調(diào)制及電光調(diào)制

第三章光束的調(diào)整和掃描§3.1調(diào)制的基本概念§3.2

電光調(diào)制§3.3

聲光調(diào)制§3.4

磁光調(diào)制§3.5

直接調(diào)制激光是一種頻率更高（1013~1015Hz)的電磁波，它具有很好相干性，因而象以往電磁波（收音機(jī)、電視等）一樣可以用來(lái)作為傳遞信息的載波。3.1調(diào)制的基本概念由激光“攜帶”的信息(包括語(yǔ)言、文字、圖像、符號(hào)等)通過(guò)一定的傳輸通道(大氣、光纖等)送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來(lái)的信息。這種將信息加載于激光的過(guò)程稱之為調(diào)制完成這一過(guò)程的裝置稱為調(diào)制器。其中激光稱為載波；起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號(hào)。解調(diào)：調(diào)制的反過(guò)程，即把調(diào)制信號(hào)還原成原來(lái)的信息。分類：根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對(duì)關(guān)系，可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩種。

內(nèi)調(diào)制：調(diào)制信號(hào)是在激光振蕩過(guò)程中形成的。如，注入式半導(dǎo)體激光器，用調(diào)制信號(hào)直接改變它的泵浦驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光的強(qiáng)度受到調(diào)制，調(diào)Q技術(shù)。外調(diào)制：在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理性能從而使激光器受到調(diào)制。特點(diǎn)：外調(diào)制調(diào)整方便，對(duì)激光器沒(méi)有影響，調(diào)制速率高，帶寬寬。激光的電場(chǎng)強(qiáng)度是：激光調(diào)制按其性質(zhì)可以分為：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及強(qiáng)度調(diào)制等。振幅角頻率相位角（3.1.1）一、振幅調(diào)制定義：載波的振幅隨著調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的振蕩。如果調(diào)制信號(hào)為：則調(diào)幅表達(dá)式為：將上式展開：由上式可得調(diào)幅波頻譜，由中心載頻分量、兩個(gè)邊頻分量構(gòu)成。為調(diào)幅系數(shù)。（3.1.2）（3.1.3）（3.1.4）如果調(diào)制信號(hào)是一個(gè)復(fù)雜的周期性信號(hào)，調(diào)幅波頻譜：由載頻分量和兩個(gè)邊頻帶構(gòu)成。圖6.1.1調(diào)幅波頻譜二、頻率調(diào)制和位相調(diào)制定義：光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化的振蕩。因而兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相位角的變化，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。調(diào)頻波的表達(dá)式為：同樣調(diào)相波的總相角：調(diào)相波的表達(dá)式：設(shè)調(diào)制信號(hào)仍是一個(gè)余弦函數(shù)，則調(diào)頻波的總相角為：—比例系數(shù)，—調(diào)頻系數(shù)—調(diào)相系數(shù)（3.1.5）（3.1.6）下面分析調(diào)頻和調(diào)相波的頻譜，兩者可統(tǒng)一寫成統(tǒng)一的形式：利用三角公式展開得：又，將上兩式代入（6.1.8）可得：（3.1.7）（3.1.8）（3.1.9）所以，當(dāng)頻率正弦波調(diào)制時(shí)，其角度調(diào)制波的頻譜由光載頻與在它兩邊對(duì)稱分布的邊頻所組成。各邊頻間隔，各邊頻幅度大小由決定。如頻譜分布如下圖所示：0.770.440.220.02

角度調(diào)制波的頻譜三、強(qiáng)度調(diào)制定義：光載波的強(qiáng)度（光強(qiáng)）隨調(diào)制信號(hào)規(guī)律而變化的激光振蕩。光強(qiáng)的定義：強(qiáng)度調(diào)制的光強(qiáng)可寫為：設(shè)調(diào)制信號(hào)為余弦調(diào)制，代入上式：光強(qiáng)調(diào)制波的頻譜可用前面類似的辦法求得，和調(diào)幅波略有不同，除了載頻及對(duì)稱分布的兩邊頻之外，還有低頻和直流分量。—比例系數(shù)—強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)（3.1.10）（3.1.11）（3.1.12）四、脈沖調(diào)制以上幾種調(diào)制形式所得到的調(diào)制波都是一種連續(xù)振蕩的波,

