电光调制器

光调制器的光调制器的分类

一般光纤通讯系统中的外调制器包括四类：①声光(AO)调制器；②磁光调制器，即Farady调制器；③电光(EO)调制器④电吸收(EA)调制器。现代光纤系统中主要使用两类调制器，一种是依赖于一定平面波导载光方式改变的电光调制器，另一种是内部结构类似于激光器的半导体二极管电吸收调制器，后者能在透过光和吸收光两个状态下切换。按照调制机理可分为：①电光调制器是利用电光晶体（如铌酸锂）的折射率随外加电场而变即电光效应实现光调制；②磁光调制器是利用光通过磁光晶体（如钇铁石榴石）时，在磁场作用下其偏振面可发生旋转实现光调制；③声光调制器是利用材料（如铌酸锂）在声波作用下产生应变而引起折射率变化即光弹效应实现光调制；④波导型光调制器是用集成光学技术在基片上制成薄膜光波导实现电光、磁光或声光调制。

电光调制器的原理

电光调制器的基础是电光效应。根据电光晶体的折射率变化量和外加电场强度的关系，电光效应可分为线性电光效应(泡克耳斯效应)和二次电光效应(克尔效应)。因为线性电光效应比二次电光效应的作用效果明显，因此实际中多用线性电光调制器对光波进行调制。线性电光调制器可分为纵向的和横向的。在纵向的调制器中，电场平行于光的传播方向，而横向调制器的电场则垂直于光传播的方向。

电光调制基本原理?

高性能的光纤通信系统要求对直流激光源发出的激光施行外调制。激光的外调制具有的优点是高速率、大消光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象。

　　电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动,从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫－泽德（Mach-Zehnder）干涉仪型调制器能调制光的强度。

　　体块型的光调制器比集成光学调制器需要更高的调制电压，因此在光纤系统中都选用带有光纤的集成光学调制器。理论上，用任何具有高速电光效应响应、能透过所使用激光的材料都能制作高速电光调制器。现在适合用于光纤通信系统的调制器材料有铌酸锂（LiNbO3）、砷化镓（GaAs）和聚合物（Polymer）。砷化镓和聚合物调制器中的光波导为带脊波导，它们与单模光纤光连接的损耗比铌酸锂波导与单模光纤要大得多。聚合物调制器的长期稳定性尚不理想。因此当前实用光纤通信系统中都选用铌酸锂调制器。

　　铌酸锂条形光波导是用钛扩散或退火质子交换方法提高了X-切或Z-切Y-传铌酸锂晶片表面窄条内的折射率而制成的。在光纤通信用的1.3mm和1.55mm工作波长上，这种光波导能承受大于100毫瓦光功率的通过，而不会造成不可治愈的光损伤。

　　作为传输线的行波电极制作调制器比电极长度远小于微波波长的集总电极制作的调制器有宽得多得多的调制带宽。集总电极铌酸锂调制器的调制带宽与电极长度乘积约小于2.2GHz·cm,而实验验证行波电极铌酸锂调制器有大于200GHz·cm的调制带宽与电极长度乘积。OC-192/STM-64制式光纤通信系统优质光发射机中所用的10Gb/s铌酸锂强度调制器的3dB电带宽为8GHz或3dB光带宽为15GHz。而OC-768/STM-256制式密集波分复用（DWDM）光纤系统光发射机中的40Gb/s调制器的3dB电带宽应达到30GHz。

　　在电通信系统中,原始高速率数字信号电平的峰－峰值只有0.8V。因为数据率大于2.5Gb/s的铌酸锂调制器的半波电压（Vp）较高，故都需要用驱动器来推动调制器。驱动器不仅要有很宽的工作频带，并且要能提供足够大的微波输出功率。例如：对于10Gb/s、Vp＝5.5V的调制器，需要驱动器具有75KHz 到8GHz的工作频带及20dBm（100mW）的1dB输出功率。制作高速率的驱动器是非常困难的，因此制作具有低Vp的调制器是很受欢迎的。

　　当然，也要求调制器有良好的其他性能，如低的光插入损耗、大的消光比、小的光反射损耗、弱的电反射损耗和合适的啁啾（chirp）参量。

　　高速电光调制器有很多用途。高速相位调制器可用于相干光纤通信系统，在密集波分复用光纤系统中用于产生多光频的梳形发生器，也能用作激光束的电光移频器。

　　M－Z铌酸锂调制器有良好的特性，可用于光纤有线电视（CATV）系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路和其他的光纤模拟系统。

　　高速M－Z铌酸锂调制器除了用于上述的高数据率的数字光纤系统外，还可在光时分复用（OTDM）系统中用于产生高重复频率、极窄的光脉冲或光孤子（Soliton），在先进雷达的欺骗系统中用作为光子宽带微波移相器和移频器，在微波相控阵雷达中用作光子时间延迟器，用于高速光波元件分析仪，测量微弱的微波电场等。

电光调制器的应用

电光调制器有很多用途。相位调制器可用于相干光纤通信系统，在密集波分复用光纤系统中用于产生多光频的梳形发生器，也能用作激光束的电光移频器。电光调制器有良好的特性，可用于光纤有线电视（CATV）系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路和其他的光纤模拟系统。电光调制器除了用于上述的系统中用于产生高重复频率、极窄的光脉冲或光孤子（Soliton），在先进雷达的欺骗系统中用作为光子宽带微波移相器和移频器，在微波相控阵雷达中用作光子时间延迟器，用于光波元件分析仪，测量微弱的微波电场等。

