光子學(xué)--第六章---光的調(diào)制課件

1、光子學(xué)第六章 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)： 主要介紹利用晶體線性電光(Pockels)效應(yīng)制成光的外調(diào)制技術(shù)7/24/20221光的內(nèi)調(diào)制技術(shù)輸 入輸 出光發(fā)射機(jī) 光 纖 光接收機(jī) 信號(hào)處理 光通信系統(tǒng)主要由光發(fā)射機(jī)、傳輸介質(zhì)-光纖和光 接收機(jī)。其原理圖如下所示：發(fā)射機(jī)輸入的電壓波形是 。通過輸入輸出特性，我們就可以開始研究發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。7/24/20222光的內(nèi)調(diào)制技術(shù)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 R7/24/20223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)生器的輸出來激勵(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）、脈沖的過沖量小于10；不產(chǎn)生寄生振蕩；消光比超過10:1。 壽命 在200C環(huán)境溫度時(shí)，光源的平均壽命應(yīng)超過10萬小時(shí)；在600C環(huán)境溫度時(shí)，平均壽命應(yīng)超過1000小時(shí)。7/24/20224當(dāng)前常用的LED也已有重大的提高工作電流一般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

3、源多用分布反饋的(DFB) ，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)100萬小時(shí)。光的內(nèi)調(diào)制技術(shù)7/24/20225LED發(fā)送機(jī)的電路LED電路數(shù)字調(diào)制模擬調(diào)制IPPI7/24/20226帶反饋控制的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)定性必須采取功率反饋穩(wěn)定和半導(dǎo)體致冷溫度穩(wěn)定反饋控制。對(duì)于多模光纖輸出 必須使進(jìn)入光纖的光功率的模式與進(jìn)入本機(jī)檢波器的模式是相同，才能得到穩(wěn)定有效的反饋控制。它取決于光束 分離器的特性。7/24/20227 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)檢波器的模式必須與輸出光纖的模

4、式一致。 為了用反饋方法使LED線性化，就要使光分路或光束分離器所選擇的模式分布與輸出光纖中的模式相同。對(duì)線性化的要求愈高，就愈難以實(shí)現(xiàn)。 LED反饋線性化的另一個(gè)問題是沿反饋環(huán)路的時(shí)延，它限制了反饋控制的模擬發(fā)送機(jī)的可用帶寬。 反饋線性化方法的推導(dǎo)請(qǐng)讀者行推導(dǎo)之(見講義)LED發(fā)送機(jī)的電路7/24/20228 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始增長(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，因?yàn)榭傒敵龅拇蟛糠止β手话?/p>

5、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7/24/2022900C20406080LEDLD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特性的差異PPII7/24/202210激光器發(fā)送機(jī)的電路模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制P7/24/202211LD預(yù)偏置 為了使激光器，通常要求將該器件“預(yù)偏置”到接近于閾值電流 Ib= 0.951.05Ith 。預(yù)偏置的優(yōu)點(diǎn)可避免器件內(nèi)部載流子密度 n(t)增加到與閾值電所需要的時(shí)延。在 Ith以上，信號(hào)電流使光功率迅速增長(zhǎng)遠(yuǎn)大于LED。預(yù)偏置的缺點(diǎn)： 與從零電流驅(qū)動(dòng)激光器的電路相比，增加了直流電源的 能量消耗。激光器發(fā)送機(jī)的電路7/24/

6、202212在某些特殊應(yīng)用中，光脈沖的寬度很窄（小于100ps)，重復(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)如下圖所示：激光器發(fā)送機(jī)的電路7/24/202213內(nèi)調(diào)制的缺點(diǎn)1.DFB-LD的固有線寬 () 當(dāng)前的分布反饋激光器 DFB-LB的光譜線寬因此 DFB-LD固有 的光譜線寬是極窄的。3.調(diào)頻-啁啾現(xiàn)象(啁啾系數(shù)為 )由于注入電流引起的光譜展寬為結(jié)論：克服啁啾引起光譜展寬的方法是用外調(diào)制技術(shù) 7/24/202214光的外調(diào)制技術(shù)光外調(diào)制系統(tǒng)圖外調(diào)制器種類1 晶體電光調(diào)制器2 半導(dǎo)體電吸收調(diào)制

7、器 LD外調(diào)制器 直流電源 電信號(hào) 光纖光輸出7/24/202215光的外調(diào)制技術(shù)張量性零階張量：只有大小變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、體積等。 當(dāng)由舊坐標(biāo)系X1,X2,X3變換為新坐標(biāo)系X1,X2,X3時(shí),對(duì)于質(zhì)量等標(biāo)量 T, (不起任何少作用)可表示為： T = T (零階張量)復(fù)數(shù)也屬于零階張量。7/24/202216一階張量-矢量一階張量：電磁場(chǎng) E、H等, 在坐標(biāo)系 Xi (i=1,2,3)中有三個(gè)分量，稱為矢量或一階張量。在坐標(biāo)變換時(shí), 其變換規(guī)律表為：式中 是新舊坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換矩陣-方向余弦(xixj)表示Xi軸與Xj軸之間的夾角 7/24/2

