電光調(diào)制器的原理及類(lèi)型
電光調(diào)制器(EOM)作為光纖鏈路里必不可少的器件,其性能的優(yōu)劣嚴(yán)重影響著系統(tǒng)信號(hào)的發(fā)射和接收。
電光調(diào)制器是通過(guò)電子控制信號(hào)來(lái)控制激光光束的功率、相位和偏振。它通常包含一個(gè)或兩個(gè)普克爾斯盒,有時(shí)可能還包含一些其它的光學(xué)元件,例如偏振器。下圖給出了不同類(lèi)型的普克爾斯盒。其工作原理是線性電光效應(yīng)(也稱為普克爾斯效應(yīng)),即電場(chǎng)引起非線性晶體中的折射率變化與場(chǎng)的強(qiáng)度成正比。
能夠引起相位變化為π的電壓稱為半波電壓(Vπ)。對(duì)于一個(gè)普克爾斯盒,它的值通常為幾百甚至幾千伏,因此需要一個(gè)很高電壓的放大器。
采用一個(gè)合適的電子回路可以在幾納秒內(nèi)開(kāi)關(guān)如此大的電壓,因此EOMs可以用作快速的光開(kāi)關(guān)。在其它情況下,只需較小的電壓進(jìn)行調(diào)制就足夠了,例如,只需要很小的振幅或者相位調(diào)制。
電光調(diào)制器的類(lèi)型:
相位調(diào)制器
最簡(jiǎn)單的電光調(diào)制器為只包含一個(gè)普克爾斯盒的相位調(diào)制器,其中電場(chǎng)(通過(guò)電極施加到晶體上)改變激光光束進(jìn)入晶體后的相位延遲。入射光束的偏振狀態(tài)通常需要與晶體的一個(gè)光軸平行,這樣光束的偏振態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。
有些情況下只需要很小的相位調(diào)制(周期性的或者非周期性的)。例如,通常采用EOM來(lái)控制和穩(wěn)定光學(xué)諧振腔的諧振頻率。共振調(diào)制器通常用在需要周期性調(diào)制的情形,這時(shí)只需中等強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)電壓就能得到很大的調(diào)制深度。有時(shí)調(diào)制深度很大,光譜中會(huì)產(chǎn)生很多旁瓣(光梳產(chǎn)生器,光梳)。
偏振調(diào)制器
根據(jù)非線性晶體的類(lèi)型和指向不同,以及實(shí)際電場(chǎng)方向的不同,相位延遲也與偏振方向有關(guān)。因此普克爾斯盒可以看多電壓控制的波片,它還可以用來(lái)調(diào)制偏振態(tài)。對(duì)于線偏振的輸入光(通常與晶體軸有45°的夾角),輸出光束的偏振態(tài)通常為橢偏振,而不是簡(jiǎn)單的由原來(lái)的線偏振光旋轉(zhuǎn)了一定的角度。
振幅調(diào)制器
如果與其它光學(xué)元件結(jié)合起來(lái),尤其是與偏振器結(jié)合后,普克爾斯盒可以用作其它種類(lèi)的調(diào)制。下圖中的振幅調(diào)制器是利用普克爾斯盒改變偏振態(tài),然后采用偏振器將偏振態(tài)的改變轉(zhuǎn)化成透射光振幅和功率的變化。
光開(kāi)關(guān)也是一種調(diào)制器,其中透射為開(kāi)或者關(guān)的狀態(tài),而不是逐漸變化的。這種光開(kāi)關(guān)可以用作脈沖拾取器,從一列超短脈沖中選擇一定的脈沖,或者在傾腔激光器和正反饋放大器中。
熱補(bǔ)償裝置
如果需要在兩偏振方向之間引入相對(duì)相位變化,那么熱學(xué)影響就會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此,電光調(diào)制器通常包含兩個(gè)匹配的普克爾斯盒,這樣其相對(duì)相移隨溫度的變化可以相互抵消。也有的結(jié)構(gòu)中包含四塊晶體,具有嚴(yán)格相同的長(zhǎng)度,抵消了雙折射效應(yīng)和空間游走。還有很多種類(lèi)型的多晶體設(shè)計(jì),取決于采用的材料和實(shí)際需要。
行波調(diào)制器
在很高調(diào)制帶寬的情況下,例如,在GHz范圍內(nèi),通常采用集成光學(xué)行波調(diào)制器。這里,電子驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電磁波(微波)在與光束方向相同的電極間傳播。理想情況下,兩波的相速度是匹配的,因此即使頻率非常高且電極長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)幾個(gè)微波波長(zhǎng)的情況下,也可以得到足夠的調(diào)制。