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107532-光电子技术-5.光调制技术3

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《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap5

《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap5

与 都是对称二阶张量， ij ji 、 ij ji
简化下标得：
1 6 5 6 2 4
5 4 3 在主介电坐标系中上式简化为：
1 0 0 0 2 0
0 0 3
直角坐标系中，直观表示为：
• 中级晶族
– 三个主折射率中有两个主折射率相等，晶体的波矢面由 一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴 即为光轴；
• 高级晶族 – n1 =n2=n3 ，两个波阵面重合，晶体不再呈现双折射。
• 线性情况下，其特性与各向同性晶体一样， • 非线性情况下出现高阶介电张量，不同于各向同性晶体。
利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应 也可以制作电光调制器；
利用Pokels效应也可以制作电光调制器；
利用超声波作用下介质折射率周期性变化 的声光效应可以制作声光调制器；
利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光 隔离器。
利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行 超细光谱分析与激光稳频。
5.1晶体光学基础
波矢面图
2. 折射率椭球
——确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度
直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴分量表示为通式
x2 n12

y2 n22

z2 n32
1
代表一个椭球，称折射率椭球，
是晶体各向异性的几何表示，有性质：
• 其中任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个振 动方向；其长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。

x
0
0
y
0 0
0 0 z
晶体宏观对称性对应于张量分量个数和大小的制约关系，可使表达简化
低级晶族 对 称 性 不 中级晶族 同

光电子技术课件：第五章 光调制技术3

光电子技术课件：第五章 光调制技术3
• 激光的调制分为：
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。Fra bibliotek4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。

光电子技术_王俊波_电光调制

光电子技术_王俊波_电光调制

2020/10/21 共29页 19
UP
DOWN
BACK
根据(3.2-37)式，当 时，半波电压为
其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以
可见，横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小d，增加 长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所 以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。
UP
DOWN
BACK
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压， 但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
其二，在光路上插入一个1／4波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体主 轴x成45o 角，使E x’和E y’二分量间产生 /2 的固定相位差。 (3.2-30)式中的总相位差
x y
/4波片
P2 调制光 Io
检偏器
纵向电光强度调制
电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x’,y’。因此，沿z轴入射的光束经起偏 器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两 个分量，两个振幅(等于入射光振幅的2 1/ ）和相位都相等．分别为：
2020/10/21 共29页 20
UP
DOWN
BACK
二、电光相位调制
由起偏器和电光晶体组成。 起偏器的偏振方向平行于 晶体的感应主轴x’(或 y’)，此时入射晶体的线 偏振光不再分解成沿x’、 入射光 y’两个分量，而是沿着 x’(或y’)轴一个方向偏 振，故外电场不改变出射 光的偏振状态，仅改变其 相位，相位的变化为
另一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布， 形成电场图像，即随x和y坐标变化的强度透过率或相位分 布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进 行调制。

第5章 光的调制技术

第5章 光的调制技术
a ( t ) A m cos m t
调频：
E ( t ) A c cos( c t c )
t t dt c [ c k f a t ] dt c c t
k a t dt
f
c
E ( t ) A c cos( c t m f sin m t c )
2 2 2
I ( t ) E ( t ) Ac cos ( c t c )
a ( t ) A m cos m t
I (t ) Ac 2
2
m p k p A m 1
强度调制系数
1 m
p
cos m t cos ( c c )
2
强度调制的频谱除了载波分量和 对称分布的边频之外，还有低频和直 流分量。 为了提高抗干扰能力，采用二次 调制方式，即采用副载波进行强度调 制。


编码以后，信号转化为相应的二进制码， 用这一系列的电脉冲加到一个强度调制 器上，控制激光器的输出。
信息与通信学院 陈 明
第5章
光的调制技术
光电技术与应用课程

