第五章 光调制技术光调制技术北京航空航天大学 第五章第五章 光调制技术光调制技术5.1 光信息系统的信号加载与控制5.2 光在晶体中的传播5.3 电光调制5.4 声光调制5.5 磁光调制5.6 光调制器件5.1 光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制光电技术对于光的研究主要内容是光的特性、光的控制与光的应用。光的应用光通信光通信光通信光通信-将各种信息加载到光波上，利用光将各种信息加载到光波上，利用光波进行传播。波进行传播。光传感光传感光传感光传感外界物理量影响到光波的传播特性。外界物理量影响到光波的传播特性。光调制是分析控制光的技术。5.1 光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制将各种信息加载到光波上，利用光波进行传播是控制光波的一项重要内容，同时也是光波应用的内容。 应用光波作为信息传递的方式拥有悠久而古老的历史：烽火台；烽火台；航标灯的信号等。航标灯的信号等。现代光通信技术将光波的信息载体功能发挥到极致。 采用激光器作为光源，光波导作为传输介质有如下的好处：光频率高，能够传输的信息容量大；光频率高，能够传输的信息容量大；激光的相干性好，易于信息的加载；激光的相干性好，易于信息的加载；方向性好，可直接用于空间传输；方向性好，可直接用于空间传输；光波导的损耗小，传输不受环境的影响；光波导的损耗小，传输不受环境的影响；光信息传输的保密性好。光信息传输的保密性好。 5.1 光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制如何将光波带上要传输的信息呢？ 光调制将激光作为信息的载体，通过改变激光的振幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向等各参量，使光波携带信息的过程，称为光的调制光的调制。5.1 光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制与电子学中的载流子如电子、空穴等带电粒子不同，光波（光子）是中性的，不能够用外界电场直接直接的调制，要通过改变发光的结构或者用外电场改变材料的光学性质来间接间接地实现对光波的调制。 激光的调制分为：内调制外调制5.1 光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制激光的内调制将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光器的出射特性进行的光波调制。调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号调制。激光的外调制在激光器谐振腔外的光路上放置光调制器件，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这种调制器时，激光的某一参数（强度、位相、频率等）发生改变，从而光波的特征上带有了被传输的信号信息，实现了信号调制。外调制方式不涉及激光器的内部结构，构成单独的一个 器件，可采用各种性能优秀的激光器，因此被广泛使用。5.1 光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制5.1 光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制改变光的强度或者频率、偏振等特性的技术统称为光调制技术。改变光的传播方向也是一种调制技术，在光的控制方面也有重要的应用。本章讨论的光调制技术主要是通过调制，将信息加载到光波上，达到传输的目的。5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播晶体随着激光、红外和光通信技术的发展，对各种光学晶体元件的应用也越来越广泛，因此晶体光学也逐步由专业学科向基础学科转变。晶体光学已成为一门独立的基础课程。我们这里把晶体光学主要讲述晶体光学的基本概念和调制应用。 5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播晶体晶晶体体是是组组成成物物质质的的微微粒粒（原原子子、分分子子或或者者离离子子）或或者者微微粒粒群群在在空空间间按按照照一一定定的的规规则则周周期期性性排排列列形形成成的的一种晶态固体。