提高布喇格声光调制器衍射效率的途径-Read课件.ppt

第二章第二章 各种类型的光控器件各种类型的光控器件第一节第一节 电光控制器件电光控制器件第二节第二节 声光控制器件声光控制器件第三节第三节 磁光控制器件磁光控制器件第一节第一节 电光控制器件电光控制器件2.1.1 2.1.1 几种常用电光材料的线性电光效应几种常用电光材料的线性电光效应 常用的线性电光效应较强的材料：常用的线性电光效应较强的材料：LiNbO3（铌酸锂）、（铌酸锂）、LiTaO3 、KDP（磷酸二氢钾）（磷酸二氢钾） 、KTN（铌酸锂钾）（铌酸锂钾） 、BaTiO3等等一、铌酸锂晶体的线性电光效应一、铌酸锂晶体的线性电光效应p铌酸锂是一种人工生长的晶体，简写为铌酸锂是一种人工生长的晶体，简写为LN；p0.45 m光谱范围内的透过率大于光谱范围内的透过率大于95%;p光学均匀性好光学均匀性好p不潮解，属于三方晶系点群结构不潮解，属于三方晶系点群结构特特点点2.1.2 2.1.2 铌酸锂的线性电光效应铌酸锂的线性电光效应 线性电光系数矩阵：线性电光系数矩阵：在外加电场在外加电场E(E1，E2，E3）作用下，新的折射率椭球方程：）作用下，新的折射率椭球方程：一、外加电场平行于一、外加电场平行于z z轴轴即即E1=E2=0 由于此时没有交叉项出现，说明加电场后折射率椭由于此时没有交叉项出现，说明加电场后折射率椭球的主轴与原来的折射率椭球的主轴完全重合，折射率球的主轴与原来的折射率椭球的主轴完全重合，折射率椭球仍为旋转椭球。

椭球仍为旋转椭球一、外加电场平行于一、外加电场平行于z z轴轴一般一般 ij的量级为的量级为10-10cm/V,而而E的量级通常为的量级通常为104V/cm ij E1利用泰勒级数展开：利用泰勒级数展开：一、外加电场平行于一、外加电场平行于z z轴轴由此可以得到新的主折射率为：由此可以得到新的主折射率为：对于纵向调制，两个正交的线偏振光经调制器出射所产生对于纵向调制，两个正交的线偏振光经调制器出射所产生的相位差为：的相位差为：横向调制所产生的相位差为：横向调制所产生的相位差为：LiNbO3晶体沿晶体沿z轴方向加电场后，只产生横轴方向加电场后，只产生横向电光效应，而不产生纵向电光效应向电光效应，而不产生纵向电光效应二、外加电场平行于二、外加电场平行于y y轴轴当外加电场平行于当外加电场平行于y轴时，轴时， E1=E3=0 折射率椭球主轴将绕折射率椭球主轴将绕x轴转动了一个角度，并且由单轴转动了一个角度，并且由单轴晶体变成了双轴晶体轴晶体变成了双轴晶体新的主折射率为：新的主折射率为：p折射率主轴折射率主轴x轴不转动；轴不转动；p折射率椭球折射率椭球z轴长短不变，轴长短不变，x和和y方向的主值发方向的主值发生了变化；生了变化；p适用于纵向及横向的应用。

适用于纵向及横向的应用三、外加电场平行于三、外加电场平行于x x轴轴当外加电场平行于当外加电场平行于x轴时，轴时， E2=E3=0 出现两个交叉项，说明在出现两个交叉项，说明在E1的作用下，晶体的折射率的作用下，晶体的折射率椭球主轴绕两个主轴发生了转动椭球主轴绕两个主轴发生了转动新的主折射率为：新的主折射率为： 与外加电场平行于与外加电场平行于y轴对晶体的作用基本相同，轴对晶体的作用基本相同，差别仅在于主轴旋转的程度不一样差别仅在于主轴旋转的程度不一样2.1.3 2.1.3 GaAsGaAs和和InPInP的线性电光效应的线性电光效应 线性电光系数矩阵：线性电光系数矩阵：在外加电场在外加电场E(E1，E2，E3）作用下，新的折射率椭球方程：）作用下，新的折射率椭球方程：当外加电场平行于当外加电场平行于x轴时，轴时， E2=E3=0 出现一个交叉项，说明在出现一个交叉项，说明在E1的作用下，晶体的折射率的作用下，晶体的折射率椭球绕椭球绕x轴转动了一定角度（轴转动了一定角度（450），得到新的折射率椭），得到新的折射率椭球方程：球方程：2.1.3 2.1.3 GaAsGaAs和和InPInP的线性电光效应的线性电光效应 没有外加电场时，折射率椭球为一球体没有外加电场时，折射率椭球为一球体.新的主折射率为：新的主折射率为：可运用在横向和纵向调制可运用在横向和纵向调制2.1.3 2.1.3 GaAsGaAs和和InPInP的线性电光效应的线性电光效应 2.1.4 2.1.4 电光调制器电光调制器 电电光光调调制制的的物物理理基基础础是是电电光光效效应应，即即某某些些晶晶体体在在外外加加电电场场作作用用下下，其其折折射射率率发发生生与与电电场场相相关关的的变变化化。

