第二章 各种类型的光控器件第一节 电光控制器件第二节 声光控制器件第三节 磁光控制器件

第一节 电光控制器件2.1.1 几种常用电光材料的线性电光效应 常用的线性电光效应较强的材料：LiNbO3 （铌酸锂）、 LiTaO3 、 KDP （磷酸二氢钾） 、KTN （铌酸锂钾） 、 BaTiO3 等一、铌酸锂晶体的线性电光效应

铌酸锂是一种人工生长的晶体，简写为 LN ； 0.4~5m 光谱范围内的透过率大于 95%; 光学均匀性好 不潮解，属于三方晶系点群结构

特点

2.1.2 铌酸锂的线性电光效应 线性电光系数矩阵：

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0

22

51

51

33

1322

1322

ij

在外加电场 E(E1 ， E2 ， E3 ）作用下，新的折射率椭球方程：

一、外加电场平行于 z 轴即 E1=E2=0

由于此时没有交叉项出现，说明加电场后折射率椭球的主轴与原来的折射率椭球的主轴完全重合，折射率椭球仍为旋转椭球。

一、外加电场平行于 z 轴一般 ij 的量级为 10-10cm/V, 而 E 的量级通常为 104V/cm

ij E<<1利用泰勒级数展开：

一、外加电场平行于 z 轴由此可以得到新的主折射率为：

对于纵向调制，两个正交的线偏振光经调制器出射所产生的相位差为：

横向调制所产生的相位差为：

LiNbO3 晶体沿 z 轴方向加电场后，只产生横向电光效应，而不产生纵向电光效应。

二、外加电场平行于 y 轴当外加电场平行于 y 轴时， E1=E3=0

折射率椭球主轴将绕 x 轴转动了一个角度，并且由单轴晶体变成了双轴晶体。

新的主折射率为：

折射率主轴 x 轴不转动； 折射率椭球 z 轴长短不变， x 和 y 方向的主值

发生了变化； 适用于纵向及横向的应用。

三、外加电场平行于 x 轴当外加电场平行于 x 轴时， E2=E3=0

出现两个交叉项，说明在 E1 的作用下，晶体的折射率椭球主轴绕两个主轴发生了转动。

新的主折射率为：

与外加电场平行于 y 轴对晶体的作用基本相同，差别仅在于主轴旋转的程度不一样。

2.1.3 GaAs 和 InP 的线性电光效应 线性电光系数矩阵：

在外加电场 E(E1 ， E2 ， E3 ）作用下，新的折射率椭球方程：

41

41

41

0000000 0 00 0 00 0 0

ij

当外加电场平行于 x 轴时， E2=E3=0

出现一个交叉项，说明在 E1 的作用下，晶体的折射率椭球绕 x 轴转动了一定角度（ 450 ），得到新的折射率椭球方程：

2.1.3 GaAs 和 InP 的线性电光效应 没有外加电场时，折射率椭球为一球体 .

nnnn 321

新的主折射率为：

可运用在横向和纵向调制

2.1.3 GaAs 和 InP 的线性电光效应

2.1.4 电光调制器 电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生与电场相关的变化。当光波通过时，其传输特性就在外加电场的作用下发生可控的变化。这种现象就是电光效应作用的结果。 在外加电场的作用下，可以人为的改变媒质（包括晶体和各向同性媒质）的光学性质。利用这些电光材料做成的电光器件可以实现对光束的振幅、相位、频率、偏振态和传播方向的调制，使电光效应在现代光电工程系统得到广泛的应用。

一、电光体相位调制器

设起偏器的偏振通光方向平行于晶体的感应主轴 x’ （或 y’)因此，入射晶体的线偏振光不再分解成沿 x’ ， y’ 的两个分量，外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位：

Lnc xc '

