光調(diào)制器

1、,,對(duì)于光電子系統(tǒng)，無論其具體結(jié)構(gòu)如何，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)——利用光來傳遞信息。所謂光波的調(diào)制就是將欲傳遞的信息加載到光波上的過程。 光載波由于其頻率極高 Hz，可能達(dá)到的有效帶寬大約為射頻段的 倍，因此光載波所能攜帶的信息量遠(yuǎn)高于無線電波，且利用光來傳遞信息具有極高的保密性、抗干擾性。,概述,把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d于光波上，對(duì)光的參量（振幅、頻率、相位、偏振狀態(tài)和傳播方向等）進(jìn)行控制使其發(fā)生變化并攜帶信息的過程稱為調(diào)制

2、。一般應(yīng)用最多的是對(duì)光的振幅調(diào)制。因?yàn)楣鈴?qiáng)與光的振幅平方成正比例，因此對(duì)光的振幅調(diào)制也就是對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。調(diào)制的目的：對(duì)所需處理的信號(hào)或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形式的變換，使之便于處理、傳輸和檢測(cè)。,,光電系統(tǒng)基本模型,光發(fā)射機(jī),光學(xué)信道,光接收機(jī),→,→,,,,光源,主動(dòng)式光電系統(tǒng)基本模型,光學(xué)信道,接受鏡系統(tǒng),光調(diào)制器,光電探測(cè)器,檢測(cè)電路,→,→,→,→,→,光發(fā)射機(jī),光接收機(jī),第一部分●1.1 各種調(diào)制方法的原理分析 （以振幅調(diào)制

3、為例）第二部分●2.1 光源直接調(diào)制●2.2 光源外部調(diào)制第三部分●3.1 三種常用的調(diào)制器件（以電光調(diào)制為例）,1、振幅調(diào)制（AM）,定義：,振幅調(diào)制就是載波的振幅隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的振蕩，簡(jiǎn)稱調(diào)幅。,載波信號(hào)：,調(diào)制信號(hào)：,,第一部分●1.1各種調(diào)制方法的原理分析 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(qiáng)度調(diào)制等。,調(diào)幅波為：,,三角關(guān)系展開,圖1-1 調(diào)幅波頻譜,,由此可見，即使能夠?qū)φ穹M(jìn)行線性調(diào)制

4、，解調(diào)出來的信號(hào)已變成二次函數(shù)，除非在調(diào)制前先將欲傳遞的信息q進(jìn)行預(yù)處理，使其具有如下形式：,這樣經(jīng)調(diào)制后方能得到真實(shí)的原始信息。,在振幅調(diào)制時(shí)，若調(diào)制信號(hào)為具有周期性結(jié)構(gòu)的時(shí)變信號(hào)，則解調(diào)出來的信號(hào)將包含有諧波成分，形成干擾和失真，這一點(diǎn)尤其要注意。,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(hào)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(hào)仍為一余弦函數(shù)，則調(diào)頻波的總相角為：,【頻率調(diào)制】,則調(diào)制

5、波的表達(dá)式為：,相位調(diào)制就是載波中的相位角隨調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化。,【相位調(diào)制】,,調(diào)相波的總相角：,則調(diào)相波的表達(dá)式為：,3、強(qiáng)度調(diào)制,強(qiáng)度調(diào)制由于具有易于實(shí)現(xiàn)，無解調(diào)失真等優(yōu)點(diǎn)，因而是人們大量使用的一種調(diào)制方法。,振幅調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制的一個(gè)共同缺點(diǎn)就是易受到干擾，如光源的漂移，傳輸信道的漂移等都可能使光強(qiáng)發(fā)生變化，從而使信號(hào)受到干擾。一種行之有效的方法就是所謂的二次調(diào)制，即先將欲傳遞的信號(hào)調(diào)制成與振幅無關(guān)的形式，如頻率，脈沖等，

6、然后再用這種經(jīng)過預(yù)調(diào)制的信號(hào)對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，這樣所傳遞的信息便與光強(qiáng)無關(guān)，從而大大提高了其抗干擾性。另一種抑制光源波動(dòng)影響的方法是設(shè)置參考通道，從參考通道中提取波動(dòng)（或漂移）的信息，再?gòu)闹餍诺乐杏枰钥鄢?4、脈沖調(diào)制,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(jìn)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(hào)規(guī)律變化的調(diào)制方法。,5、脈沖編碼調(diào)制（數(shù)字式調(diào)制）,這種調(diào)制是把模

