[信息与通信]光电子技术.ppt

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1、第三章 光束的调制和扫描,学习本章的目的:了解光束的调制和扫描的技术。本章的基本内容:光束调制的基本原理;光束调制的基本方法，包括：电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制；光束扫描技术,1.光束调制的基本原理 2.电光调制3.声光调制4.磁光调制5.直接调制,光束调制的原理,要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。,光束调制的原理,光波的电场为 式中Ac为振幅，c为角频率，c为相位角。既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，如果能够应用某种物理方

2、法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光束就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。,光束调制的原理,实现激光束调制的方法，根据调制器与激光器的关系可以分为内调制(直接调制)和外调制两种。（1）内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。（2）外调制是指激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。,光束调制的原理,光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制等。下面介绍这几种调制的概念。,光束调制的原理,1.振幅调制

3、概念：振幅调制就是载波的振幅随调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。若调制信号是一时间的余弦函数，即 调幅波的表达式为,光束调制的原理,调幅波的频谱为频谱由三个频率成分组成，第一项是载频分量，第二、三项是称为边频分量，如图1所示。上述分析是单余弦信号调制的情况。如果调制信号是一复杂的周期信号，则调幅波的频谱将由载频分量和两个边频带组成。,光束调制的原理,光束调制的原理,2.频率调制和相位调制 调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为角度调制。（1）对频率调制来说，就是式中的角频率c随调制信号变化,光束调制的原理,

4、则调制波的表达式为（2）相位调制就是相位角c随调制信号的变化规律而变化，则调相波的表达式为 由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式,光束调制的原理,上式按三角公式展开，并应用得到,光束调制的原理,结论：在单频余弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频组成。显然，若调制信号不是单频余弦波，则其频谱将更为复杂。,光束调制的原理,3.强度调制 强度调制使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡，如图2所示。光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强。,光束调制的原理,光束强度定义为光波电场的平方于是，强度调制

5、的光强可表示为,光束调制的原理,仍设调制信号是单频余弦波，则,光束调制的原理,强度调制波的频谱，其结果与调幅波略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频m和直流分量。以上几种调制方式所得到的调制波都是一种连续振荡波，统称为模拟调制。,光束调制的原理,4.脉冲调制 目前广泛采用一种不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制(脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制，再对光载波进行光强度调制。,光束调制的原理,（1）脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制

6、，使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序列，如图3所示。然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。脉冲调制的分类：脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲频率调制和脉冲位置调制等。,光束调制的原理,光束调制的原理,例如用调制信号改变电脉冲序列中每一个脉冲产生的时间，则其每个脉冲的位置与未调制时的位置有一个与调制信号成比例的位移，这种调制称为脉位调制，进而再对光载波进行调制，便可以得到相应的光脉位调制波，其表达式为,光束调制的原理,5.脉冲编码调制 这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。要实现脉冲编码调制，必须

7、进行三个过程：抽样、量化和编码。,光束调制的原理,抽样。抽样就是把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定的脉冲列来表示，且脉冲列的幅度与信号波的幅度相对应。也就是说，通过抽样，原来的模拟信号变成一脉幅调制信号。按照抽样定理，只要取样频率比所传递信号的最高频率大两倍以上，就能恢复原信号。,光束调制的原理,量化。量化就是把抽样后的脉幅调制波作分级取“整”处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。经抽样再通过量化过程变成数字信号。,光束调制的原理,编码。编码是把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。即用一组等幅度、等宽度的脉冲作为“码子”，用“有”脉冲和“无”脉冲分别表示二进制数码的“1”和“

8、0”。再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加到一个调制器上，以控制激光的输出，由激光载波的极大值代表二进制编码的“1”，而用激光载波的零值代表“0”。这种调制方式具有很强的抗干扰能力，在数字激光通信中得到了广泛的应用。,光束调制的原理,尽管光束调制方式不同，但其调制的工作原理都是基于电光、声光、磁光等各种物理效应。因此，后边分别讨论电光调制、声光调制、磁光调制和直接调制的原理和方法。,电光调制,利用电光效应可实现强度调制和相位调制。本节以KDP电光晶体为例讨论电光调制的基本原理和电光调制器的结构。1.电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制。,电光调制,纵向电光调制器及

9、其工作原理 纵向电光强度调制起的结构如图4所示。,入射光,P1,Ii,x,y,z,x,y,P2,Io,调制光,V,L,起偏器,/4波片,检偏器,图4 纵向电光强度调制,电光调制,进入晶体后被分解为沿x和y方向的两个分量，其振幅和相位都相同，分别为 或 入射光强度为,电光调制,通过长度为L的晶体之后，和 两个分量之间产生了一相位差，则 那么，通过检偏器后的总电场强度是和在y方向的投影之和，即,电光调制,与之相应的输出光强为调制器的透过率为,电光调制,光强调制特性曲线如图5所示。,电光调制,可见，在一般情况下，调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。若调制器工作在非线性区，则调制光强将发生畸变