当当光光波波通通过过时时，其其传传输输特特性性就就在在外外加加电电场场的的作作用用下下发发生生可可控控的变化这种现象就是电光效应作用的结果这种现象就是电光效应作用的结果 在在外外加加电电场场的的作作用用下下，可可以以人人为为的的改改变变媒媒质质（包包括括晶晶体体和和各各向向同同性性媒媒质质）的的光光学学性性质质利利用用这这些些电电光光材材料料做做成成的的电电光光器器件件可可以以实实现现对对光光束束的的振振幅幅、相相位位、频频率率、偏偏振振态态和和传传播播方方向向的的调调制制，使使电电光光效效应应在在现现代代光光电电工工程程系统得到广泛的应用系统得到广泛的应用一、电光体相位调制器一、电光体相位调制器 设起偏器的偏振通光方向平行于晶体的感应主轴设起偏器的偏振通光方向平行于晶体的感应主轴x（或（或y)因此，入射晶体的线偏振光不再分解成沿因此，入射晶体的线偏振光不再分解成沿x，y的两个分的两个分量，外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位：量，外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位：一、电光体相位调制器一、电光体相位调制器 对于对于KDP晶体：晶体：假设外加电场为：假设外加电场为：晶体入射面光场为：晶体入射面光场为：晶体出射面光场为：晶体出射面光场为：相位调制系数相位调制系数一、电光体相位调制器一、电光体相位调制器 二、电光体强度调制器二、电光体强度调制器 p 比相位调制器多了一个检偏器和比相位调制器多了一个检偏器和1/4波片波片如如果果外外电电场场为为零零，偏偏振振面面不不发发生生旋旋转转，通通不不过过检检偏偏器器，则输出光强为零；则输出光强为零；如如果果外外加加电电压压正正好好使使偏偏振振面面转转过过900，完完全全从从检检偏偏器器通过，则输出光强最大，这个电压称为半波电压。

通过，则输出光强最大，这个电压称为半波电压起光偏置作用，使调起光偏置作用，使调制信号的工作点位于制信号的工作点位于线性调制区域线性调制区域1.结构结构二、电光体强度调制器二、电光体强度调制器 在外加电场作用下，在外加电场作用下，电光晶体尤如一块波片电光晶体尤如一块波片，相位延相位延迟随外加电场的大小而变，随之引起偏振态的变化迟随外加电场的大小而变，随之引起偏振态的变化，从而，从而使得检偏器出射光的振幅受到调制使得检偏器出射光的振幅受到调制2. 调制原理调制原理二、电光体强度调制器二、电光体强度调制器 晶体的感应主轴晶体的感应主轴x，y与未加电场时单轴晶体的两主振与未加电场时单轴晶体的两主振动方向为动方向为x,y成成450，且与起偏器，且与起偏器P的透光轴成的透光轴成450角KD*P类晶体纵向运用：类晶体纵向运用：强度分布为：强度分布为：则通过检偏器的光强为：则通过检偏器的光强为：相对光强为：相对光强为：二、电光体强度调制器二、电光体强度调制器 透射的相对光强随外加电压变化关系曲线透射的相对光强随外加电压变化关系曲线I/I0V(或或 ）晶体的透射比曲线晶体的透射比曲线p工作点在透射比曲线的非线性部分时，输出光信号失真工作点在透射比曲线的非线性部分时，输出光信号失真;p工作点选在透射比曲线线性区工作点选在透射比曲线线性区( /2附近）时，得到附近）时，得到不失真的基频信号不失真的基频信号.二、电光体强度调制器二、电光体强度调制器 加入加入1/4波片，引入固定的偏置相位差光偏置法波片，引入固定的偏置相位差光偏置法如何获得如何获得 /2的偏置相位差的偏置相位差由于引入了由于引入了 /2的偏置相位差，的偏置相位差，P和和A之间的总相位差为：之间的总相位差为： /2 且且1/4波片位置可前可后。

