第二章光輻射的調(diào)制ppt課件

.,1,第二章光輻射的調(diào)制,2.1機(jī)械調(diào)制2.2電光調(diào)制2.3聲光調(diào)制2.4磁光調(diào)制,.,2,在光通信系統(tǒng)中，需要把聲音、圖像、數(shù)據(jù)信息加載到光波上進(jìn)行傳輸。,在光電檢測系統(tǒng)中，使探測光為調(diào)制光，可以比非調(diào)制光具有更強(qiáng)的抗干擾能力。,調(diào)制的目的：光信息系統(tǒng)的信號加載與控制,調(diào)制的內(nèi)容：是指改變光波振幅、強(qiáng)度、相位或頻率、偏振等參數(shù)，使之?dāng)y帶信息的過程。,.,3,光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn):1.容量大2.易加載3.距離遠(yuǎn)4.易保密5.抗電磁干擾能力強(qiáng),.,4,光調(diào)制的方法：傳統(tǒng)方法：調(diào)制盤（對光輻射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制）；現(xiàn)代方法：利用外場的微擾引起介質(zhì)的非線性極化，從而改變介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。在外場下利用光和介質(zhì)的相互作用而實(shí)現(xiàn)對光輻射振幅頻率、相位等參數(shù)的調(diào)制。,.,5,光輻射的現(xiàn)代調(diào)制方法：按調(diào)制是在光源內(nèi)發(fā)生還是光源外進(jìn)行分：內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制內(nèi)調(diào)制：將欲傳輸?shù)男盘栔苯蛹虞d于光源，以改變光源的輸出特性來實(shí)現(xiàn)調(diào)制；只適用于一些特定的光源，如LD和LED的直接調(diào)制例：對半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源用調(diào)制信號直接控制，實(shí)現(xiàn)對所發(fā)射激光強(qiáng)度的調(diào)制；又如：把調(diào)制元件放在諧振腔內(nèi)，用欲傳輸?shù)男盘柨刂普{(diào)制元件物理性質(zhì)的變化而改變光腔參數(shù)，從而調(diào)制激光輸出。,.,6,外調(diào)制：將光源與調(diào)制器分開設(shè)立，在光源外的光路上放置調(diào)制器，將欲傳輸?shù)男盘柤虞d于調(diào)制器，透過光的物理性質(zhì)將發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)制。電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制熱光效應(yīng),外調(diào)制技術(shù)適用于所有光源。,.,7,常用方法:機(jī)電振子、旋轉(zhuǎn)調(diào)光盤等,2.1機(jī)械調(diào)制簡單易行,調(diào)制原理：用遮光或改變透過率方式作光通量的幅度調(diào)制。應(yīng)用：常用于光電探測中需要抗干擾的場合,N,M,N,M,N,缺點(diǎn)：難進(jìn)行高頻調(diào)制、體積較大等,.,8,2.1機(jī)械調(diào)制,利用斬波器通斷光通量，使探測光成為調(diào)制光。,調(diào)制光并配上合適的有源帶通濾波器，以克服雜散光的干擾。,斬波器,有源帶通濾波器,.,9,探測器輸出的光電流,設(shè)計(jì)有源帶通濾波器，f0為方波頻率。通頻帶f窄，雜散光被濾去。,.,10,優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)；能對輻射的任何光譜成分進(jìn)行調(diào)制。缺點(diǎn)：有運(yùn)動部分，壽命較短，體積較大，調(diào)制頻率不高。,一些機(jī)械調(diào)制裝置,.,11,2.2電光調(diào)制,在強(qiáng)電場作用下介質(zhì)折射率改變而產(chǎn)生的光調(diào)制。適用于單色光源。,一、物理基礎(chǔ)：電光效應(yīng),線性電光效應(yīng)（Pockels，1893年）,二次電光效應(yīng)（Kerr，1875年）,介質(zhì)原本是單軸晶體。,介質(zhì)原本是各向同性晶體。,電光調(diào)制基于線性電光效應(yīng)。,.,12,晶體的結(jié)構(gòu)特征,空間點(diǎn)陣：晶體是由原子、分子或離子在空間按照一定的規(guī)則周期性排列形成的一種晶態(tài)固體。結(jié)點(diǎn)：晶體中的微粒叫基元，又叫結(jié)點(diǎn)。點(diǎn)陣：全部結(jié)點(diǎn)的總稱叫點(diǎn)陣。