电光调制器的类型

F-P型调制器结构如图所示。它是利用两端面的反射来形成F-P腔，光波在F-P腔中的相位延迟随波导电极上所加电压引起的折射率的变化而变化，输出光强也作相应的变化，从而实现对入射光信号的调制。与其他结构形式的调制器(M-Z干涉仪式调制器、定向耦合式调制器等)相比，F-P型调制器具有调制灵敏度高的特点，因此在光传感，光通信等方面有重要用途。 随着薄膜技术的发展，特别是可选薄膜材料的增多，薄膜调制器技术倍受关注.E/O有机聚合物高速调制器的研究始于1990年，由于有机聚合物材料相对于无机材料具有许多优点，因此发展十分迅速，有望制成超高速调制器。

光电调制的原理

当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间，可以在高速摄影中用做快门或在光速测量中用做光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。本文提出的电光调制系统就是基于晶体的电光效应验证电光调制原理。

1 电光调制原理

电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。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。电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。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。本电光调制系统是以铌酸锂晶体的横向调制为例。图1是一种横向电光调制的示意图。

沿z方向加电场，通光方向沿感应主轴y′方向，经起偏器后光的振动方向与z轴的夹角为45°。光进入晶体后，将分解为沿x′和z方向振动的两个分量，两者之间的折射率之差为。假定通光方向上晶体长度为l，厚度为d(即两极间的距离)，则外加电压为V=Ezd时，从晶体出射的两束光的相位差为：

由式(1)可以看出，只要晶体和通光波长λ确定之后，相位差△φ的大小取决于外加电压V，改变外加电压V就能使相位差△φ随电压V成比例变化。通常使用的电光晶体的主要特性之一是采用半波电压米表征(当两光波间的相位差△φ为π弧度时所需要的外加电压称为半波电压)。

2 电光调制系统总体设计

基于电光调制原理设计出此电光调制系统，用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通信与物理的实验研究。电光调制系统结构见图2。

2.1 工作原理

激光器电源供给激光器正常工作的电压，确保激光器稳定工作。由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。线偏振光通过电光晶体的同时，给电光晶体外加一个电压，此电压就是需要调制的信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，线偏振光变成了椭圆偏振光。为了选择合适的调制工作点，在电光晶体之后插入一个λ／4波片，使通过电光晶体的两束光线的相位延迟π／2，使调制器工作在线性部分，通过检偏器检测输出光的偏振方向，最后用光电探测器检测调制后的光信号，并将其转换为电信号用示波器观察。

2.2 激光器和激光器电源

此系统中，激光器使用氦氖激光器。氦氖激光管是一种特殊的气体放电光源，与其他光源相比，它具有极好的单色性、高度的相干性和很强的方向性(发散角很小)，激光器电源首先将220 V输入电压通过变压器升到1 000 V，再将该电压通过倍压电路提升到约5 000 V，然后通过限流电阻直接给激光管供电。当电源开关刚打开时，激光管中气体还没有电离，内阻相当于无穷大，此时电源输出约5 000 V高压，这就是激光管的点火电压，使得激光管中的气体电离，激光管开始工作，这时激光管的电阻将会大大下降。也就是说，负载电流上升，激光器的电源输出电压也会下降。

2.3 锂酸铌电光晶体

铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。本系统中采用LN电光晶体。LN晶体是三方晶体，n1=n2=no，n3=ne。

没有加电场之前，LN的折射率椭球为：

本系统中采用y轴通光、z轴加电场，也就是说，E1=E2=0，E3=E。那么，加上电场后折射率椭球为：

式(4)表明，LN晶体沿z轴方向加电场后，可以产生横向电光效应，但是不能产生纵向电光效应。

经过晶体后，o光和e光产生的相位差为：

2.4 信号源

信号源系统结构如图3所示。信号源是为了给电光晶体提供调制电压以及使系统能够接入音频信号。电源部分可以同时输出几路直流稳压电源给信号源的各个模块同时供电；信号发生模块产生频率和幅度都连续可调的正弦波与方波；功率放大模块将输入的正弦波与方波以及音频信号放大到几十伏，然后加到电光晶体上调制通过电光晶体的激光；解调模块对从探测器输入的微弱信号进行解调放大，对输入的微弱音频信号驱动放大后通过音箱把声音放出来；偏置高压模块产生幅度连续可调的直流高压，以代替λ／4波片作为调制晶体的半波电压。

3 电光调制在光通信中的应用

本系统是用光波传递声音信息，由激光器产生的激光经起偏器后成为线偏振光，再经过λ／4波片变成圆偏振光，使得2个偏振分量(o光和e光)在进入电光晶体之前产生π／2的相位差，使调制器工作在近似线性区域。在激光通过电光晶体的同时，给电光晶体加一个外加电压，此电压是需要传输的声音信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其他光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，因此，圆偏振光变成椭圆偏振光，再经检偏器又成为线偏振光，光强被调制。此时的光波载有声音信息并在自由空间传播，在接收地用光电探测器接收被调制的光信号，然后进行电路转换，将光信号转换成电信号，用解调器将声音信号还原，最终完成声音信号的光传输。外加电压为被传输的声音信号，此信号可以是收录机的输出或磁带机输出，实际上就是一个随时间变化的电压信号。

4 结束语

通过以上电光调制系统验证电光调制技术进行激光通信是可行的，而且此种通信方法传输速度快，抗干扰能力强，保密性好，结构简单，成本低廉，易于实现。

电光效应的原理是什么？ 电光效应有那些方面的应用

电光效应，是将物质置于电场中时，物质的光学性质发生变化的现象。某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应.电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。电光效应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。应用　　利用电光效应可以制作电光调制器,电光开关,电光光偏转器等,可用于光闸,激光器的Q开关和光波调制,并在高速摄影,光速测量,光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用。当加在晶体上的电场方向与通光方向平行,称为纵向电光调制(也称为纵向运用)；当通光方向与所加电场方向相垂直,称为横向电光调制(也称为横向运用).利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制。