波片位置可前可后如果交流调制信号电压为正弦信号：如果交流调制信号电压为正弦信号：输出相对光强为：输出相对光强为：二、电光体强度调制器二、电光体强度调制器 p可用于实现激光通信；可用于实现激光通信；p可用于测定高电压及用作电光开关；可用于测定高电压及用作电光开关；p用电光效应实现光束偏转的器件称为电光偏转器件用电光效应实现光束偏转的器件称为电光偏转器件三、电光波导调制器三、电光波导调制器 p具有具有较大体积较大体积尺寸的分离器件；尺寸的分离器件；p几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，因此器件几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，因此器件必须施加强大的电场必须施加强大的电场，以改变整个晶体的光学特性，以改变整个晶体的光学特性，从而使之通过的光波受到调制从而使之通过的光波受到调制电光体调制器电光体调制器1. 电光波导调制器的概念电光波导调制器的概念 介质光波导是集成光学技术的基本组成部件，它主要介质光波导是集成光学技术的基本组成部件，它主要可分为平面波导和矩形波导（条形波导）两大类，波导层可分为平面波导和矩形波导（条形波导）两大类，波导层的厚度一般为的厚度一般为微米量级微米量级从外界输入信号对介质波导中传。

从外界输入信号对介质波导中传播的光波加以控制，就称之为光波导调制器播的光波加以控制，就称之为光波导调制器光波导调制器光波导调制器三、电光波导调制器三、电光波导调制器 光波导调制器的优势：光波导调制器的优势：p体积小，易于集成；体积小，易于集成；p所需的驱动功率比体调制器要减小所需的驱动功率比体调制器要减小12个量级相相同同点点： 由由介介质质构构成成的的光光波波导导调调制制器器，其其电电光光、声声光光等等物物理理效效应应对对光光参参数数的的控控制制过过程程，也也是是使使介介质质的的介介电电张张量量产产生生微微小小的的变变化化（即即折折射射率率变变化化)，从从而而使使两两传传播播模模间间有有一一相相位位差；差；不不同同点点：外外场场的的作作用用会会导导致致波波导导中中本本征征模模传传输输特特性性的的变变化化及及两两个个不不同同模模式式之之间间的的耦耦合合转转换换，因因此此光光波波导导调调制制器器的的基基本特性可以用介质光波导的耦合模理论来描述本特性可以用介质光波导的耦合模理论来描述光波导调制器与体调制器比较光波导调制器与体调制器比较2. 2. 电光波导调制器的调制原理电光波导调制器的调制原理 当当波波导导上上加加上上电电场场时时，产产生生介介质质折折射射率率的的微微小小变变化化，从从而而引引起起波波导导中中本本征征模模传传输输特特性性的的变变化化及及两两个个不不同同模模式式之间的耦合之间的耦合转换。

转换模式间的耦合与介电张量的变化的关系：模式间的耦合与介电张量的变化的关系：（1） 如只含有对角线介电张量元素如只含有对角线介电张量元素xx和和yy 将会引起将会引起TE模之间或模之间或TM模之间的自耦合，只改变模之间的自耦合，只改变其各自的相位，从而产生相对的相位延迟，与电光体相其各自的相位，从而产生相对的相位延迟，与电光体相位调制器一样位调制器一样2） 介电张量变化含有非对角张量元素介电张量变化含有非对角张量元素xy 将会引起将会引起TE模和模和TM模之间的互耦合，将导致模式模之间的互耦合，将导致模式间的功率转换间的功率转换3.3.对电光体调制器的要求及其参数选择对电光体调制器的要求及其参数选择1 1）调制器应有足够宽的调制带宽，以满足高效）调制器应有足够宽的调制带宽，以满足高效率无畸变地传输信息；率无畸变地传输信息；2 2）调制器消耗的电功率小；）调制器消耗的电功率小；3 3）调制特性曲线的线性范围大；）调制特性曲线的线性范围大；4 4）工作稳定性好。