晶格：格子狀結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣就叫晶格。格點(diǎn)：=結(jié)點(diǎn)晶胞：周期重復(fù)的最小基本（結(jié)構(gòu)）單位晶胞常量,.,13,布喇菲點(diǎn)陣：根據(jù)空間對稱性，可以有14種點(diǎn)陣，稱布喇菲點(diǎn)陣，或稱14種晶胞14種晶胞共分7個(gè)晶系：三斜、單斜、正交（斜方）、正方（四角）、立方、三角、六角布喇菲點(diǎn)陣,.,14,三角,正交（斜方）,.,15,晶體的基本性質(zhì),1.自限性：晶體具有自發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體的能力。2.晶面角守恒：指同一品種的晶體，兩個(gè)對應(yīng)的晶棱間的夾角恒定不變。3.均勻性：晶體在不同的位置上具有相同的物理性質(zhì)。4.最小內(nèi)能性：長程有序性5.各向異性：晶體的宏觀性質(zhì)隨觀察方向的不同而不同。典型體現(xiàn)：晶體的解理、雙折射。6.對稱性,.,16,光在晶體中的傳播特性,光在晶體中的傳播實(shí)際是光與晶體相互作用的結(jié)果：介質(zhì)受到光波電場E作用后產(chǎn)生極化,極化強(qiáng)度用極化強(qiáng)度矢量P來表示,P與E之間的關(guān)系用宏觀物理量極化率來描述光輻射場對晶體的極化影響綜合效果集中表現(xiàn)為介電常量的變化，從而引起折射率變化：,.,17,通常材料的介電常量與外電場無關(guān)，但當(dāng)外加電場較強(qiáng)時(shí)，介電常量便有微小的變化，從而引起折射率變化：,、為常量,線性電光效應(yīng)，或Pockels效應(yīng)（KDP、LiNbO3）,二次電光效應(yīng)，或Kerr效應(yīng)（BaTiO3、硝基苯液體）,、k由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，取決于晶體本身的結(jié)構(gòu)和對稱性。,現(xiàn)在討論線性電光效應(yīng),.,18,晶體的雙折射,定義:是指光在各向異性介電晶體中傳播時(shí),分為兩束偏振方向不同的光,向兩個(gè)方向折射通常情況下,o光與e光的傳播方向不同,各向同性介質(zhì),雙折射現(xiàn)象,外加強(qiáng)電場,.,19,電光效應(yīng),定義:當(dāng)足夠強(qiáng)的外電場影響到晶體中的原子、分子的排列以及它們之間的相互作用,這種內(nèi)部的,微觀的變化就導(dǎo)致晶體在宏觀上表現(xiàn)出極化強(qiáng)度及折射率也各向異性地發(fā)生變化，由于極化而出現(xiàn)光學(xué)特性（各向異性）的改變，影響到光波在介質(zhì)中的傳播特性。電光效應(yīng)實(shí)質(zhì)：在光波電場與外電場的共同作用下，使介質(zhì)出現(xiàn)非線性的極化過程。,.,20,1.的縱向電光效應(yīng),KDP負(fù)單軸晶體,強(qiáng)電場E/Z軸,KDP由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體；線偏振光沿Z軸入射，分解成X、Y方向上振幅相同、但傳播速度不同的兩個(gè)線偏振光。,光傳播方向與電場方向一致,起偏器,.,21,KDP晶體沿z軸加電場時(shí)，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了450角，此轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)。,.,22,X、Y方向兩偏振光射出晶體時(shí)有光程差:,則相位差為：,半波電壓:,造成光程差,電光相位延遲：在X、Y兩個(gè)方向的傳播速度如果不同,則在傳播過程中會產(chǎn)生相位延遲的現(xiàn)象，即產(chǎn)生相位差。,.,23,2.的橫向電光效應(yīng),光傳播方向與電場方向垂直,對KDP晶體采用45-Z切。強(qiáng)電場E/Z軸,KDP變?yōu)殡p軸晶體。入射光沿X軸方向進(jìn)入晶體，其偏振方向與Z、Y成45，在晶體中分解為Z、Y方向兩個(gè)振幅相同的線偏振光。,.,24,與Z軸對應(yīng)的主折射率：,與Y軸對應(yīng)的主折射率：,式中ne是晶體e光折射率，E=U/d，U為外加電壓。,兩個(gè)線偏振光射出晶體時(shí)有光程差：,則相位差為：,橫向電光效應(yīng)包含了自然雙折射造成的相位差，易受溫度影響。采用組合調(diào)制器進(jìn)行補(bǔ)償。,自然雙折射造成的相位差,電光效應(yīng)引起的相位差,.,25,消除自然雙折射,橫向電光效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：適當(dāng)?shù)卦黾覮/d，就可以增強(qiáng)電光效應(yīng)的作用而降低晶體上所需的電壓；電極設(shè)在橫向，不影響光的傳播；在外加電壓U一定時(shí)，加長晶體通光長度并不影響晶體內(nèi)的電場強(qiáng)度，因而可以加長晶體長度獲得較大的相位延遲。