光电子技术_王俊波_电光调制31页PPT

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电光调制
半波电压：是指调制器从关态到开态的驱动电压。 调制带宽：强度调制的调制带宽反映了器件工作的频率范围，它
的定义是调制深度落到其最大值的50%所对应的上下两频率之差。 调制带宽是量度调制器所能使光载波携带信息容量的主要参数。 特性阻抗：要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。 透过率：调制器的输出光与输入光之比称为透过率。 消光比：消光比是衡量电光开关性能的指标。消光比越大越好， 因为切断时通过的光越小，切开效果越好。 插入损耗：插入损耗是反映调制器插入光路引起光功率损耗程度 的参数。对于外部调制器而言，必须保证器件的插入损耗最小。 品质因数：即驱动电压与电极长度的乘积。
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电光效应
利用泡克耳斯电光效应实现电光调制可以分为两种情况： 一是施加在晶体上的电场在空间上基本是均匀的。但在
时间上是变化的。当一束光通过晶体之后，可以使一个随 时间变化的电信号转换成光信号，由光波的强度或相位变 化来体现要传递的信息，这种情况主要应用于光通信、光 开关等领域。 一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布， 形成电场图像，即随X和y坐标变化的强度透过率或相位分 布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进 行调制。
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电光效应
电光调制的物理基础：电光效应 电光效应：当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将
发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光 信号的相位、幅度、强度以及偏振状态的调制。 电光效应包括克尔效应和泡克耳斯效应。 外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为
n n0 aE bE2 ... 或 n n n0 aE bE 2 ...
折射率椭球方程可以描述光波在晶体 中的传播特性。

L (c / n)
激光通过长度为L的晶体所需时间。
对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的 调制带宽。
前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频
率(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且入远大于晶体的
长度L，因而在光波通过晶体L的渡越时间 d

L (c / n)
内，调制信号
由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使 调制光发生畸变。为了获得线性调制，必须将高次
2019/10/15 共29页 9
UP
DOWN
BACK
谐波控制在允许的范围内。设基频波和高次谐波的幅 值分别为I1和I2n+1, 则高次谐波与基频波成分的比值为
(3.2-33)
若取 ＝1rad， 则J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以I3 /I 1
UP
DOWN
BACK
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压， 但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
其二，在光路上插入一个1／4波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体 主轴x成45o 角，使E x’和E y’二分量间产生 /2 的固定相位差。 (3.2-30)式中的总相位差
UP
DOWN
BACK
1．外电路对调制带宽的限制
调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。
调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法 工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在 晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束：
当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。
于是，通过两块晶体之后的总相位差
(3.2-37) 因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自 然双折射的影响即可得到补偿。

.
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（3）. 分子气体激光器
1) 工作物质:中性气体分子， 如 CO2 激光器：
He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端， 透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。
.
5
He—Ne激光器的寿命
He－Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐
降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率
的1／e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方
窗与放电管粘合处以及吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔。为防止慢
漏气，要提高封接工艺水平并改革现有封接方法。
2．放电管内元件放气
放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体，如果除气不彻底，以
后就会慢慢释放出来。同时激光管清洗得不干净时，污物和洗液也会放
出大量杂质气体，这些杂质气体会改变原充气的气体成分，影响输出功
.Байду номын сангаас
1
按激光工作介质分：
固体激光器 (光纤激光器）
气体激光器 半导体激光器 染料激光器 自由电子激光器
.
2
化学组成
原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器 准分子激光器
.
3
1.气体激光器
工作物质（气体）均匀性好，输出光束 的质量（单色性、方向性）相当高。
以气体或金属蒸汽为工作物质，大多数气体激光器能连续工作，其 激励过程涉及的能级比较固定——利用气体放电中的电子碰撞来激 发。按气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可分为：
为了减少溅射，要选用不易溅射的金属做电极，并避免表面放电电流密度超过 溅射阈值。为防止溅射物吸收造成的工作气压降低，在充气时可略高于最佳 总气压。

