光的调制技术.ppt

光的调制技术 主要内容 一 光辐射的调制二 模拟调制三 数字调制方式四 外调制 一 光辐射的调制 光辐射的调制 是指改变光波的振幅 强度 频率 相位和偏振等参量使之载携信息的技术过程 可以完成将传输的信息加载到激光上的装置称为调制器 承载信息的激光称为光载波 传输的信息称为调制信号 加载信号后的激光称为调制光 1 1光辐射调制的实现 光波具有振幅 频率 相位 强度和偏振等参量 能够通过某种物理效应改变这些参量 使其按照调制信号的规律变化 光波受到信号的调制 形成调制光 其中 光波的电场强度 1 2光辐射调制的分类 按照调制器和激光器的关系 内调制 是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的 即以调制信号去改变激光器的振荡参数 从而改变激光输出特性以实现调制 调制信号改变激光器的泵浦驱动电流 使得输出的激光强度受到调制 称为直接调制或者电源调制 在谐振腔内加入调制元件 用调制信号控制元件的物理特性的变化 以改变谐振腔的参数 从而改变激光器输出特性 1 2光辐射调制的分类 按照调制器和激光器的关系 外调制 在激光谐振腔以外的光路上放置调制器 用调制信号改变调制器件的物理性质 当光通过调制器件时 光波的某个参数发生变化 外调制不改变激光器的参数 不涉及激光器的内部结构 是目前应用广泛的一种调制方式 内调制具有小型化 集成度高的特点 主要应用在光通信的半导体激光器中 提高系统的集成度 1 2光辐射调制的分类 按照调制的性质 幅度调制 频率调制 相位调制 强度调制 模拟调制 1 2光辐射调制的分类 按照调制器的工作机理 电光调制 声光调制 磁光调制 直接调制 电源调制 外调制 2 1振幅调制 幅度调制是使光载波的振幅随着调制信号的变化规律而变化 简称调幅 调幅系数 设调制信号是一个时间的余弦函数 当进行激光振幅调制之后 激光振幅Ac不再是常量 而是与调制信号成正比 载频分量 边频分量 边频分量 调幅波频谱 二 模拟调制 2 2频率调制 频率调制和相位调制使得光载波的频率和相位随着调制信号的变化规律而改变 两种调制表现为总相角 t 的变化 统称为角度调制 频率调制 角频率 c不再是常数 而是随调制信号而变化 若调制信号仍是一个余弦函数 则调频波的总相角为 其中称为调频系数 kf称为比例系数 2 3相位调制 调相系数 相位调制就是相位角不再是常数 而是随调制信号的变化规律而变化 调相波的总相角为 相位调制 频率调制和相位调制都是调制总相角 可以写成统一形式 m的调制系数 利用三角公式展开 得 将式中两项按贝塞尔函数展开 2 4频率调制和相位调制 将以上两式代入利用三角函数关系式 可得 可见 在单频正弦波调制时 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所组成的 各边频之间的频率间隔是 各边频幅度的大小由贝塞尔函数决定 2 4频率调制和相位调制 2 5强度调制 强度调制是使得光载波的强度随着调制信号的变化而改变 由于接收器一般都直接感受接受的光信息强度的变化 所以强度调制是采用的比较多的一种方式 强度调制的频谱除了载波分量和对称分布的边频之外 还有低频和直流分量 为了提高抗干扰能力 采用二次调制方式 即采用副载波进行强度调制 强度调制系数 激光的光强度定义为光波电场的平方 其表达式为 三 数字调制方式 脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波 这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法 先用模拟调制信号对一个电脉冲序列的某个参数 幅度 宽度 频率 位置等 进行电调制 形成已调电脉冲 然后再利用已调的电脉冲序列对光载波进行强度调制 形成光脉冲序列 3 1脉冲调制 调制信号幅度调制脉宽调制频率调制脉位调制 脉冲调制有脉冲幅度调制 脉冲宽度调制 脉冲频率调制和脉冲位置调制 3 1脉冲调制 三 数字调制方式 脉冲编码调制是把模拟信号先变成电脉冲序列 进而变成表示信息的二进制编码 然后再对光载波进行强度调制 要实现上述过程 必须进行三个过程 抽样量化编码编码以后 信号转化为相应的二进制码 用这一系列的电脉冲加到一个强度调制器上 控制激光器的输出 3 2脉冲编码调制 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约 而折射率的分布又与其介电常量 电容率 密切相关 晶体折射率可用施加电场E的幂级数表示 即 4 1 1电光调制的物理基础 式中 E是一次项 由该项引起的折射率变化 称为线性电光效应或泡克耳斯 Pockels 效应 由二次项bE2引起的折射率变化 称为二次电光效应或克尔 Kerr 效应 对于大多数电光晶体材料 一次效应要比二次效应显著 4 1电光调制 四 外调制 4 1 2电光效应 电光调制是基于电光效应 某些晶体在外加电场的作用下 折射率发生变化 使得在其中传播的光信号的传播特性受到影响 称为电光效应 电光效应被广泛使用来实现对光波 相位 频率 偏振和强度 的控制 已经做成调制器 偏振控制器和滤波器件等等 电致折射率变化 折射率椭球方法 在未外加电场时 主轴坐标系中 折射率椭球由以下方程 主轴 晶体中电位移矢量D和电场强度E方向一致的方向nx ny和nz为折射率椭球x y z方向的折射率 称为主折射率 4 1 2电光效应 在外加电场作用时 主轴坐标系中 导致折射率椭球发生变形 成为以下形式 在外电场的作用下 折射率椭球各个系数随之发生线性变化 变化量可定义为 4 1 2电光效应 i j为线性电光系数 i 1 2 6 j 1 2 3 其中6X3矩阵称为电光张量 4 1 2电光效应 电光晶体的相位延迟性质 外加电压的变化 会引起晶体中两个偏振方向的光的相位差改变 电矢量的空间振动方向随着变化 可以用来控制光波的某些参数 实现电光调制 电光效应可以实现强度调制和相位调制 4 2 1声光调制的物理基础 声波是一种弹性波 纵向应力波 在介质中传播时 它使介质产生相应的弹性形变 