集成光学第三章第1－3节

1、第三章第三章 光波导的调制光波导的调制内调制直接调制和外调制间接调制：内调制直接调制和外调制间接调制：内内调调制制是是利利用用调调制制信信号号直直接接控控制制激激光光器器的的振振荡荡参参数数，使使输输出出光光的特性随信号而改变。的特性随信号而改变。外外调调制制是是用用调调制制信信号号作作用用于于激激光光腔腔外外面面的的调调制制器器，产产生生某某种种物物理理效效应应如如电电光光、磁磁光光、声声光光、热热光光等等效效应应，使使通通过过调调制制器器的激光束的某一个参量随信号而变。的激光束的某一个参量随信号而变。精选ppt内调制和外调制内调制和外调制 Direct Modulation of Laser DiodeDirect Modulation of Laser DiodeBias+DATABias+DATAIssues-Complex Dynamics YieldIssues-Complex Dynamics Yield External Modulation of Laser DiodeExternal Modulation of Laser DiodeBiasBiasBias+DAT

2、ABias+DATAIssues-Additional ComponentIssues-Additional Component精选ppt两种调制方式的比较两种调制方式的比较精选ppt3.1 光波调制的根本概念光波调制的根本概念3.1.1相位调制相位调制光波的相位经过信号调制后称为调相波，其瞬时电场可表示为光波的相位经过信号调制后称为调相波，其瞬时电场可表示为光载波角频率光载波角频率光载波振幅光载波振幅已调波的瞬时相位已调波的瞬时相位初始相位初始相位调相系数调相系数归一化调制信号归一化调制信号精选ppt调制信号角频率调制信号角频率利用关系式：利用关系式：精选ppt3.1.2 强度调制强度调制设两个调相波的场强振幅矢量分别为设两个调相波的场强振幅矢量分别为A1和和A2，1 1假假设设A1A1和和A2A2正正交交，且且和和它它们们中中间间的的一一个个偏偏振振器器的的偏偏振振轴轴成成某某一一角角度度，那那么么这这两两个个光光波波在在调调制制器器输输出出端端会会发发生生干干预预。假假设设这一角度为这一角度为45o45o，那么合成后的光强为，那么合成后的光强为 2假设假设A1和和A2相互平行，且

3、和它们中间的一个偏振器的偏振轴成相互平行，且和它们中间的一个偏振器的偏振轴成 45o，那么有，那么有 精选ppt3.1.3 偏振调制偏振调制在在一一定定条条件件下下，可可以以利利用用两两个个调调相相波波构构成成偏偏振振调调制制器器。假假设设两两个个同同频频率率的的光光载载波波传传播播方方向向相相同同，偏偏振振方方向向相相互互垂垂直直，那那么这两个调相波可以分别表示为么这两个调相波可以分别表示为两调相波的初始相位差两调相波的初始相位差精选ppt精选ppt3.2 利用电光效应的调制利用电光效应的调制3.2.1 折射率椭球折射率椭球在各向同性的线性电介质中，介电常数是一个标量常数。在各向同性的线性电介质中，介电常数是一个标量常数。而而在在各各向向异异性性晶晶体体介介质质中中，通通常常电电场场强强度度和和极极化化强强度度的的方方向向并不相同，此时必须用张量来描述各向异性介质的极化性质。并不相同，此时必须用张量来描述各向异性介质的极化性质。由于晶体的对称性，介电张量是对称的二阶张量，其各分由于晶体的对称性，介电张量是对称的二阶张量，其各分量之间满足关系式量之间满足关系式精选ppt在介电主轴坐标系

4、中，有在介电主轴坐标系中，有七大晶系按其二阶介电张量可以分为三大类：七大晶系按其二阶介电张量可以分为三大类：I类晶体：介电张量具有球面对称性，在光学上表现为各类晶体：介电张量具有球面对称性，在光学上表现为各向同性向同性（非对角元素为零非对角元素为零），立方晶系），立方晶系 精选pptII类晶体：介电张量具有旋转对称性类晶体：介电张量具有旋转对称性 ，三方晶系，四方晶系和六方晶系。三方晶系，四方晶系和六方晶系。III类晶体：其二阶介电张量在主轴坐标系内的对角线分类晶体：其二阶介电张量在主轴坐标系内的对角线分量各不相同，即量各不相同，即三斜晶系，单斜晶系和斜方正交晶系三斜晶系，单斜晶系和斜方正交晶系精选ppt那么有那么有由于上式中沿三个主轴方向上的半径分别为该方向上的折射率，由于上式中沿三个主轴方向上的半径分别为该方向上的折射率，因此称为折射率椭球。因此称为折射率椭球。介质中贮存的电能量密度为介质中贮存的电能量密度为折射率椭球：折射率椭球：精选ppt精选ppt3.2.2 单轴晶体中的光波传输单轴晶体中的光波传输如图所示，光存在两个垂直的偏振方向：如图所示，光存在两个垂直的偏振方向：OB方向

