光調(diào)制.ppt

光的調(diào)制技術(shù) 主要內(nèi)容 一 光輻射的調(diào)制二 模擬調(diào)制三 數(shù)字調(diào)制方式四 外調(diào)制 一 光輻射的調(diào)制 光輻射的調(diào)制 是指改變光波的振幅 強(qiáng)度 頻率 相位和偏振等參量使之載攜信息的技術(shù)過(guò)程 可以完成將傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光上的裝置稱(chēng)為調(diào)制器 承載信息的激光稱(chēng)為光載波 傳輸?shù)男畔⒎Q(chēng)為調(diào)制信號(hào) 加載信號(hào)后的激光稱(chēng)為調(diào)制光 1 1光輻射調(diào)制的實(shí)現(xiàn) 光波具有振幅 頻率 相位 強(qiáng)度和偏振等參量 能夠通過(guò)某種物理效應(yīng)改變這些參量 使其按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化 光波受到信號(hào)的調(diào)制 形成調(diào)制光 其中 光波的電場(chǎng)強(qiáng)度 1 2光輻射調(diào)制的分類(lèi) 按照調(diào)制器和激光器的關(guān)系 內(nèi)調(diào)制 是指加載調(diào)制信號(hào)是在激光振蕩過(guò)程中進(jìn)行的 即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù) 從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制 調(diào)制信號(hào)改變激光器的泵浦驅(qū)動(dòng)電流 使得輸出的激光強(qiáng)度受到調(diào)制 稱(chēng)為直接調(diào)制或者電源調(diào)制 在諧振腔內(nèi)加入調(diào)制元件 用調(diào)制信號(hào)控制元件的物理特性的變化 以改變諧振腔的參數(shù) 從而改變激光器輸出特性 1 2光輻射調(diào)制的分類(lèi) 按照調(diào)制器和激光器的關(guān)系 外調(diào)制 在激光諧振腔以外的光路上放置調(diào)制器 用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器件的物理性質(zhì) 當(dāng)光通過(guò)調(diào)制器件時(shí) 光波的某個(gè)參數(shù)發(fā)生變化 外調(diào)制不改變激光器的參數(shù) 不涉及激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 是目前應(yīng)用廣泛的一種調(diào)制方式 內(nèi)調(diào)制具有小型化 集成度高的特點(diǎn) 主要應(yīng)用在光通信的半導(dǎo)體激光器中 提高系統(tǒng)的集成度 1 2光輻射調(diào)制的分類(lèi) 按照調(diào)制的性質(zhì) 幅度調(diào)制 頻率調(diào)制 相位調(diào)制 強(qiáng)度調(diào)制 模擬調(diào)制 1 2光輻射調(diào)制的分類(lèi) 按照調(diào)制器的工作機(jī)理 電光調(diào)制 聲光調(diào)制 磁光調(diào)制 直接調(diào)制 電源調(diào)制 外調(diào)制 2 1振幅調(diào)制 幅度調(diào)制是使光載波的振幅隨著調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化 簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)幅 調(diào)幅系數(shù) 設(shè)調(diào)制信號(hào)是一個(gè)時(shí)間的余弦函數(shù) 當(dāng)進(jìn)行激光振幅調(diào)制之后 激光振幅Ac不再是常量 而是與調(diào)制信號(hào)成正比 載頻分量 邊頻分量 邊頻分量 調(diào)幅波頻譜 二 模擬調(diào)制 2 2頻率調(diào)制 頻率調(diào)制和相位調(diào)制使得光載波的頻率和相位隨著調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而改變 兩種調(diào)制表現(xiàn)為總相角 t 的變化 統(tǒng)稱(chēng)為角度調(diào)制 頻率調(diào)制 角頻率 c不再是常數(shù) 而是隨調(diào)制信號(hào)而變化 若調(diào)制信號(hào)仍是一個(gè)余弦函數(shù) 則調(diào)頻波的總相角為 其中稱(chēng)為調(diào)頻系數(shù) kf稱(chēng)為比例系數(shù) 2 3相位調(diào)制 調(diào)相系數(shù) 相位調(diào)制就是相位角不再是常數(shù) 而是隨調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化 調(diào)相波的總相角為 相位調(diào)制 頻率調(diào)制和相位調(diào)制都是調(diào)制總相角 可以寫(xiě)成統(tǒng)一形式 m的調(diào)制系數(shù) 利用三角公式展開(kāi) 得 將式中兩項(xiàng)按貝塞爾函數(shù)展開(kāi) 2 4頻率調(diào)制和相位調(diào)制 將以上兩式代入利用三角函數(shù)關(guān)系式 可得 可見(jiàn) 在單頻正弦波調(diào)制時(shí) 其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對(duì)稱(chēng)分布的無(wú)窮多對(duì)邊頻所組成的 