光子學(xué)--第六章---光的調(diào)制ppt課件

1、光子學(xué)第六章光子學(xué)第六章 光的調(diào)制光的調(diào)制 光的內(nèi)調(diào)制技術(shù)： 電信號(hào)直接調(diào)制到半導(dǎo)體發(fā)光管(LED)或半導(dǎo)體激光二極管(LD)的注入電流上 光的外調(diào)制技術(shù)： 主要引見利用晶體線性電光(Pockels)效應(yīng)制成光的外調(diào)制技術(shù)光的內(nèi)調(diào)制技術(shù)輸 入輸 出光發(fā)射機(jī) 光 纖 光接納機(jī) 信號(hào)處置 光通訊系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、傳輸介質(zhì)-光纖和光 接納機(jī)。其原理圖如下所示：發(fā)射機(jī)輸入的電壓波形是 。經(jīng)過(guò)輸入輸出特性，我們就可以開場(chǎng)研討發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 tvin光的內(nèi)調(diào)制技術(shù)光的內(nèi)調(diào)制技術(shù) 光內(nèi)調(diào)制系統(tǒng)圖光內(nèi)調(diào)制系統(tǒng)圖 LD激光器LD直流電源偏置 T電路驅(qū)動(dòng)電路電信號(hào)光輸出RF DC LD L C R光的內(nèi)調(diào)

2、制技術(shù) 波形要求 在不同時(shí)鐘速率下，用非歸零的偽隨機(jī)(NRZ)脈沖序列發(fā)生器的輸出來(lái)鼓勵(lì)發(fā)射機(jī)，并測(cè)試輸出脈沖波形的相關(guān)效應(yīng)。脈沖幅度隨波形的變化不大于5；上升和下降時(shí)間(10-90的變化小于5 %；脈沖寬度隨波形的變化不大于5在半最大值的全寬、脈沖的過(guò)沖量小于10；不產(chǎn)生寄生振蕩；消光比超越10:1。 壽命 在200C環(huán)境溫度時(shí)，光源的平均壽命應(yīng)超越10萬(wàn)小時(shí)；在600C環(huán)境溫度時(shí)，平均壽命應(yīng)超越1000小時(shí)。當(dāng)前常用的LED也已有艱苦的提高任務(wù)電流普通在幾十到一百多毫安。另外，也出現(xiàn)超輻射SLD和邊輻射FLED的發(fā)光二極管，注入單模光纖的光功率百微瓦。當(dāng)前半導(dǎo)體激光源多用分布反響的(DFB

3、) ，閾值電流可低至10mA左右，輸出功率可達(dá)100mW， 激光器的壽命可達(dá)100萬(wàn)小時(shí)。光的內(nèi)調(diào)制技術(shù)LED發(fā)送機(jī)的電路 LED電路電路數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制IPPIbIbI帶反響控制的LED電路 LED 電 源 分束器光纖檢波放大為了穩(wěn)定LED輸出功率的穩(wěn)定性必需采取功率反響穩(wěn)定和半導(dǎo)體致冷溫度穩(wěn)定反響控制。對(duì)于多模光纖輸出 必需使進(jìn)入光纖的光功率的方式與進(jìn)入本機(jī)檢波器的方式是一樣，才干得到穩(wěn)定有效的反響控制。它取決于光束 分別器的特性。 LED發(fā)射的能量分布在許多空間模中，因此，光分路 分到本機(jī)檢波器的方式必需與輸出光纖的方式一致。 為了用反響方法使LED線性化，就要使光分路或光束分別器所選擇

