電光調(diào)制器簡介
電光(EO)調(diào)制器設(shè)計用于調(diào)制通過它們傳播的電磁輻射(光)的相位或強度(振幅)。它們可用于激光的Q開關(guān)和鎖模、產(chǎn)生光學(xué)脈沖、產(chǎn)生邊帶以及其它應(yīng)用。電光調(diào)制器利用普克爾斯效應(yīng)，這是一種線性(到一階)電光現(xiàn)象，也就是說，某些晶體產(chǎn)生的雙折射和施加在晶體上電場(電壓)振幅成比例。雙折射晶體對偏振方向平行于晶體光軸的光的提供一個折射率(n||) ，對偏振方向垂直于光軸的光提供一個不同的折射率(n⊥)。對于電光調(diào)制器中使用的晶體，光軸平行于所施電場的方向。
一般地，通過介質(zhì)的光程(OPL)是通過介質(zhì)的幾何路徑長度與介質(zhì)折射率(nr)的乘積。雙折射晶體的折射率以及通過晶體的OPL由相對晶體光軸的偏振方向決定。通過介質(zhì)的OPL與光通過介質(zhì)累積的相位直接相關(guān)。當(dāng)普克爾斯效應(yīng)條件滿足時，可以通過調(diào)制施加電壓來調(diào)制光通過晶體傳播累積的相位(相位差)。晶體越長，相位差越大，而OPL和累積相位差都和光波長相關(guān)。電光調(diào)制器正是利用晶體折射率隨施加電壓信號變化而變化這個特性。
電光相位調(diào)制器
電光相位調(diào)制器使光產(chǎn)生受電壓控制的相位差，但不影響偏振方向。圖1展示了能夠達到這個目的的一種配置：輸入線偏振光，偏振方向和晶體光軸對齊。如上所述，光軸(與z軸平行)由電場方向決定。光傳播積累的相位取決于光波長、晶體幾何寬度(沿平行于傳播方向的y軸測量)和光軸折射率n||。通過調(diào)制n||來控制光的相位調(diào)制；n⊥值不相關(guān)。圖3中通過表格列出并通過曲線繪出了相位差和施加電壓(以Vπ表達)的關(guān)系。在曲線上，X對應(yīng)于曲線上方表格列出的數(shù)值。Vπ稱作半波電壓，定義為輸出相位改變π所需的電壓。
電光振幅調(diào)制器
圖2展示了一個電光振幅調(diào)制器示例。在這種配置中，入射光為相對光軸成45°的線偏振光，而光軸還是由電場方向決定。在這種情況下，入射光可以看成兩束相等振幅且正交偏振分量的和：一束偏振方向平行于光軸(沿z軸)的光和一束偏振方向垂直于光軸(沿x軸)的光。由于晶體的雙折射，這兩個分量在通過晶體時累積的相位不同；偏振平行于光軸的光的OPL取決于n||，偏振垂直于光軸的光的OPL取決于n⊥。隨著施加電壓的變化，晶體兩折射率之差隨之變化；因此，兩分量之間的相對相位差也隨之變化。
晶體輸出端總電磁場偏振(分量之和)將隨兩分量的同相和異相而變化。當(dāng)兩分量相位相同或者相差180°時，晶體輸出端的光束是線偏振，如果相位差為π/2，則是圓偏振，其它情況都是橢圓偏振。從45°偏振片透過的光振幅與入射光的偏振方向相關(guān)；調(diào)制施加電壓時也將調(diào)制輸出光束的強度。從偏振片和電光調(diào)制器透過的光是線偏振，并且偏振方向和偏振片透射軸平行。
圖4中列出的數(shù)據(jù)展示施加電壓對晶體輸出處總光場的相位差和偏振的影響。曲線顯示偏振片透過光振幅在2Vπ調(diào)制范圍內(nèi)和施加電壓的函數(shù)關(guān)系。曲線上X對應(yīng)表格中列的數(shù)值。對于圖2所示的配置，電壓必須從0 V變化到Vπ(或者從-Vπ到0 V)，才能完全調(diào)制入射光振幅；為了得到最大值和最小值，調(diào)制器必須通過0 V和+Vπ或-Vπ。在裝置中加入一個四分之一波片時可以修改這個限制(請看實驗觀測標(biāo)簽)。
電光調(diào)制器的驅(qū)動
電光調(diào)制器可以配置使施加電壓方向與光傳播方向垂直，如圖1和圖2所示，或者也可以使電壓與光傳播方向平行。以橫向施加電壓的一個優(yōu)勢，即這些圖中所示的，在于光不是必須通過電極的。這樣一般能夠使調(diào)制器達到更高的透過率，并且可以使用對工作波長不透明的電極材料。另外，在橫向配置中，OPL與施加電場和晶體長度的乘積成比例。
驅(qū)動自由空間電光調(diào)制器通常使用可調(diào)高壓電源，比如高壓放大器配合函數(shù)發(fā)生器可以提供數(shù)百伏電壓。如概述標(biāo)簽中的曲線所示，驅(qū)動電光調(diào)制器的電壓隨著被調(diào)制光波長的變大而變大。因此，在較長波長處，實現(xiàn)光信號的全調(diào)制所需的電壓可能會超出高壓電源的電壓輸出范圍。例如，HVA200高壓放大器范圍是±200 V，非常適合驅(qū)動光波長分別約小于610和900 nm的EO-AM-NR和EO-PM-NR寬帶電光調(diào)制器。在更長的波長處，這個放大器無法為光信號的完整調(diào)制提供電壓。但是，HVA200和EO-AM-NR等電光振幅調(diào)制器一起使用時，在調(diào)制器前放置一個四分之一波片可以擴大HVA200的可用電壓范圍。
光纖耦合電光調(diào)制器對驅(qū)動電壓的要求通常比自由空間電光調(diào)制器低很多。在很多情況下，光纖耦合調(diào)制器的半波電壓在4 V量級，驅(qū)動困難在于找到能夠產(chǎn)生足夠高的調(diào)制頻率，以此滿足應(yīng)用需求。這里描述了一種圍繞函數(shù)發(fā)生器和放大器搭建的基礎(chǔ)裝置，成功用于驅(qū)動高達1 GHz的光纖耦合電光相位調(diào)制器。
圖1: 電光相位調(diào)制器
圖2: 電光振幅調(diào)制器
圖3: 電光相位調(diào)制器輸出與施加電壓(Vπ)的函數(shù)關(guān)系，
曲線上的X對應(yīng)于上方表格中列出的相位差。
圖4: 電光振幅調(diào)制器輸出與施加電壓(Vπ)的函數(shù)關(guān)系，
曲線上的X對應(yīng)于上方表格每列中的條件。