一、电光体相位调制器 Ln

c xc '

zoox Ennn 633

21' 对于 KDP 晶体：

假设外加电场为： tEE mmz sin

tAE ccin cos晶体入射面光场为：

LtEnn

ctAE mmoo

cccout sin

21cos 63

3

晶体出射面光场为：

LtEnn

ctAE mmoo

cccout sin

21cos 63

3

tmtAE mccout sincos

LEn

cLEnm momoc 63

363

3

2相位调制系数

一、电光体相位调制器

二、电光体强度调制器

比相位调制器多了一个检偏器和 1/4 波片 如果外电场为零，偏振面不发生旋转，通不过检偏器，则输出光强为零；

如果外加电压正好使偏振面转过 900 ，完全从检偏器通过，则输出光强最大，这个电压称为半波电压。

起光偏置作用，使调制信号的工作点位于线性调制区域。1. 结构

二、电光体强度调制器

在外加电场作用下，电光晶体尤如一块波片，相位延迟随外加电场的大小而变，随之引起偏振态的变化，从而使得检偏器出射光的振幅受到调制。

2. 调制原理

二、电光体强度调制器 晶体的感应主轴 x’ ， y’ 与未加电场时单轴晶体的两主振动方向为 x,y 成 450 ，且与起偏器 P 的透光轴成 450 角。

KD*P 类晶体纵向运用：

强度分布为：则通过检偏器的光强为：

相对光强为：

二、电光体强度调制器

透射的相对光强随外加电压变化关系曲线 I/I0~V( 或）晶体的透射比曲线

工作点在透射比曲线的非线性部分时，输出光信号失真 ; 工作点选在透射比曲线线性区 ( ＝ /2附近）时，得

到不失真的基频信号 .

二、电光体强度调制器

加入 1/4 波片，引入固定的偏置相位差－－光偏置法如何获得 ＝ /2 的偏置相位差

由于引入了 /2 的偏置相位差， P 和 A之间的总相位差为： /2＋ 且 1/4 波片位置可前可后。

如果交流调制信号电压为正弦信号：tUU o sin

输出相对光强为：

二、电光体强度调制器

可用于实现激光通信； 可用于测定高电压及用作电光开关； 用电光效应实现光束偏转的器件称为电光偏转器件。

三、电光波导调制器

具有较大体积尺寸的分离器件； 几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，因此器件必须施加强大的电场，以改变整个晶体的光学特性，从而使之通过的光波受到调制。

电光体调制器1. 电光波导调制器的概念

介质光波导是集成光学技术的基本组成部件，它主要可分为平面波导和矩形波导（条形波导）两大类，波导层的厚度一般为微米量级。从外界输入信号对介质波导中传播的光波加以控制，就称之为光波导调制器。

光波导调制器

三、电光波导调制器 光波导调制器的优势： 体积小，易于集成； 所需的驱动功率比体调制器要减小 1～ 2 个量级。相同点： 由介质构成的光波导调制器，其电光、声光等物理效应对光参数的控制过程，也是使介质的介电张量产生微小的变化（即折射率变化 )，从而使两传播模间有一相位差；不同点：外场的作用会导致波导中本征模传输特性的变化及两个不同模式之间的耦合转换，因此光波导调制器的基本特性可以用介质光波导的耦合模理论来描述。

光波导调制器与体调制器比较

2. 电光波导调制器的调制原理 当波导上加上电场时，产生介质折射率的微小变化，从而引起波导中本征模传输特性的变化及两个不同模式之间的耦合转换。模式间的耦合与介电张量的变化的关系：（ 1 ） 如只含有对角线介电张量元素 xx 和 yy 将会引起 TE模之间或 TM模之间的自耦合，只改变其各自的相位，从而产生相对的相位延迟，与电光体相位调制器一样。（ 2 ） 介电张量变化含有非对角张量元素 xy 将会引起 TE模和 TM模之间的互耦合，将导致模式间的功率转换。

3. 对电光体调制器的要求及其参数选择1 ）调制器应有足够宽的调制带宽，以满足高效率无畸变地传输信息；2 ）调制器消耗的电功率小；3 ）调制特性曲线的线性范围大；4 ）工作稳定性好。

要求

参数选择 （ 1 ）电光晶体材料的选择光学性能好，对调制光透明度要高，吸收和散射损耗小，并且晶体的折射率均匀，折射率变化 n10-4cm;