5、和方向和OA方向。方向。OB长度即长度即与光的传播方向无关，因此在与光的传播方向无关，因此在OB方向偏振的光称为寻常光；方向偏振的光称为寻常光；OA长度随波矢方长度随波矢方向向S改变，改变，OA长度即长度即 与光的传播方向有关，与光的传播方向有关，因此在因此在OA方向偏振方向偏振的光称为异常光。的光称为异常光。精选ppt在在yoz平面内，有平面内，有将其代入折射率椭球方程，可得将其代入折射率椭球方程，可得 精选ppt3.2.3 电光效应电光效应1.折射率的变化折射率的变化电电光光效效应应引引起起的的晶晶体体折折射射率率的的改改变变可可以以用用折折射射率率椭椭球球面面的的变变化化来来表表示示，这这一一变变化化可可以以视视为为椭椭球球面面方方程程中中各各系系数数产产生生微微小小的的增增量量。通通常常把把有有外外电电场存在时的折射率椭球方程写为场存在时的折射率椭球方程写为外加电场在相应坐标方向的分量外加电场在相应坐标方向的分量晶体的线性电光张量元晶体的线性电光张量元 精选ppt下标的简化下标的简化:折射率椭球方程简化为精选ppt在外加电场 作用下，折射率的改变量为或者精选ppt精选ppt精选

6、ppt外加电场对折射率椭球的影响外加电场对折射率椭球的影响以以LiNbO3晶体为例晶体为例:未加电场时，主轴坐标系中的折射率椭球为未加电场时，主轴坐标系中的折射率椭球为精选ppt因此在外电场作用下，折射率椭球方程变为因此在外电场作用下，折射率椭球方程变为精选ppt当电场方向为当电场方向为z轴时，折射率椭球变为轴时，折射率椭球变为 沿沿z方方向向的的电电场场并并未未引引起起折折射射率率椭椭球球主主轴轴方方向向的的变变化化，只只是是引引起主轴折射率变化，此时折射率椭球变为起主轴折射率变化，此时折射率椭球变为其中其中精选ppt当在当在y方向加电场时，折射率椭球方程变为方向加电场时，折射率椭球方程变为当在当在x方向加电场时，折射率椭球方程变为方向加电场时，折射率椭球方程变为精选ppt2.电光调制器电光调制器(1)相位调制器相位调制器在在x=0处入射沿处入射沿z方向方向线偏振的光线偏振的光那么晶体中任意一点的光波电场可以表示为那么晶体中任意一点的光波电场可以表示为z方向施加电压时在晶体中方向施加电压时在晶体中传输光波产生的相移传输光波产生的相移 精选ppt输出端的电场强度为输出端的电场强度为恒定

7、相移恒定相移精选ppt(2)强度调制器强度调制器输入、输出强度之间的关系为输入、输出强度之间的关系为 其中其中精选ppt若施加的电压是在直流偏压若施加的电压是在直流偏压 上叠加一个交流调制电压上叠加一个交流调制电压 调整调整 使得使得 得到输出光的强度被调制成了与调制电压成正比的光束。得到输出光的强度被调制成了与调制电压成正比的光束。即输出光强是调制电压的线性复制即输出光强是调制电压的线性复制!精选pptVV /2/2VV VVt调制电压调制电压调制电压调制电压透射光强透射光强透射光强透射光强半波电压半波电压半波电压半波电压VV 是把调制是把调制是把调制是把调制器从最小光强转换到器从最小光强转换到器从最小光强转换到器从最小光强转换到最大光强所需的电压最大光强所需的电压最大光强所需的电压最大光强所需的电压精选ppt精选ppt3.3 利用声光效应的调制利用声光效应的调制精选ppt3.3.1 声光效应声光效应声声光光效效应应是是弹弹光光效效应应的的具具体体表表现现之之一一，它它导导致致的的折折射射率率变变化化的的描描述述方方法法与与电电光光效效应应类类似似，同同样样可可以以用用折折射射率率椭

