铌酸锂晶体光学性能的仿真研究Word格式.doc
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一班
学号2007041115
指导教师姓名：
o
职称讲师
最终评定成绩
o教务处
二○一一年二月制
目录
第一部分设计说明书
一、设计说明书
第二部分过程管理资料
一、毕业设计（论文）课题任务书
二、本科毕业设计（论文）开题报告
三、本科毕业设计（论文）中期报告
四、毕业设计（论文）指导教师评阅表
五、毕业设计（论文）评阅教师评阅表
六、毕业设计（论文）答辩评审表
2011届
本科生毕业设计（论文）资料
（2011届）
本科生毕业设计说明书
铌酸锂晶体光学性能的仿真研究
电子与通信工程系
应用物理学
o
学号2007041115
o
职称讲师
2011年5月
o本科生毕业设计
系（部）：
电子与通信工程系
应用物理学
学号：
2007041115
学生姓名：
o
指导教师：
o讲师
长沙学院毕业设计（论文）
摘要
线性电光效应在很多领域特别是光通信领域有着重要的应用，以它为物理基础的电光调制是目前应用最广泛的光调制方式之一。
电光调制器可以对光波进行调幅、调强、调频、调相和调偏振，应用领域非常广阔。
线性电光效应耦合波理论是本论文的基础，它是由She等人提出的一种全新的理论方法。
这一理论的优点是给出了严格解，应用条件没有特殊限制，其外加电场方向、入射光方向及偏振方向都可以是任意的。
本文将准相位匹配的理论引入线性电光效应中，得到“准相位匹配”线性电光效应耦合波方程及其解析解，并将其应用于周期性的极化LiNb03晶体中（PPLN）。
通过设定倒格矢参数，从而弥补晶体双折射时o光和e光折射率不同造成的相位失配，得到较高的电光效率。
并利用Matlab进行数值仿真，研究了温度，波长，外加电场和晶体占空比对电光效应转换效率的影响。
模拟结果表明，“准相位匹配”概念在电光耦合中起重要作用，另外准相位匹配条件对温度和波长非常敏感，但允许入射光有较大的失配角。
本文对设计电光调制晶体有一定的理论指导意义。
关键词：
铌酸锂，电光效应，耦合波，转换效率
ABSTRACT
Electro-opticmodulation，basedonlinearelectro-opticeffect，isoneofwidelyusedmodulationtechnologies．Electro-opticmodulatorhasbeenwidelyusedforthemodulationofthesignalsoflight，includingthemodulationofamplitude，intensity,frequencyphaseandpolarization.
Ourworkspresentedinthethesisarebasedonthewavecouplingtheoryoflinearelectro-opticeffect,anewelectromagnetictheoryputforwardbySheet.al.,whoseadvantageiswithrigoroussolutionforalightwavewitharbitrarypolarizationpropagatingalonganydirectionunderanarbitraryexternalelectricfield.
Thequasi-phase-matched（QPM）theorywasappliedtotheelectro-opticeffect.WederivedageneralwavecouplingequationsofQPMlinearelectro-opticeffect，andusedresultantequationstoinvestigatetheelectro-opticeffectinperiodicallypoledLiNb03（PPLN）．BysettingtheparametersofPPLNgrating,wecompensatedforthephasemismatchedwhichiscausedbydifferentindexofrefractionoftheo-rayande-raywhenbirefringencehappens.Asaresult,highconversionefficiencywasobtained.ByuseofMatlab,theinfluenceoftemperature,wavelength,electricfieldintensityanddutycycleofPPLNontheconversionefficiencyoftheelectro-opticaleffectwereinvestigatednumerically.TheresultsindicatethattheQPMconditionplaysanimportantroleinelectro-opticcoupling；
inaddition，thecouplingisverysensitivetothetemperatureandincidentlightwavelength，buthasalargetolerancetotheincidentdirectionoflight.Ourresearchresultswillbeusefulfordesigningtheelectro-opticmodulator.
Keywords:
LiNbO3,electro-opticeffect,coupledwave,conversionefficiency
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1电光效应的基本概念 1
1.2线性电光效应的应用 2
1.3电光效应研究的理论发展 2
1.4本论文的主要工作及其意义 3
第2章LiNbO3的晶体结构和性质 5
2.1LiNbO3晶体结构 5
2.2LiNbO3晶体基本性质 6
2.3LiNbO3晶体特点 6
2.4周期性极化LiNbO3晶体（PPLN）的制备 7
2.5PPLN晶体的应用 8
2.6LiNbO3晶体折射率方程 9
第3章线性电光效应的耦合波理论 11
第4章LiNbO晶体电光效应理论 17
4.1LiNbO3晶体电光效应的折射率椭球分析法 17
4.2LiNbO3晶体电光效应线性耦合波理论分析法 19
第5章PPLN结构参数设定 22
5.1相关参数说明 22
5.2PPLN结构参数 22
5.3有效电光系数设定 23
第6章数值模拟与讨论 25
6.1温度T的改变对转换效率η的影响 25
6.2波长λ的改变对转换效率η的影响 28
6.3外电场E的改变对转换效率η的影响 30
6.4晶体占空比D的改变对转换效率η的影响 30
结论 32
参考文献 33
附录 34
致谢 41
IV
第1章绪论
1.1电光效应的基本概念
光在各向异性介质中传播时将产生双折射现象，这种现象是由于晶体结构自身的各向异性所造成的，通常把这种现象称为自然双折射。
而当各向同性介质受到应力、电场、磁场等外界作用时，其结构将发生变化，使晶体的折射率重新分布，从而使光在其中的传播规律发生变化，产生感应双折射。
这种感应双折射与自然双折射不同，它可以人为的通过外界作用加以控制，例如人们可以通过改变电场的大小或方向而有效地控制出射光的强度、方向或偏振态等，所以在光电子技术中获得了广泛的应用。
其中电光效应就是应用最广泛的一种技术。
在有些晶体内部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势向，从而改变晶体的折射率，使本来是各向同性的介质产生双折射，而使本来是光学各向异性的晶体的双折射特性发生变化。
这种因外加电场使光学性质发生变化的效应，称之为电光效应。
光在介质中的传播受到介质折射率分布的制约，而介质的折射率分布又是由介质的相对介电常数决定。
另一方面，当介质受到较强的直流电场或低频电场作用时将引起极化，其电位移矢量，所以极化强度将影响介质的相对介电常数，它是电场强度的函数。
可见外加电场后使介质产生极化，从而使介质的折射率发生改变，进而改变光波在其中的传播规律通常用下式表示电场E引起的折射率的变
化：
（1.1）
式中a和b为常数，是不加电场时晶体的折射率。
其中由一次项aE引起折射变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或普克尔（Pokells）效应；
由二次项引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称克尔效应。
线性电光效应可认为是入射光电场与直流电场混合作用在物质中产生的二阶非线性电极化：
（1.2）
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