光调制器课件

1、,对于光电子系统，无论其具体结构如何，都有一个共同的特点利用光来传递信息。所谓光波的调制就是将欲传递的信息加载到光波上的过程。 光载波由于其频率极高 Hz，可能达到的有效带宽大约为射频段的 倍，因此光载波所能携带的信息量远高于无线电波，且利用光来传递信息具有极高的保密性、抗干扰性。,概述,把欲传输的信息加载于光波上，对光的参量（振幅、频率、相位、偏振状态和传播方向等）进行控制使其发生变化并携带信息的过程称为调制。 一般应用最多的是对光的振幅调制。因为光强与光的振幅平方成正比例，因此对光的振幅调制也就是对光强的调制。 调制的目的：对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式的变换，使之便于处理、传输

2、和检测。,光电系统基本模型,光发射机,光学信道,光接收机,光源,主动式光电系统基本模型,光学信道,接受镜系统,光调制器,光电探测器,检测电路,光发射机,光接收机,第一部分 1.1 各种调制方法的原理分析 （以振幅调制为例） 第二部分 2.1 光源直接调制 2.2 光源外部调制 第三部分 3.1 三种常用的调制器件（以电光调制为例）,1、振幅调制（AM）,定义：,振幅调制就是载波的振幅随调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。,载波信号：,调制信号：,第一部分 1.1各种调制方法的原理分析 光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制等。,调幅波为：,三角关系展开,图1-1 调幅波频谱,

3、由此可见，即使能够对振幅进行线性调制，解调出来的信号已变成二次函数，除非在调制前先将欲传递的信息q进行预处理，使其具有如下形式：,这样经调制后方能得到真实的原始信息。,在振幅调制时，若调制信号为具有周期性结构的时变信号，则解调出来的信号将包含有谐波成分，形成干扰和失真，这一点尤其要注意。,2、频率调制和相位调制,调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡，统称为角度调制。,定义：,若调制信号仍为一余弦函数，则调频波的总相角为：,【频率调制】,则调制波的表达式为：,相位调制就是载波中的相位角随调制信号的变化规律而变化。,【相位调制】,调相波的总相角：,则调相波的表达式为：

4、,3、强度调制,强度调制由于具有易于实现，无解调失真等优点，因而是人们大量使用的一种调制方法。,振幅调制和强度调制的一个共同缺点就是易受到干扰，如光源的漂移，传输信道的漂移等都可能使光强发生变化，从而使信号受到干扰。 一种行之有效的方法就是所谓的二次调制，即先将欲传递的信号调制成与振幅无关的形式，如频率，脉冲等，然后再用这种经过预调制的信号对光载波进行强度调制，这样所传递的信息便与光强无关，从而大大提高了其抗干扰性。 另一种抑制光源波动影响的方法是设置参考通道，从参考通道中提取波动（或漂移）的信息，再从主信道中予以扣除。,4、脉冲调制,脉冲调制和数字式调制(脉冲编码调制)在一种不连续状态下进行

5、的调制。 脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。,5、脉冲编码调制（数字式调制）,这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。,要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化和编码。,第二部分 将信息加载到光波上有许多方法，依加载位置分类可分为两大类：一类是用电信号去调制光源的驱动电源；另一类是直接对光波进行调制。前者主要用于光通讯，后者主要用于光传感。简称为：内调制和外调制。,2.1 光的内调制(直接调制), 把承载信息的电信号作为驱动电流直接施加在激光器上，在激光振荡过程中进行的，即以

6、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。,内调制是指从发光器的内部采取措施，使光受到的调制。 内调制的特点是： 1.结构简单，成本低； 2.带宽窄，小于2.5Gbps. 光源直接调制的缺点： 1.只能对半导体光源 进行直接调制； 2.对LED等的调制时的 瞬态特性存在电光延迟 和张弛振荡。 。,电光延迟：输出光脉冲在时间上滞后于激励的电脉冲。电光延迟时间(或开通延迟)，一般为纳秒量级。 张弛振荡：当电脉冲注入激光器之后，输出光脉冲顶部出现衰减式的阻尼振荡，称为张弛振荡。,光收发一体模块（optical transceiver）,2.2光的外调制,外调制是指发光器和调制器

7、是分开设立的，使光在传播过程中受到调制的一种方式。即激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使透过光波的某参量受到调制。外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的物理性质（强度、频率、相位、偏振等参数）。 其特点是，发光器与调制器没有内在联系，实行起来比较简单，容易调整,且比内调的调制速率高(约一个数量级也就是10倍的关系)。所以，现在光电装置中多数都采用外调制方式。调制器的性能对调制质量影响很大，一般对调制器的要求是，性能稳定，调制度高，损耗小，相位均匀，有一定的带宽等。,外调制方式,外调制：,现代调制方式

8、现代调制器的工作基础是物质对外来作用产生的各种物理效应，例如，电光效应、声光效应、磁光效应等，本章将介绍这三种调制器件中的电光调制。,第三部分3.1 电光调制器的原理,电光调制器最重要的部分是电光晶体。电光晶体放在两片正交偏振片之间。当光通过时，加在晶体上的交变电压使折射率发生变化，通过晶体的偏振光发生相位差，引起出射光强度变化。这样，只要将电信号加到电光晶体上，光便被调制成载有信息的调制光。 光在晶体中传播的性质可用折射率椭球来描述，电场对光学介质的影响，是电场使介质的折射率椭球主轴方向和大小发生变化。,电光晶体,在电场作用下，某些晶体的折射率会发生变化，利用这种性质，可对入射到晶体中的光束