稱為模擬式調(diào)制。另外,在目前的光通信中還廣泛采用一種在不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制(也稱為脈沖編碼調(diào)制)。它們一般是先進(jìn)行電調(diào)制（模擬脈沖調(diào)制或數(shù)字脈沖調(diào)制）,再對(duì)光載波進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制。周期脈沖序列載波

脈沖調(diào)制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載波，這種載波的某一參量按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的調(diào)制方法。即先用模擬調(diào)制信號(hào)對(duì)一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化,成為已調(diào)脈沖序列,然后再用這已調(diào)電脈沖序列對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。周期脈沖序列載波(a)調(diào)制信號(hào)(b)脈沖幅度調(diào)制(c)脈沖寬度調(diào)制(d)脈沖頻率調(diào)制(e)脈沖位置調(diào)制脈沖調(diào)制形式這種調(diào)制是把模擬信號(hào)先變換成電脈沖序列,進(jìn)而變成代表信號(hào)信息的二進(jìn)制編碼(PCM數(shù)字信號(hào)),再對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制來(lái)傳遞信息的。要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制,必須經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程：抽樣、量化和編碼。3.1.5脈沖編碼調(diào)制（一般了解）盡管激光調(diào)制有各種形式，但調(diào)制的工作機(jī)理主要是基于電光、聲光、磁光等物理效應(yīng)。下面討論電光調(diào)制的基本原理和調(diào)制方法。3.2電光調(diào)制電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)電光調(diào)制器的技術(shù)參數(shù)電光調(diào)制器的應(yīng)用實(shí)例電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)：電光效應(yīng)電光調(diào)制的分類：強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制等某些晶體在外加電場(chǎng)的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，其傳播特性就受到影響而改變

外加電場(chǎng)時(shí)晶體的折射率是電場(chǎng)E的函數(shù)，可表示為或線性電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）二次電光效應(yīng)（Kerr效應(yīng)）折射率橢球在晶體未加外電場(chǎng)時(shí)，主軸坐標(biāo)系中折射率橢球的方程為：電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)1.x，y，z為介質(zhì)的主軸方向，在晶體內(nèi)沿著主軸方向的電位移D和電場(chǎng)強(qiáng)度E是互相平行的；2.

n1、n2、n3為折射率橢球x，y和z方向的折射率(主折射率)。

折射率橢球方程可以描述光波在晶體中的傳播特性。1、電致折射率變化采用折射率橢球體方法。在未加外場(chǎng)時(shí)，主軸坐標(biāo)系中，折射率橢球由如下方程式描述：當(dāng)晶體加外場(chǎng)時(shí)，橢球方程變?yōu)槿缦滦问剑骸橘|(zhì)的主軸方向；—主折射率

比較以上兩式，由于外電場(chǎng)，折射率橢球各系數(shù)發(fā)生線性變化，其變化量定義為：（3.2.1）（3.2.2）—線性電光系數(shù)，（3.2.3）上式（3.2.3）可用矩陣形式表示為：—電場(chǎng)沿方向的分量—電光張量，每個(gè)元素的值由具體的晶體決定，表征感應(yīng)極化強(qiáng)弱的量（3.2.4）以KDP晶體為例（負(fù)單軸晶體，）這類晶體的電光張量為：（3.2.5）**，將式（3.2.5）代入（3.2.4）：（3.2.6）將式（3.2.6）代入（3.2.2），得到晶體加電場(chǎng)后的新折射率橢球方程式：外加電場(chǎng)導(dǎo)致“交叉”項(xiàng)出現(xiàn)，橢球主軸不再與x、y、z軸平行。（3.2.7）假設(shè)外電場(chǎng)方向平行于z軸，（3.2.7）是變?yōu)椋簩で笮伦鴺?biāo)系（），消除交叉項(xiàng)，代入（3.2.8）式，令交叉項(xiàng)為零，得，則新坐標(biāo)系下方程為：（3.2.8）（3.2.9）上式其橢球主軸的半長(zhǎng)度為：由，得：討論：當(dāng)KDP晶體沿z軸加電場(chǎng)時(shí)，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)45度角（與外加電場(chǎng)大小無(wú)關(guān)）。折射率變化與電場(chǎng)成正比。這是利用電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制、調(diào)Q、鎖模等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。（3.2.10）（3.2.11）2、KDP的縱向運(yùn)用電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)

