1 光調(diào)制技術(shù)：

使光的強(qiáng)度或者相位隨著數(shù)據(jù)信號(hào)變化而變化的技術(shù)稱為光調(diào)制技術(shù)

光載波可以用下面公式表示

? (1)

?? (2)

其中是電場矢量，是光極化方向的矢量單位，A是振幅，是光的頻率，是相位。光調(diào)制過程本身就是對(duì)，A，和中的一種或者多種參量進(jìn)行調(diào)制。

2 調(diào)制方式

調(diào)制方式有直接調(diào)制和外調(diào)制。直接調(diào)制，也叫內(nèi)調(diào)制，是利用激光二極管輸入的電信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生已調(diào)制的輸出光信號(hào)。外調(diào)制是使激光按一定的輸出功率工作，用外部的光調(diào)制器件進(jìn)行調(diào)制的外部調(diào)制方式。如下圖

圖1 直接調(diào)制和外調(diào)制

3 外調(diào)制

外調(diào)制是指加載調(diào)制信號(hào)在激光形成以后進(jìn)行。即調(diào)制器置于激光諧振腔外，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)，使調(diào)制器的某些物理特性發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)激光通過它時(shí)即得到調(diào)制。外調(diào)制技術(shù)分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制等多種實(shí)現(xiàn)方式 。

圖2 外調(diào)制方式

4 電光調(diào)制

4.1電光效應(yīng)

外加電場使物質(zhì)的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電光效應(yīng)。電光調(diào)制就是利用這種效應(yīng)，使通過物質(zhì)的光的相位發(fā)生直接變化，利用這種變化進(jìn)行偏振，相位或者振幅調(diào)制等的一種方法。

電光效應(yīng)是在外加電場的作用下，光學(xué)介質(zhì)的折射率 發(fā)生變化的現(xiàn)象，折射率和電場的關(guān)系可以表示為：

??????? (3)

式中是E=0時(shí)的折射率，a和b為常數(shù)，其中電場一次項(xiàng)引起的變化稱為線性電光效應(yīng)，也稱為Pokels效應(yīng)，通常發(fā)生在無對(duì)稱中心介質(zhì)中。二次項(xiàng)引起的變化稱為二次電光效應(yīng)，也稱為Kerr效應(yīng)。Pokels效應(yīng)通常應(yīng)用于電光調(diào)制器，Kerr效應(yīng)用于超高速光開關(guān)。在無對(duì)稱中心介質(zhì)中一次效應(yīng)比二次效應(yīng)顯著得多，所以通常討論線性效應(yīng)。線性電光效應(yīng)介質(zhì)折射率的變化Δn與外加電場E成正比：

???? (4)

式中為線性電光系數(shù)。

電光效應(yīng)引起的相位差 ΔΦ 也正比于外加電場：

??? (5)

L 為作用長度或者稱為調(diào)制長度，h為電極間距，為入射光波長。

4.2電光晶體

電光晶體，是具有電光效應(yīng)的晶體材料。在外電場作用下晶體的折射率會(huì)發(fā)生變化。電光晶體的參數(shù)很多，在選取時(shí)必須綜合考慮晶體的各種參數(shù)選出綜合性能最佳的電光晶體。常見電光晶體材料有ADP，石英，LiNbO3、LiTaO3、BaTiO3等。下表為幾種電光晶體的主要參數(shù)

表1 幾種電光晶體參數(shù)表

比較上表1中的幾種晶體，可以得到以下結(jié)論

（a）從電光系數(shù)來看，石英的電光系數(shù)過小0.7，不適宜做電光調(diào)制晶體。

（b）從折射率來看，同一波長發(fā)散角相同的光束在不同晶體傳播時(shí)，折射率大的晶體 中的光束的發(fā)散角小。于是當(dāng)光束滿孔徑入射到尺寸相同、材料不同的電光晶體中時(shí)，折射率大的晶體孔徑損耗要小。因此，在同等條件下，折射率大的晶體更適合做電光調(diào)制晶體。LiNbO3、LiTaO3、BaTiO3晶體的折射率都在2.2左右。因此 這三種晶體更適合做電光調(diào)制晶體

