（通信与信息系统专业论文）高功率高速率外调制技术研究.pdf

摘要 随着科技发展的日新月异，空间激光通信已经成为现代通信技术发 展的新热点。虽然至今尚未真正实现星际间正式通信，但是空间激光通 信技术的可行性问题已经得到验证。以前顾虑的发射功率小、接收灵敏 度低、捕获和瞄准要求高，热和机械稳定性要求高等关键技术近几年已 耿得明显进展。高速率激光通信发射系统是空阳j 激光通信的重要组成部 分，而高速率电光调制技术又是整个激光通信发射系统的重中之重。 本论文对卫星与飞机问激光通信发射系统进行了简要介绍。着重对 电光调制原理、电光调制系统的设计原理以及本系统的各部分器件的性 能指标要求进行了具体的研究分析，制定并实施了设计方案。同时概述 了调制过程的o o k 编码调制方式。 实验结果表明，该系统基本达到预想功能，激光无失真传输，且达 到速率3 0 0 m b s ，能够实现比较高质量的激光通信。 关键词：空间激光通信发射系统电光调制器电光调制驱动器o o k a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , an e wf o c u so nu s i n g h i g hf r e q u e n c y1 a s e rt oc o m m u n i c a t e0 1 1s p a c es a t e l l i t eb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti nm o d e mt i m e s a l t h o u g ht h es p a t i a ll a s e rc o m m u n i c a t i o n h a sn o tb e e ni m p l e m e n t e dt r u l yu n t i ln o w , t h eq u e s t i o no ft 1 1 ef e a s i b i l i t yo f t h el a s e rs p a t i a lc o m m u n i c a t i o nh a sb e e na l r e a d yt e s t e d ，w o r r i e da b o u tt h e k e yt e c h n o l o g i e ss u c ha ss m a l lp o w e ro fl a s e r , t h el o wr e c e i v i n gs e n s i t i v i t y , t h eh i g hr e q u e s t so fa p t t h eh i g h e rr e q u e s ta b o u tq u a n t i t yo fh e a ta n dt h e s t a b i l i t yo fm e c h a n i c a lo r i g i n a l l ym a k eo b v i o u sp r o c e s si nr e c e n ty e a r s 。 h i g h s p e e dt r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h el a s e rc o m m u n i c a t i o ni sa ni m p o r t a n t p a r t o ft h e s p a t i a l l a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h e h i g h s p e e d e l e c t r o o p t i c m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y i st h em o s t i m p o r t a n tp a r t i nt h e t r a n s m i s s i o ns y s t e mo f t h el a s e rc o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h et r a n s m i s s i o ns y s t e mb e t w e e nt h e s a t e l l i t ea n dt h ea i r p l a n e e l e c t r o o p t i cm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ep r i n c i p l eo f d e s i g ni ne l e c t r o o p t i cm o d u l a t i o ns y s t e m a n dt h ec o n d i t i o ni nt h i ss y s t e m w h i c hm u s ts u i tf o re a c hp a r to fc o m p o n e n t sa r er e s e a r c h e da n da n a l y s e d ， a n