1 光調制技術：

使光的強度或者相位隨著數據信號變化而變化的技術稱為光調制技術

光載波可以用下面公式表示

? (1)

?? (2)

其中是電場矢量，是光極化方向的矢量單位，A是振幅，是光的頻率，是相位。光調制過程本身就是對，A，和中的一種或者多種參量進行調制。

2 調制方式

調制方式有直接調制和外調制。直接調制，也叫內調制，是利用激光二極管輸入的電信號直接驅動激光器產生已調制的輸出光信號。外調制是使激光按一定的輸出功率工作，用外部的光調制器件進行調制的外部調制方式。如下圖

圖1 直接調制和外調制

3 外調制

外調制是指加載調制信號在激光形成以后進行。即調制器置于激光諧振腔外，在調制器上加調制信號，使調制器的某些物理特性發生相應的變化，當激光通過它時即得到調制。外調制技術分為電光調制、聲光調制、磁光調制等多種實現方式 。

圖2 外調制方式

4 電光調制

4.1電光效應

外加電場使物質的折射率發生變化的現象叫做電光效應。電光調制就是利用這種效應，使通過物質的光的相位發生直接變化，利用這種變化進行偏振，相位或者振幅調制等的一種方法。

電光效應是在外加電場的作用下，光學介質的折射率 發生變化的現象，折射率和電場的關系可以表示為：

??????? (3)

式中是E=0時的折射率，a和b為常數，其中電場一次項引起的變化稱為線性電光效應，也稱為Pokels效應，通常發生在無對稱中心介質中。二次項引起的變化稱為二次電光效應，也稱為Kerr效應。Pokels效應通常應用于電光調制器，Kerr效應用于超高速光開關。在無對稱中心介質中一次效應比二次效應顯著得多，所以通常討論線性效應。線性電光效應介質折射率的變化Δn與外加電場E成正比：

???? (4)

式中為線性電光系數。

電光效應引起的相位差 ΔΦ 也正比于外加電場：

??? (5)

L 為作用長度或者稱為調制長度，h為電極間距，為入射光波長。

4.2電光晶體

電光晶體，是具有電光效應的晶體材料。在外電場作用下晶體的折射率會發生變化。電光晶體的參數很多，在選取時必須綜合考慮晶體的各種參數選出綜合性能最佳的電光晶體。常見電光晶體材料有ADP，石英，LiNbO3、LiTaO3、BaTiO3等。下表為幾種電光晶體的主要參數

表1 幾種電光晶體參數表

比較上表1中的幾種晶體，可以得到以下結論

（a）從電光系數來看，石英的電光系數過小0.7，不適宜做電光調制晶體。

（b）從折射率來看，同一波長發散角相同的光束在不同晶體傳播時，折射率大的晶體 中的光束的發散角小。于是當光束滿孔徑入射到尺寸相同、材料不同的電光晶體中時，折射率大的晶體孔徑損耗要小。因此，在同等條件下，折射率大的晶體更適合做電光調制晶體。LiNbO3、LiTaO3、BaTiO3晶體的折射率都在2.2左右。因此 這三種晶體更適合做電光調制晶體

（c）因為電光晶體的形狀為長方體，因此從電學的角度可以把電光晶體看成是平板電容。電容越大高頻電路的設計越困難在同等條件下平板電容的大小與相對介常數成正比，因此電光晶體的相對介電常數太大不好。晶體BaTiO3相對介電常數太大因此不適合做高頻電光調制晶體 。

4.3電光調制的方式

（1）縱向電光調制：加在晶體上的電場方向與通光方平行稱縱向電光效應，也稱為縱向運用。利用縱向電光效應的調制叫做縱向電光調制。這種調制方式結構簡單，工作穩定，無自然雙折射的影響，不需要進行補償。但由于外加電場的方向與光的傳播方向同向，因此在電光晶體的端面電極須做成環行電極或者鍍以透明電極，光才能通過。這樣給加工帶來一定的難度，而且電極對光束有干擾作用。除此之外，該種方式半波電壓太高，功率損耗也較大。

（2）橫電光調制：通光方向與所加電場方向相垂直。可以增加晶體材料的長度或減少厚度來減小半波電壓。缺點是會由自然雙折射引起相移對溫度敏感。通過采用合適的晶體結構和溫度控制技術，可以消除自然雙折射及溫度對調制效果的影響。橫向調制的半波電壓明顯低于縱向調制的半波電壓。

圖3 縱向和橫向調制方式

（4）橫電光調制：隨著集成光學及光通信、光信息、處理技術、光計算等應用技術的發展，利用光波導將光束限制在一個微米量級的區域沿著一個方向傳播的特性。能夠實現波導電光調制。波導傳輸型電光光強調制器有很多種結構，最常用的一般有兩種類型：M-Z干涉儀式和定向耦合器型。

圖4 M-Z和定向耦合形波導調制

M-Z干涉儀式調制器結構如圖4(a)所示：輸入光波經過一段光路后在一個Y分支處，被分成相等的兩束，分別通過兩個光波導傳輸，光波導是由電光材料制成的，其折射率隨外加電壓的大小而變化，從而使兩束光信號到達第二個Y分支處產生相位差。若兩束光的光程差是波長的整數倍，兩束光相干加強；若兩束光的光程差是波長的1／2，兩束光相干抵消，調制器輸出很小。因此通過控制電壓就能對光信號進行調制。

定向耦合器型強度調制器如圖4(b)所示，它由兩個平行且距離很小的兩個光波導組成，一個波導的光能夠橫向耦合到另一個波導內，電極電場的作用是改變波導的傳播特性和促進兩波導間的橫向光耦合。在光的一個耦合周期的長度內，當電極上無電壓時，一個波導內傳播的光完全耦合到另一個波導傳播，最終導致原波導無光輸出，所有的光均耦合到另一個波導輸出。當電極上有電壓時，進入一個波導內的光，耦合后將完全再返回原波導傳播和輸出。這種方式既可作為強度調制，又可作為光開關。

審核編輯：湯梓紅