从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动 引起介质的密度呈疏密相间的交替变化 因此 介质的折射率也随着发生相应的周期性变化 超声场作用的这部分如同一个光学的 相位光栅 该光栅间距 光栅常数 等于声波波长 s 当光波通过此介质时 就会产生光的衍射 其衍射光的强度 频率 方向等都随着超声场的变化而变化 其中深色部分表示介质受到压缩 密度增大 相应的折射率也增大 而白色部分表示介质密度减小 对应的折射率也减小 在行波声场作用下 介质折射率的增大或减小交替变化 4 2声光调制 4 2 2声光效应 介质的折射率不仅可以通过外加电场改变 外力作用亦可改变 由于外力作用引起的介质光学性质的变化成为弹光效应 声波在介质中传播时 引起介质的密度沿着声波传播的方向从呈现周期分布 折射率也呈现周期分布 这种由于声波的作用引起的介质光学性质的变化称之为声光效应 介质中的声波分为行波和驻波两种形式 x n x X方向声波的行波方程 介质的折射率变化正比于质点沿着x方向的位移 介质的折射率分布为 n0为无声场介质折射率 S为超声波产生的应变 P为材料的弹光系数 声速是光速的数十万分之一 光栅可以看作是静止的 4 2 2声光效应 x n x n X方向声波的驻波是由两个具有相同波长 振幅和相位的相反方向传播的声波叠加而成 介质的折射率变化正比于质点沿着x方向的位移 声驻波方程 4 2 2声光效应 4 2 3声光相互作用的类型 按照声波频率高低和声光相互作用的长度不同 声光相互作用可分为 1 Raman Nath衍射 超声波频率较低 声光作用长度较短 2 Bragg衍射 超声波频率较高 声光作用长度较长 4 3 1旋光现象 当偏振光沿着光轴方向通过天然介质时 偏振方向发生旋转 称为旋光现象 具有旋光特性的物质称为旋光物质 起因 某些介质对左旋 右旋偏振光的折射率大小不同 4 3磁光调制 磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向有关 而与光线传播方向的正逆无关 这是磁致旋光现象与晶体的自然旋光现象不同之处 即当光束往返通过自然旋光物质时 因旋转角相等方向相反而相互抵消 但通过磁光介质时 只要磁场方向不变 旋转角都朝一个方向增加 此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过程 因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件 对于旋光现象的物理原因 可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列 当一束线偏振光通过它时 分解为两个频率相同 初相位相同的两个圆偏振光 其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针方向旋转 称为右旋圆偏振光 而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的 称为左旋圆偏振光 这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度v c nR和v c nL传播 4 3 1旋光现象 假设有一束偏振光入射旋光物质 旋光物质对左旋和右旋偏振光的折射率不同 则左旋偏振光和右旋偏振光通过厚度为L的介质所产生的相位延迟分别为 两椭圆偏振光的相位差为 通过介质后 合成线偏振光 偏振方向相对于入射光偏振方向旋转了一个角度 4 3 1旋光现象 4 3 2法拉第效应 某些非旋光物质 在强磁场的作用下可以表现出旋光特性 这种在磁场的作用下产生的旋光现象成为磁光效应 磁光效应包括法拉第效应 克尔效应和磁双折射效应 主要是法拉第效应 当一束平面偏振光穿过至于磁场中的介质 光束的偏振面将发生旋转 旋转角度正比于与光束传播方向平行的磁场分量 称为法拉第效应 1845年 B表示平行于光束传播方向上的磁场分量 L为介质长度 V为费尔德常数 是表示材料磁光性能的一个常量 与波长有关 4 4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 它是目前光纤通信系统普遍采用的实用化调制方法 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 前者是用连续的模拟信号 如电视 语音等信号 直接对光源进行光强度调制 后者是用脉冲编码调制的数子信号对光源进行强度调制 4 4 1半导体激光器直接调制的原理 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 发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关 若把调制信号加到激光器电源上 就可以直接改变 调制 激光器输出光信号的强度 半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件 半导体激光器有一个阈值电流Ith 当驱动电流密度小于Ith时 激光器基本上不发光或只发很弱的 谱线宽度很宽 方向性较差的荧光 当驱动电流密度大于Ith时 则开始发射激光 此时谱线宽度 辐射方向显著变窄 强度大幅度增加 而且随电流的增加呈线性增长 4 4 1半导体激光器直接调制的原理 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 这样就可以减少输出的光信号的非线性失真 4 4 1半导体激光器直接调制的原理 4 4 2半导体发光二极管调制特性 半导体发光二极管不是阈值器件 P I特性曲线的线性比较好 发光二极管的 特性曲线明显优于半导体激光器 所以它在模拟光纤通信系统中得到广泛应用 但在数字光纤通信系统中 因为它不能获得很高的调制速率 最高只能达到100Mb s 而受到限制 LD 调制深度 LED 当m大 调制信号幅度大 则线性较差 当m小 虽然线性好 但调制信号幅度小 因此 应选择合适的m值 必要时应考虑非线性补偿