dt h es c h e m ei sd e s i g n e da n dp u ti np r a c t i c e a l s oi n t r o d u c e 也eo o kc o d e m o d u l a t i o nw a yo f t h em o d u l a t i o np r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es y s t e mr e a c h e se x p e c t e df u n c t i o n s w h i c hi sc a p a b l eo ft h eh i 吐q u a l i t yi a s e rc o m m u n i c a l i o n t h et r a n s m i s s i o n s p e e di su ot o3 0 0 m b sw h i c hs a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to f t h es y s t e m k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o ns y s t e m o f e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t o r o o k s p a t i a l l a s e rc o m m u n i c a t i o n e l e c t r o - o p t i cm o d u l a t i o nd r i v e r 长舂理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文高功率高速率外调 制技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名岫年立月三一l 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索。也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名杰獬j l 月日 指导新签名獬j 月且日 第一章绪论 随着当今世界信息交流的蓬勃发展，人类对通信的容量、业务的种 类和通信的质量的要求更是有增无减。目前卫星通信主要采用微波通信 技术，但由于受频带宽度、体积、重量、功耗、价格等方面的限制不可 能无限制地提高传输速率和容量，而激光通信系统的高数据传输速率及 其它特点使它在空间通信应用中具有特别的优势。它以激光作为信息载 体，可用于空间及地面间通信，其传输特点是光束以直线传播，在自由 空间传播不需要波导；设备尺寸比微波通信系统要小的多。它的显著特 点是，随着天线尺寸的减小，增益大幅度提高，3 d b 波束宽度下降了5 个量级。因此空间光通信成为现代强有力的通信手段之一。 一个完整的空间激光通信系统包括：光发射机、空间信道、光接收 机，如图1 1 。 发射机信道 接收机 图1 1 光通信系统物理模型 号 电光调制系统是激光发射的关键部分，要让信息高速、无失真的发 射出去，对其调制是非常重要的。 目前使用最广泛的激光器是半导体激光器。为了保证激光器的正常 工作和稳定的输出功率，还要设雹自动功率控制电路、自动温度控制电 路以及制冷器。从物理意义上说，电光调制器并没有利用任何的放大现 象或非稳态现象，仍属于所谓的无源元件。不过，在电光调制的过程中， 必须加上由某些附属电路和电源组成的电光调制驱动器。这些设计的可 行性，在大多数的情况下对电光调制器的使用起着决定性作用。 1 1 空间激光通信的国内外发展现状 1 1 1 国外现状”1 空间激光通信具有广阔的应用前景，用光实现星间链路、深空探测、 平台测控等将给通信领域带来巨大的变化。空间激光通信系统的研究在 美、欧、日等国已开展了2 0 多年，但是前些年由于受元器件技术的限 制而发展较慢。进入9 0 年代后，开始从概念和单元技术研究转入系统 研究和应用性能测试阶段，并已取得很多成果。 美国：美国是世界上最早开展激光通信技术研究的国家，也是研究 技术走在最前沿的国家之一。在6 0 年代中期就开始实施卫星光通信方 面的研究计划，近年来星间激光链路研究已成为美国通信领域的研究热 点。 欧洲：欧空局( e s a ) 在卫星光通信的研究方面也投入了大量资金， 先后研制了以不同星间链路为背景的一系列卫星光通信终端。近些年， e s a 还研制了小光学用户终端s o u t 、甚小光学用户终端v s o u t 以及高 级激光通信终端a i c t 。这些终端中所采用的技术反映了当今世界上最 尖端的高新技术。 日本：尽管日本开展卫星光通信研究比美国和欧空局晚，但是进展 迅速。日本已于1 9 9 5 年利用装于卫星上的光通信终端成功地与地面站 进行了光通信实验，尽管此次实验的数据率仅为1 4 m b p s ，但这是世界 上首次成功进行的星地链路光通信实验。此举使日本跃居卫星光通信研 究领域之首位。 1 1 2 国内现状 国内从9 0 年代初期开始进行空间激光通信研究。