光,磁光,声光, 热光),使通过调制器的激光束某一参量随信 号而改变,称为外调制.
开关的消光比 r，开关时间 s
r ( I op I c ) / I op I op，I c 为光开关处于个开， 关的两种状态的输出光 强。
1 s 2 (f)
二. 晶体中的光波
实现光调制常利用电光效应,磁光效应,声光 效应,其根本都是使被调制材料的电容率受 到电场,磁场和声波场等外场的作用而发生 变化,以实现光波的强度调制,束偏转和光开 关等功能.
调制带宽是标志载波能够携带信息量的重要参数
一 光波调制的基本概念--调制器的质量指标
最高调制频率fsm是指中心调制频率的最大 值. 对于电光调制器:它由光波通过调制器的渡 越时间决定. 声光调制器:是受电声换能器的频率特性限 制的.
一 光波调制的基本概念--调制器的质量指标
单位带宽的驱动功率 把一定容量的信息加在载波上,必消耗一定 的功率. 强度调制器的功耗用: 单位带宽的驱动功率 PI /f s 来量度，
0
二. 晶体中的光波--晶体中的电容率张量
2 n 2 / 0 ， 1 0 n12 2 0 n2 2 3 0 n3
（n1 ，n2 ，n3 ， 为主轴折射率）
n 2 1 ˆ 0 0 0 0 n2 2 0
1
0 0 n2 3
' n0 n 0 n 0
n n e n e
' e
L 3 n0 ne (ne r33 no3 r13 ) E z
2L
- r22 r22 0 r51 0 0
r13 r13 E 1 r33 E2 0 E3 0 0
三. 晶体中的光波--晶体的电光效应
折射率椭球方程：
1 2 1 2 1 2 r E r E x r E r E y r E n 2 22 y 13 z n 2 22 y 13 z n 2 33 z z 2r51 E y yz 2r51 E x xz 2r22 E x xy 1 0 0 e
1 1 ( 2 ) i , j ( 2 ) i , j xi y j 1 n i, j n
其中( ( 1 1 ) 是由外加电场引起的 ( ) i , j 的增量，在主轴坐标系 下，可以表示为： i, j n2 n2 K 1， 2， 3 E K 为外加电场分量 r ijk 为电光系数张量元素
一 光波调制的基本概念--调制器的质量指标
最大调制深度:
max
( I 0 I M ) / I 0 ( I M I 0 ) / I M I0 IM I0 IM
一 光波调制的基本概念--调制器的质量指标
调制带宽: 调制带宽定义为:调制深度降到最大值的一 半所对应的两个调制频率之差.记作: f s
n
外加电场作用后,折射率椭球变形,可求得：
2 0

n
2 e
1
1 n 2 1 2 n 1 2 n 1 2 n 1 2 n 1 2 n
1 0 2 0 3 0 0 r51 4 r22 5 6
一 光波调制的基本概念
光波作为信息的载体,具有振幅,频率,相位和 偏振等参数.利用电信号连续地改变载波参 数,都可实现光波调制. 根据调制参数,可分为振幅调制,强度调制,频 率调制,相位调制,和偏振调制.
一 光波调制的基本概念--相位调制
光波的相位经信号调制后，称为调制波。
调制波的瞬时场可表示为:
r12 r22 r32 r42 r52 r62
r13 r23 E 1 r33 E 2 r43 E3 r53 r63
三. 晶体中的光波--晶体的电光效应
例如 LiNbo3 铌酸锂是一种单轴晶体, 它的光轴是Z轴,无 外场时,折射率椭球为 : x 2 y 2 z 2
二. 晶体中的光波--晶体中的电容率张量
各向同性晶体:
1 ˆ 0 0
1 ˆ 0 0
1 ˆ 0 0
0
1
0
0
0 0 1
0 0 3
0 0 3
单轴晶体:
1
0
0
双轴晶体:
2
2 3
对于晶体而言,三斜晶系,单斜晶系和正交晶系的晶体是双轴晶体, 其三个主轴折射率不相等 n n n 三角晶系,四角晶系和六角晶系的晶体是单轴晶体,其两个主轴折射率相等.
