光子学与光电子学教学课件作者原荣第7章节电光磁光声光效应及应用课件

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1、第7章电光/磁光/声光效应及应用7.1电光效应及器件7.2热电效应及热光开关7.3磁光效应及其器件7.4声光效应及其器件1光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1电光效应及器件7.1.1电光效应7.1.2电光调制器工作原理7.1.3电光强度调制器7.1.4电光相位调制器7.1.5马赫-曾德尔幅度调制器7.1.6QPSK光调制器7.1.7电光开关2光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.1电光效应电光效应是外加电场引起各向异性晶体材料折射率改变的效应。对于一个入射偏振光，施加的电场强度E对折射率n的影响可用E的泰勒级数表示（7.1.1）式中，和分别表示线性电光效应和二阶电光效应系数，由于

2、高阶项的影响很小，所以可以略去不计。由于第一项E引起n的变化（7.1.2）称为珀克（Pockel）效应，珀克电光效应是各向异性的，并严格取决于输入光相对于材料轴线的取向。对于某个方向，=0，称为线性电光效应或珀克效应。只有某些晶体材料表现为珀克效应。只有中心非对称晶体，如GaAs晶体，表现为珀克效应。而由于第二项引起n的变化（7.1.3）称为克尔（Kerr）效应。式中，K是克尔系数。如果取向选择=0，称为二阶电光效应或克尔效应，所有的材料都表现为克尔效应。3光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.1外加电场对各向同性晶体和各向异性晶体折射率的影响事实上，我们必须考虑沿晶体某个

3、方向施加的电场，对光在给定传输方向上的折射率的影响。在LiNbO3晶体中，沿z方向（光轴）传输的光波，不加外电场时，x方向和y方向经历相同的折射率（nx=ny=no），不管偏振态如何变化，如图7.1.1（a）所示。然而，在外加平行于y轴的电场Ea时，如图7.1.1（c）所示，外加电场引入沿z轴传播的双折射，即光以平行于x和y轴的两个正交偏振态经历不同的折射率（和）沿着z轴方向传播4光子学与光电子学原荣邱琪编著珀克电光效应调制器很显然，改变外加电场（电压），就可以控制折射率，进而改变相位，实现相位调制。如果外电场与光传播的方向相同，这种调制器叫做纵向珀克电光效应调制器，如图7.1.

4、1（b）所示；反之，如果外电场与光传播的方向垂直，这种调制器就叫做横向珀克电光效应调制器，如图7.1.1（c）所示，施加的外电场与y方向相同，光的传输方向沿着z方向，外电场在光传播方向的横截面上。调制器通常利用线性电光效应。5光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.2电光调制器工作原理电光调制基于晶体和各向异性聚合物中的线性电光效应，即电光材料的折射率n随施加的外电场E而变化，n=n(E)，例如LiNbO3、InGaAsP、GaAs和聚合物这样的电光材料，它的折射率明显随施加的外电场而改变，从而实现对激光的调制。基于InP材料的高速光调制器受到人们的重视，因为它的珀克（Pockel）

5、电光效应虽然比LiNbO3的弱，但是它的折射率n约为3.5，却是较大的。电光调制器是一种集成光学器件，即它把各种光学器件集成在同一个衬底上，从而增强了性能，减小了尺寸，提高了可靠性和可用性。6光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.2横向线性电光效应相位调制器当EY沿横轴传输距离L后，引起相位变化，于是Ex和Ey产生的相位变化为：7光子学与光电子学原荣邱琪编著横向线性电光效应相位调制器施加的外电压在两个电场分量间产生一个可调整的相位差，因此出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。可以调整电压来改变介质从四分之一波片到半波片，产生半波片的半波电压U=U/2对应于。横向线性电光效应的优

6、点是我们可以分别独立地减小晶体厚度d和增加长度L，前者可以增加电场强度，后者可引起更多的相位变化。8光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.3电光强度调制器在图7.1.2（a）所示的相位调制器中，在相位调制器之前和之后分别插入5.2.2节介绍的起偏器（polarizer）和检偏器（Analyzer），我们就可以构成强度调制器，如图7.1.3所示，起偏器和检偏器的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向与y轴有45o角的倾斜，所以进入晶体的Ex和Ey光幅度相等。9光子学与光电子学原荣邱琪编著图7.1.3横向线性电光效应强度调制器（a）在相位调制器之前和之后分别插入起偏器和检偏器可构成强度调制器

7、（b）探测器检测到的光强和施加到晶体上的电压的传输特性，虚线表示插入/4波片后的特性图中调制器的工作点已用光学的方法（在起偏器之后插入一个四分之一波片）偏置到Q点。10光子学与光电子学原荣邱琪编著横向线性电光效应强度调制器工作原理11光子学与光电子学原荣邱琪编著利用横向线性电光效应制成的行波马赫-曾德尔调制器PIC12光子学与光电子学原荣邱琪编著7.1.4电光相位调制器目前，大多数调制器是由铌酸锂（LiNbO3）晶体制成的，这种晶体在某些方向具有非常大的电光系数。根据式（7.