第一部分-光调制基础

第一部分光调制基础光束调制原理光的偏振晶体光学基础光在晶体中的传播电光控器件的物理基础声光、磁光控制器件的物理基础1.光束调制原理概述振幅调制角度调制强度调制脉冲调制数字调制激光用于信息传递的优势:激光是一种光频电磁波,具有良好的相干性,可以作为信息传送的载波；激光具有很高的频率（最高可达1015Hz),频带宽,传递的信息容量大；激光传递信息具有保密性好、抗干扰能力强等特点。激光是传递信息的理想光源，但激光只是载波，信息如何加载到激光信号上?1.1光调制概述概述调制信息加载到激光上的过程,称之为调制,而实现调制的装置称为调制器。调制信号起控制作用的低频信息称为调制信号。激光光波的电场强度可以表示为:激光具有振幅、频率、相位、强度、偏振等参量,如果能够利用某种物理方法改变光波的某一参量,使其按调制信号的规律变化,就实现了对激光信号的调制。调制的分类根据调制器与激光器的相对关系分为:内调制:按受调参数分为:（1）调幅（AM）:受调参数是载波的幅度。（2）调频（FM）:受调参数是载波的频率。（3）调相（PM）:受调参数是载波的相位。（4）强度调制:受调参数是载波的强度。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,从而改变激光器的输出特性来实现调制。主要应用:在光通信的注入式半导体激光源中。外调制外调制:在激光形成之后,在激光器的外光路上放置调制器,用调制信号改变调制器的物理特性,当激光通过调制器时,就会使光波的某参量受到调制。优势:调整方便，对激光器没有影响调制速率高调制带宽宽将在未来的高速率、大容量的光通信及光信息处理有广泛的应用前景1.2振幅调制载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡,称振幅调制,简称调幅。一、概念二、调幅波波形和表示式:调制信号为:载波信号为:eP(t)tac(t)ttej(t)振幅调制其中kA为比例系数，ma=kAAm/Aj≤1，称调幅系数或调幅度，一般用%表示。ma:表示载波受调制信号控制的程度,ma越大，控制作用越大。当ma=1时称全调;当ma=0时，称无调;注意:ma不能大于1，否则会出现过调失真。三、调幅波的频谱及谱宽Aj频谱宽度:B=2m调幅波的频谱由载波分量和两个边频带组成，而调幅过程实际上是一种频率的搬移过程.1.3角度调制振幅调制是以调制信号去控制载波振幅，反映到频谱上是频率搬移，其频谱结构不变，所以属于线性调制；角度调制是以调制信号去控制载波的频率或相位，反映到频谱上是一种复杂的变换（增加了许多组合频率），属于非线性调制；调角的优点:抗干扰能力强。1.3角度调制以调制信号去控制载波的频率或相位,使载波的频率或相位随调制信号的规律变化,这样得到的已调波称调频波或调相波,由于这两种调制波都表现为总相角的变化,故统称角度调制。（一）调频波表示式设ac(t)=Amcosmt，载波ej(t)=Ajcos(jt+φ0)，据调频定义,FM波的瞬时频率:ω(t)=j+kfac(t)=j+kfAmcosmt=j+fcosmt其中,j--载波的中心频率kf--比例系数,单位调制信号强度度引起的频率变化,表明控制能力的大小f--最大频偏,即FM瞬时频率偏离j的最大值（一）调频波表示式ω(t)=

j+kfAmcos

mt=

j+

fcos

mtFM波的瞬时相位:（一）调频波表示式其中:mf称调频指数,是载波相位上附加的最大相移,表明调制深度。（二）调相波的表示式--调相指数请同学自行推导出调相波的表达式!（三）调频和调相波的频谱由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可以写成统一的形式:利用三角函数关系式:(3.1.12)可得:（三）调频和调相波的频谱在单频正弦波调制时,其角度调制波的频谱是由光载频与它两边对称分布的无穷多对边频所组成；各边频之间的间隔为m；各边频的幅度大小Jn(m)由贝塞尔函数决定。例:m=1，n=0,J0(m)=0.77;n=1,J1(m)=0.44n=2,J2(m)=0.11;n=3,J3(m)=0.010.770.440.110.02角度调制波的频谱图若调制信号不是单频正弦波,则其频谱将更加复杂。另外,当角度调制系数较小（即m<<1）时,其频谱与调幅波有着相同的形式。1.4强度调制强度调制是光载波的强度随调制信号规律而变化。激光光强定义为光波电场的平方，可表示为:强度调制的光强:1.4强度调制强度调制的光强:a