主要进行了选择 最佳通信波长，对探测系统滤波器的研究，以及对天线系统的研究和对 整个光学空间通信系统的概念性研究，在单元技术实验系统等方面已取 得一定的成果。有几家研究所与公司由于跟踪这项技术比较早，所以现 在在实验室做出了自己的样机，这几家样机比较成熟的单位有： 桂林三十四所：推出了大气激光通信机样机。它的产品的主要性能 参数包括传输速率：8 m b s ，3 4m b s ，1 5 5m b s ：工作波长：8 5 0 n t o ；通 信距离：1 4 l ( i i l ；光发射功率：小于4 0 m w 。 清华同方：在2 0 0 2 年9 月推出了面向未来的无线光链路的自由空 间通信产品o w l i n k e l 0 0 。 中科院成都光电技术研究所：开发出了工作波长为8 5 0 n m ，可以传 输1 公里、4 公里两种距离的两款产品。产品主要性能参数包括速率： 1 0m b s ；工作波长：8 5 0 n m ；通信距离：1 4 k m ；光发射功率：3 3 0m w 。 上海光机所：它的“无线激光通信系统”己研制成功。该系统具有 双向高速传输和自动跟踪能力。其传输速率可以达到6 2 2m b s ，通信 距离可以达到2 k m ，自动跟踪系统的跟踪精度为0 1 m r a d ，响应时间为 0 2 s 。 深圳飞通有限公司：开发出了光收发模块加上e d f a 系统方式的样 机，其速率有1 5 5m b s 、6 2 2m b s ，以及1 2 5 g b s 几种，通信距离最 远可达4 k m 。 我国虽然在此方面的研究工作开展较晚，但随着空间激光通信系统 元器件及技术的不断发展，又有国外经验借鉴，同时我国航天技术处 于世界发达国家行列，因此只要给予足够重视，全面开展这方面的研究 工作，定会在较短时间内赶上世界发达国家研究水平。随着空间应用领 域的扩展和各种信息需求量的大幅增加，激光通信在速率、带宽、体积、 重量和功耗等方面较之微波通信的优势将更加明显，势必在不远的将来 大规模进入应用领域。在卫星链路中也已开始进入实用化研究阶段。 1 2 本文的来源与主要内容 1 2 1 课题来源 课题来源是国家“8 6 3 ”计划项目“x x x ”，即卫星与飞机间激光通 信系统。卫星与飞机间激光通信系统包括发射、接收和a t p ( 捕获、追 踪和瞄准) 三种功能的光学系统。发射部分包括通信光调制发射系统和 信标光发射系统。接收部分主要由接收光学系统、光电探测器、信号处 理和输出电路组成。a t p 伺服控制系统由信号模数转换与处理、控制 计算机与接口、信号数模转换与处理、控制校正网络、伺服驱动单元、 反馈控制机构和伺服电机组等部分组成。 此课题来源便是卫星与飞机间激光通信发射系统中的技术之一：高 功率、高速率电光调制技术的研究。 1 2 2 主要研究内容 此篇论文所涉及的就是卫星与飞机间激光通信发射系统部分的高 功率激光器的高速率电光调制技术的研究。通过对电光调制器及配套设 备的分析，从理论上得到一种适合其的调制方法，通过调制使传输带宽 足够宽，传输速率足够大，并通过实验验证了它的可行性。其研究的主 要内容如下： ( 1 ) 首先对发射系统进行了简单的介绍，提出了此系统所要实现的 技术指标。对直接调制与间接调制进行了比较，得出采用间接调制的原 因。又对系统中至关重要的光源进行了理论分析。 ( 2 ) 从理论上阐述了电光晶体的物理特性，探讨了电光晶体的电光 效应基本原理，阐明了l i t a 0 3 晶体的调制方式，根据本实验系统的各方 面条件，分析了本系统所采用的电光调制方式。 ( 3 ) 通过对电光调制器以及电光调制驱动器的理论分析，总结出了 其设计原理以及选取器件时应该考虑到的各方面问题，综合各方面因 素，选取了合适型号的实验器件。 ( 4 ) 最后根据所设计的实验原理图以及所选择的器件，通过做实 验，分析实验结果，来验证本系统的可行性。 1 3 本文研究的目的及意义 由于高科技的进步，人们对带宽的需求越来越高，这就决定了光传 输系统向超高速、大容量和长的中继距离的方向发展。但目前采用的微 波通信技术都局限于频带宽度、体积、重量、功耗、价格等方面的因素。 所以激光通信系统的高数据传输速率及其它特点使它在空间通信应用 中具有特别的优势。本论文的目的也就是应用电光调制技术对传输的信 息进行调制，使其高速率、无失真的进行传输。 激光的外调制具有的优点是高速率、大消光比、大光功率和消除半 导体激光器内调制产生的光频率跳变的“啁啾”现象。为了获得大功率、 高速率的激光调制信号，系统采用了l m m 光输入口径的铌酸钽晶体电光 调制器，此方法在国内仍属于尝试和实验阶段，而且它可以在很大程度 上提高激光的透射率，获得更大的光强，从而得到高功率、高速率的激 光调制信号。这对于提高激光通信距离是很有价值和意义的。 总之，卫星与飞机| 日j 激光通信发射系统中高功率、高速率电光调制 技术的研究无论是现在还是将来都会对我国在信息、激光技术等重要的 高技术领域及国计民生带来极其深远的影响和巨大的实用价值。 4 第二章空间激光通信发射系统 2 1 发射系统概述 本文研究的发射系统是卫星与飞机间激光通信发射系统。半导体激 光器发出的激光经聚光设备传输到电光调制器，然后利用电光调制器对 激光进行调制，此调制技术既是发射系统的重点部分，也是发射系统的 难点部分。