5.2 电光调制
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明

电光调制器
光电技术与应用课程
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
5.2.1 电光效应



第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
光电技术与应用课程 数字调制方式：脉冲调制

调制信号 幅度调制 脉宽调制 频率调制 脉位调制
信息与通信学院 陈 明

第三章光电子技术-1光波电调制

第三章光电子技术-1光波电调制

V
34
3.3 电光调制的物理基础
3.3.1电光效应 电光效应——某些介质的折射率在外加电场的 作用下而发生变化的一种现象。
( 1 n
线性电光效应 (普克耳效应)
2
) aE bE
2
二次电光效应 (克尔效应) a、b为一次、二次电 光系数，其值由材料 的结构和对称性决定。
35
Kerr effect
22
3.2.2强度调制
强度调制是直接对光强进行操作。
调制前： 调制后：
I I0 I I 0 f (Q )
23
强度调制的特点
能够实现线性解调； 使用中极易实现（如对光源进行调制）。
24
振幅(强度)调制的干扰问题
振幅调制和强度调制有一个共同点—— 易受干扰，如光源的波动，光信道的漂移等 因素均可带来光强的变化，使信号受到干扰。 故强度调制一般用在精度要求不高的场合。
27
3.2.3频率及相位调制
调制前：
E ( z , t ) E ( z ) sin( c t 0 )
E ( z , t ) E ( z ) sin ( f ( Q )) t 0
频率调制：
相位调制：
c
E ( z , t ) E ( z ) sin[ c t 0 f ( Q )]
28
特点及其讨论
PM和FM均是对光载波的角度量进行调制，而 角度量的变化并不能直接从光强上表现出来，故必 须在到达光电接收器件以前将角度量的变化转化成 光强的变化，常见的方法是借助与参考光进行干
涉解调（相干探测），其原理将在后面详细介绍。
29
特点
抗干扰能力强（主要指抗振幅、光强的波动） 灵敏度高 动态范围大 整个系统的成本高，主要是由于灵敏度太高，光源自 身的相位抖动或波长漂移均不可忽略，故高质量的光 源必然带来高的成本。此外，环境因素极易引入错误 的信息。

光电子学-第五章

光电子学-第五章

折射率椭球——迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象
折射率椭球方程：
x x x 1 n n n
折射率椭球的性质: (d,n)曲面
n1
2 1 2 1
2 2 2 2
2 3 2 3
n3
0
n2
x2
x1 折射率椭球的物理意义：表征了晶体折射率在晶体空
间的各个方向上全部取值分布的几何图形。
利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性
调制后：
-10 -5
0.5
5 -0.5
10
-1
e(t ) ( Ac KA0 cos m t ) cos(c t c ) Ac (1 m cos m t ) cos(c t c ) A(t ) cos( c t c )
-10 -5
1.5 1 0.5
5 -0.5 -1 -1.5
Null
I0 (1 m p sin m t ) cos2 (c t c ) 2 I 0 (光强最大增量) K p A0 mp I 0 2 (光强平均值) I0 2 I (t )
波形不失真要求mp<1，即：
-10 -5
1 0.8 0.6 0.4 0.2
5
1.4 1.2
2 2 2 折射率椭球主轴坐标系方程 x1 x2 x3 1 2 2 2
n1
n2
n3
对于单轴晶体有n1=n2=no,n3=ne,所以得到：
2 2 2 x1 x2 x3 2 1 旋转椭球 2 no ne
x3
" S k （ s）
取 : k (0,sin , cos )
ne DT n E

光电子技术 电光调制

§3第.2电三光章调制 光束的调制和扫描
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V

第5章 光调制技术


1. 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致） 通光方向与电场方向一致）
x P1 Ii 入射光 L Io 起偏器
~V
z y x′ y′
P2 调制光
λ/4波片 /4波片
检偏器
纵向电光强度调制
电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x’,y’ 。因此，沿z轴入射的光束经起偏器 变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两个分 量(双折射效应)，两个振幅(等于入射光振幅的1/ 2 ）和相位都相等．分别为：
一、电光强度调制 电光调制是基于线性电光效应（泡克耳斯效应） 电光调制是基于线性电光效应（泡克耳斯效应）即 光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。 光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。
当一束光通过晶体之后， 当一束光通过晶体之后，可以使一个随时间变化的电信号 转换成光信号， 光波的强度或相位变化来体现要传递的 转换成光信号，由光波的强度或相位变化来体现要传递的 信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。 信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。 根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不 同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方 可分为纵向调制和横向调制。 向平行，称为纵向电光调制； 向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂 纵向电光调制 直，称为横向电光调制。 称为横向电光调制。
两个新主轴为
、
平面内x、 轴转过45°的方向上。对应的三个主折射率为： ，在z=0平面内 、y 轴转过 °的方向上。对应的三个主折射率为： 平面内