电光系数大消光比高（ 103 以上），透过率要高85％～ 98 ％，透

过范围要宽（ 0.2m~2 m)较好的物理化学性能

参数选择3. 对电光体调制器的要求及其参数选择

（ 2 ）降低调制器功率损耗的方法 采用 n 级晶体串联的方式

注意：串接晶体的块数不宜过多，以免造成透过率太低或电容太大（ 3 ）调制电压的选择 为保证调制光发生畸变，限制高次谐波的幅值（ 4 ）电光晶体尺寸的选择 电光晶体尺寸是指其长度和横截面的大小。增加长度有助于减小调制器的电容，使频带展宽。但不能过长。

2.2.1 声光控制器件的类型第二节 声光控制器件

用来调制光束强度的声光器 用来改变光束方向的声光器 选择光束波长的声光器件 引起光束频移的声光器件

2.2.1 声光控制器件的类型一、用来调制光束强度的声光器

声光调制技术 声光调制是一种先进和实用的光调制技术，输入声光调制器的电信号可以载入通过器件的激光束，输出激光束的强度将随输入电信号的幅度变化而变化。脉冲（开关）声光调制器

正弦波声光调制器多信道声光调制器分类

根据输入电信号的类型

响应速度高，比电光调制的适用面广。 声光调制具有效率高和全电控的特点，可对激光共振腔进行腔内或腔外调制

优势

2.2.1 声光控制器件的类型二、用来改变光束方向的声光器件

声光偏转是一种先进的光偏转技术，既可以实现连续的光偏转，又可以实现随机的光偏转，无可动部件，是全电控的。

有两种方式：一种是连续地改变光束传播方向，相邻两个光点是部分重叠的，许多光点组成一条光扫描线；另一种是离散地、随机地改变光束传播方向。

改变声光偏转器的驱动电信号的频率

如果在改变声光偏转器驱动电信号频率的同时，对电信号施以幅度调制，则输出光在改变传播方向的同时，光束的强度也受到调制，称为声光偏转调制器

2.2.1 声光控制器件的类型三、选择光束波长的声光器件声光可调谐滤光器：利用声光器件可以从自发辐射的宽光谱入射光中，选择输出光的波长。光波长的数值与输入电信号的频率相对应，改变驱动信号的频率，输出的光波长也相应改变的声光器件。优势：电控调谐的，调谐范围宽，具有角孔径大和光谱分辨率高的特点。典型应用：在红外光频谱分光技术、红外传感系统和在非相干背景辐射中探测弱激光信号等领域有重要的应用，也用于特殊的光谱分析、染料激光器的调谐和彩色信息处理。

2.2.1 声光控制器件的类型四、引起光束频移的声光器件激光是光频范围的电磁波，具有很高的频率稳定性。利用声光衍射器件，可以使激光束的频率发生变化，这种工作方式的声光器件，称为声光移频器。移频的方式：改变声光移频器的电信号驱动频率，输出光的移频量也相应改变。保持驱动频率不变，取不同的衍射级作输出，它们之间的移频量也不同。主要应用：声光移频器在相干系统、光通信和信号处理系统有重要的应用。

2.2.2 声光器件的材料一、声光器件的晶体选材要求1 、声光品质因素M2表征声光材料性能的优劣，反映出材料的固有衍射效率。

3

26

2avpnM

式中 n—折射率， P—光弹性常数 -- 材料密度 va—声传播速度材料的折射率和光弹性常数大、密度和声速小，则品质因素高。

一、声光器件的晶体选材要求2. 声衰减系数

522 / avKT 式中：－ Gruneisen 常数，－角频率， K－导热率

超声衰减与声速的五次方成反比，超声速低的材料声损耗也大，这与品质因素对材料的要求矛盾。二、声光材料液体（如水） 固体

玻璃：熔石英、重火石玻璃晶体： TeO2, PbMoO4 等

一、声光体调制器的构成 声光体调制器是由声光调制器，它由声光介质、电一声换能器、吸声装置及驱动电源四部分构成。

2.2.2 声光体调制器

2.2.2 声光体调制器一、声光体调制器的构成

2. 电一声换能器（又称超声发生器） 它是利用某些压电晶体（石英、 LiNb03 等）或压电半导体 (CdS. Zn0 等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波，将调制的电功率转换成声功率。

