电光调制器

2021-01-29 13:49:50 浏览:718

定义

基于电光效应的光调制器。

电光调制器(EOM)是通过电子控制信号来控制激光光束的功率、相位和偏振。它通常包含一个或两个普克尔斯盒,有时可能还包含一些其它的光学元件,例如偏振器。图1给出了不同类型的普克尔斯盒,更多细节描述可参阅词条普克尔斯盒。其工作原理是线性电光效应(也称为普克尔斯效应),即电场引起非线性晶体中的折射率变化与场的强度成正比。

EOMs常用的非线性晶体材料为磷酸二氘钾(DKDP),磷酸氧钛钾(KTP),β-硼酸钡(BBO)(后者适用于更高平均功率和更高开关频率时),还有铌酸锂(LiNbO3),钛酸锂(LiTaO3)和磷酸二氢铵(NH4H2PO4, ADP)。除了以上这些无机电光材料外,还有一些特殊的聚合物可以用在调制器中。

图 1 几种不同类型的普克尔斯盒

能够引起相位变化为π的电压称为半波电压(Vπ)。对于一个普克尔斯盒,它的值通常为几百甚至几千伏,因此需要一个很高电压的放大器。采用一个合适的电子回路可以在几纳秒内开关如此大的电压,因此EOMs可以用作快速的光开关。在其它情况下,只需较小的电压进行调制就足够了,例如,只需要很小的振幅或者相位调制。

电光调制器的类型

相位调制器

最简单的电光调制器为只包含一个普克尔斯盒的相位调制器,其中电场(通过电极施加到晶体上)改变激光光束进入晶体后的相位延迟。入射光束的偏振状态通常需要与晶体的一个光轴平行,这样光束的偏振态不会发生变化。

有些情况下只需要很小的相位调制(周期性的或者非周期性的)。例如,通常采用EOM来控制和稳定光学谐振腔的谐振频率。共振调制器通常用在需要周期性调制的情形,这时只需中等强度的驱动电压就能得到很大的调制深度。有时调制深度很大,光谱中会产生很多旁瓣(光梳产生器,光梳)。

偏振调制器

根据非线性晶体的类型和指向不同,以及实际电场方向的不同,相位延迟也与偏振方向有关。因此普克尔斯盒可以看多电压控制的波片,它还可以用来调制偏振态。对于线偏振的输入光(通常与晶体轴有45°的夹角),输出光束的偏振态通常为椭偏振,而不是简单的由原来的线偏振光旋转了一定的角度。

振幅调制器

如果与其它光学元件结合起来,尤其是与偏振器结合后,普克尔斯盒可以用作其它种类的调制。图2中的振幅调制器是利用普克尔斯盒改变偏振态,然后采用偏振器将偏振态的改变转化成透射光振幅和功率的变化。

图 2 电光振幅调制器,在两偏振器之间包含一个普克尔斯盒

另一个技术方案是在马赫曾德尔干涉仪的一个臂上使用电光相位调制器来得到振幅调制。该原理通常应用在集成光学(光子集成回路)中,相比于体光学元件,这种方案更容易实现相位稳定。

光开关也是一种调制器,其中透射为开或者关的状态,而不是逐渐变化的。这种光开关可以用作脉冲拾取器,从一列超短脉冲中选择一定的脉冲,或者在倾腔激光器和正反馈放大器中。

热补偿装置

如果需要在两偏振方向之间引入相对相位变化,那么热学影响就会对结果产生影响。因此,电光调制器通常包含两个匹配的普克尔斯盒,这样其相对相移随温度的变化可以相互抵消。也有的结构中包含四块晶体,具有严格相同的长度,抵消了双折射效应和空间游走。还有很多种类型的多晶体设计,取决于采用的材料和实际需要。

