电光调制技术是以一些晶体的电光效应为物理基础,对光的相应参数进行调变的技术,其主要应用于光通信、光刻和激光雷达等领域。在空间光通信中,一般都采用激光作为信息传输的手段,大功率、高速率电光调制技术是空间光通信领域的重要研究内容,已成为制约我国空间光通信研究和发展的瓶颈之一。目前,世界各科技强国都十分重视空间光通信的特殊的军事应用价值,先后开展了空间光通信及其关键技术的研究工作,并将其提升到了较高的战略地位。光通信可分为光纤通信和空间光通信两大类,二者对电光调制的原理、实现方法、参数指标等的要求都不尽相同。目前,高速率电光调制技术已经较早并广泛地应用于光纤通信领域中,发展非常迅速。高速率电光调制器主要针对1550nm波段激光、采用集成波导调制方式、实现调制带宽可以达到160GHz以上,通信速率为40Gbps的光纤通信系统已经商业化。在自由空间、临近空间、深空等链路的空间激光通信中,我国的大功率电光调制技术研究相对滞后。空间光通信采用的激光主要为800nm波段,此波段的激光在大气信道中传输时具有“透明”特性。但空间激光通信的链路距离非常远,激光在大气信道中的传输损耗很大,所以需要电光调制器的输出光功率在几百mw或几W的数量级,这是光纤通信中的高速电光调制器件无法实现的。为保证大容量信息传输需要,空间激光通信电光调制器必须折中考虑功率和速率两个指标,调制速率一般要求在几百Mbps到几Gbps之间。目前,课题组共开展了两个方法的研究。一种方法是采用大功率、高速率电光调制技术直接调制能满足空间激光通信需要的电光调制器,主要针对800nm波段,考虑此波段的光学器件较多、技术相对成熟和大气的低损耗特性,这方面的工作和本论文研究在“十一·五”末期已经取得了阶段性的成果,调制速率为100Mbps～500Mbps、最大光功率输出大于0.5W的电光调制器(采用外调制方式)已经成功应用于空间激光通信实验中。方法二是利用光纤通信中现有的高速率调制技术,针对光纤低损耗的1550nm波段,开展后续的光放大技术的研究,力争研制出满足较远距离的临近空间或深空激光通信需要的大功率、高速率集成激光发射模块,这方面的研究预计在“十二·五”中期能够取得突破。本论文根据研究方法一,提出了七个需要解决的问题：(1)如何提高光功率输出和调制速率；(2)如何降低半波电压；(3)如何设计和制作电极；(4)如何为调制器提供驱动信号；(5)如何实现静态工作点自动控制；(6)如何设计工程样机；(7)如何开展测试和应用实验。为解决上述问题,本文主要研究工作分解为如下几个方面：(1)深入调研国内外研究现状,分析和总结现有研究成果；(2)为提高电光调制的输出光功率,选择了脉冲编码调制、强度调制、横向调制和体调制等具体调制方式,相对波导集成调制方式比较容易实现、不需要非常苛刻的波导设计工艺；(3)为提高电光调制的输出光功率,考虑了晶体的抗光损伤能力,折中考虑了晶体尺寸、长宽比和通光孔径,设计了高效的光路结构,设计了长光程自聚焦透镜,实现了准直器和光纤的高效耦合；(4)为提高调制速率和有效降低半波电压,对铌酸锂晶体的结构和特性进行了详细分析,提出了双晶串联的组合调制和横向行波调制方式；(5)开展了行波电极的设计、制作工艺和流程等研究；(6)电光调制器的驱动信号已经进行了射频频段,为此开展了基于现有射频集成放大器件的二级负反馈放大技术研究；(7)为了克服温度、折射率变化等影响,开展了静态工作点自动控制、温度控制、频率稳定等研究；(8)在工程样机设计方面：开展了晶体尺寸、起偏器和检偏器参数、自聚焦透镜、光路结构、电极、机械结构、小型化等研究；(9)在室内：主要开展了波长、光功率和调制带宽等的测试,并开展了数字信号传输实验；(10)在野外：主要开展了光功率预算、功率损耗、通信速率和误码率等研究和测试,分析了实验验证效果。本论文开展了大功率、高速率电光调制技术的理论分析、仿真研究、工程样机设计和应用实验研究,实验数据对理论研究具有较好的支撑和验证作用。随着我国“十二·五”期间月球探测、空间站、载人航天、深空探测等领域的规划和发展,激光技术、光通信技术、光电子技术等方面的研究将会不断深入。大功率、高速率电光调制技术的研究及成果将对未来空间光通信的应用和发展起到一定的促进作用。