4、的方式分布與輸出光纖中的方式一樣。對(duì)線性化的要求愈高，就愈難以實(shí)現(xiàn)。 LED反響線性化的另一個(gè)問(wèn)題是沿反響環(huán)路的時(shí)延，它限制了反響控制的模擬發(fā)送機(jī)的可用帶寬。 反響線性化方法的推導(dǎo)請(qǐng)讀者行推導(dǎo)之(見講義)LED發(fā)送機(jī)的電路 激光器LD與LED的差別LD存在閾值 輸出光功率 P與驅(qū)動(dòng)電流 I存在的閾值特性。在 I 閾值 Ith時(shí) 激光器內(nèi)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射。因此，激光器諧振腔內(nèi)的最低損耗模的幅度開場(chǎng)增長(zhǎng)，直到這些模場(chǎng)飽和為止。當(dāng)電流繼續(xù)上升，激光器可發(fā)射大量功率進(jìn)入光纖，由于總輸出的大部分功率只包含在少數(shù)幾個(gè)空間模之內(nèi)，與LED不同。激光器LD發(fā)送機(jī)的電路00C20406080LEDL

5、D閾值隨溫度與時(shí)間變化斜率不隨溫度與時(shí)間變化LED與LD特性的差別PPII激光器發(fā)送機(jī)的電路sthsbiIiii05. 1thIIsiIbIsi模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制PthILD預(yù)偏置預(yù)偏置 為了使激光器，通常要求將該器件為了使激光器，通常要求將該器件“預(yù)偏置到接預(yù)偏置到接近于閾值電流近于閾值電流 Ib= 0.951.05Ith 。預(yù)偏置的優(yōu)點(diǎn)預(yù)偏置的優(yōu)點(diǎn)可防止器件內(nèi)部載流子密度可防止器件內(nèi)部載流子密度 n(t)添加到與閾值電添加到與閾值電所需求的時(shí)延。所需求的時(shí)延。在在 Ith以上，信號(hào)電流使光功率迅速增長(zhǎng)久大于以上，信號(hào)電流使光功率迅速增長(zhǎng)久大于LED。預(yù)偏置的缺陷：預(yù)偏置的缺陷： 與從零電流驅(qū)

6、動(dòng)激光器的電路相比，添加了直流與從零電流驅(qū)動(dòng)激光器的電路相比，添加了直流電源的電源的 能量耗費(fèi)。能量耗費(fèi)。激光器發(fā)送機(jī)的電路在某些特殊運(yùn)用中，光脈沖的寬度很窄小于100ps)，反復(fù)速率也很低幾十千赫，這樣的脈沖流也可以用某些大功率的注入激光器來(lái)產(chǎn)生，甚至在直流驅(qū)動(dòng)條件下也能發(fā)射窄的脈沖。這種窄脈沖發(fā)射的發(fā)送機(jī)如以下圖所示：激光器發(fā)送機(jī)的電路內(nèi)調(diào)制的缺陷內(nèi)調(diào)制的缺陷1.DFB-LD的固有線寬的固有線寬 () 當(dāng)前的分布反響激光器當(dāng)前的分布反響激光器 DFB-LB的光譜線寬的光譜線寬因此因此 DFB-LD固有固有 的光譜線寬是極窄的。的光譜線寬是極窄的。3.調(diào)頻調(diào)頻-啁啾景象啁啾景象(啁啾系數(shù)為啁

7、啾系數(shù)為 )由于注入電流引起的光譜展寬為由于注入電流引起的光譜展寬為結(jié)論：抑制啁啾引起光譜展寬的方法是用外調(diào)制技術(shù)結(jié)論：抑制啁啾引起光譜展寬的方法是用外調(diào)制技術(shù) LDmcMHz156826210810103)1055. 1 (1即mAGHzmAIImAMHzss10104 . 04 . 0520/251即則設(shè)mAMHz/250光的外調(diào)制技術(shù) 光外調(diào)制系統(tǒng)圖光外調(diào)制系統(tǒng)圖 外調(diào)制器種類外調(diào)制器種類1 晶體電光調(diào)制器晶體電光調(diào)制器2 半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器 LD外調(diào)制器 直流電源 電信號(hào) 光纖光輸出光的外調(diào)制技術(shù)張量性張量性零階張量：只需大小變化沒有方向之變化的物零階張量：只需大小變

