光电子复习参考第章.ppt

第三章光束的调制和扫描在光电子系统当中，不论具体结构如何，有一个共同的特点利用光来传递信息。光束的调制就是将欲传递的信息加载到光波上的过程。调制的对象改变光波的振幅、强度、相位、频率、偏振等，使其携带信息。,CompanyLogo,内调制：将欲传输的信号直接加载于光源上，改变光源的输出特性实现调制，或在激光器的谐振腔内调制，改变光腔参数。外调制：在光路上放置调制器，将欲传输的信号加载于调制器上，使光的物理性质变化，实现信号的调制。,CompanyLogo,2.请画出纵向电光调制的结构图，写出调制条件，并推导出纵向电光调制器的透过率。根据上面的推导结果，画出纵向电光调制特性曲线，据此可得到哪些结论？用什么方法可实现线形调制？,1电光强度调制（1）纵向电光调制纵向电光强度调制器的结构如下图所示：,CompanyLogo,结构特点：电光晶体（KDP）置于两成正交的偏振器之间；起偏器的偏振方向平行与KDP的x轴；检片器平行于KDP的y轴；插入/4波片；沿晶体z轴方向施加电场；晶体的感应主轴为x和y，分别与x轴、y轴的夹角为45o。,CompanyLogo,纵向电光调制过程沿z轴入射的光束，经起偏器变为平行于x方向的线偏振光；刚进入晶体时（z=0），被分解为沿x和y方向的两个分量。此时，其振幅和相位都相同。分别为：,CompanyLogo,用复数表示为：光强正比于电场的平方，入射光强（z=0）为：,CompanyLogo,当光通过长度为L的晶体之后，由于电光效应，和两分量之间产生了一个相位差，此时有：通过后，总电场强度是和在y方向上的投影之和为：,CompanyLogo,CompanyLogo,输出光强为：,CompanyLogo,利用三角函数关系式：光强为：,CompanyLogo,调制器的透过率为：纵向电光相位延迟的相位差为：由，可以画出纵向电光强度调制特性曲线，,CompanyLogo,CompanyLogo,讨论：透过率T与外加电压V的关系是非线性的；当时，T=100%,透过光强最大；时，T=50%,且在其附近有一线性关系；V=0时，T=0。,CompanyLogo,得出重要结论：调制器工作在非线性区，调制光强发生畸变；在附近有一线性关系，可设法使调制器工作在线性区。使调制器的电压偏置在T=50的工作点。,CompanyLogo,实现线性调制的办法：在调制晶体上除了施加信号电压外，再附加一个的固定偏压。但增加电路的复杂性，工作点的稳定性差。在调制器的光路上插入波片，使和两个分量间产生的固定相位差。,CompanyLogo,证明：经过晶体L后的相位差为，加入波片后的总相位差为：透过率为：利用：,CompanyLogo,利用：得到：当a较小时，sina=a，因为：所以：此时T与V之间为线形关系，可实现线性调制，且不失真。,CompanyLogo,纵向电光调制的优缺点：优点：结构简单，工作稳定，不存在自然双折射的影响。缺点：半波电压太高，特别是调制频率较高时，功率损耗大。,CompanyLogo,3.请画出横向电光调制器的结构图，给出调制条件。通过与纵向电光调制器的比较，说明横向电光调制的优缺点。采用什么方法可以克服横向电光调制中存在的问题？,（2）横向电光调制横向电光调制有两个明显的优点：可以避开电极对光波的影响；可以通过增加晶体的长度降低调制电压，具重要的实用意义。,CompanyLogo,典型结构分析外加电场沿z轴方向，通光方向与z轴垂直，沿y方向入射,入射光偏振方向与z轴成45o角。,CompanyLogo,横向电光调制特点：当光线进入晶体后，将分解为沿x和z方向振动的两个分量，其折射率分别为和.从晶体出射后，两光波的相位差为：,CompanyLogo,KDP晶体的横向电光效应的相位延迟包括两项：第一项：与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，对调制器没有贡献，应设法消除；第二项：外电场作用产生的相位延迟，与V、L、d有关，适当选择L、d，可降低半波电压。,CompanyLogo,自然双折射的影响：当晶体的温度引起折射率no和ne变化时，两光波的相位差将发生漂移。