第一部分 光調制基礎

1、第第一部分一部分 光調制基礎光調制基礎1.1.光束調制原理光束調制原理2.2.光的偏振光的偏振3.3.晶體光學基礎晶體光學基礎4.4.光在晶體中的傳播光在晶體中的傳播5.5.電光控器件的物理基礎電光控器件的物理基礎6.6.聲光、磁光控制器件的物理基礎聲光、磁光控制器件的物理基礎1.1.光束光束調制調制原理原理概述概述振幅調制振幅調制角度角度調制調制強度強度調制調制脈沖調制脈沖調制數(shù)字數(shù)字調制調制激光用于信息傳遞的優(yōu)勢：激光用于信息傳遞的優(yōu)勢：1.激光是一種光頻電磁波，具有良好的相干性，可以作激光是一種光頻電磁波，具有良好的相干性，可以作為信息傳送的載波；為信息傳送的載波；2.激光具有很高的頻率

2、（最高可達激光具有很高的頻率（最高可達1015Hz)，頻帶寬，頻帶寬，傳遞的信息容量大；傳遞的信息容量大；3.激光傳遞信息具有保密性好、抗干擾能力強等特點。激光傳遞信息具有保密性好、抗干擾能力強等特點。激光是傳遞信息的理想光源，但激光只是載波，信息激光是傳遞信息的理想光源，但激光只是載波，信息如何加載如何加載到激光信號上？到激光信號上？1.1 1.1 光調制概述光調制概述概述概述調制調制信息加載到激光上的過程，稱之為調制，而實現(xiàn)信息加載到激光上的過程，稱之為調制，而實現(xiàn)調制的裝置稱為調制器。調制的裝置稱為調制器。調制信號調制信號起控制作用的低頻信息稱為調制信號。起控制作用的低頻信息稱為調制信號

3、。激光光波的電場強度可以表示為：激光光波的電場強度可以表示為：)cos()(0tAtejjj 激光具有激光具有振幅、頻率、相位、強度、偏振振幅、頻率、相位、強度、偏振等參量，等參量，如果能夠利用某種物理方法改變光波的某一參量，使其如果能夠利用某種物理方法改變光波的某一參量，使其按調制信號的規(guī)律變化，就實現(xiàn)了對激光信號的調制。按調制信號的規(guī)律變化，就實現(xiàn)了對激光信號的調制。調制的分類調制的分類根據(jù)調制器與激光器的相對關系分為：根據(jù)調制器與激光器的相對關系分為：內(nèi)調制：內(nèi)調制：按受調參數(shù)分為：按受調參數(shù)分為：（1）調幅（）調幅（AM）：受調參數(shù)是載波的幅度。）：受調參數(shù)是載波的幅度。（2）調頻（）

4、調頻（FM）：受調參數(shù)是載波的頻率。）：受調參數(shù)是載波的頻率。（3）調相（）調相（PM）：受調參數(shù)是載波的相位。）：受調參數(shù)是載波的相位。（4）強度調制：受調參數(shù)是載波的強度。）強度調制：受調參數(shù)是載波的強度。加載調制信號是在激光振蕩過程中進行的，即加載調制信號是在激光振蕩過程中進行的，即以調制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改以調制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器的輸出特性來實現(xiàn)調制。變激光器的輸出特性來實現(xiàn)調制。主要應用：在光通信的注入式半導體激光源中。主要應用：在光通信的注入式半導體激光源中。外調制外調制外調制：外調制：在激光形成之后，在激光器的外光路上放置調制在激光形成之后，

5、在激光器的外光路上放置調制器，用調制信號改變調制器的物理特性，當激光器，用調制信號改變調制器的物理特性，當激光通過調制器時，就會使光波的某參量受到調制。通過調制器時，就會使光波的某參量受到調制。優(yōu)勢：優(yōu)勢：調整方便，對激光器沒有影響調整方便，對激光器沒有影響調制速率高調制速率高調制帶寬寬調制帶寬寬將在未來的高速率、大容量的光通信及光信息處理有廣泛將在未來的高速率、大容量的光通信及光信息處理有廣泛的應用前景的應用前景ttAkAtejmmAjpcoscos)(1 1.2 .2 振幅調制振幅調制 載波的振幅隨著調制信號的規(guī)律而變化的振蕩，載波的振幅隨著調制信號的規(guī)律而變化的振蕩，稱振幅調制，簡稱調幅