縱向電光效應(yīng)：電場(chǎng)方向與通光方向一致的電光效應(yīng)橫向光電效應(yīng)：電場(chǎng)方向與通光方向垂直的電光效應(yīng)

以KDP晶體為例(電場(chǎng)沿晶體z軸，光波沿z方向傳播)進(jìn)入晶體后即分解為沿方向的兩個(gè)垂直偏振分量當(dāng)它們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度L后，光程分別為產(chǎn)生相位差電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-光偏振態(tài)變化縱向電光效應(yīng)造成的雙折射引起相位的延遲電光晶體的相位延遲與外加電壓成正比變化，可用作“波片”，實(shí)現(xiàn)光的偏振態(tài)的變化討論三種情況

1

2

3晶體不加電場(chǎng)：晶體加電場(chǎng)：晶體加電場(chǎng)：

1

2

3晶體不加電場(chǎng)：晶體加電場(chǎng)：晶體加電場(chǎng)：通過(guò)晶體后的合成光仍然是偏振光，且與入射光的偏振方向一致（全波片）出射光為橢圓偏振光，當(dāng)方向分量相同時(shí)，合成光為圓偏振光，相當(dāng)于1/4波片電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-光偏振態(tài)變化出射光為線偏振光，但偏振方向相對(duì)于入射光有一個(gè)夾角。當(dāng)入射光偏振方向與夾角為，出射光的偏振方向與入射光偏振方向垂直，晶體起到半波片作用。電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-光偏振態(tài)變化a點(diǎn)：相位差光場(chǎng)矢量是沿x方向的線偏振光

e點(diǎn)：相位差合成光場(chǎng)矢量變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓偏振光

i點(diǎn)：相位差則合成光矢量變?yōu)檠刂鴜方向的線偏振光，相對(duì)于入射光偏轉(zhuǎn)了90°電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制

利用Pockels效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電光強(qiáng)度調(diào)制

(主要討論在晶體上施加空間基本均勻、時(shí)間變化的電場(chǎng)的情況）

工作機(jī)理：利用晶體的電光效應(yīng)，使一個(gè)隨時(shí)間變化的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由透過(guò)晶體后光波的強(qiáng)度或相位變化來(lái)傳遞信息。主要應(yīng)用：光通信、光開關(guān)等領(lǐng)域。3、縱向電光強(qiáng)度調(diào)制（電光晶體KDP）電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制電光晶體KDP置于兩個(gè)正交的偏振器之間P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，P2的偏振方向平行于y軸當(dāng)沿晶體z軸方向加電場(chǎng)后，x和y軸旋轉(zhuǎn)45°變?yōu)楦袘?yīng)主軸x’和y’沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光，進(jìn)入晶體后被分解為沿x’和y’的兩個(gè)分量Ex’和Ey’，它們的振幅和位相都相等，分別為

復(fù)數(shù)表示為電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制入射光的強(qiáng)度為當(dāng)光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體后，由于電光效應(yīng)，Ex’和Ey’間就產(chǎn)生了相位差，用復(fù)數(shù)表示為通過(guò)檢偏器后的總的電場(chǎng)強(qiáng)度是Ex’(L)和Ey’(L)在y方向上的投影之和，即輸出光強(qiáng)為調(diào)制器的透過(guò)率為

電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制圖電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制為實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制，可引入固定的π/2相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏置在T=50%的工作點(diǎn)上（B點(diǎn)）

調(diào)制器的透過(guò)率與外加電壓呈非線性關(guān)系若調(diào)制器工作在非線性電壓部分，調(diào)制光將發(fā)生畸變電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制改變工作點(diǎn)的常用方法1在調(diào)制晶體上除了施加信號(hào)電壓之外，再附加一個(gè)半波電壓，但此法增加了電路的復(fù)雜性，而且工作點(diǎn)的穩(wěn)定性也差。2在調(diào)制器的光路上插入一個(gè)1/4波片，使其快慢軸與晶體主軸x成45角，從而使Ex’和Ey’二分量間產(chǎn)生π/2的固定相位差。電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制插入一個(gè)1/4波片情況的分析：

設(shè)調(diào)制電壓為正弦信號(hào)

總相位差為

其中電光調(diào)制器的透過(guò)率為

利用貝塞爾函數(shù)將函數(shù)展開，可以知道輸出的調(diào)諧光中含有高次諧波部分，使調(diào)制光發(fā)生畸變

電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制

解決畸變方法：將高次諧波的光強(qiáng)控制在允許的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制，這要求調(diào)制電壓Vm不能太大。