各邊頻之間的頻率間隔是 各邊頻幅度的大小由貝塞爾函數(shù)決定 2 4頻率調(diào)制和相位調(diào)制 2 5強(qiáng)度調(diào)制 強(qiáng)度調(diào)制是使得光載波的強(qiáng)度隨著調(diào)制信號(hào)的變化而改變 由于接收器一般都直接感受接受的光信息強(qiáng)度的變化 所以強(qiáng)度調(diào)制是采用的比較多的一種方式 強(qiáng)度調(diào)制的頻譜除了載波分量和對(duì)稱(chēng)分布的邊頻之外 還有低頻和直流分量 為了提高抗干擾能力 采用二次調(diào)制方式 即采用副載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制 強(qiáng)度調(diào)制系數(shù) 激光的光強(qiáng)度定義為光波電場(chǎng)的平方 其表達(dá)式為 三 數(shù)字調(diào)制方式 脈沖調(diào)制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載波 這種載波的某一參量按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的調(diào)制方法 先用模擬調(diào)制信號(hào)對(duì)一個(gè)電脈沖序列的某個(gè)參數(shù) 幅度 寬度 頻率 位置等 進(jìn)行電調(diào)制 形成已調(diào)電脈沖 然后再利用已調(diào)的電脈沖序列對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制 形成光脈沖序列 3 1脈沖調(diào)制 調(diào)制信號(hào)幅度調(diào)制脈寬調(diào)制頻率調(diào)制脈位調(diào)制 脈沖調(diào)制有脈沖幅度調(diào)制 脈沖寬度調(diào)制 脈沖頻率調(diào)制和脈沖位置調(diào)制 3 1脈沖調(diào)制 三 數(shù)字調(diào)制方式 脈沖編碼調(diào)制是把模擬信號(hào)先變成電脈沖序列 進(jìn)而變成表示信息的二進(jìn)制編碼 然后再對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制 要實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程 必須進(jìn)行三個(gè)過(guò)程 抽樣量化編碼編碼以后 信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二進(jìn)制碼 用這一系列的電脈沖加到一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器上 控制激光器的輸出 3 2脈沖編碼調(diào)制 光波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律受到介質(zhì)折射率分布的制約 而折射率的分布又與其介電常量 電容率 密切相關(guān) 晶體折射率可用施加電場(chǎng)E的冪級(jí)數(shù)表示 即 4 1 1電光調(diào)制的物理基礎(chǔ) 式中 E是一次項(xiàng) 由該項(xiàng)引起的折射率變化 稱(chēng)為線性電光效應(yīng)或泡克耳斯 Pockels 效應(yīng) 由二次項(xiàng)bE2引起的折射率變化 稱(chēng)為二次電光效應(yīng)或克爾 Kerr 效應(yīng) 對(duì)于大多數(shù)電光晶體材料 一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著 4 1電光調(diào)制 四 外調(diào)制 4 1 2電光效應(yīng) 電光調(diào)制是基于電光效應(yīng) 某些晶體在外加電場(chǎng)的作用下 折射率發(fā)生變化 使得在其中傳播的光信號(hào)的傳播特性受到影響 稱(chēng)為電光效應(yīng) 電光效應(yīng)被廣泛使用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光波 相位 頻率 偏振和強(qiáng)度 的控制 已經(jīng)做成調(diào)制器 偏振控制器和濾波器件等等 電致折射率變化 折射率橢球方法 在未外加電場(chǎng)時(shí) 主軸坐標(biāo)系中 折射率橢球由以下方程 主軸 晶體中電位移矢量D和電場(chǎng)強(qiáng)度E方向一致的方向nx ny和nz為折射率橢球x y z方向的折射率 稱(chēng)為主折射率 4 1 2電光效應(yīng) 在外加電場(chǎng)作用時(shí) 主軸坐標(biāo)系中 導(dǎo)致折射率橢球發(fā)生變形 成為以下形式 在外電場(chǎng)的作用下 折射率橢球各個(gè)系數(shù)隨之發(fā)生線性變化 變化量可定義為 4 1 2電光效應(yīng) i j為線性電光系數(shù) i 1 2 6 j 1 2 3 其中6X3矩陣稱(chēng)為電光張量 4 1 2電光效應(yīng) 電光晶體的相位延遲性質(zhì) 外加電壓的變化 會(huì)引起晶體中兩個(gè)偏振方向的光的相位差改變 電矢量的空間振動(dòng)方向隨著變化 可以用來(lái)控制光波的某些參數(shù) 實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制 電光效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制 4 2 1聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ) 