第四章光調(diào)制技術(shù)

第四章光調(diào)制技術(shù)第一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五●4.1光束調(diào)制原理光波的電場強度為:【調(diào)制】如果能夠應(yīng)用某種物理方法改變光波的這些振幅、頻率、相位、強度等參量之一，使其按照調(diào)制信號的規(guī)律變化，就稱激光束就受到了信號的調(diào)制，即達到“運載”信息的目的。光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(diào)制等。第二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五1、振幅調(diào)制定義：振幅調(diào)制就是載波的振幅隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。載波信號：調(diào)制信號：第三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五調(diào)幅波為：三角關(guān)系展開第四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五圖4-1調(diào)幅波頻譜第五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五2、頻率調(diào)制和相位調(diào)制調(diào)頻或調(diào)相就是光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。定義：若調(diào)制信號仍為一余弦函數(shù)，則調(diào)頻波的總相角為：【頻率調(diào)制】第六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五則調(diào)制波的表達式為：其中稱為頻率比例系數(shù)稱為調(diào)頻系數(shù)相位調(diào)制就是載波中的相位角隨調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化。【相位調(diào)制】第七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五調(diào)相波的總相角：則調(diào)相波的表達式為：第八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五3、強度調(diào)制光束強度定義為光波電場的平方，其表達式為：第九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五于是，強度調(diào)制的光強可表示為：仍設(shè)調(diào)制信號是單頻余弦波，則：第十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五由于調(diào)頻和調(diào)相寫成統(tǒng)一的形式：按三角公式展開．并應(yīng)用：第十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五得到：由此可見，在單頻余弦波調(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組成。第十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五4、脈沖調(diào)制第十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制(脈沖編碼調(diào)制)在一種不連續(xù)狀態(tài)下進行的調(diào)制。

脈沖調(diào)制是用間歇的周期性脈沖序列作為載波，并使載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。第十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五6、脈沖編碼調(diào)制

這種調(diào)制是把模擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調(diào)制。要實現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進行三個過程：抽樣、量化和編碼。第十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五●4.2電光調(diào)制【基本要求】1、基本原理；2、電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)1、電光強度調(diào)制◆縱向電光調(diào)制器及其工作原理第十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五圖4-4縱向電光強度調(diào)制第十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五1）即進入晶體后z=0處的兩個分量：因此入射光強度為：2）當光通過長度為L的晶體之后第十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五由于電光效應(yīng)兩分量間產(chǎn)生一定的相位差。3）通過檢偏器后的總電場強度：第十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五與之相應(yīng)的輸出光強為：于是得到調(diào)制器的透過率：第二十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五圖4-5電光調(diào)制特性曲線第二十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五為了獲得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的相位延遲：★方法：一、附加一個的固定偏壓二、光路上插入一波片☆以第二種辦法為例：第二十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五總相位差為：式中：是相應(yīng)于外加調(diào)制信號電壓的相位差所以，透過率為：第二十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五展開后得：輸出的調(diào)制光中含有高次諧波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變。高次諧波與基頻波成分的比值為：第二十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五作為線性調(diào)制的判據(jù)。

故為了獲得線性調(diào)制，要求調(diào)制信號不宜過大(小信號調(diào)制)，那么輸出光強調(diào)制波就是調(diào)制信號的線性復(fù)現(xiàn)?！锾攸c：縱向電光調(diào)制器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、不存在自然雙折射的影響等優(yōu)點。其缺點是半波電壓太高，特別是在調(diào)制頻率較高時，功率損耗比較大。第二十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五★應(yīng)用—激光器中的電光調(diào)Q技術(shù)部分反射激光工作物質(zhì)偏振片KD*P全反射第二十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五圖1使用電光調(diào)制器的光通信線路第二十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五◆橫向電光強度調(diào)制橫向電光效應(yīng)的運用可以分為三種不同形式，這里以①沿z軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與x軸或y軸成45度夾角(晶體為45度-z切割）為例。第二十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五方向上的兩偏振光在出射后的相位差為：