9、的强度、相位以及光束的出射方向进行控制，此种晶体称为电光晶体。,1-4 电光调制器件,电光效应：是指某些介质的折射率在外加电场的作用下而发生变化的一种现象。一般可以表示成如下形式：,线性电光效应 （普克耳效应/一次电光效应）,二次电光效应 （克尔效应）,a,b为电光系数，它们由材料的晶格结构决定。,指折射率的变化与外加场强成正比（如压电晶体）， 由德国晶体物理学家普克尔斯（F. Pockels）于1893年首先预期，后来在石英等晶体得到证实。故又称为普克尔斯效应 。,普克尔效应,克尔效应 指与电场二次方成正比的电感应双折射现象。放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生偏转，呈现各向异性

10、，结果产生双折射，即沿两个不同方向，物质对光的折射能力有所不同。 这一现象是1875年J.克尔发现的。后人称它为克尔电光效应，或简称克尔效应。,克尔盒与普克耳盒 利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。 利用普克耳效应制成的调制器，称为普克耳盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。普克耳盒又有纵向调制器和横向调制器两种。,几种电光调制器的基本结构图 a) 克尔盒 b) 纵调的普克耳盒 c) 横调的普克耳盒,当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的.非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴平面的偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。到达Q时，

11、因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。），所以Q没有光输出；,给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。,Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的调制。,右图示出几个偏振量的方

12、位关系，其中，光的传播方向平行于z轴（垂直于屏幕向里）； M和N分别为起偏器P和检偏器Q的光轴方向，二者彼此垂直； 为M与y轴的夹角，为N与y轴的夹角，+/2； 外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x轴； o光垂直于xz面，e光在xz面内。,对前图a而言的几个量的方位关系图,设自然光经过P后所产生的平面偏振光为 ：EMEsint 由于此光的传播方向垂直于介质光轴，所以，它通过介质时产生双折射。但是，这个光的o光和e光在介质中的折射率不同，而且o光的振动方向垂直于主截面（光轴与光线所构成的平面），e光的振动方向在主截面内，所以，o光和e光在介质中的传播速度不同。,这两种光在介质的输入端是

13、同相的，而通过一定厚度的介质达到输出端时，将要有一定的相位差。因此，o光和e光在介质输出端的表达式为： e光：ExlEsintsin o光：EylEsin(t+)cos 式中，下标l代表介质厚度，代表o、e光通过厚度为l的介质后所产生的相位差。,当o、e光达到Q时，只有平行于Q光轴N的分量能通过，垂直于N的分量则被阻挡。所以，通过Q的光为 ExN-Exlsin EyNEylcos ENExN+EyNEsin(t+)coscos- sintsinsin,可以证明，P与Q的设置，当/4时输出最强，此时上式变为 ENmEsin(/2)cos(t+/2) Acos(t+/2) 式中，AEsin(/2)

14、为通过检偏器Q的光振动的振幅。,由于发光强度I正比于振幅的平方，则有 IA2E2sin2(/2) 此式对于克尔盒和普克耳盒都适用，其中的随着盒中介质的不同而不同。 对于具有克尔效应的介质，理论分析指出，o、e光通过厚度为l的介质后，所产生的相位差为 2klU 2 / d 2 式中，k称为克尔系数，与介质种类有关；U为加到克尔盒两电极板上的电压；d为两电极板间的距离。可见，克尔盒中与U的平方成线性关系。,IA2E2sin2(/2) 2klU 2 / d 2,现作如下的讨论： 1）如果U=0，则=0，I=0。这是不给克尔盒加电压，Q无光输出时的情形。 2）如果 U =d (/ 2kl) 1/2，则

15、，IE2。这是给克尔盒加电压，而所加的电压又满足上式的情形，这时o、e光的相位差为，Q有最大的光输出。o、e光相位差等于，相应的光程差为/2，即(ne-no)l=/2。这时克尔盒的作用，相当于一个1/2波片。所以，将满足这一条件的电压称为半波电压，记以U/2或U。 3）如果0UU/2，则0，IE2sin2(/2)。这即是介于以上二者之间的情形。Q将因的不同而要阻挡一部分光，Q的光输出，将是以/2为参量，按正弦平方的规律变化。,克尔效应的时间响应特别快，可跟得上1010Hz的电压变化，因此可用它来作高速的电光开关。如果加到克尔盒上的电压是由其它物理量转换来的调制信号，克尔盒的光输出就要随着信号电

16、压而变化，这时克尔盒就是电光调制器。 克尔盒中所用的介质，多数都是液体，但也有少数固体，如铌酸钽钾和钛酸钡晶体等。半波电压一般为数千伏。,声光调制,声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。,而作为声光调制器来说，无论属于哪种类型，调制器都有两种工作方式，一种是将零级光束作为输出；另一种是将1级衍射光束作为输出。当声波振幅随着调制信号改变时，各级衍射光的强度也将随之发生相应变化。若将某一级衍射光和为输出，利用光阑将其它衍射级遮拦，则从光阑孔出射的光束就是调制光。,调制原理,声光调制特性曲线,为了使调制波不发生畸变则需要加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。,声光波导调制器,举例：声光调Q技术,磁光调制,团结 勤奋