例如：L=30,=623.8nm，,折射率随温度的变化率：所以，要采取措施消除自然双折射的影响。,CompanyLogo,消除自然双折射的方法：散热、恒温，以减少晶体的温度漂移采用“组合调制器”的结构予以补偿,CompanyLogo,4.请画出声光调制器的结构，并说明各部分的作用,3.3.声光调制声光调制是基于声光效应。1结构：激光(光源)声光介质电-声转换器吸声(反射)装置驱动电源,CompanyLogo,声光介质声光相互作用的区域。利用衍射光的强度随超声波强度的变化而变化的性质，制成光强度调制器。电-声换能器（超声波发生器）将调制的电功率转换成声功率。利用某些压电晶体（石英、LiNdO3等）或压电半导体（CdS、ZnO等）的反压电效应，在外加电场作用下产生机械振动，形成超声波。,CompanyLogo,吸声（反射）装置确定超声波工作状态。吸声装置通过吸收介质的声波使工作于行波态反射装置反射声波，使超声场为驻波状态。,CompanyLogo,5.何为直接调制？请说明半导体激光器直接调制的原理，并说明如何实现直接调制？,3.4直接调制直接调制-把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(LED或LD)，获得调制信号。直接调制是在光源内部进行的，又称为内调制。是目前光纤通信系统普遍采用的调制方法。直接调制分为两种类型：模拟调制：用连续的模拟信号(如视频、音频等信号)对光源进行强度调制。数字调制：用脉冲编码调制的数值信号对光源进行强度调制。,CompanyLogo,半导体激光器（LD）直接调制原理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。下图给出了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。,CompanyLogo,结论当驱动电流密度It时，开始发射激光，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。由于发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关，可以直接把调制信号加到激光器电源上，改变输出光信号的强度。优点：方式简单，能在高频工作，良好的线性、带宽。广泛应用于光纤通信、光盘和光复印等方面。,CompanyLogo,下图给出了半导体激光器输出光功率与调制信号的关系曲线。用下述办法可实现信号调制：为获得线性调制，必须在施加调制信号电流的同时，加一适当的偏置电流Ib，以保证输出光信号不失真。通常选择Ib在阈值电流It附近且略高于It，使延迟时间小。,CompanyLogo,必须把调制信号源与直流偏置隔离，避免直接偏置源对调制信号源产生影响，采用方法：当频率较低时，用电容和电感线圈串联来实现；当频率较高时（50MHz），采用高通滤波电路。,CompanyLogo,LD调制中存在的问题：由于有直流偏置，当半导体激光器处于连续工作状态时，功耗较大，甚至引起温升，影响或破坏器件的正常工作。改用双异质结激光器，使It下降，可在室温室下连续工作。为使高频调制下不产生畸变，采用条宽较窄结构的激光器，或采用量子阱激光器或其它外调制器。,CompanyLogo,6.请用画图及公式推导说明电光扫描原理（偏转扫描），光束偏转角与哪些因素有关？若要获得较大的偏转角，如何设计扫描器的结构？,2电光扫描电光扫描是利用电光效应改变光束在空间的传播方向，其偏转方式有两种：扫描偏转和数字式偏转。扫描偏转：扫描原理假设：*光束沿y方向入射到长度为L、厚度为d的电光晶体*晶体的折射率是坐标x的线性函数，即：当x=0时，n(0)=n当x=d时，n(d)=n+n,CompanyLogo,CompanyLogo,当一平面波经过晶体时，光波的上部（A线）和下部（B线）所经受的折射率不同，则通过晶体所需的时间不同.光线A相对于B要落后一段距离，光波到达晶体出射面时，其波阵面相对于入射波阵面偏转了一个小角度,CompanyLogo,利用折射定律：nsinnosinsin当与很小时：n;则有：n结论：只要晶体在电场的作用下，沿某些方向的折射率发生变化，当光束沿着特定方向入射时，可以实现光束扫描;光束偏转角的大小与晶体折射率的线性变化成正比；光束偏向折射率增加的方向。