KDP晶體橫向電光調(diào)制的主要缺點是存在自然雙折射引起的相位延遲。結(jié)果是晶體的折射率差隨溫度而變化。從而導(dǎo)致調(diào)制光發(fā)生畸變。第三十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五★常用的補償方法有兩種：1）是將兩塊尺寸、性能完全相同的晶體的光軸互成

90度串聯(lián)排列，即一塊晶體的y‘和z軸分別與另一塊晶體的z和y'平行；2）另一種方法是，兩塊晶體的z軸和y‘軸互相反向平行排列，中間放置半波片。第三十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五★補償原理

1）當它們經(jīng)過第一塊晶體之后，兩束光：即x’方向偏振的和z方向偏振光的相位差為：第三十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五2）經(jīng)過半波片后，兩束光的偏振方向各旋轉(zhuǎn)90度，經(jīng)過第二塊晶體后，原來的e1光變成了o2光o1光變成e2光，則它們經(jīng)過第二塊晶體后，其相位差：于是，通過兩塊晶體之后的總相位差為：第三十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五優(yōu)點：橫向半波電壓是縱向半波電壓的d/L倍。減小d，增家長度L可以降低半波電壓。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其尺寸加工要求極高。所以，對KDP晶體而言，一般不用橫向電光調(diào)制。橫向電光調(diào)制的特點：第三十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五2、電光相位調(diào)制圖2電光相位調(diào)制原理圖第三十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化量為：相應(yīng)的折射率為：第三十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五若外加電場是：在晶體入射面(z=0)處的光場為：則輸出光場(z＝L處)就變?yōu)椋旱谌唔?，共七十六頁，編輯?023年，星期五3、電光調(diào)制器的電學性能1）外電路對調(diào)制帶寬的限制★電光調(diào)制器的等效電路電光調(diào)制器的等效電路圖作用到晶體上的實際電壓為：第三十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五調(diào)制器的并聯(lián)諧振回路其最大可容許調(diào)制帶寬為：第三十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五當調(diào)制晶體的種類、尺寸、激光波長和所要求的相位延遲確定之后，其調(diào)制功率與調(diào)制帶寬成正比關(guān)系?！艚Y(jié)論2）高頻調(diào)制時渡越時間的影響當調(diào)制周期與光的渡越時間可以相比擬時，光波在晶體中各部位所受到的調(diào)制電場是不同的，相位延遲的積累受到破壞。第四十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五總的相位延遲為：積分結(jié)果為：高頻相位延遲縮減因子只有當時，無縮減作用。第四十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五光波在晶體內(nèi)的渡越時間必須遠小于調(diào)制信號的周期，才能使調(diào)制效果不受影響。這意味著對于電光調(diào)制器．存在一個最高調(diào)制頻率的限制?！艚Y(jié)論4、電光波導(dǎo)調(diào)制器波導(dǎo)調(diào)制器是將具有電光特性的材料做成光波導(dǎo)，調(diào)制電場加在通光波導(dǎo)區(qū)，由于E3＝V/d，因而可以在很低的外加電壓下獲得所需的調(diào)制場強。第四十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五波導(dǎo)調(diào)制器的單位帶寬驅(qū)動功率比體調(diào)制器的低得多，因而調(diào)制效率要高得多。

