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1、第二章 光辐射的调制,2.1 机械调制2.2 电光调制2.3 声光调制2.4 磁光调制2.5 电吸收光调制,光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程,在光通信系统中，需要把声音、图像、数据信息加载到光波上进行传输。,在光电检测系统中，使探测光为调制光，可以比非调制光 具有更强的抗干扰能力。,光辐射的调制方法：,内调制：即LD和LED的直接调制,外调制：将光源与调制器分开设立,外调制器：,机械调制 电光调制声光调制 磁光调制,外调制技术适用于所有光源。,电吸收光调制,2.1 机械调制,利用斩波器通断光通量，使探测光成为调制光。,调制光并配上合适的有源带通滤波器，以克服杂
2、散光的干扰。,斩波器,有源带通滤波器,探测器输出的光电流,设计有源带通滤波器，f0为方波频率。通频带f窄，杂散光被滤去。,优点：容易实现；能对辐射的任何光谱成分进行调制。缺点：有运动部分，寿命较短，体积较大，调制频率不高。,一些机械调制装置,2.2 电光调制,在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。适用于单色光源。,一、电光效应,线性电光效应（Pockels）,二次电光效应（Kerr）,介质原本是单轴晶体。,介质原本是各向同性晶体。,电光调制基于线性电光效应。,1.的纵向电光效应,KDP负单轴晶体,强电场E/Z轴,KDP变为双轴晶体；线偏振光沿Z轴入射，分解成X、Y方向上振幅相同的两个线偏
3、振光。,光传播方向与电场方向一致,与X轴对应的主折射率：,与Y轴对应的主折射率：,式中，no为KDP晶体o光折射率，为电光系数。,X、Y方向两偏振光射出晶体时有光程差:,则相位差为：,半波电压:,造成光程差,2.的横向电光效应,光传播方向与电场方向垂直,对KDP晶体采用45-Z切。强电场E/Z轴,KDP变为双轴晶体。入射光沿X轴方向进入晶体，其偏振方向与Z、Y成45，在晶体中分解为Z、Y方向两个振幅相同的线偏振光。,与Z轴对应的主折射率：,与Y轴对应的主折射率：,式中ne是晶体e光折射率，E=U/d，U为外加电压。,两个线偏振光射出晶体时有光程差：,则相位差为：,消除自然双折射,横向电光效应的
4、优点：适当地增加 L/d，就可以增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压；电极设在横向，不影响光的传播；在外加电压 U一定时，加长晶体通光长度并不影响晶体内的电场强度，因而可以加长晶体长度获得较大的相位延迟。,半波电压 为:,通常，纵向 是数千伏，横向 只是数百伏。,3.电光晶体材料,用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光效应强以外，还需综合考虑：对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小；折射率随温度的变化较小；化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。,、,在可见和近红外区主要有KDP类晶体、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中红外区有GaAs、Cucl、C
5、dTe等。,KDP类晶体、LiNbO3（LN）晶体应用广泛。,见表2.1,二、电光强度（或振幅）调制,在Pockels效应中，通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差。,在晶体的光输出端后置检偏器P2，使N2N1。,透过检偏器P2的光强I2便受到电信号的调制。,横向电光调制装置,分析横向电光调制：,入射光(光强I1）进入晶体，其振幅A1分解成Az、Ay：,两线偏振光到达检偏器，能透过P2的光振幅：,这两个线偏振光射出晶体，有固定相位差：,二者有固定相位差+，,则通过P2的光强：,式中，,的关系曲线,选取工作点：,若要得到光强随时间正弦变化的调制光,可使调制电压为：,则有：,式中，,可在光路中
6、插入,波晶片，取代,则只需在晶体上加调制电压,就可得到正弦调制光强。,是声音、图像、数据电信号，,若,则有,泡克尔斯（Pockels）电光调制器线性好，性能稳定，可得到很高的调制频率。,三、电光相位调制,在电光效应装置图2.6、图2.7中，若使起偏器透光方向N1与双轴晶体的其中一个光轴平行，则仅是一个线偏振光通过晶体，其位相被电信号调制。,在右图中，若,Y偏振光的折射率,，,在晶体入射面处光场为,则光通过晶体后的光场：,式中，略去常数相位因子：,则,可见，该光波的位相因子受电压U影响。,设U为正弦调制电压,令,则有：,可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。,四、电光调制的频率特性,实际应用中