6、。稱振幅調制，簡稱調幅。一、概念一、概念二、調幅波波形和表示式：二、調幅波波形和表示式：調制信號為：調制信號為：載波信號為：載波信號為：)cos()(jjjjtAtetAtammccos)(ttmAtejmajpcoscos1)(ttAAkAjmjmAjcoscos1eP(t)tjamAAmAkac(t)ttej(t)振幅調制振幅調制 其中其中kA為比例系數(shù)，為比例系數(shù)，ma=kAAm/Aj1，稱，稱調幅系數(shù)或調幅系數(shù)或調幅度調幅度，一般用，一般用%表示。表示。 ma：表示載波受調制信號控制的程度表示載波受調制信號控制的程度, ma越大，控制越大，控制作用越大。作用越大。當當ma=1時稱全調時

7、稱全調;當當ma=0時，稱無調時，稱無調;注意：注意：ma不能大于不能大于1，否則會出現(xiàn)過調失真。，否則會出現(xiàn)過調失真。三、調幅波的頻譜及譜寬三、調幅波的頻譜及譜寬ttmAtejmajpcoscos1)(tAmtAmtAmjjamjjajjcos21cos21cosjmjmjjaAm21jaAm21BAj頻譜寬度：B=2m調幅波的頻譜由載波分量和兩個邊頻帶組成，而調幅過程實際上是一種頻率的搬移過程.1.3 1.3 角度調制角度調制振幅調制是以調制信號去控制載波振幅，反映振幅調制是以調制信號去控制載波振幅，反映到頻譜上是頻率搬移，其頻譜結構不變，所以到頻譜上是頻率搬移，其頻譜結構不變，所以屬于屬

8、于線性調制線性調制；角度調制是以調制信號去控制載波的頻率或相角度調制是以調制信號去控制載波的頻率或相位，反映到頻譜上是一種復雜的變換（增加了位，反映到頻譜上是一種復雜的變換（增加了許多組合頻率），屬于許多組合頻率），屬于非線性調制非線性調制；調角的優(yōu)點：抗干擾能力強。調角的優(yōu)點：抗干擾能力強。1.3 1.3 角度調制角度調制 以調制信號去控制載波的頻率或相位，使載波的頻率以調制信號去控制載波的頻率或相位，使載波的頻率或相位隨調制信號的規(guī)律變化，這樣得到的已調波稱或相位隨調制信號的規(guī)律變化，這樣得到的已調波稱調調頻波或調相波頻波或調相波，由于這兩種調制波都表現(xiàn)為總相角的變，由于這兩種調制波都表現(xiàn)

9、為總相角的變化，故統(tǒng)稱化，故統(tǒng)稱角度調制角度調制。（一）調頻波表示式（一）調頻波表示式設設ac(t)=Amcos mt，載波，載波ej(t)=Ajcos( jt+0)，據(jù)調頻定義據(jù)調頻定義, FM波的瞬時頻率：波的瞬時頻率： (t)= j+kfac(t) = j+kfAmcos mt = j+fcos mt 其中其中, j-載波的中心頻率載波的中心頻率 kf-比例系數(shù)，單位調制信號強度度引起的頻率變化，表明比例系數(shù)，單位調制信號強度度引起的頻率變化，表明控制能力的大小控制能力的大小 f-最大頻偏，即最大頻偏，即FM瞬時頻率偏離瞬時頻率偏離 j的最大值的最大值（一）調頻波表示式（一）調頻波表示式

