電光調制器簡介
電光(EO)調制器設計用于調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開關和鎖模、產生光學脈沖、產生邊帶以及其它應用。電光調制器利用普克爾斯效應，這是一種線性(到一階)電光現象，也就是說，某些晶體產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，通過介質的光程(OPL)是通過介質的幾何路徑長度與介質折射率(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。通過介質的OPL與光通過介質累積的相位直接相關。當普克爾斯效應條件滿足時，可以通過調制施加電壓來調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。電光調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。
電光相位調制器
電光相位調制器使光產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||。通過調制n||來控制光的相位調制；n⊥值不相關。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)的關系。在曲線上，X對應于曲線上方表格列出的數值。Vπ稱作半波電壓，定義為輸出相位改變π所需的電壓。
電光振幅調制器
圖2展示了一個電光振幅調制器示例。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；調制施加電壓時也將調制輸出光束的強度。從偏振片和電光調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中列出的數據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調制范圍內和施加電壓的函數關系。曲線上X對應表格中列的數值。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)，才能完全調制入射光振幅；為了得到最大值和最小值，調制器必須通過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(請看實驗觀測標簽)。
電光調制器的驅動
電光調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。
驅動自由空間電光調制器通常使用可調高壓電源，比如高壓放大器配合函數發生器可以提供數百伏電壓。如概述標簽中的曲線所示，驅動電光調制器的電壓隨著被調制光波長的變大而變大。因此，在較長波長處，實現光信號的全調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寬帶電光調制器。在更長的波長處，這個放大器無法為光信號的完整調制提供電壓。但是，HVA200和EO-AM-NR等電光振幅調制器一起使用時，在調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。
光纖耦合電光調制器對驅動電壓的要求通常比自由空間電光調制器低很多。在很多情況下，光纖耦合調制器的半波電壓在4 V量級，驅動困難在于找到能夠產生足夠高的調制頻率，以此滿足應用需求。這里描述了一種圍繞函數發生器和放大器搭建的基礎裝置，成功用于驅動高達1 GHz的光纖耦合電光相位調制器。
圖1: 電光相位調制器
圖2: 電光振幅調制器
圖3: 電光相位調制器輸出與施加電壓(Vπ)的函數關系，
曲線上的X對應于上方表格中列出的相位差。
圖4: 電光振幅調制器輸出與施加電壓(Vπ)的函數關系，
曲線上的X對應于上方表格每列中的條件。