23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动Biblioteka 是充满思想的劳动。——乌申斯基谢谢！
光电子技术_王俊波_电光调制
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈

V
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3.3 电光调制的物理基础
3.3.1电光效应 电光效应——某些介质的折射率在外加电场的 作用下而发生变化的一种现象。
( 1 n
线性电光效应 (普克耳效应)
2
) aE bE
2
二次电光效应 (克尔效应) a、b为一次、二次电 光系数，其值由材料 的结构和对称性决定。
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Kerr effect
22
3.2.2强度调制
强度调制是直接对光强进行操作。
调制前： 调制后：
I I0 I I 0 f (Q )
23
强度调制的特点
能够实现线性解调； 使用中极易实现（如对光源进行调制）。
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振幅(强度)调制的干扰问题
振幅调制和强度调制有一个共同点—— 易受干扰，如光源的波动，光信道的漂移等 因素均可带来光强的变化，使信号受到干扰。 故强度调制一般用在精度要求不高的场合。
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3.2.3频率及相位调制
调制前：
E ( z , t ) E ( z ) sin( c t 0 )
E ( z , t ) E ( z ) sin ( f ( Q )) t 0
频率调制：
相位调制：
c
E ( z , t ) E ( z ) sin[ c t 0 f ( Q )]
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特点及其讨论
PM和FM均是对光载波的角度量进行调制，而 角度量的变化并不能直接从光强上表现出来，故必 须在到达光电接收器件以前将角度量的变化转化成 光强的变化，常见的方法是借助与参考光进行干
涉解调（相干探测），其原理将在后面详细介绍。
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特点
抗干扰能力强（主要指抗振幅、光强的波动） 灵敏度高 动态范围大 整个系统的成本高，主要是由于灵敏度太高，光源自 身的相位抖动或波长漂移均不可忽略，故高质量的光 源必然带来高的成本。此外，环境因素极易引入错误 的信息。

实验步骤２
• 实验过程——判断电光调制现象 １、插入起偏器 (P)，调节起偏器的镜片架转角， 使透光轴与垂直方向约成 P＝45。 ２、插入检偏器(A)转动检偏器，使激光点消失，光 强指示接近于0，表示此时检偏器与起偏器的光轴 己处于正交状态(P A)． ３、将电光晶体插入光具座，使激光束透过，适当 调节电光晶体平台上三个调节螺丝，使反射光斑 打在激光器光源输出口附近，此时激光束基本正 射透过。调节电光晶体旋转镜片架角度，使接收 光强趋近于0(达到最小，应该在0.1以下)。此时 从示波器观察应出现倍频现象，即解调信号频率 是调制信号频率的两倍。 特别注意：在这个环节中，要保证每个光学器件加 入光路时反射点都要几乎原路返回，且不可相交。
选择不同工作点时的输出波形
IA
③ 工作点③ ② 工作点②
IA
① o
o
Uπ/2
Uπ
U
t
工作点①
t
选择工作点②(U＝U /2)时，输出波形最大且不失真。相位差在＝ /2或(U＝U /2 )附近时，光强IA与相位差(或电压U)呈线性关系，从 调制的实际意义上来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。 选择工作点①(U＝0)或③ (U＝U)时，输出波形小且严重失真，同时 输出信号的频率为调制频率的两倍，即倍频现象。
2插入检偏器a转动检偏器使激光点消失光强指示接近于0表示此时检偏器与起偏器的光轴己处于正交状态p3将电光晶体插入光具座使激光束透过适当调节电光晶体平台上三个调节螺丝使反射光斑打在激光器光源输出口附近此时激光束基本正射透过
电光调制实验
Electro-optic modulation
实验目的
• 掌握晶体电光调制的原理和实验方法。 • 对电光调制原理中的有关物理量进行 定性或定量分析。