10、(t)= j+kfAmcos mt = j+fcos mt 00sin)()(ttdtttmtmfjFM波的瞬時相位：波的瞬時相位：0sintmtmfj（一）調頻波表示式（一）調頻波表示式0sincos)(tmtAtemfjjf其中其中: mf 稱調頻指數(shù)稱調頻指數(shù)，是載波相位上附加的最大相，是載波相位上附加的最大相移，表明調制深度。移，表明調制深度。（二）調相波的表示式（二）調相波的表示式0sincos)(tmtAtemjjmAkm-調相指數(shù)調相指數(shù)請同學自行推導出調相波的表達式！請同學自行推導出調相波的表達式?。ㄈ┱{頻和調相波的頻譜（三）調頻和調相波的頻譜 由于調頻和調相實質上最終都是調

11、制總相角，因此由于調頻和調相實質上最終都是調制總相角，因此可以寫成統(tǒng)一的形式：可以寫成統(tǒng)一的形式：jmjjtmtAtesincos)(tmtAtmtAtemjjjmjjjsinsin()sinsincos()cos)(120)2cos()(2)(sincos(nmnmtnmJmJtm）11212sin)(2sinsin(nmnmtnmJtm）利用利用三角函數(shù)關系式：三角函數(shù)關系式： )cos()cos(21sinsincmcncmcncccccmccmccmccmcccctnntnmJAtmJAtmJtmJtmJtmJtmJAtE)(1cos) 1()cos()()cos()()2(cos)(

12、)2(cos)()(cos)()(cos)()cos()()(022110)cos()cos(21coscos(3.1.12)可得：可得：（三）調頻和調相波的頻譜（三）調頻和調相波的頻譜)cos() 1()cos()cos()()(10jmjnnjmjnjjjjtntnmJAtmJAtep 在單頻正弦波調制時，其角度調制波的頻譜是由在單頻正弦波調制時，其角度調制波的頻譜是由光載光載頻頻與它與它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成；p 各邊頻之間的間隔為各邊頻之間的間隔為 m；p 各邊頻的幅度大小各邊頻的幅度大小Jn(m)由貝塞爾函數(shù)決定。由貝塞爾函數(shù)決定。例：例：m

13、=1，n=0, J0(m)=0.77;n=1, J1(m)=0.44n=2, J2(m)=0.11;n=3, J3(m)=0.010.770.440.110.02m6mc角度調制波的頻譜圖角度調制波的頻譜圖 1m若調制信號不是單頻正弦波若調制信號不是單頻正弦波, 則其頻譜將更加復雜。另外則其頻譜將更加復雜。另外，當角度調制系數(shù)較?。?，當角度調制系數(shù)較?。磎1）時，其頻譜與調幅波）時，其頻譜與調幅波有著相同的形式。有著相同的形式。1.4 1.4 強度調制強度調制強度調制是光載波的強度隨調制信號規(guī)律而變化。強度調制是光載波的強度隨調制信號規(guī)律而變化。激光光強定義為光波電場的平方，可表示為：激光

14、光強定義為光波電場的平方，可表示為：)(cos)(22jjjjtAtI強度調制的光強：強度調制的光強：)(cos)(12)(22jjjttakAtIq1.4 1.4 強度調制強度調制強度調制的光強：強度調制的光強：)(cos)(12)(22jjjttakAtIqa (t)=Amcos mt調制信號：調制信號：)(coscos12)(22jjmqjttmAtI=kqAm一般調制系數(shù)一般調制系數(shù)mq1同理可推得，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻外，同理可推得，其頻譜分布除了載頻及對稱分布的兩邊頻外，還有低頻還有低頻 m和直流分量。和直流分量。 以上幾種調制形式所得到的調制波都是一種以上幾種調制