8、化沒有方向之變化的物理量稱為標(biāo)量，也稱零階張量如質(zhì)量、溫度、理量稱為標(biāo)量，也稱零階張量如質(zhì)量、溫度、體積等。體積等。 當(dāng)由舊坐標(biāo)系當(dāng)由舊坐標(biāo)系X1,X2,X3變換為新坐標(biāo)系變換為新坐標(biāo)系X1,X2,X3時(shí)時(shí),對(duì)于質(zhì)量等標(biāo)量對(duì)于質(zhì)量等標(biāo)量 T, (不起任何不起任何少作用少作用)可表示為：可表示為： T = T (零階張量零階張量)復(fù)數(shù)也屬于零階張量。復(fù)數(shù)也屬于零階張量。一階張量-矢量 一階張量：電磁場(chǎng)一階張量：電磁場(chǎng) E、H等等, 在坐標(biāo)系在坐標(biāo)系 Xi (i=1,2,3)中有三個(gè)分量，稱為矢中有三個(gè)分量，稱為矢量或一階張量。量或一階張量。 在坐標(biāo)變換時(shí)在坐標(biāo)變換時(shí), 其變換規(guī)其變換規(guī)律表為：律

9、表為：式中式中 是新舊坐是新舊坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換矩陣標(biāo)系統(tǒng)之間的變換矩陣-方向余弦方向余弦(xixj)表示表示Xi軸與軸與Xj軸之軸之間的夾角間的夾角 coscoscoscoscoscoscoscoscos)(332313322212312111xxxxxxxxxxxxxxxxxxaTaTaTijijijjiji略去求和符號(hào)按照愛因斯坦習(xí)慣可省ija晶體的折射率橢球 二階張量：矢量與矢量之間的關(guān)系為二階張量。例如電二階張量：矢量與矢量之間的關(guān)系為二階張量。例如電位移矢量與電場(chǎng)之間的關(guān)系位移矢量與電場(chǎng)之間的關(guān)系 為二階介電張量，以后為二階介電張量，以后我們將略去我們將略去E,D等矢量上的箭頭符號(hào)

10、等矢量上的箭頭符號(hào),對(duì)對(duì) 等張量只需下面等張量只需下面標(biāo)有下標(biāo)標(biāo)有下標(biāo)(i,j)等等,也將略去上面的雙向箭頭。也將略去上面的雙向箭頭。 當(dāng)坐標(biāo)變換時(shí)，二階張量的變換規(guī)律服從：當(dāng)坐標(biāo)變換時(shí)，二階張量的變換規(guī)律服從： (采用了愛因斯坦習(xí)慣采用了愛因斯坦習(xí)慣ijjijiED,0kljlikkljlikklijTaaTaaT3131,三階張量與四階張量三階張量與四階張量 三階張量的坐標(biāo)變換三階張量的坐標(biāo)變換關(guān)系為：關(guān)系為： 四階張量的坐標(biāo)變換四階張量的坐標(biāo)變換關(guān)系為：關(guān)系為：mnoplpkojnimijkllmnknjnilijkTaaaaTTaaaT晶體的折射率橢球式中ij為二階張量,是矢量與矢量之

11、間的關(guān)系； ijk為三階張量,是一階矢量與二并矢(二階張量) 之間的關(guān)系； ijkl為四階張量是矢量與三并矢(三階張量)之間 的關(guān)系。四階張量也可能是二階張量與二階張 量之間的關(guān)系。 高階張量的例高階張量的例 我們可用下式極化率矢量我們可用下式極化率矢量 P 來(lái)舉例闡明來(lái)舉例闡明lkjijklkjijkjijiiEEEEEEPP0000 晶體的雙折射 光波在介質(zhì)中傳播規(guī)律取決于介質(zhì)的折射率(二階張量)，普通折射率為。 對(duì)于光學(xué)介質(zhì)=1脫化為標(biāo)量,那么有 。 假設(shè)介質(zhì)是各向同性體如玻璃、水等，介電常數(shù)和折射率 nij 脫化成一個(gè)分量-標(biāo)量n。但在光學(xué)中，大多數(shù)晶體折射率nij是各向異性的二階張量

