电光相位调制器

 1、工作原理

      电光相位调制器的核心原理是基于电光效应，光波在材料中传播时的相位与材料的折射率有关，即当电光材料（如铌酸锂）受到外加电场时，其折射率发生变化。因此，通过改变折射率，可以实现对光波相位的调制。根据所加电场方向与通光方向的关系，电光相位调制可分为横向和纵向两种方式，当电场方向与通光方向垂直时，为横向电光调制；当电场方向与通光方向平行时，为纵向电光调制。横向电光相位调制的优点是半波电压较低，其主要缺点是存在自然双折射现象，即在没有施加外电时，通过晶体的两个偏振分量。光和e光之间就有相位差的存在，当晶体的温度变化时，折射率n_o和n_e随之改变，导致两光波的位差随温度漂移，产生剩余振幅调制。纵向电光相位调制不存在自然双折射现象，但是其半波电压很高。因此，在实验上一般选择横向电光相位调制的方式对光波的相位进行调制。

2、相位调制

       在理想情况下，利用起偏器 (Polarizer)可以使入射光变为纯的线偏振光，并且其偏振方向严格平行于晶体的z轴方向，此时只有一个沿z轴方向偏振的光通过晶体，出射光的偏振状态和强度不会改变，只是改变其相位，此相位调制为纯的相位调制，用公式表示为：

\[ \begin{equation} E_{PM} = E_0 e^{i(wt + △φ)} \end{equation} \]

  式中，E₀为入射光场的振幅，ω为光场的圆频率，光场的相位变化表示为：\[ \Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} \Delta n(t) l = \frac{2\pi}{\lambda} \left( \frac{1}{2} n_e^3 γ_{33} E_z (t)\right) l = \frac{2\pi}{\lambda} \left( \frac{1}{2} n_e^3 γ_{33} \frac{U(t)}{d} \right) l \]   式中，λ为光波波长，为电场作用下折射率的变化，γ₃₃为有效电光系数，U(t)为施加在晶体上的电压，l为晶体的长度，d为晶体的厚度。当相位变化π时所需的电压为半波电压：

\( \begin{equation*} U_π = \frac{\lambda d}{\gamma_{33} n_e^3}l \end{equation*} \)

      对于LiNbO₃晶体，未施加电场时，o光和e光的折射率分别为n_o=2.232@1064 nm，n_e=2.156@1064 nm，当晶体尺寸为4 mm×3 mm×40 mm时，如果没有谐振电路，则为宽带型电光相位调制器，经计算宽带型电光相位调制器的半波电压为258 V。利用谐振原理实现谐振型电光相位调制器可以有效降低半波电压，实现高调制深度。

3、应用

     光通信：在光纤通信系统中，电光相位调制器用于相位编码、相位调制和波长转换等。
     量子信息处理：在量子光学实验中，EOM被广泛用于调节光子相位和执行量子态操作。
     光频梳：在光频梳技术中，通过EOM实现频率调制和稳定。
     激光干涉仪：在引力波探测器等高精度仪器中，EOM用于对激光相位的精确控制。
     电光相位调制器因其高速、低损耗和精确控制的特点，在现代光学系统中发挥着至关重要的作用。

3、电光调制器连接图

图1 谐振型电光相位调制器与驱动器（信号源）的连接

图2 宽带型电光相位调制器搭配功放的使用