7、擬信號(hào)先變成電脈沖序列，進(jìn)而變成代表信號(hào)信息的二進(jìn)制編碼，再對(duì)光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。,要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過程：抽樣、量化和編碼。,,,第二部分 將信息加載到光波上有許多方法，依加載位置分類可分為兩大類：一類是用電信號(hào)去調(diào)制光源的驅(qū)動(dòng)電源；另一類是直接對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。前者主要用于光通訊，后者主要用于光傳感。簡(jiǎn)稱為：內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。,,,2.1 光的內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制),· 把承載信息的電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)電流直接施加

8、在激光器上，在激光振蕩過程中進(jìn)行的，即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。,,,·內(nèi)調(diào)制是指從發(fā)光器的內(nèi)部采取措施，使光受到的調(diào)制。內(nèi)調(diào)制的特點(diǎn)是：1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；2.帶寬窄，小于2.5Gbps.光源直接調(diào)制的缺點(diǎn)：1.只能對(duì)半導(dǎo)體光源 進(jìn)行直接調(diào)制；2.對(duì)LED等的調(diào)制時(shí)的 瞬態(tài)特性存在電光延遲 和張弛振蕩。。,,,①電光延遲：輸出光脈沖在時(shí)間上滯后于激勵(lì)的電脈沖。電

9、光延遲時(shí)間(或開通延遲)，一般為納秒量級(jí)。②張弛振蕩：當(dāng)電脈沖注入激光器之后，輸出光脈沖頂部出現(xiàn)衰減式的阻尼振蕩，稱為張弛振蕩。,光收發(fā)一體模塊（optical transceiver）,,,2.2光的外調(diào)制,外調(diào)制是指發(fā)光器和調(diào)制器是分開設(shè)立的，使光在傳播過程中受到調(diào)制的一種方式。即激光形成之后，在激光器外的光路上放置調(diào)制器，在調(diào)制器上加調(diào)制信號(hào)電壓，改變調(diào)制器的物理特性，當(dāng)激光通過調(diào)制器時(shí)，就會(huì)使透過光波的某參量受到調(diào)制。外調(diào)制不

10、是改變激光器參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光的物理性質(zhì)（強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等參數(shù)）。 其特點(diǎn)是，發(fā)光器與調(diào)制器沒有內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)行起來比較簡(jiǎn)單，容易調(diào)整,且比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高(約一個(gè)數(shù)量級(jí)也就是10倍的關(guān)系)。所以，現(xiàn)在光電裝置中多數(shù)都采用外調(diào)制方式。調(diào)制器的性能對(duì)調(diào)制質(zhì)量影響很大，一般對(duì)調(diào)制器的要求是，性能穩(wěn)定，調(diào)制度高，損耗小，相位均勻，有一定的帶寬等。,,,外調(diào)制方式,外調(diào)制：,,,,現(xiàn)代調(diào)制方式

11、 現(xiàn)代調(diào)制器的工作基礎(chǔ)是物質(zhì)對(duì)外來作用產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)，例如，電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)等，本章將介紹這三種調(diào)制器件中的電光調(diào)制。,,,第三部分3.1 電光調(diào)制器的原理,電光調(diào)制器最重要的部分是電光晶體。電光晶體放在兩片正交偏振片之間。當(dāng)光通過時(shí)，加在晶體上的交變電壓使折射率發(fā)生變化，通過晶體的偏振光發(fā)生相位差，引起出射光強(qiáng)度變化。這樣，只要將電信號(hào)加到電光晶體上，光便被調(diào)制成載有信息的調(diào)制光。光在晶體中傳播的性質(zhì)可

12、用折射率橢球來描述，電場(chǎng)對(duì)光學(xué)介質(zhì)的影響，是電場(chǎng)使介質(zhì)的折射率橢球主軸方向和大小發(fā)生變化。,,,電光晶體,在電場(chǎng)作用下，某些晶體的折射率會(huì)發(fā)生變化，利用這種性質(zhì)，可對(duì)入射到晶體中的光束的強(qiáng)度、相位以及光束的出射方向進(jìn)行控制，此種晶體稱為電光晶體。,,,§1-4 電光調(diào)制器件,,,,電光效應(yīng)：是指某些介質(zhì)的折射率在外加電場(chǎng)的作用下而發(fā)生變化的一種現(xiàn)象。一般可以表示成如下形式：,,,,,線性電光效應(yīng)（普克耳效應(yīng)/一次電光效應(yīng)