经调制器调制后激光以高速率、无失真通过光学光路部分发 射出去。 2 1 1 空间激光通信发射系统关键技术“ 归纳起来，空间激光通信发射系统主要包括以下三个方面的关键技 术： ( 1 ) 高功率光源及高码率调制技术。在空间激光通信系统中大多可 采用半导体激光器或半导体泵浦的y a g 固体激光器作为通信光和信标光 源，其工作波长满足大气传输低损耗窗口，即o 8 1 5 朋f 的近红外波 段。用于a t p 系统的信标光源( 采用单管或多管阵列组合，以加大输出功 率) 要求能提供数瓦连续光或脉冲光，以便在大视场、高背景光干扰下， 快速、精确地捕获和跟踪目标，通常信标光的调制频率为几十赫兹至几 千赫兹( 或几千赫兹至几十千赫兹) ，以克服背景光的干扰。用于数据 传输的光信号源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但要求输 出光束质量好，工作频率高，可达到几十兆赫至几十千兆赫。此外激光 器的热稳定性和频率稳定性及工作寿命等性能都是需要考虑的因素。如 采用直接调制方式，还需考虑频率啁啾、相位调制及电光延迟和张弛延 迟等效应。 ( 2 ) 精密、可靠的光束控制技术。在发射端，由于半导体激光器光 束质量一般较差，发散角大，而且水平和垂直两个方向发散角不相等， 因此必须进行准直，先将发散角压缩到毫弧度级，然后再通过发射望远 镜进一步准直成微弧度级光束。在接收端，接收天线的作用是将空间传 播的光场收集并汇聚到探测器表面。发射和接收天线的效率及接收天线 的口径都对系统的接收光功率有重要影响。国际上现有系统的天线口径 一般为几厘米至2 5 厘米之间。 ( 3 ) 大气信道。在地对地、地对空的激光通信系统的信号传输中， 涉及的大气信道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶 等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小，这就会引起光的 吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，光信号将受到严重干扰甚至脱 靶。自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐渐走向实用化。 另外选择适当的调制方式、编码方式及解调方式也会对通信系统的 性能有很大的影响。目前空间光通信系统多采用i m - d d ( 强度调制、直 接检测) 方式，主要考虑系统能比较简单的实现这种方式。采用的编码 方式多为开关键控( o o k ) 编码和曼彻斯特编码方式。 本论文发射系统部分主要研究高功率光源及高码率调制技术。 2 1 2 发射系统主要性能指标 ( 1 ) 系统中激光束的波长： ( 2 ) 激光器的光束发散角： ( 3 ) 系统的输出功率： ( 4 ) 系统的数据传输速率： 2 1 3 发射系统的组成原理 8 1 0 h m 0 0 2 r a d 2 0 0 m w 3 0 0 m b s 空间激光通信发射系统包括光学和电子线路两部分，其中光学部分 由半导体激光器、光纤耦合器和电光调制器等组成。电子线路部分由激 光器驱动电路、供电电源、温度功率控制电路、偏压电路、信号驱动电 路和编码控制电路等组成。发射系统的原理框图如图2 1 。 图2 1 发射系统的原理框图 6 2 2 发射系统采用的半导体激光器 2 2 1 空间激光通信对半导体激光器的要求 在卫星光通信系统中，通信光源至关重要。它直接影响天线的增益、 探测器件的选择、天线直径、通信距离等参量。由于大气性能的影响， 进行激光空间通信时必须考虑激光的功率和传输频率等特性。目前应用 于通信系统的激光器有半导体激光器、固体激光器妻n y a g 激光器、气体 激光器等。半导体激光器可以产生波长为1 0 6 a n 的激光，这是大气的 一个低损耗窗口，因而可以有效减少激光传输中的衰减。此外半导体激 光器具有体积小、转换效率高、成本低并可直接调制的特点，故实际通 信系统一般均采用半导体激光器作光源。 自由空间激光通信系统对激光器的要求远高于光纤通信，主要有以 下三个要求： ( 1 ) 波长必须满足空间传输的低损耗窗口，如大气通信的8 2 0 8 6 0 n m 和1 6 0 0 n m 波长区。大多采用半导体激光器或l d 泵浦的y a g 固体激光 器作为通信光和信标光光源。 ( 2 ) 高功率激光器。由于空间光通信的传输距离一般都比较远，因 此传输过程中存在严重的损耗，如卫星激光通信的发射和接收信号能量 一般相差9 个数量级，所以在两点间建立可靠的低误码通信线路，必须 具有功率足够大的激光器。其中利用光纤放大器也是一个解决方法。 ( 3 ) 窄光束。现有系统一般对于光束的要求为1 0 _ c a d ，所以高功率 的l d 必须以衍射极限光束输出。 空间激光通信系统设计方案对光源的要求是输出功率大、体积小、 功耗低、稳定特性好，同时要满足高速率传输要求。并且要求激光器温 度可控、功率可控，从而实现其波长可控。由于半导体激光器具有体积 小、转换效率高、成本低并可直接调制的特点，综上所述，本论文设计 中采用了某公司的可控式半导体激光器。该激光器有两种工作方式，即 可控方式和不可控方式。