(t)=Amcos

mt调制信号:=kqAm一般调制系数mq<<1同理可推得,其频谱分布除了载频及对称分布的两边频外,还有低频m和直流分量。

以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡的波,称为模拟式调制。另外,在目前的光通信中还广泛采用一种在不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制(也称为脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）,再对光载波进行光强度调制。1.5脉冲调制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电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制,使之按调制信号规律变化,成为已调脉冲序列,再用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。周期脉冲序列载波线性矩形调制脉冲调制脉冲调制脉冲幅度调制（PAM)脉冲宽度调制（PWM)脉冲频率调制（PFM)脉冲相位调制（PPM)脉冲强度调制（PIM)调制实现方法:首先进行电调制,再对光载波进行光强度调制。(a)调制信号(b)脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制(e)脉冲位置调制脉冲调制形式1.6数字调制数字式调制也称脉冲编码调制,把模拟信号先变换成电脉冲序列,进而变成代表信号信息的二进制编码,再对光载波进行调制。实现脉冲编码调制过程:抽样量化编码数字式调制(脉冲编码调制):抽样、量化和编码。

每隔1ms抽样一次3位数字二进制,实际上需要用8位或更多位的二进制数来表示,以提高取样值的量化精度。利用模/数转换:t=04V100t=1ms6V110t=2ms3V011t=3ms1V001t=4ms4V100数字调制

100(4)011(3)001(1)100(4)11111数字信号电压/V(b)1100000000110(6)01234t/ms模拟信号电压/V8642t/ms(a)01234t/ms2.光的偏振偏振光概述偏振光的矩阵表示偏振器件的矩阵表示2.1光的偏振概述光的偏振（Polarizationoflight）现象的发现FoundbyEtienneLouisMalus(1775-1812)whoisFrencharmyofficerandengineer；Oneeveningin1808whilestandingnearawindowinhishomeinParis,MaluswaslookingthroughacrystalofIcelandspar(冰洲石）atthesettingsunreflectedinthewindowsacrossthestreet.Asheturnedthecrystalaboutthelineofsight,thetwoimageofthesunseenthroughthecrystalbecamealternatelydarkerandbrighter,changingevery90oofrotation.AfterthisaccidentalobservationMalusfolloweditupquicklybymoresolidexperimentalworkandconcludedthatthelightbyreflectionontheglass,becamepolarized.2.1偏振光概述一、偏振光与自然光（PolarizedlightandNaturallight）1.自然光：具有一切可能的振动方向的许多光波之和。特点：振动方向的无规则性。表示：可用两个振动方向垂直的、强度相等的、位相关系不确定的光矢量表示。自然光Naturallight2.偏振光（Polarizedlight）：光矢量的方向和大小有规则变化的光线偏振光（Linearlypolarizedlight）：光矢量方向不变，其大小随位相变化。圆偏振光（Circularlypolarizedlight）：光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆。椭圆偏振光（Ellipticallypolarizedlight）：光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆。2.1偏振光概述偏振光方程2偏振光（Polarizedlight）振动平面:光矢量与传播方向组成的平面称为线偏振光的振动平面;1）线偏振光(Linearlypolarizedlight)

在Ex-Ey

平面上,电矢量的轨迹为一直线:2)圆偏振光(Circularlypolarizedlight)右旋z迎着光的传播方向观察左旋3)椭圆偏振光(Ellipticallypolarizedlight)左旋右旋z

电矢量端点轨迹的投影为椭圆。每一时刻的电矢量可分解为自然光部分偏振光自然光在传播过程中,由于外界的作用造成振动方向上强度不等,使某一方向上的振动比其它方向上的振动占优势。PartialpolarizedlightNaturallight3.部分偏振光(Partiallypolarizedlight)2.2偏振光的矩阵表示可以象一般矢量用21的列矩阵表示:为琼斯矢量称为归一化的琼斯矢量若光矢量沿x轴，Ex0=1Ey0=0=0，则:qax的线偏振光，角，振幅为轴成若光矢量与

===dqq0,sin,cosúûùêëé=qqasinacos1aEaEaEyx则有

úûùêëé=qqsincos1.线偏振光的归一化(Normalization)琼斯矢量若光矢量沿y轴，Ex0=0Ey0=1=0，则:2.圆偏振光的归一化(Normalization)琼斯矢量由于