13、））,二次電光效應(yīng)（克爾效應(yīng)）,a,b為電光系數(shù)，它們由材料的晶格結(jié)構(gòu)決定。,,,,指折射率的變化與外加場(chǎng)強(qiáng)成正比（如壓電晶體）， 由德國(guó)晶體物理學(xué)家普克爾斯（F. Pockels）于1893年首先預(yù)期，后來在石英等晶體得到證實(shí)。故又稱為普克爾斯效應(yīng) 。,普克爾效應(yīng),,,,克爾效應(yīng) 指與電場(chǎng)二次方成正比的電感應(yīng)雙折射現(xiàn)象。放在電場(chǎng)中的物質(zhì)，由于其分子受到電力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)各向異性，結(jié)果產(chǎn)生雙折射，即沿兩個(gè)不同方向，物

14、質(zhì)對(duì)光的折射能力有所不同。 這一現(xiàn)象是1875年J.克爾發(fā)現(xiàn)的。后人稱它為克爾電光效應(yīng)，或簡(jiǎn)稱克爾效應(yīng)。,,,克爾盒與普克耳盒 利用克爾效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為克爾盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為具有電光效應(yīng)的液體有機(jī)化合物。 利用普克耳效應(yīng)制成的調(diào)制器，稱為普克耳盒，其中的光學(xué)介質(zhì)為非中心對(duì)稱的壓電晶體。普克耳盒又有縱向調(diào)制器和橫向調(diào)制器兩種。,幾種電光調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)圖 a) 克爾盒  b) 縱調(diào)的普

15、克耳盒 c) 橫調(diào)的普克耳盒,,,當(dāng)不給克爾盒加電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)是透明的，各向同性的.非偏振光經(jīng)過P后變?yōu)檎駝?dòng)方向平行P光軸平面的偏振光。通過克爾盒時(shí)不改變振動(dòng)方向。到達(dá)Q時(shí)，因光的振動(dòng)方向垂直于Q光軸而被阻擋（P、Q分別為起偏器和檢偏器，安裝時(shí)，它們的光軸彼此垂直。），所以Q沒有光輸出；,,,給克爾盒加以電壓時(shí)，盒中的介質(zhì)則因有外電場(chǎng)的作用而具有單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，光軸的方向平行于電場(chǎng)。這時(shí)，通過它的平面偏振光則改變其振動(dòng)方

16、向。所以，經(jīng)過起偏器P產(chǎn)生的平面偏振光，通過克爾盒后，振動(dòng)方向就不再與Q光軸垂直，而是在Q光軸方向上有光振動(dòng)的分量，所以，此時(shí)Q就有光輸出了。,,,Q的光輸出強(qiáng)弱，與盒中的介質(zhì)性質(zhì)、幾何尺寸、外加電壓大小等因素有關(guān)。對(duì)于結(jié)構(gòu)已確定的克爾盒來說，如果外加電壓是周期性變化的，則Q的光輸出必然也是周期性變化的。由此即實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的調(diào)制。,,,右圖示出幾個(gè)偏振量的方位關(guān)系，其中，光的傳播方向平行于z軸（垂直于屏幕向里）；M和N分別為起偏器P和檢

17、偏器Q的光軸方向，二者彼此垂直；α為M與y軸的夾角，β為N與y軸的夾角，α+β＝π/2；外電場(chǎng)使克爾盒中電光介質(zhì)產(chǎn)生的光軸方向平行于x軸；o光垂直于xz面，e光在xz面內(nèi)。,對(duì)前圖a而言的幾個(gè)量的方位關(guān)系圖,,,設(shè)自然光經(jīng)過P后所產(chǎn)生的平面偏振光為 ：EM＝Esinωt    由于此光的傳播方向垂直于介質(zhì)光軸，所以，它通過介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生雙折射。但是，這個(gè)光的o光和e光在介質(zhì)中的折射率不同，而且o光的振

18、動(dòng)方向垂直于主截面（光軸與光線所構(gòu)成的平面），e光的振動(dòng)方向在主截面內(nèi)，所以，o光和e光在介質(zhì)中的傳播速度不同。,,,這兩種光在介質(zhì)的輸入端是同相的，而通過一定厚度的介質(zhì)達(dá)到輸出端時(shí)，將要有一定的相位差。因此，o光和e光在介質(zhì)輸出端的表達(dá)式為： e光：Exl＝Esinωtsinα o光：Eyl＝Esin(ωt+φ)cosα 式中，下標(biāo)l代表介質(zhì)厚度，φ代表o、e光通過厚度為l的介質(zhì)后所產(chǎn)生的相位差。,,,當(dāng)o、e光