n1 n 2 n 3 记作： n1 n 2 n 0 ， n3 ne
二. 晶体中的光波--晶体中的平面电磁波
二. 晶体中的光波--晶体中的电容率张量
ˆE D
11 12 ˆ 21 22 31 32
ˆ为电容率张量
13 23 33
在主轴坐标系下:
1 0 0 ˆ 0 2 0 0 0 3 ˆ 为对角矩阵，其对角元 素即为 沿三个主轴的电容率
PI为实的现某一调制深度 ， 带宽为f s所需的驱动功率
相位调制器的功耗用 :
P /f s 来量度，
2
P 为实现某一调相指数 ， 带宽为f s所需的驱动功率。
一 光波调制的基本概念--调制器的质量指标
插入损耗 :
( I i I 0 ) / I i L (I i I M ) / I i I i 为输入光强 I0 IM I0 IM
D - 0 n E ( E S )S
2


n ' n0 1 sin 2 cos2 '' 2 2 n ne n0
（寻常光） （非常光）
二. 晶体中的光波--折射率椭球
x2 y2 z 2 2 2 1 2 n1 n2 n3
单轴晶体:
x2 y 2 z 2 2 1 2 no ne
E(t ) A coswt (t )
A, 为光载波的振幅和角频 率
(t ) 为已调波的瞬时相位
(t ) M (t ) 0 0 为初相位 为调制指数 M (t ) 为归一化调制信号
一 光波调制的基本概念--相位调制
例如:
正弦调制信号： M (t ) sin m t
Ex A 1
2 2
Ey A 2
E X EY 2 (t ) 2 cos ( t ) sin A1 A2
一 光波调制的基本概念--偏振调制
Ex A 1
2
Ey A 2
一 光波调制的基本概念--强度调制
设两个光波的场强振幅矢量为A1 A2 则在A1垂直于A2情形下, 两个调相波 通过一个偏振轴与A1或A2成某一角度 的偏振器,产生干涉,或者,在A1平行 于A2情形下,两个调相波在调制器输 出处相互干涉,那么就可以得到强度 调制.
一 光波调制的基本概念--调制器的质量指标
E X EY 2 (t ) 2 cos ( t ) sin A1 A2
2
式中 (t ) 为两个调制相波的瞬时 相位差
(t ) ( 2 1 )M (t ) 0
一 光波调制的基本概念--偏振调制
(t ) ( 2 1 )M (t ) 0
ห้องสมุดไป่ตู้
1 ) i , j r ijk E K n2 k
三. 晶体中的光波--晶体的电光效应
1 n 2 1 2 n 1 2 n 1 2 n 1 2 n 1 2 n 1 r11 2 r 21 3 r31 r41 r51 4 r61 5 6
例如:电场沿z轴时 E EZ , E X 0, EY 0
折射率椭球方程为:
1 2 1 2 1 2 r E x r E y r E n 2 13 z n 2 13 z n 2 33 z z 1 0 0 e
衡量调制器性能优劣的质量指标主要是最大 调制深度/最高调制频率/调制带宽/单位带 宽的驱动功率等. 调制深度:
( I 0 I ) / I 0 I ( I 0 I ) / I M I0 IM I0 IM
I 为调制器施加某一调制 信号时的输出光强， I M为施加最大调制信号时 的输出光强， I 0为无调制信号时的输出 光强。
三. 晶体的电光效应
电光效应: 外加电场引起晶体折射率的变化, 从而影响光波在晶体中的传播特性. 折射率与电场成比例的变化----线形电光效 应(泡克耳斯效应) 折射率与电场的平方成比例的变化-----二 次方电光效应 ( 克尔效应)
三. 晶体的电光效应
晶体外加电场时,折射率椭球方程可写成:
0 02 01 是两个光载波的初相位 差。可知：两个偏振方 向 相互垂直的同频率线偏 振光，沿一方向传播时 ，其相位同时被 而随M(t )而变。这样就得到了偏 振调制的效果，合成后 的偏振 态，可以是线偏振，左 旋或右旋圆偏振光 /椭圆偏振光，随相位差 而变化。