10、。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的/2相位延迟，使调制器的电压偏值在的工作点上。,电光调制,常用的办法由两种：其一，在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个的固定偏压，但此法会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。其二，如图4所示，在调制器的光路上插入一/4波片，其快慢轴与晶体的主轴x成45角，从而使和两个分量之间产生/2的固定相位差。,电光调制,于是总相位差为调制的透过率可表示为,电光调制,利用贝塞尔函数将上式中 的展开得可见，输出的调制光中含有高次谐波分量，使调制光发生畸变。,电光调制,为了获得线性调制，必须将高次谐波控制在允许的范围内。设基频波和高次波的幅值分别为I1和I

11、2n+1，则高次谐波与基频波成分的比值为,电光调制,若取，则，即三次谐波为基波的5%。在这个范围内可近似获得线性调制，因而取 作为线性调制的判据。,电光调制,为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出光强调制波就是调制信号的 线性复现。如果的条件 不能满足(大信号调制)，则光强调制波就要发生畸变。纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别是在调制频率较高时，功率损耗比较大。,电光调制,横向电光调制 横向电光效应的运用可以分为三种不同形式：沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与 x轴或y轴成45夹角(晶体为45-z切割)

12、。沿x方向加电场(即电场方向垂直于光轴)，通 光方向垂直于x轴，并与z轴成45夹角(晶体为 45-x切割)。沿y方向加电场(即电场方向垂直于光轴)，通 光方向垂直于y轴，并与z轴成45夹角(晶体为-y切割)。在此仅以KDP晶体的第一类运用方式 为代表进行分析。,电光调制,横向电光调制如图6所示。进入晶体后，将分解为沿x和z方向振动的两个分量，其折射率分别为 n x和nz。若通光方向的晶体长度为L，厚度(两电极间的距离)为d，外加电压，则从晶体出射两光波的相位差为,电光调制,可见，KDP晶体的 横向电光效应使光波通过晶体后的相位延迟包括两项：第一项是与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延

13、迟，向对调制器的工作没有什么贡献，而且当晶体温度变化时，还会带来不利影响，应设法消除。第二项是外电场作用产生的相位延迟，他与外加电压V和晶体的尺寸L/d有关，若适当地选择晶体的尺寸，则可以降低半波电压。,电光相位延迟,L,入射光,V,d,z,y,x,图 KDP晶体的横向电光调制,检偏器,调制光,电光调制,在实际应用中，主要是采用一种“组合调制器”的结构予以补偿自然双折射。常用的补偿方法有两种：一种方法是将两块尺寸、性能完全相同的晶体的光轴互成90串联排列，即一块晶体的y和z轴分别与另一块晶体的z和y平行；另一种方法是，两块晶体的z轴和y轴互相反向平行排列，中间放置/2波片。这两种方法的补偿原理

14、是相同的。,电光调制,外电场沿z轴(光轴)方向，但在两块晶体中电场相对于光轴反向，当线偏振光沿y轴方向入射第一块晶体时，电矢量分解为沿z方向的e1光和沿x方向的o1光两个分量，当它们经过第一块晶体之后，两束光的相位差 经过/2波片后，两束光的偏振方向各旋转90，经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o1光、o2光变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差,电光调制,于是，通过两块晶体之后的总相位差为因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自然双折射的影响即可得到补偿。,电光相位调制,2.电光相位调制 图1所示的是一电光相位调制的原理图，它由起偏器和电光晶体组成。外电场不改变出射光的

15、偏振状态，仅改变其相位，相位的变化为：输出光场为：,电光相位调制,则上式可写成,电光调制的电学性能,3.电光调制器的电学性能 对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的调制带宽。下面分析一下电光调制器在不同调制频率情况下的工作特性。电光调制器的等效电路如图2所示。其中，Vs和Rs分别表示调制电压和调制电源内阻，C0为调制器的等效电容，Re和R分别为导线电阻和晶体的直流电阻。,电光调制,电光调制,由图可知，作用到晶体上的实际电压,电光调制,分析：（1）在低频调制时，一般有，也较小因此信号电压可以有效地加到晶体上。（2）当调制频率增高时，调制晶体的交流阻抗变小，当 时，大部分调制电压就