15、形式所得到的調制波都是一種連續(xù)振蕩連續(xù)振蕩的波的波, 稱為稱為模擬式調制模擬式調制。另外。另外, 在目前的光通信中還廣泛采用在目前的光通信中還廣泛采用一種在一種在不連續(xù)狀態(tài)不連續(xù)狀態(tài)下進行調制的下進行調制的脈沖調制和數(shù)字式調制脈沖調制和數(shù)字式調制(也稱也稱為脈沖編碼調制為脈沖編碼調制)。它們一般是先進行電調制（模擬脈沖調制。它們一般是先進行電調制（模擬脈沖調制或數(shù)字脈沖調制）或數(shù)字脈沖調制）, 再對光載波進行光強度調制。再對光載波進行光強度調制。 1.5 1.5 脈沖調制脈沖調制 脈沖調制是用一種間歇的周期性脈沖序脈沖調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制信列作為載

16、波，這種載波的某一參量按調制信號規(guī)律變化的調制方法。號規(guī)律變化的調制方法。 先用模擬調制信號對一電脈沖序列的某參先用模擬調制信號對一電脈沖序列的某參量量(幅度、寬度、頻率、位置等幅度、寬度、頻率、位置等)進行電調制，進行電調制，使之按調制信號規(guī)律變化，成為已調脈沖序使之按調制信號規(guī)律變化，成為已調脈沖序列，再用已調電脈沖序列對光載波進行強度列，再用已調電脈沖序列對光載波進行強度調制，調制， 就可以得到相應變化的光脈沖序列。就可以得到相應變化的光脈沖序列。周期脈沖序列載波周期脈沖序列載波線性矩形調制脈沖調制脈沖調制脈沖調制脈沖調制脈沖幅度調制（脈沖幅度調制（PAM)脈沖寬度調制（脈沖寬度調制（P

17、WM)脈沖頻率調制（脈沖頻率調制（PFM)脈沖相位調制（脈沖相位調制（PPM)脈沖強度調制（脈沖強度調制（PIM)調制實現(xiàn)方法：調制實現(xiàn)方法： 首先進行電調制，再對光載波進行光強度調制。首先進行電調制，再對光載波進行光強度調制。(a) (a) 調制信號調制信號(b) (b) 脈沖幅度調制脈沖幅度調制(c) (c) 脈沖寬度調制脈沖寬度調制(d) (d) 脈沖頻率調制脈沖頻率調制(e) (e) 脈沖位置調制脈沖位置調制脈沖調制脈沖調制形式形式1.6 1.6 數(shù)字調制數(shù)字調制 數(shù)字式調制也稱脈沖編碼調制，把模擬信號先變換數(shù)字式調制也稱脈沖編碼調制，把模擬信號先變換成電脈沖序列，進而變成代表信號信息

18、的二進制編碼，成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行調制。再對光載波進行調制。實現(xiàn)脈沖編碼調制過程：實現(xiàn)脈沖編碼調制過程：抽樣抽樣量化量化編碼編碼數(shù)字式調制數(shù)字式調制 (脈沖編碼調制脈沖編碼調制):抽樣、量化和編碼。抽樣、量化和編碼。 每隔每隔1ms抽樣一次抽樣一次3位數(shù)字二進制，實際上需要用位數(shù)字二進制，實際上需要用8位或更多位的二位或更多位的二進制數(shù)來表示，以提高取樣值的量化精度。進制數(shù)來表示，以提高取樣值的量化精度。利用模利用模/數(shù)轉換：數(shù)轉換：t=0 4V100t=1ms 6V 110t=2ms 3V 011t=3ms 1V 001t=4ms 4V 100數(shù)字數(shù)

19、字調制調制 100(4)011(3) 001(1) 100(4)1 1111數(shù)字信號數(shù)字信號電壓電壓/V(b)1100000 000110(6)0 1 2 3 4 t/ms 模擬信號電壓模擬信號電壓/V 8 6 4 2t/ms(a)0 1 2 3 4 t/ms 2.2.光光的的偏振偏振偏振光偏振光概述概述偏振光偏振光的矩陣表示的矩陣表示偏振偏振器件的矩陣表示器件的矩陣表示2.1 2.1 光光的的偏振偏振概述概述光的偏振（光的偏振（Polarization of light）現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)）現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)Found by Etienne Louis Malus (1775-1812) who is Fr