可控式半导体激光器的光纤耦合输出功率为 1 w 。实物如图2 2 。 7 图2 2 可控式激光器 2 2 2 半导体激光器( l d ) 的工作原理b 1 在半导体激光器中形成激光，必须同时具备以下两个基本条件： ( 1 ) 有源区里产生足够的粒子数反转分布； ( 2 ) 存在光学谐振机制，并在有源区建立起稳定的振荡。 半导体激光器利用光子受激辐射的原理，给p n 结外加足够的正向 偏压，使原子核外的能量轨道上，高能级上的粒子数大于低能级上的粒 子数，在有源区里出现粒子数反转分布状态，不断激发同频率、同相位、 同方向的光子产生，使光得到了放大。 在半导体激光器中最基本的光学谐振腔是由两块互相平行的反射 镜构成，称之为法布里一珀罗( 卜p ) 谐振腔，如图2 3 。光在谐振腔中的 两个反射镜面之间往复反射，其中一个是全反射镜面，另一个是部分反 射镜面，这样谐振腔内的光可由该镜面透射出来，形成输出激光。 图2 3 光学谐振腔示意图 8 部分反射镜 由于激光器在振荡的过程中也要消耗一部分能量，所以要使激光器 产生自激振荡，还应要求激光器的增益刚好能抵消腔内的损耗。因此， 谐振腔里建立起稳定的振荡须满足阈值条件： e ( y m 刊2 1 r = l ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，为阈值时的增益系数；口为谐振腔内部工作物质的损 耗系数；r 为谐振腔两个镜面的反射率之积。 阈值条件说明，激光器的阚值条件只决定于光学谐振腔内的固有损 耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。 2 2 3 可控式半导体激光器的工作模式与特性 一、半导体激光器的工作模式 半导体激光器有可控和不可控两种工作模式。 ( 1 ) 不可控工作模式 半导体激光器工作在不可控模式下时，直接将致冷器和激光器电源 接+ 5 伏直流电源，其它管脚接地。激光器输出连续光，输出功率经光 纤耦合后为1 w 。 ( 2 ) 可控工作模式 本论文主要研究半导体激光器的可控工作模式。半导体激光器在可 控模式下，可以对其温度、电流进行控制，保证激光器工作的稳定性。 在可控模式下，可以控制的参数为激光器的工作电流，激光器工作 时的温度，还有激光器启动开关。 二、可控式半导体激光器的特性 9 1 2 1 0 8 七功率c f ) 06 0 4 0 2 0 光纤输出光功宰 _ “_ 一 _ d h 一 “7 ， 一7 f ? f 。 夕 000 408 1 21 62 0 加宅琉( ) 图2 4 激光器工作曲线图 cy ) 图2 4 为激光器工作曲线图。可控式半导体激光器，在室温下，其 波长范围是其中心波长3 n r a ，输出光功率不低于1 w ，工作电压为5 6 y ，工作电流不超过7 a 。 工作温度范围o c + 4 0 ，湿度范围为0 9 0 。无错误连续工作 时间为5 千小时。 光纤长度不能超过1 m ，光纤芯径为1 0 0 舢。 半导体激光器的缺点： ( 1 ) 温度特性差。工作特性与温度有显著的关系，环境温度变化可 以引起激射频率、阈值电流、输出光功率等变化，所以采用温度控制电 路来对激光器的温度进行控制。 ( 2 ) 容易产生噪声。因为是利用高浓度的载流子，所以载流子的起 伏会影响有源区的折射率；谐振器的长度短，还采用了低反射率的端面 镜子，所以激光振荡容易受到外部返回光的影响。上述原因容易产生各 种噪声和不稳定性。 ( 3 ) 输出光发散。半导体激光器输出光由端面以放射形式发出成为 发散光，也就是光束发散角问题。如果发散角大会影响通光率，所以要 尽可能的减少发散角，使其大概为调制器口径的2 3 为最佳。可以通过 1 0 外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束，用 自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光进行准直，但这是要以一定 的光功率为代价的。 这些缺点已作为半导体激光器的研究课题正在努力进行改善，另一 方面正在开发回避这些问题的方法。 2 3 发射系统调制方式选取1 钉 根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两大 类。直接调制仅适用于半导体光源( l d 和l e d ) ，这种方法是把要传送的 信息转变为电流信号注入l d 或l e d ，从而获得相应的光信号，是电源调 制方法。直接调制具有简单、经济、容易实现等优点，是光纤通信中常 采用的调制方式。但是激光器在直接调制时由于电子和光子密度之间的 耦合很强，而且光源的频率随电子密度发生变化，在调制电流变化时电 子和光子密度在到达稳态前会产生豫弛振荡，这也加剧了光源的频率啁 啾，同时光源的频率啁啾也与调制信号的速率有关，调制信号的速率越 高则光源的频率啁啾越大。直接调制原理框图如图2 5 。 图2 5 直接光强度调制系统 间接调制是利用晶体的电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实 现对激光辐射的调制。这种调制方式既适用于半导体激光器也适用于其 它类型的激光器。间接调制最常用的是外调制方式。