16、降在 Rs上，调制电源与晶体负载电路之间阻抗不匹配，这时调制效率就要大大降低，甚至不能工作。,电光调制,（3）实现阻抗匹配的办法是在晶体两端并联一电感L，构成一个并联谐振回路，其谐振频率为 另外再并联一个分流电阻RL，其等效电路如图39所示。当调制信号频率 此电路的阻抗就等于RL，若选择RLRs，就可使调制电压大部分加到晶体上。,电光调制,电光调制,但是，这种方法虽然能提高调制效率，可是谐振回路的带宽是有限的。它的阻抗只在频率间隔的范围 内才比较高。因此，欲使调制波不发生畸变，其最大可容许调制带宽(即调制信号占据的频带宽度)必须小于 注意：这种电光晶体调制称为“体调制器”。其缺点在于要给整个晶

17、体施加外电场，要改变晶体的光学性能，需要加相当高的电压，从而使通过的光波受到调制。,声光调制,1.声光调制器的工作原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上而转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。,声光调制,布喇格衍射效率均与附加相位延迟因子 有关，声致折射率差 正比于弹性应变S幅值，而S正比于声功率Ps，故当声波场受到信号的调制使声波振幅随之变化，则衍射光强也将随之做相应的变化。,声光调制,布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图1所示

18、。由图可以看出：衍射效率s与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。,声光调制,声光调制,拉曼-纳斯型衍射，调制器的工作原理如图2(a)所示，工作声源频率低于 10MHz。布喇格型声光调制器工作原理如图2(b)所示。在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍射效率s随声强度Is单调地增加(呈线性关系)：,声光调制,式中 的因子是考虑了布喇格角对声光作用的影响。由此可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。,声光调制,声光调制,2.调制带宽 允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之

19、间的关系为,声光调制,设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为，对于衍射受限制的波束，这些波束发散角与波长和束宽的关系分别近似为,声光调制,w0：入射光束束腰半径；n：为介质的折射率；D：为声束宽度，可得到调制带宽,声光调制,于是可得即最大的调制带宽近似等于声频率fs的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。,声光调制,3.声光调制器的衍射效率 声光调制器的另一重要参量是衍射效率。要得到100的调制所需要的声强度为 所需的声功率,声光调制,可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄（H小）。,声光调制,f

20、0：声中心频率，为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。M1值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。,声光调制,4.声束和光束的匹配 为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况是工作于声束和光束的发散角比,声光调制,对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望衍射光尽量与0级光分开，要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角 大，即大于。由于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于，因此可分离条件为,声光调制,5.声光波导调制器 声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图如图3所示。相对于声波波前以B 入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成2B 角的1级衍射光。其光强为：在电场

21、作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；B是一比例系数，它取决于波导的有效折射率neff等因素。,声光调制,表明，衍射光强I1随电压V的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。,磁光调制,3.4 磁光调制 磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转(3.4-1),磁光调制,1.磁光体调制器 磁光体调制器的组成如图1所示。为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁

22、场强度H。,磁光调制,s：是单位长度饱和法拉第旋转角；是调制磁场。如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。,磁光调制,2.磁光波导调制器 我们以磁光波导模式转换调制器为例讨论磁光波导调制器的原理。图2所示为磁光波导模式转换调制器的结构，圆盘形的钆镓石榴石（Gd3Ga5O12-GGG）衬底上，外延生长掺Ga、Se的钇铁石榴石（YIG）磁性膜作为波导层。在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，当电流通过蛇形线路时，蛇形线路中某一条通道中的电流沿y方向，则相邻通道中的电流沿y方向，该电流可产生z、z方向交替变化的磁场，磁性薄膜内便可出现沿z、z方向交替饱和磁化。蛇形磁场变化的周期为,磁

23、光调制,磁光调制,：TE模和TM模传播常数之差。可将输入TM模的（=1.52m）52%的功率转换到TE模上去。磁光波导模式转换调制器的输出耦合器一般使用具有高双折射的金红石棱镜，使输出的TE和TM模分成两条光束。,直接调制,3.5直接调制 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。,直接调制,1.半导体激光器（LD）直接调制的原理 图3为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。图4所示半导体

24、激光器的光谱特性。,直接调制,直接调制,图5所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。,直接调制,直接调制,半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。,直接调制,2.半导体发光二极管（LED）的调制特性 半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，LED的PI特性曲线的线性比较好。图6示出了LED

25、与LD的PI特性曲线的比较。,直接调制,直接调制,3.半导体光源的模拟调制 无论是使用 LD或LED作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于LD或LED的PI特性曲线的直线段，如图7所示。其调制线性好坏与调制深度m有关：,直接调制,直接调制,4.半导体光源的脉冲编码数字调制 如前所述，数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如图8所示。,直接调制,直接调制,由于数字光通信的突出优点，所以其有很好应用的前景。(1)首先因为数字光信号在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强；(2)其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源（LD）的发光功率；(3)第三数字光通信设备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统。,