共振装置与宽带装置的对比

有时需要在某一特定频率下得到纯的正弦调制。在该情况下,通常需要采用电子共振的(而不是机械共振的)电光调制器,包含一个共振LC回路。该装置的入射电压可能比普克尔斯盒电极间的电压小很多。如果要二者电压比值很大,需要LC回路具有高的品质因子(Q因子)并且降低带宽从而可以实现共振增强。但是采用共振装置的一个缺点是缺乏灵活性,要改变共振频率,至少需要改变一个电学元件。

宽带调制器通常优化到可以工作在很宽的频率范围内,通常从0频率开始。高的调制带宽需要普克尔斯盒具有较小的电容,并且避免共振情况。

行波调制器

在很高调制带宽的情况下,例如,在GHz范围内,通常采用集成光学行波调制器。这里,电子驱动信号产生电磁波(微波)在与光束方向相同的电极间传播。理想情况下,两波的相速度是匹配的,因此即使频率非常高且电极长度对应几个微波波长的情况下,也可以得到足够的调制。

重要性质

在购买电光调制器之前需要考虑许多性质:

  • 装置需要具有足够大的孔径,尤其是在峰值功率很高时。在整个孔径中统一进行开关和调制需要很高的晶体质量和合适的电极几何结构。提高孔径尺寸会极大的提高器件成本。
  • 用于超短脉冲开关时,克尔非线性效应和色散是相关的效应,它们与晶体材料及其长度有关,还与光束半径有关。(这类效应通常无法消除,因此需要在设计时考虑在内,例如,在设计正反馈放大器时。)
  • 根据器件的设计,输出光束可能保持入射光束的偏振态也有可能不保持。
  • 相位调制器可能会产生不需要的振幅调制,反之亦然。这与设计密切相关。
  • 由于电光材料通常是压电的,施加的电压会产生机械振动,它就会通过电光效应从而影响折射率。在某一机械共振频率附近,调制器的响应可能会受到很大的影响。这尤其在宽带调制器中会是一个问题。应用到开关中时,可能会存在不需要的激振效应。该效应与晶体材料、维度、指向和机械设计密切相关。
  • 很高的平均功率和开关频率都会引起热学相关的问题。热学处理以及功率和频率范围与各种制作细节有关。
  • 晶体需要具有很高质量的抗反射涂层,工作在特定的波长区域,并且材料具有很好的透明度从而使插入损耗最小化。
  • 反射的光束可能在调制器装置中被吸收或者出射到一个比较合适的位置和方向(尤其对于高功率装置来说)。
  • 开关速度与调制器和电子驱动装置都有关系。
  • 电光调制器可以直接购买光纤耦合形式的,它具有不同种类的连接器和光纤(例如,单模或者多模)。

需要注意,合适的机械支架也是需要的,通常需要采用一些方法将调制器准确调整到不同的方向上。

电子驱动

电子驱动如果能够同时与EOM匹配同时又能适用于特定应用中是非常重要的。例如,不同种类的EOMs需要使用不同的驱动电压,并且驱动器需要根据EOM给定的电容来进行设计。有些驱动器只适用于正弦调试,然而宽带装置工作在很大的调制频率范围内。如果从同一个供货商购买电光调制器和电子驱动器就能避免很多问题,因为总体的响应度在同一个水平。

应用

电光调制器的一些典型应用包括:

  • 调制激光光束的功率,例如,用于激光打印,高速数字数据记录,或者高速光通信;

  • 用在激光频率稳定机制中,例如,利用Pound-Drever-Hall方法;

  • 固态激光器中的Q开关(其中EOM是在脉冲辐射之前用来关闭激光谐振腔);

  • 主动锁模(EOM调制谐振腔损耗或者往返光的相位等);

  • 在脉冲拾取器、正反馈放大器和倾腔激光器中开关脉冲。

参阅:电光效应、普克尔斯效应、普克尔斯盒、脉冲拾取器、非线性晶体材料、光调制器、相位调制器、倾斜腔、正反馈放大器、主动锁模、电吸收调制器、声光调制器

非线性光学

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