,半波電壓為:,通常，縱向是數(shù)千伏，橫向只是數(shù)百伏。,.,26,3.電光晶體材料,用于線性電光效應(yīng)的電光晶體，除要求電光效應(yīng)強(qiáng)以外，還需綜合考慮：對使用的波段要有較高的透過率；光學(xué)均勻性好、耐壓高；對光波和調(diào)制波的損耗??；折射率隨溫度的變化較??；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于獲得大尺寸晶體等。,、,在可見和近紅外區(qū)主要有KDP類晶體、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中紅外區(qū)有GaAs、Cucl、CdTe等。,KDP類晶體、LiNbO3（LN）晶體應(yīng)用廣泛。,見表2.1,.,27,二、電光強(qiáng)度（或振幅）調(diào)制,在Pockels效應(yīng)中，通過晶體的兩正交線偏振光形成了固定的相位差。,在晶體的光輸出端后置檢偏器P2，使N2N1。,透過檢偏器P2的光強(qiáng)I2便受到電信號的調(diào)制。,橫向電光調(diào)制裝置,.,28,縱向電光強(qiáng)度調(diào)制裝置,.,29,其中,為檢偏器的最大輸出光強(qiáng)。,顯然，檢偏器的輸出光強(qiáng)是電壓V,的函數(shù)。,當(dāng),時(shí)，,，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。,時(shí)，光強(qiáng)有最大值,可見出射光強(qiáng)隨外加電壓而變，如果把信號加在晶體上，輸出光強(qiáng)就隨信號而變，就為信號所調(diào)制。,.,30,根據(jù)上述關(guān)系可以畫出光強(qiáng)調(diào)制特性曲線。在一般情況下，調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關(guān)系是非線性的。,電調(diào)制特性曲線,若調(diào)制器工作在非線性部分,則調(diào)制光將發(fā)生畸變。為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個(gè)固定的/2相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏置在T50的工作點(diǎn)上。常用的辦法有兩種：,.,31,下面詳細(xì)分析橫向電光調(diào)制：,入射光(光強(qiáng)I1）進(jìn)入晶體，其振幅A1分解成Az、Ay：,兩線偏振光到達(dá)檢偏器，能透過P2的光振幅：,這兩個(gè)線偏振光射出晶體，有固定相位差：,.,32,二者有固定相位差+，,則通過檢偏器P2的光強(qiáng)：,式中，,問題：由于調(diào)制器的工作點(diǎn)在透射曲線的非線性區(qū)，故輸出光信號失真，光信號的頻率為調(diào)制信號的兩倍。解決辦法：為了獲得線性調(diào)制，可引入一個(gè)固定的/2相位延遲，常在調(diào)制器的光路中插入一個(gè)/4波片。,.,33,為使工作點(diǎn)選在曲線中點(diǎn)處，通常在調(diào)制晶體上外加直流偏壓來完成。（插入1/4波片）,I/I0-V曲線,.,34,選取工作點(diǎn)：,若要得到光強(qiáng)隨時(shí)間正弦變化的調(diào)制光,可使調(diào)制電壓為：,則有：,式中，,可在光路中插入,波晶片，取代,則只需在晶體上加調(diào)制電壓,就可得到正弦調(diào)制光強(qiáng)。,.,35,的關(guān)系曲線,.,36,強(qiáng)度調(diào)制器小結(jié)：,入射光分解為感應(yīng)主軸方向的兩個(gè)傳播模；找出相位延遲和外加電壓（電場）的關(guān)系；加入檢偏器得到輸出光強(qiáng)隨外加電壓變化，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制；加入1/4波片提供固定“偏置”，以得到線性調(diào)制。,.,37,優(yōu)點(diǎn):縱向:結(jié)構(gòu)較簡單,工作穩(wěn)定,不會受到自然雙折射的影響橫向:可通過調(diào)節(jié)d/l使半波電壓降低到約幾百伏缺點(diǎn)：縱向：半波電壓太高，調(diào)制頻率較大時(shí)會產(chǎn)生較大的功率損耗橫向：存在由自然雙折射引起的相位延遲，且隨溫度的變化而漂移，導(dǎo)致調(diào)制器不能正常工作,.,38,是聲音、圖像、數(shù)據(jù)電信號，,若,則有,泡克爾斯（Pockels）電光調(diào)制器線性好，性能穩(wěn)定，可得到很高的調(diào)制頻率。