,CompanyLogo,电光扫描原理：当一平面波经过晶体时，由于晶体上、下折射率不同，该光线通过晶体后产生一光程差，即光波在晶体出射面相对于入射波阵面偏转了一个小角度，从而实现光束的扫描。,CompanyLogo,扫描器结构结构：*棱镜的三个边分别沿X、Y和Z轴方向，尺寸为L、h、d;*两块晶体的Z轴反向平行放置，X方向重合，方向相同；*电场沿Z轴方向，光线沿Y方向传播，沿X方向偏振。,CompanyLogo,上部的A光线完全在上棱镜中传播，折射率为:下部的B光线在下棱镜中传播，因Z轴反向，折射率为：上下折射率差：光束的偏转角：,CompanyLogo,由公式可见：当外加电压变化时，偏转角成比例地随着变化。可利用外加电压控制光线的前进方向。例如：L=d=1cm,r63=10.510-12m/V,n0=1.51,V=100V则：3510-7rad(弧度)由此看出：一个电光偏转器所能获得的偏转角很小，很难满足实际应用的要求。为了增加偏转角，电压又不至太高，常将若干个KDP棱镜串接起来。,CompanyLogo,多级棱镜扫描器*中间的棱镜为顶角是的等腰三角棱镜；*两端两块是一个角为/2的直角三角棱镜；*棱镜的Z轴皆垂直于纸面*构成长mL，宽h,高为d的偏转器。,CompanyLogo,相邻的二个棱镜的Z轴反向，电场沿Z轴方向，各棱镜的折射率交替为：n0-n，n0n，nn03r63EZ因此，光束通过扫描器后，总的偏转角为每一对棱镜偏转角的m倍，即：一般m为410,m不能无限增大，光束不能偏出d之外。,CompanyLogo,7.请画出一个KDP晶体和一个双折射晶体组成的数字式扫描原理图，并分析当时加在电光晶体上的电压值发生变化时，光束偏转的方向。请在三级或四级数字式电光扫描器示意上标出施加电压的情况（“1”表示施加电压，“0”表示未施加电压）。,（2）电光数字式扫描（光开关）1级电光数字扫描器S：KDP晶体。B：方解石双折射晶体。该晶体能使入射的线偏振光分成互相平行、振动方向垂直的两束光（o光、e光)，其间隔d为分裂度，为分裂角。r：入射光法线方向与光轴间的夹角。,CompanyLogo,偏转器的工作过程如下：当V=0时，线偏振光通过S晶体后，偏振状态保持不变。即：S：o光-进，o光-出；e光-进，e光-出。B:o光-进，o光-出；e光-进，e光-出。当V=V时，线偏振光通过晶体S后，偏振面旋转90，即：S：o光-进，e光-出；e光-进，o光-出。B:o光-进，o光-出；e光-进，e光-出。e光进入B后，以e光通过晶体B，以角的方向出射，偏移间距d。,CompanyLogo,当ne和no确定后，最大的分裂角max为方解石晶体，max6(可见光、红外光)。由一个电光晶体（s）和一个双折射晶体（B）就构成了一个一级数字扫描器。入射的线偏振光，随电光晶体上“加”和“不加”半波电压，分别占据两个“地址”之一，分别代表“0”和“1”状态。,CompanyLogo,3级电光数字扫描器把3个这样的数字偏转器组合起来，就可以产生23个扫描点。如果要求使可控位置分布在二维方向上，只要用两种彼此垂直的N级扫描器组合起来，就可以实现2N*2N个二维可控扫描。,CompanyLogo,8.何为声光扫描？实现声光扫描有几种办法？,（1）声光扫描原理产生布喇格衍射的条件是：布喇格角一般很小，可写为：由图可看出，衍射光与入射光间的夹角为，,CompanyLogo,由上式看出，改变超声波的频率fs，就可以改变其偏转角，从而达到控制光束传播方向的目的。即：,CompanyLogo,3声光扫描声光效应的应用：对光束进行强度调制，改变衍射光的强度改变声波频率，使光束偏转,实现声光扫描.实现声光偏转方法：声波使介质折射率在空间形成梯度分布，当光束通过介质时，传播方向将向折射率增加的方向偏转；（改变n）利用布喇格声光衍射，通过改变声波频率来改变衍射角，使光束发生偏转。（改变B）,CompanyLogo,9.空间光调制器与电光和声光调制器的本质区别是什么？,3.6空间光调制器前面所介绍的各种调制器的特点：*对一束光的“整体”进行作用，*与光传播方向相垂直平面上的每一点，调制效果相同。此