光调制

光调制光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。

调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。

承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。

光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。

一、光调制的方法（1）直接调制法：外加信号直接控制激光器的泵浦源，如控制半导体激光器的注入电流，从而使激光的某些参量得到调制。

根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。

a 、半导体激光器（LD ）直接调制半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所 以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。

b 、半导体发光二极管（LED ）的调制半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，LED 的P －I 特性曲线的线性比较好。

c 、半导体光源的模拟调制无论是使用 LD 或LED 作光源，其调制线性好坏与调制深度m 有关：偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度=-=m m :L E D :LD d 、半导体光源的脉冲编码数字调制数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。

而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。

然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。

（2）腔内调制：腔内调制是通过改变激光器的参数如增益、谐振腔Q 值或光程等实现的，主要用于Q开关、腔测空、锁模等技术。

腔内调制又分为被动式与主动式两类。

①被动调制这种调制利用某些吸收波长与激光波长一致的可饱和吸收体(如染料)的非线性吸收特性。

光电子技术(第5版)第三章 光束的调制和扫描


I o [( E y )o ( E ) ]
(e
1)(ei 1) 2 A2 sin 2

2
2
*
y o
调制器的透过率：
T
Io

2 V
sin 2

sin



Ii
2
2 V
3.2.1 电光强度调制
1、纵向电光调制器及其工作原理
光电子技术（第5版）
第三章
本章内容
3.1 光束调制原理
3.2 电光调制
3.3 声光调制
3.4 磁光调制
3.5 直接调制
3.6 光束扫描技术
3.7 空间光调制器
3.1 光束调制原理
1. 1875年，英国Kerr发现电光效应Kerr效应，Kerr
盒是可做成电光调制器；
2. 用KDP（磷酸二氢钾）晶体在电场作用双折射效
I (t )
[1 m p cos m t ]cos 2 (c t c )
2
强度调制波的频谱可用角度调制的类似方法求得，其
结果与调幅波略有不同，其频谱分布除了载频及对称分
布的两边频之外，还有低频m和直流分量。
振幅、频率、相位、强度调制方式所得到的调制波都是
一种连续振荡波，统称为模拟调制。
变化，成为已调脉冲序列。然后再用这已调电脉冲序
列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光
脉冲序列。
3.1.4 脉冲调制
脉冲调制有脉冲幅度调制、
脉冲宽度调制、脉冲频率调制
和脉冲位置调制等。
脉位调制：每个脉冲的位置与未
调制时的位置有一个与调制信号
成比例的位移，得到相应的光脉
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• 激光பைடு நூலகம்调制分为：
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
P P
光源
t
t
V t
电信号输入
调制器
偏置控制
光信号输出
驱动器
50欧姆电阻
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 改变光的强度或者频率、偏振等特性的 技术统称为光调制技术。
• 改变光的传播方向也是一种调制技术， 在光的控制方面也有重要的应用。
• 本章讨论的光调制技术主要是通过调制， 将信息加载到光波上，达到传输的目的。
4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 随着激光、红外和光通信技术的发展，对各种光学 晶体元件的应用也越来越广泛，因此晶体光学也逐 步由专业学科向基础学科转变。晶体光学已成为一 门独立的基础课程。我们这里把晶体光学主要讲述 晶体光学的基本概念和调制应用。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 晶体是组成物质的微粒（原子、分子或者离子）或 者微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的 一种晶态固体。