外调制方式是在激 光形成以后加载调制信号，其具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放 置调制器。在调制器上加调制电压，使调制器的某些物理特性发生相应 的变化，当激光通过它时得到调制。在采用外调制技术时，对于电光调 制器来说，晶体的电光效应本身不会限制调制器的频率特性，因为晶格 的振荡频率可达1 t h z ，因此调制器的调制特性主要受外电路参数的限 制，其频率啁啾特性主要受渡越时间的影响且与调制信号的速率关系不 大，从而增大了传输距离。总体来说间接调制的优点就是高速率、大消 光比、大光功率和消除半导体激光器内调制产生的光功率跳变的啁啾现 象。使用外调制技术可提高信号的传输速率，实现光信号的远距离传输， 中继距离可延长到至少3 0 0 k i n 以上，可省掉昂贵的光放大器，降低光通 信的成本是光通信技术发展方向之一。其调制系统的原理框图如图2 6 。 图2 6 外调制系统原理框图 在不考虑由于光源内部噪声引起的谱线加宽时，仅由调制方式产生 的谱线宽度采用直接调制技术时比采用外调制技术时大2 3 个数量级。 对直接调制和间接调制作比较如表2 - 1 。 表2 - 1 直接调制与外调制特性比较 雾掣豁挲掣蓄拿瓣阻抗羹蒙方式类型 带宽因子 或电压 “” 关系 从表2 1 中看出，间接调制的2 种外部调制器调制带宽比直接调制要 宽一倍以上，啁啾因子要小得多。因此外调制系统适合应用于高速、高 功率通信，所以在高速传输系统中大多采用外调制技术。考虑到前面介 绍的发射系统的性能指标，而且本论文的调制系统要求是大功率、高速 1 2 率，所以本论文采用外调制技术是比较合理的。 调制的基本原理一般都是通过某种物理效应，如采用电光效应、磁 光效应、声光效应和电吸收效应等来改变光波的相位、强度和偏振态等 来实现对光的调制。根据电光效应原理的电光调制方式是目前高速光通 信中应用十分广泛的一种调制方式。从各个方面考虑，电光调制是最合 适的调制方式，因此系统采用的是电光调制方式。 3 1 电光效应 第三章电光调制的原理 3 1 1 线性电光效应的描述“盯 在外加电场的作用下，本来是各向同性的介质也可以产生双折射现 象，而本来有双折射性的晶体，其双折射性质也要发生变化，这就是电 光效应。利用电光效应可以方便地实现对光辐射的调制。 晶体的折射率可以用光率体来描述。光率体的一般表达式为 1 成x l x ，= 1( 风= ，i ，- ，；1 , 2 ，3 ) ( 3 1 ) 门“ 将上式展开，得 崩i x 2 l + 届2 x l x 2 + 届3 x l x 3 + 屈l x 2 x i + 岛2 x 2 2 ，。o 、 + 屈3 x 2 而+ 岛l 石3 + 岛2 x 3 x 2 + 岛3 x 3 2 = l 如果知道了屈。就可以利用主轴变换法，求出该光率体的形状、大 小和取向。 经主轴变换后，式( 3 2 ) 变为 届而2 + 岛x 2 2 + 岛而”= 1 ( 3 3 ) 式中，而，石：，x 3 为与光率体主轴一致的坐标轴，届，厦，岛为光率体的 主参数。 设晶体未加能引起折射率变化的外因时光率体方程为 岛。一_ = 1 ( 3 4 ) 经主轴化后，上式的系数简化为 届。o = 届o ，岛：o = 厦o ，岛，o = 屈o ，历，o = 历。o = 届：o = 0 ( 3 5 ) 在晶体上加上电场后，光率体将发生畸变而需用式( 3 2 ) 来描述， 也可改写为 ( 岛。+ 屈，) x ，工，= l ( 3 6 ) 应该指出，在讨论几个难题的电光效应时，必须考虑晶体的力学状 态，即晶体是处于自由状态( 应力为零) 还是处于受夹状态( 应变为零) 。 如果晶体处于自由状态，由于反压电效应，静电场将引起晶体的应变， 而晶体的应变通过弹光效应反过来又会使折射率发生改变。因此在自由 1 4 状态晶体中，测量到的电光效应实际上已经包括了弹光效应的影响。 在自由状态晶体中观察到的电光效应可以写为 p h = b 。| ? + p i | ，db ，1 e k = 7 i | e k t 3 1 、 式中，是真电光系数，括号中第二项是由弹光效应给出的；7 称 为自由晶体的电光系数。 测量y ，。5 的方法是，可在晶体上加上高频交变电场，此时电场频率 高于晶体的共振频率，晶体基本上不发生应变，测得的电光系数为真电 光系数。本小节中讨论的都是真电光系数，并为简单起见，。都写成 y ，。由此，可把线性电光效应表达为 p = p i ? 一p 。? = y l t e k ( 3 8 ) 并把加电场后光率体方程的系数中各个相应分量的变化表示为 氏p l l = p u 一| b p 玎= p n = p n 屐：= 如一岛”蜗- = 屈，= 届， ；b n = p h p p 1 2 = p 1 2 = p 2 1 在式( 3 8 ) 中，是三阶张量，因为成是对称二阶张量，成= 只，。 阻蚍，贰予锰俑e k t 邸h = 邸”= 邵m ，敏可锝出y 临= y l 斑= y n ，y 吨 的独立分量数由2 7 个减少至1 8 个，简化下标约定如下： 张量表示协) 1 1 2 23 3 2 33 2 ! 