光学信号的调制 (1)

电光调制实验一 实验原理电光调制实验仪作为高等院校新一代的物理实验仪器，在基础物理实验和相关专业的实验中用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通讯与光信息处理的实验研究。

电光调制器的调制信号频率可达 Hz 量级，因而在激光通讯、激光显示等领域中有广泛的应用。

（一）电光调制原理某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。

电光效应分为两种类型：（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。

（2）二级电光（克尔—Kerr ）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。

本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。

图1 横向电光效应示意图如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ：rE n n 30=∆式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。

n 0为晶体对寻常光的折射率。

当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率10910~10１的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数： U d l r n rE n nl ⎪⎭⎫ ⎝⎛==∆=3030222λπλπλπδ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed 。

当相差πδ=时，所加电压l d r n U U 302λπ== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。

光学基础知识调制传输函数M T F解读集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-光学基础知识：摄影镜头调制传输函数MTF解读作者：老顽童镜头是摄影师和摄影爱好者投资最高的设备之一，也是决定拍摄质量的最重要的因素。

因此，镜头的质量，历来受到极大的重视。

我们当然会很关心摄影镜头的测量方法。

摄影的最终产品是照片，所以，根据拍摄照片的质量来评价镜头质量，这是我们最先想到的，也是最基本的测试镜头的方法。

实拍照片评价镜头质量的优点是结果直截了当，根据效果判断，比较放心。

不过决定照片质量的客观因素很多，而一张照片的“好”与“坏”又需要人的主观判断，很难通过测量得出客观的定量结果。

大量的事实表明，影响拍摄质量最重要的因素是镜头的分辨率和反差。

反差大小可以通过仪器很容易测量，而分辨率就不那么容易了！现在我们经常采用拍摄标准分辨率板的方法测量镜头的分辨率。

将拍摄了标准分辨率板的底片放到显微镜下人工判读，看最高能够分辩多少线条密度。

分辨率的单位是线对/毫米(lp/mm)，一黑一白两条线算是一个线对，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。

由于这种方法还是要受到胶片分辨率的客观影响和人工判读的主观影响，所以并不是最准确最理想的方法。

现在，让我们从另一个角度出发，将镜头看作一个信息传递系统：被拍摄景物反射出来的光线是它的输入信息，而胶片上的成像就是它的输出信息。

一个优秀的镜头意味着它的输出的像忠实的再现了输入方景物的特性。

喜欢音响的朋友都知道，高保真放大器的输出，应当准确地再现输入信号(图1)。

当输入端输入频率变化而幅度不变的正弦信号时，输出正弦波信号幅度的变化反映了放大器的频幅特性。

频幅特性越平坦，放大器性能越好 (图2)！图1 放大器准确再现输入信号图2 放大器的频幅特性类似的方法也可以用来描述镜头的特性。

由数学证明可知，任何周期性图形都可以分解成亮度按正弦变化的图形的叠加，而任何非周期图形又可以看作是周期图形片断的组合。

1. 光束调制原理：解决将信息加载到激光上的问题，完成这一过程的装置称为调制器激光称为载波，起控制作用的低频信号称为调制信号2. 内调制：加载信号在激光振荡过程中进行，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。

外调制：激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制3. 若调制信号的时间余弦函数为光波成为调幅波 4. 光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡，因为都表现为总相角的变化，因此统称为角度调制。

频率调制：角频率ω c 不再是常数，而是随调制信号变化5. 强度调制：使光载波的强度（光强）随调制信号规律变化，光束调制多采用强度调制形式，因为接收器一般都是直接响应光强变化。

光强表达式： 6. 前三种调制属于模拟调制，得到的调制波都是连续振荡波。

脉冲调制﹑脉冲编码调制采用不连续状态进行调制。

脉冲调制：先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量（幅度﹑宽度﹑频率﹑位置等）进行电调制，使之成为已调制脉冲序列。

然后用这电脉冲序列对光载波进行强度调制，得到相应变化的光脉冲序列7. 脉冲编码调制：把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光波进行强度调制。

实现调制的三个过程： 1.抽样2.量化3.编码：8. 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）。

9. 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。

10. 电光调制：电光效应——某些介质的折射率在外加电场的作用下，由于极化现象而出现光学性能的改变，影响到光波在晶体中传播特性的一种现象。

电光效应的实质——在光11. 12. 纵向电光调制： a 、装置的结构简单，工作稳定，不会受到自然双折射的影响，b 、缺点是半波电压太高，高压电源的制作困难。

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。

光调制器原理
光调制器是一种可以控制光信号的强度、频率、相位等参数的设备。

其原理主要基于光学、电学和材料学的相互作用。

光调制器的基本原理是光的干涉、衍射和电光效应。

一般来说，光调制器可以分为两种类型：干涉型和电光型。

1. 干涉型光调制器：
干涉型光调制器利用光的相位和干涉现象来进行光的调制。

其中，最常见的干涉型光调制器是马赫曾德干涉仪(MZI)。

该器
件由两个光纤引入输入端，之后再通过一个分束器，将光信号分为两个不同的路径。

这两个信号经过不同的光程后再次合并，形成干涉现象。

通过改变其中一个路径的光程差，可以改变干涉的结果，从而实现光信号的调制。

2. 电光型光调制器：
电光型光调制器利用光在介质中的折射率随电场变化的特性来进行光的调制。

最常见的电光型光调制器是基于电光效应的调制器。

该器件由一个波导和电极组成。

当施加电压时，电场会改变波导中的折射率，从而改变光的传输特性。

通过改变电场的强度、频率等参数，可以对光信号进行调制。

总之，光调制器通过改变光信号的干涉、电场等性质，实现对光信号的调制。

这种调制可以在光纤通信、光传感、光存储等领域中起到重要的作用。