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 強度 頻率 相位和偏振等參量使之載攜信息的技術(shù)過程 可以完成將傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光上的裝置稱為調(diào)制器 承載信息的激光稱為光載波 傳輸?shù)男畔⒎Q為調(diào)制信號 加載信號后的激光稱為調(diào)制光 1 1光輻射調(diào)制的實現(xiàn) 光波具有振幅 頻率 相位 強度和偏振等參量 能夠通過某種物理效應(yīng)改變這些參量 使其按照調(diào)制信號的規(guī)律變化 光波受到信號的調(diào)制 形成調(diào)制光 其中 光波的電場強度 1 2光輻射調(diào)制的分類 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)制信號是在激光振蕩過程中進(jìn)行的 即以調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù) 從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調(diào)制 調(diào)制信號改變激光器的泵浦驅(qū)動電流 使得輸出的激光強度受到調(diào)制 稱為直接調(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 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)制信號改變調(diào)制器件的物理性質(zhì) 當(dāng)光通過調(diào)制器件時 光波的某個參數(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 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 按照調(diào)制的性質(zhì) 幅度調(diào)制 頻率調(diào)制 相位調(diào)制 強度調(diào)制 模擬調(diào)制 1 2光輻射調(diào)制的分類 按照調(diào)制器的工作機理 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)制信號的變化規(guī)律而變化 簡稱調(diào)幅 調(diào)幅系數(shù) 設(shè)調(diào)制信號是一個時間的余弦函數(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)制信號而變化 若調(diào)制信號仍是一個余弦函數(shù) 則調(diào)頻波的總相角為 其中稱為調(diào)頻系數(shù) kf稱為比例系數(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 可以寫成統(tǒng)一形式 m的調(diào)制系數(shù) 利用三角公式展開 得 將式中兩項按貝塞爾函數(shù)展開 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 在單頻正弦波調(diào)制時 其角度調(diào)制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的 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強度調(diào)制 強度調(diào)制是使得光載波的強度隨著調(diào)制信號的變化而改變 由于接收器一般都直接感受接受的光信息強度的變化 所以強度調(diào)制是采用的比較多的一種方式 強度調(diào)制的頻譜除了載波分量和對稱分布的邊頻之外 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)行強度調(diào)制 強度調(diào)制系數(shù) 激光的光強度定義為光波電場的平方 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)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法 先用模擬調(diào)制信號對一個電脈沖序列的某個參數(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)的電脈沖序列對光載波進(jìn)行強度調(diào)制 形成光脈沖序列 3 1脈沖調(diào)制 調(diào)制信號幅度調(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 然后再對光載波進(jìn)行強度調(diào)制 要實現(xiàn)上述過程 必須進(jìn)行三個過程 抽樣量化編碼編碼以后 信號轉(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強度調(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E的冪級數(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 由該項引起的折射率變化 稱為線性電光效應(yīng)或泡克耳斯 Pockels 效應(yīng) 由二次項bE2引起的折射率變化 稱為二次電光效應(yīng)或克爾 Kerr 效應(yīng) 對于大多數(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的作用下 折射率發(fā)生變化 使得在其中傳播的光信號的傳播特性受到影響 稱為電光效應(yīng) 電光效應(yīng)被廣泛使用來實現(xiàn)對光波 相位 頻率 偏振和強度 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 在未外加電場時 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和電場強度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 稱為主折射率 4 1 2電光效應(yīng) 在外加電場作用時 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 在外電場的作用下 折射率橢球各個系數(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 會引起晶體中兩個偏振方向的光的相位差改變 電矢量的空間振動方向隨著變化 可以用來控制光波的某些參數(shù) 實現(xiàn)電光調(diào)制 電光效應(yīng)可以實現(xiàn)強度調(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 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)點沿聲波的傳播方向振動 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 超聲場作用的這部分如同一個光學(xué)的 相位光柵 該光柵間距 光柵常數(shù) 等于聲波波長 s 當(dāng)光波通過此介質(zhì)時 就會產(chǎn)生光的衍射 其衍射光的強度 頻率 方向等都隨著超聲場的變化而變化 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 對應(yīng)的折射率也減小 在行波聲場作用下 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外加電場改變 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 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)點沿著x方向的位移 介質(zhì)的折射率分布為 n0為無聲場介質(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具有相同波長 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聲光相互作用的類型 按照聲波頻率高低和聲光相互作用的長度不同 聲光相互作用可分為 1 Raman Nath衍射 超聲波頻率較低 聲光作用長度較短 2 Bragg衍射 超聲波頻率較高 聲光作用長度較長 4 3 1旋光現(xiàn)象 當(dāng)偏振光沿著光軸方向通過天然介質(zhì)時 偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn) 稱為旋光現(xiàn)象 具有旋光特性的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì) 起因 某些介質(zhì)對左旋 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)方向僅與磁場方向有關(guān) 而與光線傳播方向的正逆無關(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)光束往返通過自然旋光物質(zhì)時 因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而相互抵消 但通過磁光介質(zhì)時 只要磁場方向不變 旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向增加 此現(xiàn)象表明磁致旋光效應(yīng)是一個不可逆的光學(xué)過程 因而可利用來制成光學(xué)隔離器或單通光閘等器件 對于旋光現(xiàn)象的物理原因 可解釋為外加磁場使介質(zhì)分子的磁矩定向排列 當(dāng)一束線偏振光通過它時 分解為兩個頻率相同 初相位相同的兩個圓偏振光 其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉(zhuǎn) 稱為右旋圓偏振光 而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉(zhuǎn)的 稱為左旋圓偏振光 這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種略有不同的速度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厚度為L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 通過介質(zhì)后 合成線偏振光 偏振方向相對于入射光偏振方向旋轉(zhuǎn)了一個角度 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) 在強磁場的作用下可以表現(xiàn)出旋光特性 這種在磁場的作用下產(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至于磁場中的介質(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分量 稱為法拉第效應(yīng) 1845年 B表示平行于光束傳播方向上的磁場分量 L為介質(zhì)長度 V為費爾德常數(shù) 是表示材料磁光性能的一個常量 與波長有關(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)殡娏餍盘栕⑷氚雽?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 由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的 因此又稱為內(nèi)調(diào)制 它是目前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的實用化調(diào)制方法 根據(jù)調(diào)制信號的類型 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 如電視 語音等信號 直接對光源進(jìn)行光強度調(diào)制 后者是用脈沖編碼調(diào)制的數(shù)子信號對光源進(jìn)行強度調(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)動電流的關(guān)系曲線 發(fā)射激光的強弱直接與驅(qū)動電流的大小有關(guān) 若把調(diào)制信號加到激光器電源上 就可以直接改變 調(diào)制 激光器輸出光信號的強度 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)體激光器有一個閾值電流Ith 當(dāng)驅(qū)動電流密度小于Ith時 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)動電流密度大于Ith時 則開始發(fā)射激光 此時譜線寬度 輻射方向顯著變窄 強度大幅度增加 而且隨電流的增加呈線性增長 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 使工作點處于輸出特性曲線的直線部分 必須在加調(diào)制信號電流的同時加一適當(dāng)?shù)钠秒娏?這樣就可以減少輸出的光信號的非線性失真 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 因為它不能獲得很高的調(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)制信號幅度大 則線性較差 當(dāng)m小 雖然線性好 但調(diào)制信號幅度小 因此 應(yīng)選擇合適的m值 必要時應(yīng)考慮非線性補償