最新2.2-光波在电光晶体中的传播.幻灯片.ppt

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1、2.2-光波在电光晶体中的传播.电光开关的基本思想是利用脉冲电信号来控制光信号，基本结构是将可以施加电场的电光晶体置于正交偏光器中，通过施加的电场来控制入射光在器件中的透过率来达到调制光信号的目的。电光调制器的基本原理是在电光晶体上施加交变调制信号，由于晶体的电光效应，晶体的折射率会随调制电压即信号而交替变化，此时，通过电光晶体不带信号的光波则带有了调制信号。如果调制信号为控制强度的，则为电光强度调制器，若控制位相的，则为电光位相调制器。§2.2光波在电光晶体中的传播光在电光晶体中的传播特性如何？开篇问题晶体光学基础知识当光线穿过某些晶体

2、（如方解石、铌酸锂、钽酸锂等）时，会折射成两束光。其中一束符合一般折射定律称之为寻常光（简称o光），折射率以no表示；而另一束的折射率随入射角不同而改变，称为非常光（简称e光），折射率以ne表示。一般讲晶体中总有一个或二个方向，当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，把这个方向叫做晶体的光轴方向。只有一个光轴的称为单轴晶体，有两个光轴方向的称为双轴晶体。n0ne的称为负单轴晶体。由晶体光轴和光线所决定的平面称为晶体的主截面。实验发现，o光和e光都是线偏振光，但它们的光矢量（一般指电场矢量E）的振动方向不

3、同，o光的光矢量振动方向垂直于晶体的主截面，e光的光矢量振动方向平行于晶体的主截面。晶体的光轴在入射面内时，o光和e光的主截面重合，电光矢量的振动方向互相垂直。式中，γij称为线性电光系数；i取值1，…，6；j取值1，2，3。(5)式可以用张量的矩阵形式表式为：比较(3)和(4)两式可知，由于外电场的作用，折射率椭球各系数随之发生线性变化，其变化量可定义为=.(6)式中，是电场沿方向的分量。具有元素的矩阵称为电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，它是表征感应极化强弱的量。下面以常用的KDP晶体为例进行分析。磷酸二氢钾KDP（KH2PO4

4、）类晶体属于四方晶系,42m点群,是负单轴晶体,因此有这类晶体的电光张量为:(7)而且,因此，这一类晶体独立的电光系数只有两个。将(7)式代入(6)式,可得：电光系数：γ63将(8)式代入(4)式，便得到晶体加外电场E后的新折射率椭球方程式:由上式可看出,外加电场导致折射率椭球方程中“交叉”项的出现,说明加电场后,椭球的主轴不再与x,y,z轴平行,因此,必须找出一个新的坐标系,使(9)式在该坐标系中主轴化,这样才可能确定电场对光传播的影响。为了简单起见,将外加电场的方向平行于轴z，即,于是(9)式变成：为了寻求一个新的坐标系(x’,y’,

5、z’)，也称为感应主轴坐标系，使椭球方程不含交叉项，即具有如下形式：(11)式中，x’,y’,z’为加电场后椭球主轴的方向，通常称为感应主轴；是新坐标系中的主折射率，由于(10)式中的x和y是对称的,故可将x坐标和y坐标绕z轴旋转α角，于是从旧坐标系到新坐标系的变换关系为：将(12)式代入(10)式，可得：这就是KDP类晶体沿Z轴加电场之后的新椭球方程，如图所示。其椭球主轴的半长度由下式决定：令交叉项为零，即,则方程式变为(2-26)αxyx’y’yx'y'450图1加电场后的椭球的形变x由于γ63很小（约10-10m/V）,一般是γ63

6、EZ<<，利用微分式故即得到(泰勒展开后也可得):由此可见，KDP晶体沿Z（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45o角，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比，(16)式的△n值称为电致折射率变化。这是利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。下面分析一下电光效应如何引起相位延迟。一种是电场方向与通光方向一致,称为纵向电光效应;另一种是电场与通光方向相垂直,称为横向电光效应。2.电光相位延迟(2-26)纵向应用仍以KDP类晶体为例进行分析,沿晶体Z轴加电场后，其折射率椭球如图2所示

7、。如果光波沿Z方向传播，则其双折射特性取决于椭球与垂直于Z轴的平面相交所形成的椭圆。在(2-26)式中，令Z=0，得到该椭圆的方程为:ynz=ne——电光延迟(光路图)位相延迟LV调制入射光Exx‘y’这个椭圆的一个象限如图中的暗影部分所示。它的长、短半轴分别与x’和y’重合,x’和y’也就是两个分量的偏振方向,相应的折射率为nx’和ny’。当一束线偏振光沿着z轴方向入射晶体,且E矢量沿x方向，进入晶体(z=0)后即分解为沿x’和y’方向的两个垂直偏振分量。由于二者的折射率不同,则沿x’方向振动的光传播速度快,而沿y’方向振动的光传播速度

8、慢,当它们经过长度L后所走的光程分别为nx’L和ny’L,这样,两偏振分量的相位延迟分别为因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差式中的V=EzL是沿Z轴加的电压；当电光晶体和通光波长确定