20、ench army officer and engineer ；One evening in 1808 while standing near a window in his home in Paris, Malus was looking through a crystal of Iceland spar(冰洲石）冰洲石）at the setting sun reflected in the windows across the street. As he turned the crystal about the line of sight, the two image of the sun

21、 seen through the crystal became alternately darker and brighter, changing every 90o of rotation. After this accidental observation Malus followed it up quickly by more solid experimental work and concluded that the light by reflection on the glass, became polarized.2.1 2.1 偏振光概述偏振光概述一、偏振光與自然光（一、偏振光

22、與自然光（Polarized light and Natural light） 1、自然光：、自然光：具有一切可能的振動方向的許多光波之和。具有一切可能的振動方向的許多光波之和。 特點：振動方向的無規(guī)則性。特點：振動方向的無規(guī)則性。 表示：可用兩個振動方向垂直的、強度相等的、表示：可用兩個振動方向垂直的、強度相等的、 位相關系不確定位相關系不確定的光矢量表示。的光矢量表示。 自然光Natural light2、偏振光（、偏振光（Polarized light）：）： 光矢量的方向和大小有規(guī)則變化的光光矢量的方向和大小有規(guī)則變化的光 線偏振光（線偏振光（Linearly polarized li

23、ght）：光矢量方向：光矢量方向不變，其大小隨位相變化。不變，其大小隨位相變化。 圓偏振光（圓偏振光（Circularly polarized light）：光矢量大：光矢量大小不變，其方向繞傳播方向均勻轉動，小不變，其方向繞傳播方向均勻轉動，且矢量末端軌跡為圓。且矢量末端軌跡為圓。 橢圓偏振光（橢圓偏振光（Elliptically polarized light）：光矢量：光矢量大小和方向都在有規(guī)律地變化，且矢量大小和方向都在有規(guī)律地變化，且矢量末端軌跡為橢圓。末端軌跡為橢圓。2.1 2.1 偏振光概述偏振光概述偏振光方程)cos()cos(00ztEEztEEyExEEyyxxyx2 2

24、偏振光（偏振光（Polarized lightPolarized light）振動平面：振動平面：光矢量與傳播方向組光矢量與傳播方向組成的平面稱為線偏振成的平面稱為線偏振光的振動平面光的振動平面;1 1）線偏振光）線偏振光 (Linearly polarized light)(Linearly polarized light)cos()cos(00ztEEztEEyyxx 在在 Ex-Ey 平面上平面上,電矢量的軌跡為一直線電矢量的軌跡為一直線:const00yxyxEEEE2) 圓偏振光圓偏振光(Circularly polarized light)00yxEE右旋右旋2z迎著光的傳播方向觀

25、察迎著光的傳播方向觀察 2左旋左旋3) 3) 橢圓偏振光橢圓偏振光 (Elliptically polarized light)(Elliptically polarized light)20左旋左旋右旋右旋z 電矢量端點軌跡的投影為橢圓。電矢量端點軌跡的投影為橢圓。每一時刻的電矢量可分解為每一時刻的電矢量可分解為 )cos()cos(00ztEEztEEyyxxphiEEEEEEEEyxyxyyxx2sincos200202202自然光部分偏振光 自然光在傳播過程中，由于外界的作用造成振動方自然光在傳播過程中，由于外界的作用造成振動方向上強度不等，使某一方向上的振動比其它方向上的振向上強度不等，使某一方向上的振動比其它方向上的振動占優(yōu)勢。動占優(yōu)勢。 Partial polarized lightNatural light3 3、部分偏振光、部分偏振光( Partially polarized light)( Partially polarized light)2.2 2.2 偏振光的矩陣表示偏振光的矩陣表示)(0)(0)(000),(tkzjtkzjytkzjxeEyeExeEtzEyxyeExeEEyxjyjx00000可以象一般矢量用可以象一般矢量用2 1的列矩陣表示：的列矩陣表示：000000001000 xyjxyjxjyj