波導(dǎo)調(diào)制器除了通過感應(yīng)折射率變化來改變光波相位實現(xiàn)調(diào)制外，還可以通過波導(dǎo)特性，如模式轉(zhuǎn)換、模式耦合、定向耦合等特性來實現(xiàn)光的直接強度調(diào)制與開關(guān)等?！镎{(diào)制原理第四十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五平面波導(dǎo)的橫截面第四十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五★舉例干涉儀型電光波導(dǎo)強度調(diào)制器第四十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五兩輸出光的相位差為：合成后輸出干涉光強為：★特點：用Ti擴散LiNbO3波導(dǎo)制成的MZ干涉型調(diào)制器，其調(diào)制深度可達80％，半波電壓約3.6V，功耗35uW/MHz左右，調(diào)制帶寬可達17GHz。第四十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五4.3聲光調(diào)制■聲光調(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)動電源等組成。第四十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五而作為聲光調(diào)制器來說，無論屬于哪種類型（喇曼－奈斯型衍射或布喇格型衍射），調(diào)制器都有兩種工作方式，一種是將零級光束作為輸出；另一種是將1級衍射光束作為輸出。當聲波振幅隨著調(diào)制信號改變時，各級衍射光的強度也將隨之發(fā)生相應(yīng)變化。若將某一級衍射光和為輸出，利用光闌將其它衍射級遮攔，則從光闌孔出射的光束就是調(diào)制光?！稣{(diào)制原理第四十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五聲光調(diào)制特性曲線為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變．則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。第四十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五◆拉曼-納斯型衍射第五十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五【原理】其各級衍射光強正比于【特點】拉曼-納斯型衍射效率低，光能利用率也低，當工作頻率較高時，聲與作用區(qū)長度L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。第五十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五◆布喇格型衍射第五十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五【原理】其各級衍射光的衍射效率（聲功率比較小時）【特點】拉曼-納斯型衍射效率低，光能利用率也低，當工作頻率較高時，聲與作用區(qū)長度L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。第五十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五【原理】0級和1級衍射光強分別為【特點】衍射效率與超聲驅(qū)動功率的關(guān)系：布喇格衍射必須使光束以布則格角入射，同時在相對于聲波陣面對稱方向接收衍射光束時，才能得到滿意的結(jié)果。布喇格衍射由于效率高，且調(diào)制帶寬較寬，故多被采用。第五十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五◆調(diào)制帶寬調(diào)制帶寬是聲光調(diào)制器的一個重要參量，它是衡量能否無畸變地傳輸信息的一個重要指標，它受到布喇格帶寬的限制。第五十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五★結(jié)論聲光調(diào)制器的帶寬與聲波穿過光束的渡越時間()成反比，即與光束直徑成反比，用寬度小的光束可得到大的調(diào)制帶寬。但是光束發(fā)散角不能太大，否則，0級和1級衍射光束將有部分重疊，會降低調(diào)制器的效果。因此，一般要求，于是可得即最大的調(diào)制帶寬近似等于聲頻率的一半。因此，大的調(diào)制帶寬要采用高頻布喇格衍射才能得到。第五十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五◆聲光調(diào)制器的衍射效率要得到100％的調(diào)制所需要的聲強度為：或是聲功率為：

聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2越大，欲獲得100％的衍射效率所需要的聲功率越小。而且電-聲換能器的截面應(yīng)做得長(L大)而窄(H小)；然而，作用長度L的增大雖然對提高衍射效率有利，但會導(dǎo)致調(diào)制帶寬的減小。第五十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五◆聲光波導(dǎo)調(diào)制器第五十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五★舉例：聲光調(diào)Q技術(shù)第五十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五4.4磁光調(diào)制第六十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五1、半導(dǎo)體激光器(LD)的調(diào)制特性4.5直接調(diào)制【LD的工作原理】

半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。第六十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五3.5直接調(diào)制1、半導(dǎo)體激光器(LD)直接調(diào)制的原理補充：【LD的工作原理】

半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。第六十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五圖DH激光器工作原理(a)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)能帶；(c)折射率分布；(d)光功率分布第六十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五

圖3典型半導(dǎo)體激光器AlGaAs/GaAs的光功率特性第六十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五【如何獲得線性調(diào)制】a）電路圖b）調(diào)制特性曲線第六十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五為使調(diào)制不產(chǎn)生畸變，需要做到：1、輸出功率與電流呈良好的線性關(guān)系。2、采用條寬較窄結(jié)構(gòu)的激光器。3、直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器的能力受到脈沖寬度與頻寬的限制，故在高頻調(diào)制下宜采用量子阱器或其他外調(diào)制器第六十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五2．半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的調(diào)制特性

圖4兩類發(fā)光二極管(LED)(a)正面發(fā)光型；(b)側(cè)面發(fā)光型第六十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期五