12、，哪些分量等零，哪些分量不等于零決議于晶體的對(duì)稱性。 普通折射率張量可以用二次曲面表示為橢球面：2n22ijnn 1222),3 , 2 , 1(12121213231322232332322222211212XXnXXnXXnnXnXnXzyxorjiXXnjiij即、 為了簡(jiǎn)化, 下標(biāo)ij可用如下的縮標(biāo)規(guī)那么縮成一個(gè)標(biāo)： ij i 11 1 22 2 33 3 32 = 23 4 31 = 13 5 21 = 12 6 那么上式可寫成存在交義項(xiàng)的二次式： 晶體的雙折射1222212613253224232322222121XXnXXnXXnnXnXnX 主軸轉(zhuǎn)換主軸轉(zhuǎn)換 即將坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換到晶

13、軸方向，那么可以使即將坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換到晶軸方向，那么可以使交叉項(xiàng)等于零。交叉項(xiàng)等于零。 有以下三種情況有以下三種情況: : 雙軸橢球晶體雙軸橢球晶體 單軸橢球晶體單軸橢球晶體 各向同性介質(zhì)各向同性介質(zhì)-球面球面( (體體) ) nij=n(i=j), nij=0(ij) nij=n(i=j), nij=0(ij) 晶體的雙折射1232322222121nXnXnX0,65422322221nnnnnnnneo122222eonZnYX12232221nXXX)(0333, 222, 111jinnnnnnnij 電光效應(yīng)：當(dāng)晶體的折射率電光效應(yīng)：當(dāng)晶體的折射率 nij 成為電場(chǎng)的函數(shù)時(shí)，折射成為電

14、場(chǎng)的函數(shù)時(shí)，折射率率 nij 將隨電場(chǎng)的變化而變化。實(shí)踐上用晶體的電感應(yīng)折將隨電場(chǎng)的變化而變化。實(shí)踐上用晶體的電感應(yīng)折射率張量與不加電場(chǎng)的主軸折射率張量之差射率張量與不加電場(chǎng)的主軸折射率張量之差B來(lái)表示晶來(lái)表示晶體的折射率體的折射率 ： 晶體的電光效應(yīng)Pockels效應(yīng)222111iiijijijnnnBBij 是遭到外電場(chǎng)作用后新的折射率張量減去未受電場(chǎng)作用的晶體折射率之差， 那么電光效應(yīng)可表示成( i=1-6，j=1,2,3)jijiErEEErrrrrrrrrrrrrrrrrrnnnnnnnnnB3216362615352514342413332312322211312112625242

15、32322222121010101111111電光資料及其特性電光資料及其特性 材料室溫光電系數(shù)單位 10-12m/V折射率rn30單位 10-12m/V0(室溫)點(diǎn)群對(duì)稱KDP(KH2PO4)41r=8.663r=10.6on=1.51en=1.472934c/=20c=45m24KD2PO463r=23.6 1.5080c/ 50at24Com24ADP(NH4H2PO4)41r=2863r=8.5on=1.52en=1.489527c/=12m24GaAs at 10.6m41r=1.6on=3.345911.5m34ZnTe at 10.6mCdTe at 10.6m41r=3.941

16、r=6.8on=2.79on=2.6851207.3m34m34 LiNbO333r30.813r8.622r3.442r2.8on=2.29en=2.20333rne328223rno37)(13333321rnrnoe=112c=98c/=50m3GaP41r=0.97on=3.31413rno29m34 晶體的電光效應(yīng)例：磷酸二氫鉀KDP,點(diǎn)群為 , 是一種有名的單軸電光晶體，查表得其電光系數(shù)張量為：321634141262524232322222121.EEErrrnnnnnnnnnBm24晶體的電光效應(yīng) 那么在電場(chǎng)作用下, KDP晶體(新坐標(biāo)軸下)的折射率為：363262412514