,三、電光相位調(diào)制,在電光效應(yīng)裝置圖2.6、圖2.7中，若使起偏器透光方向N1與雙軸晶體的其中一個(gè)光軸平行，則僅是一個(gè)線偏振光通過晶體，其位相被電信號調(diào)制。,.,39,在右圖中，若,Y偏振光的折射率,，,在晶體入射面處光場為,則光通過晶體后的光場：,.,40,式中，略去常數(shù)相位因子：,則,可見，該光波的位相因子受電壓U影響。,設(shè)U為正弦調(diào)制電壓,令,則有：,可見，該輸出光波的位相受到電信號的調(diào)制。,.,41,四、電光調(diào)制的頻率特性,實(shí)際應(yīng)用中，需要電光調(diào)制器達(dá)到高的調(diào)制頻率和足夠?qū)挼恼{(diào)制帶寬。影響調(diào)制頻率和調(diào)制帶寬的主要因素為：,1.光在晶體中的傳輸時(shí)間,前面對電光調(diào)制的分析，均認(rèn)為調(diào)制信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光波頻率(也就是調(diào)制信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波波長)，并且遠(yuǎn)大于晶體的長度L，因而在光波通過晶體L的渡越時(shí)間內(nèi)，調(diào)制信號電場在晶體各處的分布是均勻的，則光波在各部位所獲得的相位延遲也都相同，即光波在任一時(shí)刻不會受到不同強(qiáng)度或反向的調(diào)制電場的作用。在這種情況下，裝有電極的調(diào)制晶體可以等效為一個(gè)電容即可以看成是電路中的一個(gè)集總元件，通常稱為集總參量調(diào)制器。集總參量調(diào)制器的頻率特性主要受外電路參數(shù)的影響。,.,42,但當(dāng)調(diào)制頻率很高時(shí)，在的時(shí)間內(nèi)，外電場會發(fā)生可觀的變化。光通過晶體的不同部位時(shí)，其相位延遲不同，這就限制了調(diào)制頻率。,.,43,調(diào)制波與光波以相同速度在晶體中傳播，調(diào)制頻率可達(dá)幾個(gè)。,為了適應(yīng)高頻率寬頻帶調(diào)制信號的要求，采用行波調(diào)制器。,調(diào)制帶寬僅在0,附近的有限頻帶內(nèi)。,2.晶體諧振電路的帶寬,實(shí)用中，電光調(diào)制器構(gòu)成諧振電路：,.,44,五、光波導(dǎo)調(diào)制器,晶體制作的電光調(diào)制器屬于體調(diào)制器，需要施加相當(dāng)高的電壓，才能實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。,光波導(dǎo)調(diào)制器可以把光場限制在很小的區(qū)域里，從而大大降低所需要的調(diào)制電壓和調(diào)制功率。,光波導(dǎo)寬度d極窄，遠(yuǎn)小于長度L。采用橫向電光調(diào)制，半波電壓可為幾伏。調(diào)制頻率可達(dá)100GHz。,相位調(diào)制器,.,45,M-Z干涉型強(qiáng)度調(diào)制器,定向耦合器型強(qiáng)度調(diào)制器,在高速光通信中有很好的應(yīng)用價(jià)值,研究動向：用聚合物來形成各向異性材料。,.,46,2.3聲光調(diào)制,利用超聲波引起介質(zhì)折射率變化而產(chǎn)生的光調(diào)制。,一、聲光效應(yīng),適用于單色光源,驅(qū)動電源電-聲換能器聲光介質(zhì),形成聲光柵，柵距,.,47,聲光效應(yīng)分為兩種類型：,入射光波被聲光柵衍射，衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨超聲場變化。這就是聲光效應(yīng)。,拉曼-奈斯衍射,布拉格衍射,只有零級、1級衍射光,產(chǎn)生多級衍射光,.,48,拉曼-納斯衍射,產(chǎn)生拉曼-納斯衍射的條件：當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L較短時(shí)，在光波通過介質(zhì)的時(shí)間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計(jì)，則聲光介質(zhì)可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。,拉曼-納斯衍射的特點(diǎn)：由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光。,.,49,各級衍射的方位角為（最大值的位置）：,各級衍射光的強(qiáng)度為：,.,50,衍射效率為：,附加相位延遲因子,附加相位延遲因子,.,51,布喇格衍射,產(chǎn)生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。