實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制的判據(jù)為

此時(shí)的透過(guò)率為

輸出的強(qiáng)度調(diào)制波是調(diào)制信號(hào)的線性復(fù)現(xiàn)電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-強(qiáng)度調(diào)制電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-相位調(diào)制工作原理：電光相位調(diào)制器由起偏器和電光晶體組成起偏器的偏振方向平行于晶體的感應(yīng)主軸（），此時(shí)入射晶體的線偏振光不再分解成沿x’和y’兩個(gè)分量，而是沿著x’或y’軸一個(gè)方向偏振，外電場(chǎng)不改變出射光的偏振態(tài)，僅改變相位。電光調(diào)制的基本原理及公式推導(dǎo)-相位調(diào)制光波只沿ｘ′方向偏振，相應(yīng)的折射率為

若外加電場(chǎng)是

晶體入射面（ｚ＝０）處的光場(chǎng)

則輸出光場(chǎng)（ｚ＝Ｌ處）就變?yōu)?/p>

略去式中相角的常數(shù)項(xiàng)，上式寫成相位調(diào)制系數(shù)渡越時(shí)間：激光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體所需時(shí)間。對(duì)電光調(diào)制器來(lái)說(shuō)，總是希望獲得高的調(diào)制效率及滿足要求的調(diào)制帶寬。前面對(duì)電光調(diào)制的分析，均認(rèn)為調(diào)制信號(hào)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光波頻率(也就是調(diào)制信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng))，并且波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于晶體的長(zhǎng)度L，因而在光波通過(guò)晶體L的渡越時(shí)間內(nèi)，調(diào)制信號(hào)電場(chǎng)在晶體各處的分布是均勻的，則光波在各部位所獲得的相位延遲也都相同，即光波在任一時(shí)刻不會(huì)受到不同強(qiáng)度或反向的調(diào)制電場(chǎng)的作用。在這種情況下，裝有電極的調(diào)制晶體可以等效為一個(gè)電容．即可以看成是電路中的一個(gè)集總元件，通常稱為集總參量調(diào)制器。集總參量調(diào)制器的頗率特性主要受外電路參數(shù)的影響。3.2.4電光調(diào)制器的電學(xué)性能調(diào)制帶寬：調(diào)制信號(hào)占據(jù)的頻帶的寬度。調(diào)制信號(hào)頻率高時(shí)大部分電壓降在電源內(nèi)阻上，致使晶體無(wú)法工作。若要調(diào)制信號(hào)在較高頻狀況下工作時(shí)（實(shí)現(xiàn)阻抗匹配必須在晶體兩端并聯(lián)一電感和分流電阻）其頻帶寬度就要受到約束：ViV當(dāng)調(diào)制頻率與諧振頻率相同時(shí)電壓全降在晶體上。一個(gè)高質(zhì)量的電光調(diào)制器主要應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求：(1).調(diào)制器應(yīng)有足夠?qū)挼恼{(diào)制帶寬，以滿足高效率無(wú)畸變地傳輸信息。(2).調(diào)制器消耗的電功率小。(3).調(diào)制特性曲線的線性范圍大。(4).工作穩(wěn)定性好。3.2.5設(shè)計(jì)電光調(diào)制器應(yīng)考慮的問(wèn)題現(xiàn)以KDP類電光調(diào)制器為例來(lái)說(shuō)明如何選擇參數(shù)。電光晶體材料的選擇調(diào)制晶體材料對(duì)調(diào)制效果起著關(guān)鍵的作用，所以在選擇晶體材料時(shí)，應(yīng)著重考慮以幾個(gè)方面的因素：A.首先是光學(xué)性能好,對(duì)調(diào)制光波透明度高,吸收和散射損耗小并且晶體的折射率均勻,其折射率的變化應(yīng)滿足△n＜10-4／cm；B.其次是電光系數(shù)要大，因?yàn)檎{(diào)制器的半波電壓及所耗功率分別與γ63

和γ632

成反比。C.此外，調(diào)制晶體還要有較好的物理化學(xué)性能(主要指硬度、光破壞與制、閾值、溫度影響和潮解等)。表1.2-2給出了一些常用的電光晶體材料。常用電