§3第.2电三光章调制 光束的调制和扫描
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V

实现线性调制的判据为
m 1rad
此时的透过率为
m

Vm V
1rad
T

I Io

1 2
[1

m
sin
mt ]
输出的强度调制波是调制信号的线性复现
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电光调制的基本原理及公式推导-相位调制
工作原理： 电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成
起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴（x'或y' ），此时入射晶体 的线偏振光不再分解成沿x’和y’ 两个分量，而是沿着x’或y’轴
KDP的纵向运用中 特性阻抗 Zm 与驱动功率Pdri
V

2n03 63
Z m 1/ c(1/ CC0 )1/ 2
式中：c为真空中的光速 C为电极每单位长度的电容 C0为用空气代替所有波导材料的电极每单位长度电容。
要获得好的特性阻抗就要减小电极和波导材料的电容。
24
电光调制器的技术参数
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32 1.x，y，z为介质的主轴方向，在晶体内沿着主轴方 向的电位移D和电场强度E是互相平行的； 2. n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方向的折射率(主折射率)。
折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。
3
电光调制的基本原理及公式推导
KDP为四方晶系，负单轴晶体，n1 n2 n0,n3 ne 电光张量为
其定义为：
L

10 10
lg(Imax lg(Iin /
/ Iin I max
) )
Imax Iin Iin Imax
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电光调制器的技术参数
8．品质因数 品质因数即驱动电压与电极长度的乘积（ V L ）。

LD的工作特性（模式特性）
（1）
提高LD性能的方法
（2）
单纵模（SLM）激光器 设计的基本思想
使
几种典型的SLM激光器
大功率光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
大功率光纤激光器
美 国 IPG Photonics 公 司 、 德 国 Jena 大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国 Southampton 的 ORC 研 制 的 单 根 双包层光纤激光器，连续输出功率 分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
难点
控制能力差
电子技术的发展
半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大 大降低
尺寸大大缩小
芯片的成品率、可靠性 和性价比极大改善
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。
5、半导体光电探测器
5.1 PN光电二极管
5.2 PIN光电二极管
5.3 APD光电二极管
5.4 光电二极管工作特性和参数
原因：W越大，光子入射到该区域的可能性 越大，被吸收产生光电流的概率就越高。
5.5 光电二极管一般性能和应用
谢谢
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数

出功率。
G l
b. 调制器带宽受到谐振腔通带的限制
优 点： a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。 b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制，
缺 点：调制效率低。
三．振幅调制和强度调制
1.振幅调制（调幅） (1) 定义：以调制讯号去改变激光的振幅，使其振幅按调制讯号
的规律变化。ec(t)A ccos(ctc)
I/I0和VD 的曲线不 是线性关系—易发 生畸变,在V/2附近 有一段近似线性部 分----波形畸变小。
3.防止输出光强畸变的方法(如何保证D= /2)
a.在晶体上加以V/2的直流电压
V V 2 V m s inm t， 使 D 2
缺点：工作点的稳定性差。Q V 24 n o 3 6 3， 温 度 变 n o 变 V 2 变
m A Ac
(3)调幅波的频谱分析
a(t)A0cosmt e(t)Ac(1mcosmt)cos(ctc)
Ac[cos(ctc)mcosmtcos(ctc)] Accos(ctc)m 2Accos[(cm)tc]m 2Accos[(cm)tc]
Amax AcKA0
振幅的最小值 振幅的最大增量
Amin AcKA0 A A m a x A c A c A m in
由
A＝KA0可得
m

K A0 Ac
m主要由K，A0决定，即比例系数K和调制讯号的振幅A0
对m的要求： m<1,保证调制信号在传输过程中
不畸变。 m≥1时，使调制信号失真。
在实际应用中，为了得到较强的抗干扰效果，往往利用二次 调制方式，即先将低频信号对一高频副载波进行频率调制，然 后再用这个已调频波对光载波进行强度调制，使光波按副载波 信号的变化而变化。这是因为在传输过程中，尽管大气感染波 会直接叠加到光信号波上，但经调节后，其信息是包含在调频 的副载波上，故其信息不会受到干扰，可以无失真地再现原来 的信息。