聲波是一種彈性波 縱向應(yīng)力波 在介質(zhì)中傳播時(shí) 它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變 從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動(dòng) 引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化 因此 介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化 超聲場(chǎng)作用的這部分如同一個(gè)光學(xué)的 相位光柵 該光柵間距 光柵常數(shù) 等于聲波波長(zhǎng) s 當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí) 就會(huì)產(chǎn)生光的衍射 其衍射光的強(qiáng)度 頻率 方向等都隨著超聲場(chǎng)的變化而變化 其中深色部分表示介質(zhì)受到壓縮 密度增大 相應(yīng)的折射率也增大 而白色部分表示介質(zhì)密度減小 對(duì)應(yīng)的折射率也減小 在行波聲場(chǎng)作用下 介質(zhì)折射率的增大或減小交替變化 4 2聲光調(diào)制 4 2 2聲光效應(yīng) 介質(zhì)的折射率不僅可以通過(guò)外加電場(chǎng)改變 外力作用亦可改變 由于外力作用引起的介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的變化成為彈光效應(yīng) 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) 引起介質(zhì)的密度沿著聲波傳播的方向從呈現(xiàn)周期分布 折射率也呈現(xiàn)周期分布 這種由于聲波的作用引起的介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的變化稱(chēng)之為聲光效應(yīng) 介質(zhì)中的聲波分為行波和駐波兩種形式 x n x X方向聲波的行波方程 介質(zhì)的折射率變化正比于質(zhì)點(diǎn)沿著x方向的位移 介質(zhì)的折射率分布為 n0為無(wú)聲場(chǎng)介質(zhì)折射率 S為超聲波產(chǎn)生的應(yīng)變 P為材料的彈光系數(shù) 聲速是光速的數(shù)十萬(wàn)分之一 光柵可以看作是靜止的 4 2 2聲光效應(yīng) x n x n X方向聲波的駐波是由兩個(gè)具有相同波長(zhǎng) 振幅和相位的相反方向傳播的聲波疊加而成 介質(zhì)的折射率變化正比于質(zhì)點(diǎn)沿著x方向的位移 聲駐波方程 4 2 2聲光效應(yīng) 4 2 3聲光相互作用的類(lèi)型 按照聲波頻率高低和聲光相互作用的長(zhǎng)度不同 聲光相互作用可分為 1 Raman Nath衍射 超聲波頻率較低 聲光作用長(zhǎng)度較短 2 Bragg衍射 超聲波頻率較高 聲光作用長(zhǎng)度較長(zhǎng) 4 3 1旋光現(xiàn)象 當(dāng)偏振光沿著光軸方向通過(guò)天然介質(zhì)時(shí) 偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) 稱(chēng)為旋光現(xiàn)象 具有旋光特性的物質(zhì)稱(chēng)為旋光物質(zhì) 起因 某些介質(zhì)對(duì)左旋 右旋偏振光的折射率大小不同 4 3磁光調(diào)制 磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅與磁場(chǎng)方向有關(guān) 而與光線傳播方向的正逆無(wú)關(guān) 這是磁致旋光現(xiàn)象與晶體的自然旋光現(xiàn)象不同之處 即當(dāng)光束往返通過(guò)自然旋光物質(zhì)時(shí) 因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而相互抵消 但通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí) 只要磁場(chǎng)方向不變 旋轉(zhuǎn)角都朝一個(gè)方向增加 此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個(gè)不可逆的光學(xué)過(guò)程 因而可利用來(lái)制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件 對(duì)于旋光現(xiàn)象的物理原因 可解釋為外加磁場(chǎng)使介質(zhì)分子的磁矩定向排列 當(dāng)一束線偏振光通過(guò)它時(shí) 分解為兩個(gè)頻率相同 初相位相同的兩個(gè)圓偏振光 其中一個(gè)圓偏振光的電矢量是順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn) 稱(chēng)為右旋圓偏振光 而另一個(gè)圓偏振光是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的 稱(chēng)為左旋圓偏振光 這兩個(gè)圓偏振光無(wú)相互作用地以?xún)煞N略有不同的速度v c nR和v c nL傳播 4 3 1旋光現(xiàn)象 假設(shè)有一束偏振光入射旋光物質(zhì) 旋光物質(zhì)對(duì)左旋和右旋偏振光的折射率不同 則左旋偏振光和右旋偏振光通過(guò)厚度為L(zhǎng)的介質(zhì)所產(chǎn)生的相位延遲分別為 兩橢圓偏振光的相位差為 通過(guò)介質(zhì)后 合成線偏振光 