,布喇格衍射的特點(diǎn)：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或1級）衍射光。,.,52,布拉格衍射條件：,零級、1級衍射光強(qiáng)：,式中，為聲光效應(yīng)產(chǎn)生的附加相移：,有應(yīng)用價(jià)值的是一級衍射光,.,53,式中，為聲光介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)。,應(yīng)選擇大的材料，常用聲光介質(zhì)見表2.2。,.,54,衍射效率為：,M2為聲光材料的品質(zhì)因數(shù)，Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長度。同樣的改變超聲功率，也可以達(dá)到改變一級衍射光的強(qiáng)度。,附加相位延遲因子,.,55,聲光調(diào)制(Acousto-opticalModulate),一.聲光調(diào)制器的工作原理,聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應(yīng)的電信號轉(zhuǎn)化為變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。,.,56,聲光體調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等所組成。,(1)聲光介質(zhì)，聲光介質(zhì)是聲光互作用的場所。當(dāng)一束光通過變化的超聲場時(shí)，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時(shí)間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強(qiáng)度隨超聲波強(qiáng)度的變化而變化的性質(zhì)，就可以制成光強(qiáng)度調(diào)制器。,(2)電聲換能器(又稱超聲發(fā)生器),(3)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對面)。,(4)驅(qū)動電源它用以產(chǎn)生調(diào)制電信號施加于電聲換能器的兩端電極上，驅(qū)動聲光調(diào)制器(換能器)工作。,.,57,聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時(shí)，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強(qiáng)度調(diào)制波。,由前面分析可知，無論是拉曼納斯衍射，還是布拉格衍射，其衍射效率均與附加相位延遲因子2nL有關(guān)，而其中聲致折射率差n正比于彈性應(yīng)變幅值S，而S聲功率Ps，故當(dāng)聲波場受到信號的調(diào)制使聲波振幅隨之變化，則衍射光強(qiáng)也將隨之做相應(yīng)的變化。,.,58,(1)、拉曼-納斯型聲光調(diào)制器,調(diào)制器的工作原理如圖1(a)所示，工作聲源頻率低于10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。,.,59,對于拉曼納斯型衍射，工作聲頻率低于10MHz，所確定的相互作用長度L小；當(dāng)工作頻率較高時(shí)，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此拉曼納斯型聲光調(diào)制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。,.,60,(2)、布喇格型聲光調(diào)制器,布喇格型聲光調(diào)制器工作原理如圖2所示。,.,61,的關(guān)系曲線,選取工作點(diǎn)：,若使作正弦變化，頻率為，,則有,.,62,布拉格聲光調(diào)制特性曲線與電光強(qiáng)度調(diào)制相似。由圖可以看出：衍射效率與超聲功率Ps只是非線性調(diào)制曲線形式，為了使調(diào)制不發(fā)生畸變，則需加超聲偏置（類似于電光調(diào)制中的偏壓V/4=V/2），使其工作在線性較好的區(qū)域。,布拉格衍射必須使入射光束以布拉格角B入射，同時(shí)在相對于聲波陣面對稱方向接收衍射光束時(shí)，才能得到滿意的結(jié)果。布拉格衍射由于效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。,.,63,要實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制，超聲波應(yīng)是高頻調(diào)幅波，則電-聲換能器上驅(qū)動信號應(yīng)是高頻調(diào)幅電信號.,高頻振蕩（s）