– 晶体与非晶体的重要区别是晶体在不同的空间方向 上表现不同的光学特性，构成晶体的分子或原子按 一定方向排成周期性结构，如下面的长方体就是一 种结构。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 周期性排列、不断重复的微粒或者微粒群是 晶体的基本单元，称为基元。所有基元是相 同的，晶体中把这些基元用一些结点来表征， 于是，晶体内部结构就可以概括成为有一些 相同的结点在空间有规则的做周期性的分布。
中沿着每一个给定的波矢量方向，允许两个平面波传播，这两个
波有着不同的折射率（不同的相速）和不同的偏振态，这就是通
常所说的“双折射现象”。
4-52
5.2 光在晶体中的传播
• 上述的光在晶体中传输的特性可以用折射率椭球来描 述。
– 在直角主介电坐标系中，对于任给出的波矢量K传播的波面可 以由方程给出：
• 激光的外调制
– 在激光器谐振腔外的光路上放置光调制器件，将待 传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这 种调制器时，激光的某一参数（强度、位相、频率 等）发生改变，从而光波的特征上带有了被传输的 信号信息，实现了信号调制。
• 外调制方式不涉及激光器的内部结构，构成单独的一个 器 件，可采用各种性能优秀的激光器，因此被广泛使用。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。
第五章 光调制技术
北京航空航天大学
第五章 光调制技术
5.1 光信息系统的信号加载与控制 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制 5.6 光调制器件
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 光电技术对于光的研究主要内容是光的特 性、光的控制与光的应用。
• 光的应用
x2 n12
y2 n22
z2 n32
1
• 该椭球上任一矢径的方向表 示光波电位移矢量D的方向， 矢径的长度表示D沿矢量方向 振动的光波折射率。
• 对于任意给定的K波矢，利用 折射率椭球可求出光波D的偏 振方向和相应的折射率。
5.2 光在晶体中的传播 • 单轴晶体
– n1=n2≠n3，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体。
– 单轴晶体中，取Z轴为光轴 n1=n2=n0,, n3=ne
5.2 光在晶体中的传播
• 光在单轴晶体界面上的折射—双折射。
kzkxEx kzkyEy
k02n32
kx2
k
2 y
Ez 0
4-51
5.2 光在晶体中的传播
这一组齐次方程组有非零解的条件是其系数行列式为零
k02 n12
k
2 y
k
2 z
kykx
kzkx
kxky
k02 n22
k
2 x
k
2 z
kzky
kxkz
kykz
0
k02 n32
k
2 x
k
2 y
这是关于( n2)的一个二次方程，它确定（n2）为k ( kX , ky ,kz) 的函数。可以证明这个方程一般存在两个不相等的实根，这两个 根分别用n12 和 n22 表示，它们就是与波矢量 k0 相应的两个折射 率。还可求出与之分别对应的两个偏振态。因此，在给定的晶体
– 结点的结合成为点阵。
– 点阵结构形成了许多的直线和平面簇，构成 一种格子结构，称为晶体的晶格。 结点就 是晶格的格点。
5.2 光在晶体中的传播
晶体中的波动方程
由于晶体不同方向性质不同，我们称为各向异性，在均匀介质中，物 质方程为E= ε D，而在各向异性介质中，不同方向的介电常数ε是不同
的。这指的是，由 E场引起介质的极化在不同的方向不一致，从而造 成的电位移矢量 D不再与 E平行。具体地说，在空间由场产生的
– 光通信---将各种信息加载到光波上，利用光 波进行传播。
– 光传感—外界物理量影响到光波的传播特性。
• 光调制是分析控制光的技术。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
将各种信息加载到光波上，利用光波进行 传播是控制光波的一项重要内容，同时也 是光波应用的内容。
• 应用光波作为信息传递的方式拥有悠久而 古老的历史：
nij
0
1 ij
5.2 光在晶体中的传播
得到晶体中的波动方程
2E(r;t)
1 c2
2 E(r ; t ) t 2
0
2 P(r ; t ) t 2
在直角坐标系中
k02n12
k
2 y
kz2
Ex kxkyEy kxkzEz 0
kykxEx k02n22 kx2 kz2 Ey kykzEz 0
D 场的每一个分量都由E 场的三个分量的不同加权的线性组合而来。
Dx xxEx xyEy xzEz
Dy yxEx yyEy yzEz
或
Dx
Dy
xx yx
xy yy
xz yz
E E
x y
Dz zx zy zz Ez
Dz zx Ex zy Ey zz Ez