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。
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。
– 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：
– 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
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
• 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
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。
– 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。
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
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
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