1．声光介质 声光介质是声光互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的互作用，其出射光就具有随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，就可以制成光强度调制器。

一、声光体调制器的构成

4.驱动电源 用以产生调制信号，驱动声光调制器工作。

3.吸声（或反射）装置 放置在超声源的对面，用以吸收已通过介质的声波，以免返回介质产生干扰（超声场工作在行波状态）； 如果超声场工作在驻波状态，吸声装置需换成反射装置。

2.2.2 声光体调制器

二、声光体调制器的工作原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。 调制信号（电信号） 电声换能器 获得以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。 其衍射效率均与附加相位延迟因子有关

其中为相位延迟因子， n 为声致折射率差。 n 正比于弹性应变幅值 S, 而 S正比于声功率 Ps

2.2.2 声光体调制器

二、声光体调制器的工作原理布喇格声光调制特性曲线

衍射效率与超声功率 Ps 是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。

二、声光体调制器的工作原理 在声功率 Ps （或声强 Is ）较小的情况下，衍射效率随声强度 Is中增加线性增加。其衍射效率表达式为：

考虑了布喇格角对声光作用的影响

布喇格衍射工作频率高，效率高，调制带宽较宽 ;喇曼－纳斯型衍射效率低，只限于低频工作（低于 10MHz)，带宽有限 ;

声光波导调制器

2.2.3 声光控制器件的主要特性参数一、 声光衍射效率 衍射效率定义为输出衍射光的强度相对于入射光强度的比值，用百分数表示。提高布喇格声光调制器衍射效率的途径： 选择声光性能指数的声光介质， 声光介质的长度足够长而宽度窄和适当增加声功率。注意：功率过高会导致器件过热，从而影响器件的工作性能和可靠性。二、调制速度调制速度的描述与声光调制器的调制信号类型有关脉冲型声光调制器：用上升时间来描述。正弦形声光调制器：用 3dB调制带宽来描述。

上升时间定义为衍射光强由稳定值的 10% 增加到稳定值的 90% 所需要的时间。声光池的调制度传递函数 下降 3dB时的调制频率

二、调制速度2.2.3 声光控制器件的主要特性参数

提高声光调制器调制速度的主要途径是减小声波横越光孔的渡越时间。

三、声光偏转器的可分辨容量 声光衍射使光的传播方向发生变化，通过控制输入电信号的频率，就可以获得不同传播方向的衍射光，即实现光的偏转。

2.2.3 声光控制器件的主要特性参数三、声光偏转器的可分辨容量 可分辨点数（容量）。偏转器的可分辨点数与偏转光的扫描角成比例关系，而与入射光束的发散角成反比例关系。 偏转时间。通过声光衍射，光束从一个偏转方向转移到下一个偏转方向的切换时间就是偏转时间。偏转时间就等于声波渡越时间。

还有声光移频器的特性、光谱分辨率、角孔径等主要技术参数，大家自行。

应用在激光谐振腔系统的有声光锁模、声光 Q开关和腔倒空技术；

应用在信号处理系统的有雷达、电子对抗和光通信的声光信号处理技术；

应用在光学高精度传感系统的有光学陀螺、水听器和干涉系统的技术；

应用在激光技术系统的有文字、图像和其它信息处理技术。

2.2.4 声光器件的应用

第三节　磁光控制器件　　磁光效应是磁光控制器件的物理基础，最重要的磁光效应是法拉第旋转磁光效应：使一束偏振光的偏振方向发生旋转，旋转角度与外磁场强度呈正比。

磁光体调制器

第三节　磁光控制器件

磁光波导模式转换调制器

2.3.1 磁光隔离器　　磁光隔离器简称光隔离器，又称光单向器，作用是用来隔离光通道中反向传输的干扰光。一、光隔离器的工作原理 入射 A 线偏振光沿磁光材料的磁化强度M方向，正向通过产生一法拉第旋转角，使光的偏振态变为 B。当偏振态为B的偏振光反向通过该元件时，其偏振态将不再变为 A, 而继续旋转变为偏振态 C这样， C的偏振方向与 A 成 2 角这就是法拉第效应的非互易性。

