L U d
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横向线性电光效应相位调制器
施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调 整的相位差，因此出射光波的偏振态可被施加 的外电压控制。 可以调整电压来改变介质从四分之一波片到半 波片，产生半波片的半波电压U = U/2对应 于 。 横向线性电光效应的优点是我们可以分别独立 地减小晶体厚度 d 和增加长度 L，前者可以增 加电场强度，后者可引起更多的相位变化。
珀克电光效应调制器
很显然，改变外加电场（电压），就可以控制 折射率，进而改变相位，实现相位调制。 如果外电场与光传播的方向相同，这种调制器 叫做纵向珀克电光效应调制器，如图7.1.1（b） 所示； 反之，如果外电场与光传播的方向垂直，这种 调制器就叫做横向珀克电光效应调制器，如图 7.1.1（c）所示，施加的外电场与y方向相同， 光的传输方向沿着z方向，外电场在光传播方 向的横截面上。 调制器通常利用线性电光效应。
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图7.1.1 外加电场对各向同性晶体和 各向异性晶体折射率的影响
y ny=no nx=no z x nz=no KDP LiNbO3 y' n'y n'x z Ea KDP （b）沿z方向施加电场Ea 时， K D P 晶体z轴截面的折射率 变 化 , 主轴逆时针旋转了 45 o ，折 射率nx变为n,x，ny变为n,y 45o x x' n'x z LiNbO3 （c）沿y方向施加电场Ea 时， LiNbO 3 晶体z轴截面的折射率 n x 变为 n , x ， n y 变为 n , y ， 尽管主 轴没有旋转方向 y n'y Ea
第7章 电光/磁光/声光效应及应用
7.1 7.2 7.3 7.4 电光效应及器件 热电效应及热光开关 磁光效应及其器件 声光效应及其器件
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7.1 电光效应及器件
7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.1.6 7.1.7 电光效应 电光调制器工作原理 电光强度调制器 电光相位调制器 马赫-曾德尔幅度调制器 QPSK光调制器 电光开关
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7.1.3 电光强度调制器
在图7.1.2（a）所示的相位调制器中，在 相位调制器之前和之后分别插入5.2.2节 介绍的起偏器（polarizer）和检偏器 （Analyzer），我们就可以构成强度调 制器，如图7.1.3所示，起偏器和检偏器 的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向 与y轴有45o角的倾斜，所以进入晶体的 Ex和Ey光幅度相等。
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横向线性电光效应强度调制器工作原理
当外加电压为零时， Ex 和 Ey 分量在晶体中传输，经历着相同的折 射率变化， 因此晶体的偏振光输出 I0 与输入相同。 根据马吕斯 （ Malus ） 2 定律，检偏器的输出光强由式（ 5.2.2 ）给出，即 I I 0 cos ，由于检 偏器和起偏器成正交状态， = 90 o，所以探测器探测不到光。 当施加的外电压在两个电场分量间产生相位差 时，当 在 0o 和 45o 之间变化时，离开晶体的光就变成椭圆偏振光（见 4.1 节） 。因 此， 就有一个沿检偏器轴线传输的光强分量， 通过检偏器到达探测器， 其透射光强度与施加的电压有关
x
（a）Ea=0时 , 晶体z轴截面的 折射率 , 对各向同性晶体 n x = ny = nz = no，对单轴各向异性 晶体nx = ny =no ¹ nz
事实上，我们必须考虑沿晶体某个方向施加的电场，对光在给定传输 方向上的折射率的影响。 在LiNbO3晶体中，沿z方向（光轴）传输的光波，不加外电场时，x方 向和y方向经历相同的折射率（nx= ny = no），不管偏振态如何变化， 如图7.1.1（a）所示。 然而，在外加平行于y轴的电场Ea时，如图7.1.1（c）所示，外加电场 引入沿z轴传播的双折射，即光以平行于x和y轴的两个正交偏振态经历 4 不同的折射率（和）沿着z轴方向传播
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图7.1.3 横向线性电光效应强度调制器
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U x
透射光强I
波片 入射光ห้องสมุดไป่ตู้起偏器
晶体 y 检偏器 探测器
I I0 Q U
0 U 2
Ea
45
0
z
（a）在相位调制器之前和之后分别插入起偏器和检偏器 可构成强度调制器 （b）探测器检测到的光强和施加到晶体上的电压的传输 特性，虚线表示插入/4波片后的特性 图中调制器的工作点已用光学的方法（在起偏器之后 插入一个四分之一波片）偏置到Q点。
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7.1.1
电光效应
电光效应是外加电场引起各向异性晶体材料折射率改变的效应。 对于一个入射偏振光，施加的电场强度E对折射率n的影响可用E 的泰勒级数表示 , n n E E2 （7.1.1） 式中， 和分别表示线性电光效应和二阶电光效应系数，由于 高阶项的影响很小，所以可以略去不计。由于第一项E引起n的变 化 n E （7.1.2） 称为珀克（Pockel）效应，珀克电光效应是各向异性的，并严格 取决于输入光相对于材料轴线的取向。对于某个方向， = 0，称 为线性电光效应或珀克效应。只有某些晶体材料表现为珀克效应。 只有中心非对称晶体，如GaAs晶体，表现为珀克效应。 而由于第二项引起n的变化 n E 2 K E 2 （7.1.3） 称为克尔（Kerr）效应。式中，K是克尔系数。如果取向选择 = 0 ，称为二阶电光效应或克尔效应，所有的材料都表现为克 尔效应。
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7.1.2 电光调制器工作原理
电光调制基于晶体和各向异性聚合物中的线性 电光效应，即电光材料的折射率n随施加的外 电场E而变化，n = n(E)，例如LiNbO3、 InGaAsP 、GaAs和聚合物这样的电光材料， 它的折射率明显随施加的外电场而改变，从而 实现对激光的调制。基于InP材料的高速光调 制器受到人们的重视，因为它的珀克（Pockel） 电光效应虽然比LiNbO3的弱，但是它的折射 率n约为3.5，却是较大的。 电光调制器是一种集成光学器件，即它把各种 光学器件集成在同一个衬底上，从而增强了性 能，减小了尺寸，提高了可靠性和可用性。
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图7.1.2 横向线性电光效应相位调制器
晶体 入射光 E y o 线偏振 45 E
Ex
U
Ea
y
Ey
d
ny' L
z n'x x
Ex
圆偏振 出射光 z
当EY沿横轴传输距离 L 后，引起相位变化，于是 Ex 和 Ey 产生的相位变化为：
x y 2πL

n
2π

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