19、達(dá)到Q時(shí)，只有平行于Q光軸N的分量能通過，垂直于N的分量則被阻擋。所以，通過Q的光為 ExN＝-Exlsinβ EyN＝Eylcosβ EN＝ExN+EyN＝E[sin(ωt+φ)cosαcosβ- sinωtsinαsinβ],,,可以證明，P與Q的設(shè)置，當(dāng)α＝β＝π/4時(shí)輸出最強(qiáng)，此時(shí)上式變?yōu)?ENm＝Esin(φ/2)cos(ωt+φ/2)

20、 ＝Acos(ωt+φ/2) 式中，A＝Esin(φ/2)為通過檢偏器Q的光振動(dòng)的振幅。,,,由于發(fā)光強(qiáng)度I正比于振幅的平方，則有 I∝A2＝E2sin2(φ/2) 此式對(duì)于克爾盒和普克耳盒都適用，其中的φ隨著盒中介質(zhì)的不同而不同。    對(duì)于具有克爾效應(yīng)的介質(zhì)，理論分析指出，o、e光通過厚度為l的介質(zhì)后，所產(chǎn)生的相位差為

21、 φ＝2πklU 2 / λ d 2 式中，k稱為克爾系數(shù)，與介質(zhì)種類有關(guān)；U為加到克爾盒兩電極板上的電壓；d為兩電極板間的距離?？梢姡藸柡兄笑张cU的平方成線性關(guān)系。,,,I∝A2＝E2sin2(φ/2) φ＝2πklU 2 / λ d 2,現(xiàn)作如下的討論：    1）如果U=0，則φ=0，I=0。這是不給克爾盒加電壓，Q無光輸出時(shí)的情形。    2）如果 U

22、 =d (λ/ 2kl) 1/2，則φ＝π，I∝E2。這是給克爾盒加電壓，而所加的電壓又滿足上式的情形，這時(shí)o、e光的相位差為φ＝π，Q有最大的光輸出。o、e光相位差等于π，相應(yīng)的光程差為λ/2，即(ne-no)l=λ/2。這時(shí)克爾盒的作用，相當(dāng)于一個(gè)1/2波片。所以，將滿足這一條件的電壓稱為半波電壓，記以Uλ/2或Uπ。    3）如果0＜U＜Uλ/2，則0＜φ＜π，I∝E2sin2(φ/2)。這即是

23、介于以上二者之間的情形。Q將因φ的不同而要阻擋一部分光，Q的光輸出，將是以φ/2為參量，按正弦平方的規(guī)律變化。,,,克爾效應(yīng)的時(shí)間響應(yīng)特別快，可跟得上1010Hz的電壓變化，因此可用它來作高速的電光開關(guān)。如果加到克爾盒上的電壓是由其它物理量轉(zhuǎn)換來的調(diào)制信號(hào)，克爾盒的光輸出就要隨著信號(hào)電壓而變化，這時(shí)克爾盒就是電光調(diào)制器。    克爾盒中所用的介質(zhì)，多數(shù)都是液體，但也有少數(shù)固體，如鈮酸鉭鉀和鈦酸鋇晶體等。

24、半波電壓一般為數(shù)千伏。,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(dòng)電源等組成。,而作為聲光調(diào)制器來說，無論屬于哪種類型，調(diào)制器都有兩種工作方式，一種是將零級(jí)光束作為輸出；另一種是將1級(jí)衍射光束作為輸出。當(dāng)聲波振幅隨著調(diào)制信號(hào)改變時(shí)，各級(jí)衍射光的強(qiáng)度也將隨之發(fā)生相應(yīng)變化。若將某一級(jí)衍射光和為輸出，利用光闌將其它衍射級(jí)遮攔，則從光闌孔出射的光束就是調(diào)制光。,■調(diào)制原理,聲光調(diào)制特性曲線,為了使調(diào)制波不發(fā)生畸變．

25、則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。,◆聲光波導(dǎo)調(diào)制器,★舉例：聲光調(diào)Q技術(shù),磁光調(diào)制,團(tuán)結(jié) 勤奮 求是 創(chuàng)新,,,,法拉第效應(yīng),,,,,按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125kHz和134.2kHz兩種，中頻射頻卡頻率主要為13.56MHz，高頻射頻卡主要為433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門禁控制、校園卡、動(dòng)物監(jiān)管、貨