2.3.1 磁光隔离器

光隔离器的结构

根据马吕斯定律，经磁光材料传输后的光强度为 :)(cos2 LeII F

Lo

由此可得正向传输输出光强L

oL

of eIeII 02 0cos

反向传输输出光强090cos 02 L

or eII

从而达到正向通过，反向隔离的目的。

二、光隔离器的主要参数 (1 ）插人损耗 定义为正向出射功率 PF 与正向输入功率 P之比，用分贝表示为：

(2) 反向损耗（又称隔离度） 定义为反向出射功率 PR 与反向入射功率 P’之比，用分贝表示为

典型值为 0.5dB, <1.0dB

通常应大于 35dB

dBPPIL F )/lg(10

dBPPIso R )/lg(10

二、光隔离器的主要参数(3) 回波损耗， >50dB 正向入射到隔离器中的光功率和沿输入路径返回隔离器输入端口的光功率之比。

))(/lg(10 dBPPRL ir

主要由磁光材料的光学性质不均匀产生一些其他因素，例如光源的谱线宽度或相千长度、零件的相互靠近程度及其表面光洁程度等也会影响到光隔离器的回波损耗。偏振相关损耗， <0.2dB只改变输入光偏振态时，插入损耗的最大变化量。3dB隔离度带宽， >20nm光隔离器覆盖一定的工作波长范围。

三、光隔离器的研究方向 (1 ）与其他光器件的集成 (2 ）宽带工作特性的研究 当前国内外产品插人损耗＜ 0.5dB,反向隔离度＞ 40dB, 中心波长 1 550nm 的工作带宽仅有 +15-+30nm; 宽带高速大容量光通信及宽带波分复用等要求有更宽的工作频带，因此需要将隔离器的带宽扩展到 +50nm;

(3 ）宽温特性的研究 最佳性能在室温 25℃, 工作温度区域 0℃-50℃，但实际工程环境往往遇到很大温差变化。为此，要求提供在宽温差范围内高性能的光隔离器，有时要在陆地上提供环境温度 -30℃-+80℃范围内工作性能好的光隔离器 .

三、光隔离器的研究方向(4) 低色散特性研究 器件使用的材料和光路应该使光信号色散小。(5 ）抗环境强磁场和强电磁辐射干扰的能力 由于光隔离器是一个利用磁场和材料磁性工作的器件，一旦环境中有强磁场干扰，器件的功能就会被破坏，有失去作用的危险，特别是在光传播方向的纵向磁场干扰尤为突出。在测量和结构设计时应考虑提高抗干扰能力。(6）抗恶劣环境影响的能力(7)提出新的原理、新的结构实现光的单向传输

四、光隔离器的类型1.组合光隔离器2.磁敏光纤型光隔离器3.波导型光隔离器

五、光隔离器的典型应用

2.3.2 磁光环形器 磁光环行器（以下简称光环行器）可以在一根光纤内传输两个不同方向的信号，是一种多端口非互易无源器件，通常具有三个或四个端口，其中以四端口光环行器较为常见。 光环行器有一个环路，其作用与光隔离器类似，光环行器的光束沿正向环行的端口间导通，反向环行截止（隔离） .

当光信号从环路的某一个端口输人时，在器件中只能沿规定的顺序传输〔例如 1 2 3 4 1; 当光信号的传输顺序变更时（例如 21 或 42 等等），则衰减非常大，因此可实现信号的隔离。

光环行器的应用1. 用于复用／解复用器

两路复用 / 解复用

在 0. 3 nm 的通道间隔下，串音小于 -15 dB

光纤光栅和光环行器的单路分／插复用器

光环行器的应用2. 环行器用于光分／插复用器