1 31 22 1 矩阵表示m ) 1 23456 式( 3 2 ) 可以相应的写为 屈x 1 2 + 屈x 2 2 + 历x ，2 + 2 反石2 x 3 + 2 p 5 x 3 而+ 2 尾x l x 2 = l ( 3 9 ) 式( 3 6 ) 可以写成下列矩阵形式： 蛾= e ( m - 1 、2 、6 ，k = l 、2 、3 ) ( 3 1 0 ) 或写成 色p l 邸l 艮 8k p s 8h b 。一b ： b 。一b ： b 、一醚 0 t 晷s 成 n i 2 n 3 、 儿m 2 ，2 ，l ，、e 托”乃叫易il ( 3 黢孙b j y 6 1 y 6 2 y 6 3j 实际上由于晶体的对称性，门。，。：，y 6 ，这1 8 个电光系数中只有少 数几个不为零，并且某些系数是相等的。 3 1 2 电光晶体材料简介“1 电光效应在工程技术中，尤其是在光电子技术中，有着广泛的应用。 利用晶体的线性电光效应制成的器件，称为普克尔盒。普克尔盒所用材 料的克尔系数较高，故所需电压较低，因此在大多数实际应用中采用普 克尔盒。 对于用来制作普克尔盒的电光晶体材料，除要求电光效应强( 半波 电压要低) 以外，还需综合考虑其他方面的要求，如对使用光波段要有 较高的透射率、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、机械性能好、易于获得高光学 质量的大尺寸晶体等。 现在使用最为广泛的调制器材料是l i t a o 。和l i n b 0 3 。用这两种材料 容易得到圪小、光学均质性好、化学性能稳定和便于加工的晶体。它 们的缺点是容易产生光损伤，不过，目前大有改进。表3 1 为常用电光 晶体材料及其物理性能。 表3 - 1 常用电光晶体材料及其物理性能 1 6 比较上述几种晶体，考虑到电光调制器的驱动电压，系数应该选择 以小的晶体；考虑到系统的工作波长为8 1 0 n m ，不进行红外光调制；以 及考虑到价格和化学性质等多方面因素，本系统采用l i t a o 。晶体。 l i t a 0 3 晶体的基本性质： 点群：三方晶系3 m 晶胞参数：a = 0 5 1 5 4 n mc = 1 3 7 8 1 n m 密度： 7 4 6 9 c m 3 熔点： 1 6 5 0 莫氏硬度：5 5 透明范围：4 0 0 5 5 0 0 n m 电光系数： 乃3 = 3 3 p m v托= 7 5 p m v 折射率：= 2 1 7 6 e = 2 1 8 0 为光子的折射率，疗。为电子的折射率，l i t a 0 3 的电光系数是乃，、 ，以= 万，= n o ，h ：= 珂。因此，得到沿z 轴外加电场e 后新的折射 率椭球方程式 v 2 22 南+ 瓦五y 了+ 瓦五z 了_ 1 。1 2 ) 式( 3 1 2 ) 中，a n 。= 一年 ，e ，a n 。= 一等儿3 e 图3 1 为l i t a 0 3 晶体沿z 轴加电场之后的折射率椭球。 jy j 7 厂 、 、! n o + 衄 、? x 。 、 j ? e + 怫 ， 坼 、； ! n o + 八_ = ； x 1 、一 图3 1 加电场后l i t a 0 3 晶体折射率椭球的变化 图3 1 中实线表示外加电压之前的折射率椭球，虚线表示外加电压 1 7 后的折射率椭球。新的折射率椭球的半长度分别为 n x = n o - - 互in 。3 乃，易 聆，= 一弘1 3 n ，易 ( 3 1 3 ) 驴怫一三3 脚： 3 1 3l i t a o 。晶体的电光相位延迟1 电光效应会引起晶体中的传播光束的相位延迟。在应用中，电光晶 体是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成的，而且外电场也是沿着某 一主轴方向加到晶体上，常用的有两种方式：一种是电场方向与光束在 晶体中的传播方向一致，称为纵向电光效应；另一种是电场与光束在晶 体中的传播方向垂直，称为横向电光效应。 一、横向应用 沿z 轴加电场，光束传播方向平行于x 轴，e 矢量与y 轴成4 5 。 方向，如图3 2 。 邑， l 输出光束 ， 今 v 。 图3 2z 向电场作用下l i t a 0 3 晶体的横向作用 设光波垂直于y z 平面入射，e 矢量与y 轴成4 5 4 ，进入晶体x = o 后即分解为沿y 和z 方向的两个垂直偏振分量。相应的折射率分别为 旷一圭3 门，也 他；吃一三疗。3 岛 z 传播距离l 后，两偏振分量的相位延迟分别为 1 8 ( 3 1 4 ) 因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差 伊= 伊y 一见= 三 如o - - n 。皿+ 二 上( 疗。，”一n 0 3 y 1 3 ) 易 2 + 等( 栉。y ”一y o n 3 ) l 亏p ( 3 1 6 ) 式( 3 1 6 ) 中l 为光波传播方向晶体的长度，d 为外加电压方向( z 向) 的晶体宽度。由此可见，在横向运用条件下，光波通过晶体后的相 位差包括两项：第一项与外加电场无关，是由晶体本身自然双折射引起 的；第二项即为电光效应相位延迟，它与外加电场和晶体的尺寸有关。 对于l i t a o 。晶体横向应用，可以得到如下两点结论： ( 1 ) 横向应用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外 加电场无关。