泡克耳斯效應(yīng)
關(guān)注創(chuàng)建者：琳泓c(diǎn)omsol 創(chuàng)建時(shí)間：2020-08-04
泡克耳斯效應(yīng)的實(shí)例教程
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</div><p> 泡克爾效應(yīng)也稱電光效應(yīng)，光介質(zhì)在恒定或交變電場(chǎng)下產(chǎn)生光的雙折射效應(yīng)，這是一種線性電-光效應(yīng)，其折射率的改變和所加電場(chǎng)的大小成正比[1]。德國物理學(xué)家弗里德里斯·泡克耳斯（英語：Friedrich Pockels）于1893年研究發(fā)現(xiàn)的。但這種效應(yīng)只存在缺少反演對(duì)稱性的晶體中，例如鈮酸鋰（LiNbO3）,鉭酸鋰（LiTaO3），硼酸鋇（BBO），和砷化鎵（GaAs）等，或存在其它非中心對(duì)稱的介質(zhì)，例如在電場(chǎng)極化高分子和玻璃中出現(xiàn)。電場(chǎng)極化高分子中含有特別設(shè)計(jì)的有機(jī)分子，它們具有比高非線性晶體高10倍的非線系數(shù)。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202008/02e970c58fc247aeaf9ee117b2b1489f.png"></p><p> 利用該效應(yīng)，當(dāng)一束線偏振光通過處于電場(chǎng)中的電光晶體時(shí)， 它的兩個(gè)相互垂直的分量將具有不同的相速度，導(dǎo)致二者之間有一個(gè)相位差。一 定的條件下，這個(gè)相位差與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。利用這種效應(yīng)，通過一些光電轉(zhuǎn)換 就可測(cè)量電壓或電場(chǎng)。這類傳感器件稱為光學(xué)電壓互感器，是智能變電站的關(guān)鍵設(shè)備。
展開 圖2：外部調(diào)制器件原理圖
電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)
(一)泡克耳斯效應(yīng)：折射率實(shí)部變化引起相位調(diào)制
1.泡克耳斯效應(yīng)（Pockels effect）是電光效應(yīng)的一種，由于其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度， 因此又稱作線性電光效應(yīng)。此外，還有二階非線性電光效應(yīng)—克爾效應(yīng)，其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方。兩種效應(yīng)的折射率對(duì)外加電場(chǎng)的依賴關(guān)系如下：
2.應(yīng)用范圍：InP、鈮酸鋰、有機(jī)電光材料等，Ansys Lumerical中的案例為Thin Film Lithium Niobate Electro-Optic Phase Modulator：（相關(guān)鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/19435937674387-Thin-Film-Lithium-Niobate-Electro-Optic-Phase-Modulator）
圖3：鈮酸鋰薄膜電光相位調(diào)制器
(二)弗朗茲－凱爾迪什效應(yīng)：折射率虛部變化實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制
1.弗朗茲－凱爾迪什效應(yīng)(Franz-Keidysh, F-K）是電吸收效應(yīng)的一種，指的是在外加電場(chǎng)作用下某些半導(dǎo)體的能帶發(fā)生彎曲，使得導(dǎo)帶和價(jià)帶間的帶隙發(fā)生變化，價(jià)帶電子通過隧穿躍遷到導(dǎo)帶的幾率大大增加，有效能隙減小，使得吸收邊發(fā)生紅移。
展開 關(guān)于泡克耳斯效應(yīng)（Pockels Effect）
如 KDP、鈮酸鋰(LiNbO3)、碲化鎘(CdTe) 等晶體具有上面占主導(dǎo)地位的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的折射率。這種介質(zhì)被稱為泡克耳斯介質(zhì)（Pockels media），其中，d1 被稱為線性光學(xué)系數(shù)，因?yàn)檎凵渎适请妶?chǎng)的線性函數(shù)。
在 COMSOL Multiphysics 中，我們使用光學(xué)調(diào)制器演示了泡克耳斯效應(yīng)。在這個(gè)模型中，光通過一個(gè)單硅波導(dǎo)傳播，該波導(dǎo)分為兩個(gè)波導(dǎo)。如下圖所示，在上支路上施加一個(gè)接觸墊，并用直流電壓激勵(lì)。波導(dǎo)的這個(gè)分支也可以被定義為 d1=30e-12m/V 的泡克耳斯介質(zhì)。
當(dāng)不對(duì)接觸墊施加電壓時(shí)，光通過上分支和下分支暢通無阻地流動(dòng)，并在分支合并在一起的點(diǎn)相長干涉。然而，當(dāng)向接觸墊施加特定電壓時(shí)，在接觸墊內(nèi)的區(qū)域中產(chǎn)生局部電場(chǎng)。在外部電場(chǎng)影響下，該區(qū)域的材料特性改變了該介質(zhì)的折射率，進(jìn)而有效地改變了光通過上部波導(dǎo)傳播的速度。當(dāng)這些在上部和下部分支中傳播的光在分支合并處相互干涉時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相消干涉，沒有光向前傳播。
泡克耳斯效應(yīng)的潛在應(yīng)用是設(shè)計(jì)光開關(guān)。例如，在
光子集成電路
領(lǐng)域。在 COMSOL 的教程模型中，我們演示了一種特殊的光開關(guān)元件，稱為
馬赫-曾德爾調(diào)制器
。
馬赫-曾德爾調(diào)制器示意圖。
上輸出支路 1 和下輸出支路 2 的傳輸與施加的直流電壓的關(guān)系。
關(guān)于克爾效應(yīng)
某些氣體、液體和晶體表現(xiàn)出中心對(duì)稱性質(zhì)，其中泰勒展開的第一項(xiàng)和第三項(xiàng)占主導(dǎo)地位。在這種情況下，折射率可以定義為所施加電場(chǎng)的二次函數(shù)，如下所示:
線性和非線性光學(xué)建模的總結(jié)性思考
本文討論了不同的光學(xué)材料，如 KDP、BK-7、LiNbO
3
、CdTe 和外電場(chǎng)下的硅。
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泡克耳斯效應(yīng)的最新內(nèi)容
圖2：外部調(diào)制器件原理圖
電光調(diào)制中常用的物理效應(yīng)
(一)泡克耳斯效應(yīng)：折射率實(shí)部變化引起相位調(diào)制
1.泡克耳斯效應(yīng)（Pockels effect）是電光效應(yīng)的一種，由于其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度， 因此又稱作線性電光效應(yīng)。此外，還有二階非線性電光效應(yīng)—克爾效應(yīng)，其外加電場(chǎng)引起的晶體折射率變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方。
關(guān)于泡克耳斯效應(yīng)（Pockels Effect）
如 KDP、鈮酸鋰(LiNbO3)、碲化鎘(CdTe) 等晶體具有上面占主導(dǎo)地位的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的折射率。這種介質(zhì)被稱為泡克耳斯介質(zhì)（Pockels media），其中，d1 被稱為線性光學(xué)系數(shù)，因?yàn)檎凵渎适请妶?chǎng)的線性函數(shù)。
在 COMSOL Multiphysics 中，我們使用光學(xué)調(diào)制器演示了泡克耳斯效應(yīng)。
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