一种晶态固体。晶晶体体与与非非晶晶体体的的重重要要区区别别是是晶晶体体在在不不同同的的空空间间方方向向上上表表现现不不同同的的光光学学特特性性，构构成成晶晶体体的的分分子子或或原原子子按按一一定定方方向向排排成成周周期期性性结结构构，如如下下面面的的长长方方体体就就是是一一种结构。种结构。5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播晶体周期性排列、不断重复的微粒或者微粒群是晶体的基本单元，称为基元。所有基元是相同的，晶体中把这些基元用一些结结点点来表征，于是，晶体内部结构就可以概括成为有一些相同的结点在空间有规则的做周期性的分布。结点的结合成为点阵点阵。点阵结构形成了许多的直线和平面簇，构成一种格子结构，称为晶体的晶晶格格。 结点就是晶格的格点。5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播晶体中的波动方程由于晶体不同方向性质不同，我们称为各向异性，在均匀介质中，物由于晶体不同方向性质不同，我们称为各向异性，在均匀介质中，物质方程为质方程为E= D，而在各向异性介质中，不同方向的介电常数，而在各向异性介质中，不同方向的介电常数是不同是不同的。的。这指的是，由这指的是，由 场引起介质的极化在不同的方向不一致，从而造场引起介质的极化在不同的方向不一致，从而造成的电位移矢量成的电位移矢量 不再与不再与 平行。具体地说，在空间由场产生的平行。具体地说，在空间由场产生的场的每一个分量都由场的每一个分量都由 场的三个分量的不同加权的线性组合而来。场的三个分量的不同加权的线性组合而来。4-495.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播简写为 9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量其中， 5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播在直角坐标系中 4-51得到晶体中的波动方程 5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播这一组齐次方程组有非零解的条件是其系数行列式为零 4-52这是关于这是关于( n( n2 2) )的一个二次方程，它确定（的一个二次方程，它确定（n n2 2）为）为k ( k ( k kX X , , k ky y , ,k kz z) )的函数。的函数。可以证明这个方程一般存在两个不相等的实根，这可以证明这个方程一般存在两个不相等的实根，这两个根分别用两个根分别用n n1 12 2 和和 n n2 22 2 表示，它们就是与波矢量表示，它们就是与波矢量 k k0 0 相应的两相应的两个折射率。还可求出与之分别对应的两个偏振态。个折射率。还可求出与之分别对应的两个偏振态。因此，因此，在给定在给定的晶体中沿着每一个给定的波矢量方向，允许两个平面波传播，的晶体中沿着每一个给定的波矢量方向，允许两个平面波传播，这两个波有着不同的折射率（不同的相速）和不同的偏振态，这这两个波有着不同的折射率（不同的相速）和不同的偏振态，这就是通常所说的就是通常所说的“双折射现象双折射现象”。5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播上述的光在晶体中传输的特性可以用折射率椭球来描述。在直角主介电坐标系中，对于任给出的波矢量K传播的波面可以由方程给出：该椭球上任一矢径的方向表示光波电位移矢量D的方向，矢径的长度表示D沿矢量方向振动的光波折射率。对于任意给定的K波矢，利用折射率椭球可求出光波D的偏振方向和相应的折射率。 5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播单轴晶体 n1=n2n3，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体。单轴晶体中，取Z轴为光轴 n1=n2=n0, n3=ne 5.2 光在晶体中的传播光在晶体中的传播光在单轴晶体界面上的折射双折射。 