表明在没有外加电场使入射光的两个偏振分量通过其偏振 面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。 ( 2 ) 横向应用时，无论采取哪种方式，总的相位延迟不仅与所加电 压成正比，而且与晶体的长宽比( l d ) 有关。因此，增大l 或减小d 就可大大降低半波电压。例如，在z 向加电场的横向应用中，当相位差 为a 4 p = ，r 时，此时的电压为半波电压，它反映了调制功率的大小，由式 ( 3 1 6 ) 略去自然双折射的影响，求得半波电压为 圪= 雨三两( 匀 可见( l d ) 越小，n 就越小，这是横向应用的优点。 二、纵向应用 图3 3 为纵向电光调制示意图。x ，y ，z 分别表示晶体的三个光轴， l 代表晶体的长度。沿晶体z 轴加电场，光波沿z 方向传播，其双折射率 特性取决于椭球与垂直于z 轴的平面相交所形成的椭圆。 l n 电光晶体 图3 3z 向电场作用下l i t a o 。晶体的纵向作用 1 9 输出光束 r 扒 l 夕 埒 易 易 机 批 l 一2 l 一2 一 一 砒一2砒一a = = b 幼一五幼一a = j t 吼 吼 在式( 3 1 2 ) 中，令z = o ，得到该椭圆的方程为 x 2 网+ ( 3 1 8 ) 当一束线偏振光沿着z 轴方向入射晶体，e 矢量沿与x 轴成4 5 。 方向，进入晶体z = o 后立即分解为沿x 和y 方向的两个垂直偏振分量。 它们经过长度l 的空间距离的光程分别为n x l 和聆。l ，这样，两偏振分 量的相位延迟分别为 败：车取l ，吼：孕毗 ( 3 1 9 ) 败= 疗x ， 伊y = i 一疗y l j 由玎。= n ，这两个光波穿过晶体后产生的相位差 口= 0 ( 3 2 0 ) 因此，对于l i t a 0 3 晶体，纵向应用不会产生电光相位延迟。可以对 非偏振的光进行相位调制，此时光束通过晶体后的相位变化为 妒= 生a n l = 一要 。3 3 矿 ( 3 2 1 ) 此处v 为外加电压，g v = e z l ，设e = 玩s i n ( c o , t ) ，为信号角频率， 若光波在z = o 处为e l = a c o s ( c o , t ) ，则在z = 三处的光波为 e o ；a c o s q f 一【车一- 手n 0 3 y 1 3 es i n ( t o , t ) l l ( 3 2 2 ) 写成相位调制的形式： = a c o s o c t 一等+ 占s i n ( 织，) 】 4 ( 3 2 3 ) 艿= 等3 n 3 民工 根据相位调制理论，万为相位调制因子，其频谱成贝塞尔函数分布， 理论上由光载频与在它两边对称分布的无穷多个边频组成，各边频的间 隔是调制频率口。，边频的幅度由贝塞尔函数决定。纵向电光调制的半 波电压为 圪= ( 3 2 4 ) “ n o 。 根据( 3 1 7 ) 式 = 紫寺= 3 4 2 6 i l 。( 3 2 5 ) 南 由以上l i t a 0 3 晶体的纵向应用和横向应用的比较，纵向电光调制由 于外加电场的方向与光的传播方向同向，因此在电光晶体的端面电极须 做成环行电极或者镀以透明电极，光才能通过。这样给加工带来一定的 难度，而且电极对光束有干扰作用。采用横向调制时电场电极不会妨碍 光的传输，而且也便于制作。从( 3 2 5 ) 式也可看出，在同样长度和厚 度条件下，纵向半波电压是横向半波电压的3 4 2 6 l d 倍，而且由于横 向调制器中小电压易于变化，所以频响优于纵向调制。因此本系统采用 的是横向调制。 3 2 用l i t a o 。晶体进行电光调制钉 用l i t a 0 3 晶体进行电光调制就是根据光波在l i t a o 。晶体中的传播 特性来实现光束的调制。利用电光效应可实现幅度( 或强度) 调制和相 位调制。 3 2 1l i i a o 。晶体的横向电光振幅( 或强度) 调制 当电场在l i t a 0 3 晶体上时，其折射率变化可产生线性电光效应。一 是电场沿晶体主轴z 轴，光束传播方向平行于z 轴，产生纵向电光效应。 二是电场沿晶体的z 轴，而光束的传播方向与z 轴垂直，产生横向电光 效应。由上节可知，对于l i t a 0 3 晶体，纵向应用不会产生相位延迟，因 此不会起到调制的作用，所以本系统采用的是横向电光效应。 横向电光强度调制器的结构如图3 4 。电光晶体置于两成正交的偏 振器之间，其中起偏器p 1 的偏振方向与z 轴成4 5 9 ，检偏器p 2 的偏 振方向与起偏器p l 的偏振方向垂直，并在晶体和p 2 之间插入旯4 波片。 p l 图3 4 横向电光振幅( 或强度) 调制 2 l 当沿晶体z 轴方向加电场后，沿y 轴入射的光束经起偏器进入晶体 后( y = o ) 被分解为沿x 和z 方向的两个分量，其振幅和相位都相同， 分别为 e ，m 1 ：爿c o s mt e 满：爿c o s m j 2 6 ) 由于光强正比于电场的平方，因此入射光强度为 i j o o e e - - i r a o ) | 2 + 眩( o ) 2 i - 2 a 2 ( 3 2 7 ) 当光通过长度为l 的晶体之后，由于电光效应，e ，和易两个分量 之间产