电光调制及其应用

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1、第22卷第1期中山大学学报论丛Vol122No112002年2月SUNYATSENUNIVERSITYFORUMFeb12002X电光调制及其应用倪新蕾(华南理工大学应用物理系,广东广州510641)摘要:介绍了电光调制以及在光通信、激光调Q等方面的应用。关键词:电光调制;光通信;物理实验中图分类号:O431文献标识码:B文章编号:100721792(2002)0120034203晶体电光调制是华南理工大学为本科生开设的物理实验,目的是使学生了解晶体电光调制的原理和实验方法,学会用简单的实验装置测量晶体的半

2、波电压、电光系数和消光比等参量。为了激发学生的学习兴趣,我们在实验预习的过程中,向学生介绍电光调制在光通信、激光调Q、激光测距等方面的应用,演示激光通信,收到较好的学习效果。1电光调制的物理基础电光调制的物理基础是电光效应。所谓电光效应是指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。一般可表示为:2n=n0+aE+bE(1)式中,a,b为电光系数,n0为未加电场时的折射率,aE为线性电光效应(普克耳斯效应),2bE为二次电光效应(克尔效应)。对大多数晶体,线性效应比二次效应显著,可略去二次效应。

3、利用电光效应对光束进行调制的过程称为电光调制,根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同,可分为纵向调制和横向调制。电场方向平行与光的传播方向,称纵向电光调制,电场方向垂直与光的传播方向,称横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低,驱动功率小,应用较为广泛。我们以铌酸锂晶体的横向调制为例。铌酸锂晶体置于两个正交的偏振器之间,起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的X轴,检偏器P2的偏振方向平行于电光晶体的Y轴,当沿晶体的X轴方向加上电场后,它们将旋转450变成感应轴X′,Y′,可推导得出图1横向电

4、光调制示意图[1]感应轴方向的折射率表达式为:3nX′=n0+1/2n0r22Ex3nY′=n0-1/2n0r22Ex(2)X收稿日期:2001-12-18作者简介:倪新蕾(1956-),女,副教授.第1期倪新蕾:电光调制及其应用35nZ′=ne沿Z轴入射的光束经起偏器变为平行于X轴的线偏振光,进入晶体后(Z=0)被分解成沿OX′,OY′方向的2个分量,其振幅和相位都相等,用复数表示为EX′(0)=A,EY′(0)=A,入射光强度为32(3)I0∝E·E=2A当光通过长度为L的晶体后,由于电光效应,EX′,

5、Ey′之间就产生一个相位差δ,有EX′(L)=A,Ey′(L)=Aexp(-iδ)exp(-iδ)-1通过检偏器后的光是两分量在Y轴上的投影之和,即(EY)0=A2其对应的输出光强为322(δ/2)(4)I∝[(EY)0·(EY)0]=2Asin通常用I/I0表示对光强的调制,调制器的透过率T为:2T=I/I0=sin(δ/2)(5)3(λd)(6)其中,δ=2π/λ(nX′-ny′)L=2πn0r22VL/V=EXd是晶体X轴方向上所加的电压,d为该方向晶体的厚度。当T=1,即位相差δ=π时,对应的偏压称

6、为半波电压Vπ,因此,(5)式可改写成2πV2π(V0+Vmsinωt)T=sin=sin(7)2Vπ2Vπ由此可见,通过外加电压,可以改变光束经过晶体的位相差,调制输出光的强度。[2]2电光调制在光通信中的应用任何一种通信系统都是将用户的信息(例如语言、图像和数据等)调制到载送信息的载波上,然后经传播介质将载有信息的载波传送到收信方,收信方再用解调的手段,从载有信息的载波中将收信方所需的用户信息取出,达到通信的目的。光通信是以光作为载波,以大气或光纤作为传输介质,通过调制,使用户信息加载于光波上,传到收信

7、方,由光接收器鉴别并还原成原来的信息。光波的调制可分为内调制和外调制。内调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管LD或半导体二极管LED),从而获得已调制信号,它是在光源内进行的。外调制就是利用电光调制器(也可以用磁光、声光调制器),在光源外部,即光源输出的通路上进行载荷调制。激光器发射出去的光束是一种不载有任何信息的连续光波,这种光波经过电光调制器,可以使一个随时间变化的电信号转换成光信号,经大气或光纤传至光接收机。由于外调制方法不需要使用半导体器件组成的驱动电路,其调制速率不受器件工

8、作速率的限制,因此,调制速率比内调制的调制速率要高出一个数量级,对光源的影响也小。而且采用外调制方法有利于使用集成光路技术制造集成光发射机,在未来的高速率、大容量的光纤通信中具有广阔的发展前景。[3]3电光调制在激光调Q中的应用激光调Q是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射,从而使光源的峰值功率可提高几个量级。这种强的相干辐射光与物质相互作用,会产生一系列具有重大意义的新现象36中山大学学报论丛第22卷和新技术,