8、椭球球方方程程系系数的改变来表示：数的改变来表示：弹光系数张量元弹光系数张量元 应变张量元应变张量元 i、j互换对称和互换对称和k、l互换对称，独立的弹光张量元减少为互换对称，独立的弹光张量元减少为36个，可以简化下标表示：个，可以简化下标表示：精选ppt常用的声光波导材料常用的声光波导材料LiNbO3和和GaAs的弹光张量矩阵为：的弹光张量矩阵为：精选ppt精选ppt3.3.2 声光波导调制声光波导调制声波和超声波在介质中可以以行波和驻波两种形式存在，在声波和超声波在介质中可以以行波和驻波两种形式存在，在大多数器件中多采用行波方式。大多数器件中多采用行波方式。设声波沿设声波沿轴方向传播，那么声行波所引起的折射率变化可以写为轴方向传播，那么声行波所引起的折射率变化可以写为声波角频率声波角频率声波波数声波波数如果平面光波同如果平面光波同 轴成轴成 角入射，通过声波束宽度为角入射，通过声波束宽度为 L的声波区域，的声波区域，光沿光沿 方向的相位变化为方向的相位变化为精选ppt上上式式说说明明，声声波波对对于于光光波波的的相相位位产产生生了了调调制制作作用用，使使光光波波发发生生衍衍射射。此

9、此时时受受扰扰动动的的介介质质可可以以等等效效为为一一个个“相相位位光光栅栅，其其光光栅常数等于光栅的空间周期长度，即声波波长栅常数等于光栅的空间周期长度，即声波波长。精选ppt根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度根据声波和光波的波长以及相互作用区域的长度L的的相对大小，相对大小，存在两种声光衍射现象，即拉曼奈斯存在两种声光衍射现象，即拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射和衍射和布拉格衍射布拉格衍射精选ppt1.拉曼奈斯拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射衍射此此时时声声波波频频率率较较低低，声声波波束束宽宽度度L较较小小，由由于于声声速速比比光光束束小小的的多多，在在光光束束通通过过介介质质的的时时间间内内，折折射射率率的的变变化化可可以以忽忽略略不不计计，可可以以把把声声光光介介质质看看作作相相对对静静止止的的“面面相相位位光光栅栅或或“薄薄光光栅栅，此此时时声声波波的的作作用用可可视视为为与与普普通通平平面面光光栅栅相相同同的的折折射射率率光光栅栅。由由于于光光栅栅较较薄薄，使使得得入入射射光光在在L距距离离内内只只受受到到一一次次衍衍射射就就偏偏离离原原方向从器件中输出，

10、从而形成多级衍射光束。方向从器件中输出，从而形成多级衍射光束。当入射光沿当入射光沿z方向方向 时，各级衍射处所相应的方向时，各级衍射处所相应的方向 由下式给出由下式给出 精选ppt计计算算说说明明，拉拉曼曼奈奈斯斯衍衍射射的的效效率率较较低低，其其中中一一级级衍衍射射效效率率最最大大不不超超过过35%，但但这这种种衍衍射射不不受受入入射射角角的的限限制制，因因此此调调节节方便，在许多领域仍得到广泛应用。方便，在许多领域仍得到广泛应用。Raman-Nath衍射条件：衍射条件：当声波束宽度满足当声波束宽度满足 时，即产生时，即产生Raman-Nath衍射，可以忽略介质中各衍射光的衍射，可以忽略介质中各衍射光的相互影响相互影响。精选ppt2.布拉格衍射布拉格衍射 对于布拉格光栅，对于布拉格光栅，一般情况下衍射光都很弱，一般情况下衍射光都很弱，只有满足只有满足 时，衍射光最强。上式称为布拉格条件，或写为时，衍射光最强。上式称为布拉格条件，或写为衍射光强与入射光强之比满足衍射光强与入射光强之比满足介质中的光波波长介质中的光波波长 声光品质因数声光品质因数 材料的体密度材料的体密度 声速声速入射角

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