5.3 电光调制电光调制电光效应电光效应电光效应电光效应当外界电场很小时，认为材料的介电常数与外场当外界电场很小时，认为材料的介电常数与外场当外界电场很小时，认为材料的介电常数与外场当外界电场很小时，认为材料的介电常数与外场无关（常量）。但是，当介质两端所施加的外加无关（常量）。但是，当介质两端所施加的外加无关（常量）。但是，当介质两端所施加的外加无关（常量）。但是，当介质两端所施加的外加电场较强时，介质内的电子分布状态发生变化，电场较强时，介质内的电子分布状态发生变化，电场较强时，介质内的电子分布状态发生变化，电场较强时，介质内的电子分布状态发生变化，以至介质的极化强度以及折射率也各向异性的发以至介质的极化强度以及折射率也各向异性的发以至介质的极化强度以及折射率也各向异性的发以至介质的极化强度以及折射率也各向异性的发生变化，这种现象称为介质的电光效应。生变化，这种现象称为介质的电光效应。生变化，这种现象称为介质的电光效应。生变化，这种现象称为介质的电光效应。电光调制就是利用电光效应进行光的调制。电光调制就是利用电光效应进行光的调制。电光调制就是利用电光效应进行光的调制。电光调制就是利用电光效应进行光的调制。晶体存在着天然的双折射现象。晶体的双折射是由于晶体的介电常数的各向异性。晶体在受到外加电场作用后，晶体的介电常数也会发生变化，引起晶体折射率的改变。利用晶体的这一变化特性进行光的调制，就是电光调制。5.3 电光调制电光调制折射率成为外加电场的函数第一项称为线性电光效应，或泡克尔斯泡克尔斯（Pockels）效应。第二项称为二次电光效应，或克尔克尔（Kerr）效应。对于大多数电光晶体，一次效应比二次效应显著得多。 式中，c1和c2为常量，n0为未加电场时的折射率。5.3 电光调制电光调制电致折射率变化在晶体未加电场时，折射率椭球方程为给晶体施加电场后，椭球方程为折射率椭球各系数（1/n2）发生线性变化，表示为5.3 电光调制电光调制以KDP（负单轴晶体）为例，外加电场沿Z轴新的感应主轴坐标系下，椭球方程5.3 电光调制电光调制电光相位延迟令z=0，得到椭圆方程一线偏振光沿Z轴方向入射晶体，两偏振方向的相位延迟相位差（电光效应延迟）5.3 电光调制电光调制电光强度调制（KDP电光晶体）纵向电光调制：光波传播方向与外加电场一致。5.3 电光调制电光调制电光强度调制（KDP电光晶体）横向电光调制：光波传播方向垂直与外加电场方向。5.3 电光调制电光调制电光相位调制（KDP电光晶体）折射率为：折射率为：外加电场为：外加电场为：入射光场：入射光场：输出光场：输出光场：相位变化：相位变化：5.3 电光调制电光调制光轴为z轴方向E3=V/dno、ne 分别为寻常光和非寻常光的折射率， 13、33为有关的泡克尔系数电光调制（ LiNbO3电光晶体）5.3 电光调制电光调制1、当光沿Y方向入射，采用一个偏振镜起偏。出射光采用一个偏振镜检偏情况。且i=o=0。光传输L长度后，位相变化为E3为外加电场的调制，可以看出光的位相由外加电场进行了调制。2、考虑i=45,o= - 45，入射光与z轴和x轴的偏振夹角相等，因此两个分量相等，传输的折射率分别为nz、nx 5.3 电光调制电光调制=0 时，+45度与-45度设置的偏振器使得输出为零。=/2 时，两正交的Z、X偏振态合成一个圆偏振光，输出光为光强的一半。= 时，两正交的Z、X偏振态合成一个线偏振光，与原入射偏振光的偏振方向旋转90度，此时输出为最大。 调节E3可以改变输出的光强度。 = 时所需要的外加电压称为半波电压。5.3 电光调制电光调制体调制方法调制器为单一的晶体。调制电场加载整个晶体上，改变了晶体的折射率，从而使通过的激光束产生了位相变化，产生调制。波导调制方法将具有电光特性的材料制备成光波导，调制电场施加在通光波导区，由于E3=V/d，因而可以在很低的外加电场下获得所需要的调制场强E3 。波导调制器可以通过波导特性，进行模式转换，模式耦合，定向耦合等，制备出各种功能器件，在光信息传输中发挥作用。 5.3 电光调制电光调制行波调制加在电极上的信号频率达到微波领域时，在光波还没有传输到L距离时，外加信号电压就发生改变，使得调制效率下降。为此高频调制采用了行波调制技术。如下图所示，微波调制信号加在器件的入射端电极上，作为行波在电极上传输，精心设计的电极形状，可使得微波的相位速度和光的群速度相等，使高频调制成为可能。