（c）因?yàn)殡姽饩w的形狀為長方體，因此從電學(xué)的角度可以把電光晶體看成是平板電容。電容越大高頻電路的設(shè)計(jì)越困難在同等條件下平板電容的大小與相對(duì)介常數(shù)成正比，因此電光晶體的相對(duì)介電常數(shù)太大不好。晶體BaTiO3相對(duì)介電常數(shù)太大因此不適合做高頻電光調(diào)制晶體 。

4.3電光調(diào)制的方式

（1）縱向電光調(diào)制：加在晶體上的電場方向與通光方平行稱縱向電光效應(yīng)，也稱為縱向運(yùn)用。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制叫做縱向電光調(diào)制。這種調(diào)制方式結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，無自然雙折射的影響，不需要進(jìn)行補(bǔ)償。但由于外加電場的方向與光的傳播方向同向，因此在電光晶體的端面電極須做成環(huán)行電極或者鍍以透明電極，光才能通過。這樣給加工帶來一定的難度，而且電極對(duì)光束有干擾作用。除此之外，該種方式半波電壓太高，功率損耗也較大。

（2）橫電光調(diào)制：通光方向與所加電場方向相垂直。可以增加晶體材料的長度或減少厚度來減小半波電壓。缺點(diǎn)是會(huì)由自然雙折射引起相移對(duì)溫度敏感。通過采用合適的晶體結(jié)構(gòu)和溫度控制技術(shù)，可以消除自然雙折射及溫度對(duì)調(diào)制效果的影響。橫向調(diào)制的半波電壓明顯低于縱向調(diào)制的半波電壓。

圖3 縱向和橫向調(diào)制方式

（4）橫電光調(diào)制：隨著集成光學(xué)及光通信、光信息、處理技術(shù)、光計(jì)算等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，利用光波導(dǎo)將光束限制在一個(gè)微米量級(jí)的區(qū)域沿著一個(gè)方向傳播的特性。能夠?qū)崿F(xiàn)波導(dǎo)電光調(diào)制。波導(dǎo)傳輸型電光光強(qiáng)調(diào)制器有很多種結(jié)構(gòu)，最常用的一般有兩種類型：M-Z干涉儀式和定向耦合器型。

圖4 M-Z和定向耦合形波導(dǎo)調(diào)制

M-Z干涉儀式調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示：輸入光波經(jīng)過一段光路后在一個(gè)Y分支處，被分成相等的兩束，分別通過兩個(gè)光波導(dǎo)傳輸，光波導(dǎo)是由電光材料制成的，其折射率隨外加電壓的大小而變化，從而使兩束光信號(hào)到達(dá)第二個(gè)Y分支處產(chǎn)生相位差。若兩束光的光程差是波長的整數(shù)倍，兩束光相干加強(qiáng)；若兩束光的光程差是波長的1／2，兩束光相干抵消，調(diào)制器輸出很小。因此通過控制電壓就能對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

定向耦合器型強(qiáng)度調(diào)制器如圖4(b)所示，它由兩個(gè)平行且距離很小的兩個(gè)光波導(dǎo)組成，一個(gè)波導(dǎo)的光能夠橫向耦合到另一個(gè)波導(dǎo)內(nèi)，電極電場的作用是改變波導(dǎo)的傳播特性和促進(jìn)兩波導(dǎo)間的橫向光耦合。在光的一個(gè)耦合周期的長度內(nèi)，當(dāng)電極上無電壓時(shí)，一個(gè)波導(dǎo)內(nèi)傳播的光完全耦合到另一個(gè)波導(dǎo)傳播，最終導(dǎo)致原波導(dǎo)無光輸出，所有的光均耦合到另一個(gè)波導(dǎo)輸出。當(dāng)電極上有電壓時(shí)，進(jìn)入一個(gè)波導(dǎo)內(nèi)的光，耦合后將完全再返回原波導(dǎo)傳播和輸出。這種方式既可作為強(qiáng)度調(diào)制，又可作為光開關(guān)。

審核編輯：湯梓紅