17、124223222221ErnErnErnnnnnnneoo 因此其折射率張量二階矩陣可以寫成： 可見電光晶體在電場(chǎng)的作用下, 已從單軸橢球體變成為一個(gè)雙軸橢球體,且折射率大小將隨電場(chǎng)的變化而變化。 晶體的電光效應(yīng)2141241141236324136322111eooijnErErErnErErErnn晶體的電光效應(yīng) 為了直觀地描畫這個(gè)雙軸橢球體，普通采用數(shù)學(xué)上二階張量主軸化的方法，消除交叉項(xiàng)。0det00001000102332232132232112122132122112nnnnnnnnnxnijjijij的系數(shù)行列式本征值決定于本征方程其中本征方程為函數(shù)。分別求出本征值和本征求解過(guò)程

18、是從本征方程求解方法求解方法解出三解出三個(gè)本征值個(gè)本征值 根根, 再分別再分別代回本征方代回本征方程，即可求程，即可求出相應(yīng)的本出相應(yīng)的本征矢征矢 ,它它就是新的折就是新的折射率橢球的射率橢球的主軸。主軸。 晶體的電光效應(yīng)i2336322236322122363363221311111,010001010,21eoxoxeoonErnnErnnnnErErnEEEEzKDP率：即新的電感應(yīng)主軸折射求得本征值則有方向電場(chǎng)施于晶體對(duì)例：jX求本征矢1111110021011210112123222363221363222322221332211XnXErnXErnnXnXXXXXeooeo電感應(yīng)主

19、軸方程軸方程于是得到從舊折射率主代回本征方程得將代回本征方程得將代回本征方程得將 晶體的電光效應(yīng)交角成和與舊的晶體主軸和新的電感應(yīng)主軸如右圖示同理得近似為展開將新主軸折射率作級(jí)數(shù)時(shí)當(dāng)45,21121111,11,212136323632363222363222363332111xxxxnnnErnnnErnnnErnnnorErnnnErexxooxooxooxoxo電光振幅調(diào)制 下面討論晶體雙折射引起相位滯后導(dǎo)致偏振態(tài)變化的問(wèn)題。選取垂直于Z軸的KDP z切晶片,并沿厚(X3=Z軸)施加縱向電場(chǎng)E3，并且讓光束也沿X3軸傳播, 其偏振方向沿 X1，那么光場(chǎng)在電感應(yīng)軸X1和X2分解成二個(gè)分量：

20、 zErnnktiAzEzErnnktiAzEznktiAzEznktiAzExxxxxx36330003633000002exp2expexpexp212211將電感應(yīng)折射率代入電光振幅調(diào)制 z 切 KDP 晶片 電場(chǎng)施于 z 方向 光束沿 z 方向傳播 電場(chǎng)與光束沿同方向的稱縱向調(diào)制 光束(光頻電場(chǎng))的偏振方向?yàn)閄1, 再分解到電感應(yīng)主軸X1和X2使其折射率受E3 影響。x2X1x1-x2關(guān)于光的偏振特性122221122221122211121sincos2coscos其中得消去其中可表示為、在直角坐標(biāo)系光場(chǎng)aEaEaEaErktaEaEEyExEYXEFig.1 E1 E2 之間的相位差 =0 or 時(shí)，其合矢量為45的線偏振光Fig.2 E1、E2 之間的相位差 = /2 時(shí)，其合矢量為左、右旋的圓偏振光。E1、E2 之間的相位差 為恣意值時(shí)，其合矢量為左、右旋的橢圓偏振光。當(dāng)0 or 時(shí)橢圓越扁平，當(dāng) /2 時(shí)橢圓越接近圓形。偏振態(tài)的偏振態(tài)的 (方位角方位角) (橢圓率角橢圓率角) 表示表示 YXaba2a1E橢圓偏振光場(chǎng)abaaabaababEaEEEEEEEEEEEEtansinsincos)2,(cossinsincos,212221220000212121進(jìn)一步得及展開得可消去演算時(shí)作主軸轉(zhuǎn)換表為、關(guān)系為、它與、也可表為偏振光的Poin