5.4 声光调制声光调制晶体在应力作用下发生形变时，分子间的相互作用力发生改变，导致介电常数（及折射率）的改变，从而影响光在晶体中的传播特性，这种物理现象称为弹光效应。声光调制的物理基础是超声波在材料中传输时，它使介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随之发生相应的周期性变化，使入射到晶体中的光波在这种周期分布的弹性波中发生衍射。电场可以改变晶体的折射率，形成对通过晶体的激光的位相调制，同样，声波场对某些晶体材料的折射率分布产生影响，形成折射率“光栅”状的结构，从而对入射的光波产生调制作用，这种调制称为声光调制。5.4 声光调制声光调制弹光效应晶体上不加声场，在xyz主介电坐标系中折射率椭球：晶体加声场后，外力作用引起弹性应变，折射率椭球以各向同性熔融石英加x方向一维声场为例，折射率椭球变为式中，式中，BBijij就是外力对就是外力对nn影响的体现。影响的体现。其中，其中，PPijklijkl称为弹光系数，称为弹光系数，SSklkl是外力作用引起的弹性应变。是外力作用引起的弹性应变。5.4 声光调制声光调制行波声场 介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向位移的变化率，相应的介质折射率变化为驻波声场 形成凝固的空间光栅，相应的介质折射率变化为声波方程：声波方程：驻波方程：驻波方程：5.4 声光调制声光调制拉曼-奈斯衍射当超声波频率较低，光波平行与声波面入射，声光互作用长度较短时，产生拉曼-奈斯衍射。以声速运动、周期等于声波周期的相位光栅。由于声速比光速小得多，声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。5.4 声光调制声光调制拉曼-奈斯衍射的光场强度分布 衍射光场强度极大值衍射光场强度极大值mm为正整数为正整数各级衍射方位角为各级衍射方位角为 各极大值对称分布各极大值对称分布5.4 声光调制声光调制布喇格衍射当声波频率较高，声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定角度入射时，介质中形成“体位相光栅”。当入射光波与声波面夹角满足一定条件时，介质内各衍射光相互干涉，各高级衍射光将相互抵消，只出现0级+1级（或-1级），即产生布喇格衍射。5.4 声光调制声光调制布喇格衍射条件：声场运动的影响反射光束的多普勒频移：衍射光频率声波迎向光传播方向：声波背向光传播方向：5.4 声光调制声光调制声光调制器结构声光介质声光介质是声光相互作用的区域；是声光相互作用的区域；电电-声换能器声换能器起着将调制的电功率转换成声功率的作用；起着将调制的电功率转换成声功率的作用；吸收装置吸收装置用以吸收通过介质的声波；用以吸收通过介质的声波；驱动电源驱动电源驱动声光调制器工作。驱动声光调制器工作。5.4 声光调制声光调制声光调制器工作原理拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射的判断依据是声光相互作用的特征长度L0 ，L0=2/。拉曼-奈斯衍射：LL0/2；布拉格衍射： L2L05.4 声光调制声光调制衍射效率拉曼-奈斯型声光调制器：布喇格型声光调制器：调制带宽声束与光束的匹配（一级衍射）（一级衍射）其中，其中，声束与光束的发散角之比声束与光束的发散角之比（=1.5=1.5时性能最好时性能最好）声光介质中激光束的直径声光介质中激光束的直径5.4 声光调制声光调制声光调制器件5.4 声光调制声光调制5.5 磁光调制磁光调制磁场与电场相似，产生对晶体材料的折射率影响，根据这种影响制出的调制器称为磁光调制器。法拉第效应一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时。其偏振面受到正比于外加磁场的平行于传播分量的作用，发生偏转的现象。 =VBL 式中，B为平行于传播方向的磁感应强度分量，L为光在介质中的传播长度，V为材料的菲尔德常数思考题思考题1、什么是光调制?为什么要实现光的调制？ 2、光的调制有哪几类？光的外调制有哪些典型的方法？3、简述折射率椭球的性质。4、画出正单轴晶体在不同界面与光轴取向关系下，双折射情况示意图。