电光强度调制器的设计
一、电光强度调制
利用晶体的电光效应，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，可控制光在传播过程中的强度。
强度调制是使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡，如图下图所示。
光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强变化。
1、电光强度调制装置示意图及原理
它由两块偏振方向垂直的偏正片及其间放置的一块单轴电光晶体组成，偏振片的通振方向分别与x,y轴平行。
根据晶体光学原理，在电光晶体上沿z 轴方向加电场后，由电光效应产生的感应双折射轴'x 和'y 分别与x,y 轴成45°角。
设'x 为快轴，'y 为慢轴，若某时刻加在电光晶体上的电压为V ，入射到晶体的在x 方向上的线偏振激光电矢量振幅为E ，则分解到快轴'x 和慢轴'y 上的电矢量振幅为'x E ='y E =E/2。
同时，沿'x 和'y 方向振动的两线偏振光之间产生如下式表示的相位差
V 6330
2γμλ
δπ
=
0μ-晶体在未加电场之前的折射率
63γ-单轴晶体的线性电光系数，又称泡克尔系数
从晶体中出射的两线偏振光在通过通振方向与y 轴平行的偏振片检偏，产生的光振幅如下图分别为y E x'、y E y'，则有y E x'=y E y'=E/2，其相互间的相位差为()πδ+。
此二振动的合振幅为
()
()
()δδπδcos 121
cos 21
41cos 22222''2
'2'2'-=-+=
+++=E E E E E E E E E y y y x y y y x
因光强与振幅的平方成正比，所以通过检偏器的光强可以写成
令比例系数为1：
2
sin 2
sin 2
02
22'δ
δ
I E E I ===
即 V I I λ
γπμ63
302
0sin
= 显然，当晶体所加电压V 是一个变化的信号电压时，通过检偏器的光强也随之变化。
如下图I/0I -V 曲线的一部分及光强调制的工作情形。
为使工作点选在曲线的中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压2λV 来完成。
λV 是使δ为π时晶体两端施加的电压，称为半波电压。
或者更方便地在装置中插入4λ波片(在图1-1中4
λ
波片虚线处)，使'x 和'
y
振动的分量间附加π/2的固定相位差。
此时，如外加信号电压为正弦电压（电压幅值较小），即t V V ωsin 0=，则输出光强近似正弦形。
此结果可用公式表达如下：
因附加了固定相位差π/2，式中的δ应由2πδ+=∆替代，得
⎥⎥
⎦⎤⎢⎢⎣
⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+=∆=t V V I V V I I I ωπωππλλsin sin 121t sin 24sin 2sin 0020202
一般0V <<2λV ,故可将函数展开成级数而取第一项，近似可得
t sin 2210
0ωπλV V I I +≈
可见相对光强仍是角频率为ω的正弦变化量，它是调制电压的线性复制，从而达到光强调制的目的。
如果0V <<2λV 的条件不满足，由图1-3可知，输出光强相对调制电压波形发生变化，并将含有高阶（奇数）的谐振项。
一般在实际使用中应当避免出现这种情况。
二、电光调制器的电学性能 ① 外电路对调制带宽的限制
电光调制器的等效电路 调制器的并联谐振回路
作用在晶体上的实际电压：
最大调制带宽：
驱动峰值调制电压：
)
()1(1)1(1
00
0R R R R C i R R R R V C i R R R C i R V V e s e S S e S S ++++=
+++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=ωωω0
21
2C R f L m ππω≈
∆=∆m
m n V ϕγπλ
∆=
633
2
驱动功率：
当调制晶体的种类、尺寸、激光波长和所要求的相位延迟确定以后，其调制功率与调制带宽成正比。
② 高频调制时渡越时间的影响:
当调制频率极高时,在光波通过晶体的渡越时间内,电场可能发生较大的变化,即晶体中不同部位的调制电压不同.
γ与ωm
τd 的关系曲线
总相位延迟：
()()⎰-
=
∆t
d
dt t E n
ac
τ
ϕ''t
L
m R V P 22
=m m
m m m m f Ln A f L A V f C V P ∆∆=∆=∆=263
602
22024)(γπϕελεππ
式中E('t )为瞬时电场，63302a γλ
π
n =
设外加电场是单频正弦信号，即E('t )=()'0i ex p t A m ω，所以
式中d A n
τϕ00ac
=
∆，是当d τωm <<1时的峰值相位延迟，因子
()
d
d
i τωτωγm m i -ex p -1=
称为高频相位延迟缩减因子，表征因过度时间引起的峰值相位延迟的
减小成度。
电光调制器存在一个最高调制频率的限制，若取γ=0.9为调制限制，对应d τωm =π/2，则调制频率上限为：
③ 行波调制器
将调制信号以行波的形式加到晶体上,使高频调制场以行波形式与光波场相互作用.并使光波与调制信号在晶体内始终具有相同的相速度。
行波调制器通常采用横向调制。
()
()
t i dt t i A n
a t m t m d
ωγϕωϕτex p ex p c
)(0'
'0∆==∆⎰-nL
C f d m
m 4)4(1)2(=
==τπω
设光波波前在t 时刻进入晶体入射面（z=0）处，而在't 时刻传播到z 处，则有()()t n
c -=
'
't t z 。
该光波由于调制场的作用而产生的相位延迟 ()()[]
'
'',t dt t z t E n ac d t t
⎰+=∆τϕ
式中，E ()[]'',t z t 是瞬时调制场，若使之为高频行波调制场，则只要晶体中光波场的相速度与高频调制场的相速度m C 相等，无论晶体的长度如何，都可以获得最大的相位延迟。
调频频率上限为
与式
相比较可知，行波调制可使调制频率
上限提高[]1c -1-m nc 倍。
三、应用范围
电光调制器应用非常广泛。
1、可用于光纤有线电视系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路和其他的光纤模拟系统。
)]
(1[4max m nc c nL c
f -=
nL
C f d m m 4)4(1)2(=
==τπω
2、在光通信中的作用：调制载有信号的光波使其能在自由空间传播。
3、多应用于光纤传感系统和高速光通信系统。
四、设计时应考虑的问题
1、调制器应有足够宽的调制带宽，以高效率无畸变地传输信息。
2、调制器消耗的电功率小。
3、调制特性曲线的线性范围大。
4、工作稳定性好。
参考文献
1、陈家璧，激光原理及应用，电子工业出版社，2007
2、阎吉祥，激光原理与技术，高等教育出版社，2004.7
3、姚建铨，于意仲，光电子技术，高等教育出版社，2006
4、陈家璧，彭润邻，电子工业出版社，2013.7。