7、，需要电光调制器达到高的调制频率和足够宽的调制带宽。影响调制频率和调制带宽的主要因素为：,1.光在晶体中的传输时间,当调制频率很高时，在 的时间内，外电场会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时，其相位延迟不同，这就限制了调制频率。,2.晶体谐振电路的带宽,实用中，电光调制器构成谐振电路：,调制波与光波以相同速度在晶体中传播，调制频率可达几个。,为了适应高频率宽频带调制信号的要求，采用行波调制器。,调制带宽仅在0,附近的有限频带内。,五、光波导调制器,晶体制作的电光调制器属于体调制器，需要施加相当高的电压，才能实现电光调制。,光波导调制器可以把光场限制在很小的区域里，从而大大降低所需要的调制电
8、压和调制功率。,光波导宽度d 极窄，远小于长度L。采用横向电光调制，半波电压可为几伏。调制频率可达100GHz。,相位调制器,M-Z干涉型强度调制器,定向耦合器型强度调制器,通过耦合区两波导间倏逝场作用，光功率可在两波导间转换。,也是一种光开关,2.3 声光调制,利用超声波引起介质折射率变化而产生的光调制。,一、声光效应,适用于单色光源,驱动电源电-声换能器声光介质,形成声光栅，栅距,声光效应分为两种类型：,入射光波被声光栅衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声场变化。这就是声光效应。,拉曼-奈斯衍射,布拉格衍射,只有零级、1级衍射光,产生多级衍射光,声光调制器采用布拉格（Bragg）衍射,
9、布拉格衍射条件：,零级、1级衍射光强：,式中，为声光效应产生的附加相移：,有应用价值的是一级衍射光,式中，为声光介质的品质因数。,应选择 大的材料，常用声光介质见表2.2。,二、声光调制,布拉格声光调制器,的关系曲线,选取工作点：,若使 作正弦变化，频率为，,则有,要实现光强调制，超声波应是高频调幅波，则电-声换能器上驱动信号应是高频调幅电信号。,高频振荡（s）激发声光栅，产生布拉格衍射。,振幅调制（）使衍射光成为调制光。,将图像、声音信号加载到高频振荡（s）上，则衍射光就携带了图像、声音信号。,三、声光调制器的调制带宽,声波以比光波慢得多的速度在介质中传播。因此声波通过宽度为b的光束需要较长
10、的渡越时间：,这就对最高的调制频率带来限制：,为了提高,选取 大的声光介质：,用细束（b小）激光用较高的s,声光调制器的调制带宽不如电光调制器,但它光能利用率高,所需要的驱动功率小。在激光打印机、激光印刷设备中得到广泛应用。,2.4 磁光调制,一、磁光效应,磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。,1.法拉第效应,光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播，线偏振光的偏振面发生旋转的现象。,磁致旋光,K:Verdet常数，与材料、波长相关。,非互易性：磁致旋光的方向决定于磁场方向 而与光传播方向无关。,以顺着磁场方向为基准，光矢右旋（K0），介质为正旋体，光矢左旋（K0），介质为负旋体。,非互易
11、性的直接应用是光隔离器。在法拉第效应装置中，设计N1、N2成45角，线圈电流产生的磁场造成旋光角45。入射线偏振光的光矢右旋45，刚好通过检偏器，光从左向右导通；若光从检偏器端射入，线偏振光通过介质仍然右旋45，光矢与N1方向垂直，不能通过起偏器，从右向左不导通。,光隔离器是光通信系统中必不可少的器件。,2.克尔效应,反射光的偏振方向随磁场改变的现象。克尔效应主要应用在光磁存储中。,光波在铁磁材料表面反射时，,铁磁材料（如YIG）的磁化强度比非铁磁介质强得多。,二、磁光调制,：饱和磁化强度,基于法拉第效应。随电信号改变，从而使出射光被调制。,目前只在红外波段（15）m实现，调制频率不高。,2.5电吸收光调制,量子受限斯塔克效应表现出很好的吸收特性：吸收边陡峭，热稳定性良好。电控可使吸收峰移动，从而使光通断。,量子受限斯塔克效应,基本结构是一个PIN管，I区部分为多量子阱结构，是量子限制的具有斯塔克效应的吸收材料。,电吸收光调制器（EAM）,EAM啁啾低、尺寸小、驱动电压低，调制速率可高达40Gbit/s。,EAM-DFB LD模块是当今最受重视的光通信器件。,