偏振方向相對(duì)于入射光偏振方向旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度 4 3 1旋光現(xiàn)象 4 3 2法拉第效應(yīng) 某些非旋光物質(zhì) 在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下可以表現(xiàn)出旋光特性 這種在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的旋光現(xiàn)象成為磁光效應(yīng) 磁光效應(yīng)包括法拉第效應(yīng) 克爾效應(yīng)和磁雙折射效應(yīng) 主要是法拉第效應(yīng) 當(dāng)一束平面偏振光穿過(guò)至于磁場(chǎng)中的介質(zhì) 光束的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)角度正比于與光束傳播方向平行的磁場(chǎng)分量 稱(chēng)為法拉第效應(yīng) 1845年 B表示平行于光束傳播方向上的磁場(chǎng)分量 L為介質(zhì)長(zhǎng)度 V為費(fèi)爾德常數(shù) 是表示材料磁光性能的一個(gè)常量 與波長(zhǎng)有關(guān) 4 4直接調(diào)制 直接調(diào)制是把要傳遞的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)注入半導(dǎo)體光源 激光二極管LD或半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED 從而獲得調(diào)制光信號(hào) 由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的 因此又稱(chēng)為內(nèi)調(diào)制 它是目前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的實(shí)用化調(diào)制方法 根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類(lèi)型 直接調(diào)制又可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種 前者是用連續(xù)的模擬信號(hào) 如電視 語(yǔ)音等信號(hào) 直接對(duì)光源進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制 后者是用脈沖編碼調(diào)制的數(shù)子信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制 4 4 1半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制的原理 砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)注入式半導(dǎo)體激光器的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線 發(fā)射激光的強(qiáng)弱直接與驅(qū)動(dòng)電流的大小有關(guān) 若把調(diào)制信號(hào)加到激光器電源上 就可以直接改變 調(diào)制 激光器輸出光信號(hào)的強(qiáng)度 半導(dǎo)體激光器是電子與光子相互作用并進(jìn)行能量直接轉(zhuǎn)換的器件 半導(dǎo)體激光器有一個(gè)閾值電流Ith 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流密度小于Ith時(shí) 激光器基本上不發(fā)光或只發(fā)很弱的 譜線寬度很寬 方向性較差的熒光 當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流密度大于Ith時(shí) 則開(kāi)始發(fā)射激光 此時(shí)譜線寬度 輻射方向顯著變窄 強(qiáng)度大幅度增加 而且隨電流的增加呈線性增長(zhǎng) 4 4 1半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制的原理 為了獲得線性調(diào)制 使工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分 必須在加調(diào)制信號(hào)電流的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠秒娏?這樣就可以減少輸出的光信號(hào)的非線性失真 4 4 1半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制的原理 4 4 2半導(dǎo)體發(fā)光二極管調(diào)制特性 半導(dǎo)體發(fā)光二極管不是閾值器件 P I特性曲線的線性比較好 發(fā)光二極管的 特性曲線明顯優(yōu)于半導(dǎo)體激光器 所以它在模擬光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用 但在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中 因?yàn)樗荒塬@得很高的調(diào)制速率 最高只能達(dá)到100Mb s 而受到限制 LD 調(diào)制深度 LED 當(dāng)m大 調(diào)制信號(hào)幅度大 則線性較差 當(dāng)m小 雖然線性好 但調(diào)制信號(hào)幅度小 因此 應(yīng)選擇合適的m值 必要時(shí)應(yīng)考慮非線性補(bǔ)償