8、02217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。例如電位移矢量與電場(chǎng)之間的關(guān)系 為二階介電張量，以后我們將略去E,D等矢量上的箭頭符號(hào),對(duì) 等張量只要下面標(biāo)有下標(biāo)(i,j)等,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： (采用了愛因斯坦習(xí)慣）7/24/202218三階張量與四階張量三階張量的坐標(biāo)變換關(guān)系為：四階張量的坐標(biāo)變換關(guān)系為：7/24/202219晶體的折射率橢球高階張量的例 我們可用下式極化率矢量 P 來舉例說明7/24/202220 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)，一般折射率為。 對(duì)于光學(xué)介質(zhì)=1脫化為標(biāo)量,

9、則有 。如果介質(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，哪些分量等零，哪些分量不等于零決定于晶體的對(duì)稱性。一般折射率張量可以用二次曲面表示為橢球面：7/24/202221為了簡(jiǎn)化, 下標(biāo)ij可用如下的縮標(biāo)規(guī)則縮成一個(gè)標(biāo)： ij i 11 1 22 2 33 3 32 = 23 4 31 = 13 5 21 = 12 6則上式可寫成存在交義項(xiàng)的二次式： 晶體的雙折射7/24/202222主軸轉(zhuǎn)換 即將坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換到晶軸方向，則可以使交叉項(xiàng)等于零。 有下列三種情況:雙軸橢球晶體 單軸橢球晶體各向同性介質(zhì)-球面

10、(體) nij=n(i=j), nij=0(ij) 晶體的雙折射7/24/202223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)，折射率 nij 將隨電場(chǎng)的變化而變化。實(shí)際上用晶體的電感應(yīng)折射率張量與不加電場(chǎng)的主軸折射率張量之差B來表示晶體的折射率 ： 晶體的電光效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）7/24/202224Bij 是受到外電場(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， 則電光效應(yīng)可表示成( i=1-6，j=1,2,3)7/24/2022257/24/202226電光材料及其特性 7/24/202227 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

11、晶體，查表得其電光系數(shù)張量為：7/24/202228晶體的電光效應(yīng)則在電場(chǎng)作用下, KDP晶體(新坐標(biāo)軸下)的折射率為：7/24/202229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)7/24/202230晶體的電光效應(yīng)為了直觀地描述這個(gè)雙軸橢球體，一般采用數(shù)學(xué)上二階張量主軸化的方法，消除交叉項(xiàng)。7/24/202231求解方法解出三個(gè)本征值 根, 再分別代回本征方程，即可求出相應(yīng)的本征矢 ,它就是新的折射率橢球的主軸。 晶體的電光效應(yīng)7/24/202232求本征矢7/24/20223

12、3 晶體的電光效應(yīng)7/24/202234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，則光場(chǎng)在電感應(yīng)軸X1和X2分解成二個(gè)分量：7/24/202235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-x27/24/202236關(guān)于光的偏振特性7/24/202237Fig.1 E1 E2 之間的相位差 =0

13、or 時(shí)，其合矢量為45的線偏振光7/24/202238Fig.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 為任意值時(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。7/24/202239偏振態(tài)的 (方位角) (橢圓率角) 表示 YXaba2a1E橢圓偏振光場(chǎng)7/24/202240偏振光的Poincare球面表示Poincace球面表示偏振態(tài)P( , ) 其中 2 表示經(jīng)度，2 表示緯度。赤道表示所有的線偏振光等經(jīng)度線(大圓)表示等方位角的偏振光。 等緯度線(大圓), 表示等橢圓率角的偏振光。 上半球表示右旋橢圓偏振光極點(diǎn)表示右旋圓偏振光。下半球表示左旋橢圓偏振光 極點(diǎn)表示左旋圓偏振光。球面直角坐標(biāo) (Stokes 參量)P7/24/202241偏振光的Poincare球面表示赤道表示所有線偏振光上半球表示所有右旋橢圓偏振光 0下半球表示所有左旋橢圓偏振光 =45插入損耗(dB)0.5反射損耗(dB)60偏振相關(guān)損耗(dB)0.15偏振模色散(ps)0.05最大承受功率(mW)300工作溫度0-70C7/24/202278磁光隔離器應(yīng)用舉例帶有隔離器的DFB-LDDFB-LD 在光放大器EDFA中作隔離 PUMPP