.,1,第二章光輻射的調制,2.1機械調制2.2電光調制2.3聲光調制2.4磁光調制,.,2,在光通信系統中，需要把聲音、圖像、數據信息加載到光波上進行傳輸。,在光電檢測系統中，使探測光為調制光，可以比非調制光具有更強的抗干擾能力。,調制的目的：光信息系統的信號加載與控制,調制的內容：是指改變光波振幅、強度、相位或頻率、偏振等參數，使之攜帶信息的過程。,.,3,光調制的優點:1.容量大2.易加載3.距離遠4.易保密5.抗電磁干擾能力強,.,4,光調制的方法：傳統方法：調制盤（對光輻射強度進行調制）；現代方法：利用外場的微擾引起介質的非線性極化，從而改變介質的光學性質。在外場下利用光和介質的相互作用而實現對光輻射振幅頻率、相位等參數的調制。,.,5,光輻射的現代調制方法：按調制是在光源內發生還是光源外進行分：內調制和外調制內調制：將欲傳輸的信號直接加載于光源，以改變光源的輸出特性來實現調制；只適用于一些特定的光源，如LD和LED的直接調制例：對半導體激光器的驅動電源用調制信號直接控制，實現對所發射激光強度的調制；又如：把調制元件放在諧振腔內，用欲傳輸的信號控制調制元件物理性質的變化而改變光腔參數，從而調制激光輸出。,.,6,外調制：將光源與調制器分開設立，在光源外的光路上放置調制器，將欲傳輸的信號加載于調制器，透過光的物理性質將發生變化，實現調制。電光調制聲光調制磁光調制熱光效應,外調制技術適用于所有光源。,.,7,常用方法:機電振子、旋轉調光盤等,2.1機械調制簡單易行,調制原理：用遮光或改變透過率方式作光通量的幅度調制。應用：常用于光電探測中需要抗干擾的場合,N,M,N,M,N,缺點：難進行高頻調制、體積較大等,.,8,2.1機械調制,利用斬波器通斷光通量，使探測光成為調制光。,調制光并配上合適的有源帶通濾波器，以克服雜散光的干擾。,斬波器,有源帶通濾波器,.,9,探測器輸出的光電流,設計有源帶通濾波器，f0為方波頻率。通頻帶f窄，雜散光被濾去。,.,10,優點：容易實現；能對輻射的任何光譜成分進行調制。缺點：有運動部分，壽命較短，體積較大，調制頻率不高。,一些機械調制裝置,.,11,2.2電光調制,在強電場作用下介質折射率改變而產生的光調制。適用于單色光源。,一、物理基礎：電光效應,線性電光效應（Pockels，1893年）,二次電光效應（Kerr，1875年）,介質原本是單軸晶體。,介質原本是各向同性晶體。,電光調制基于線性電光效應。,.,12,晶體的結構特征,空間點陣：晶體是由原子、分子或離子在空間按照一定的規則周期性排列形成的一種晶態固體。結點：晶體中的微粒叫基元，又叫結點。點陣：全部結點的總稱叫點陣。晶格：格子狀結構的點陣就叫晶格。格點：=結點晶胞：周期重復的最小基本（結構）單位晶胞常量,.,13,布喇菲點陣：根據空間對稱性，可以有14種點陣，稱布喇菲點陣，或稱14種晶胞14種晶胞共分7個晶系：三斜、單斜、正交（斜方）、正方（四角）、立方、三角、六角布喇菲點陣,.,14,三角,正交（斜方）,.,15,晶體的基本性質,1.自限性：晶體具有自發地形成封閉的凸幾何多面體的能力。2.晶面角守恒：指同一品種的晶體，兩個對應的晶棱間的夾角恒定不變。3.均勻性：晶體在不同的位置上具有相同的物理性質。4.最小內能性：長程有序性5.各向異性：晶體的宏觀性質隨觀察方向的不同而不同。典型體現：晶體的解理、雙折射。6.對稱性,.,16,光在晶體中的傳播特性,光在晶體中的傳播實際是光與晶體相互作用的結果：介質受到光波電場E作用后產生極化,極化強度用極化強度矢量P來表示,P與E之間的關系用宏觀物理量極化率來描述光輻射場對晶體的極化影響綜合效果集中表現為介電常量的變化，從而引起折射率變化：,.,17,通常材料的介電常量與外電場無關，但當外加電場較強時，介電常量便有微小的變化，從而引起折射率變化：,、為常量,線性電光效應，或Pockels效應（KDP、LiNbO3）,二次電光效應，或Kerr效應（BaTiO3、硝基苯液體）,、k由介質本身的性質決定，取決于晶體本身的結構和對稱性。,現在討論線性電光效應,.,18,晶體的雙折射,定義:是指光在各向異性介電晶體中傳播時,分為兩束偏振方向不同的光,向兩個方向折射通常情況下,o光與e光的傳播方向不同,各向同性介質,雙折射現象,外加強電場,.,19,電光效應,定義:當足夠強的外電場影響到晶體中的原子、分子的排列以及它們之間的相互作用,這種內部的,微觀的變化就導致晶體在宏觀上表現出極化強度及折射率也各向異性地發生變化，由于極化而出現光學特性（各向異性）的改變，影響到光波在介質中的傳播特性。電光效應實質：在光波電場與外電場的共同作用下，使介質出現非線性的極化過程。,.,20,1.的縱向電光效應,KDP負單軸晶體,強電場E/Z軸,KDP由單軸晶體變為雙軸晶體；線偏振光沿Z軸入射，分解成X、Y方向上振幅相同、但傳播速度不同的兩個線偏振光。,光傳播方向與電場方向一致,起偏器,.,21,KDP晶體沿z軸加電場時，由單軸晶體變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸逆時針旋轉了450角，此轉角與外加電場的大小無關。,.,22,X、Y方向兩偏振光射出晶體時有光程差:,則相位差為：,半波電壓:,造成光程差,電光相位延遲：在X、Y兩個方向的傳播速度如果不同,則在傳播過程中會產生相位延遲的現象，即產生相位差。,.,23,2.的橫向電光效應,光傳播方向與電場方向垂直,對KDP晶體采用45-Z切。強電場E/Z軸,KDP變為雙軸晶體。入射光沿X軸方向進入晶體，其偏振方向與Z、Y成45，在晶體中分解為Z、Y方向兩個振幅相同的線偏振光。,.,24,與Z軸對應的主折射率：,與Y軸對應的主折射率：,式中ne是晶體e光折射率，E=U/d，U為外加電壓。,兩個線偏振光射出晶體時有光程差：,則相位差為：,橫向電光效應包含了自然雙折射造成的相位差，易受溫度影響。采用組合調制器進行補償。,自然雙折射造成的相位差,電光效應引起的相位差,.,25,消除自然雙折射,橫向電光效應的優點：適當地增加L/d，就可以增強電光效應的作用而降低晶體上所需的電壓；電極設在橫向，不影響光的傳播；在外加電壓U一定時，加長晶體通光長度并不影響晶體內的電場強度，因而可以加長晶體長度獲得較大的相位延遲。,半波電壓為:,通常，縱向是數千伏，橫向只是數百伏。,.,26,3.電光晶體材料,用于線性電光效應的電光晶體，除要求電光效應強以外，還需綜合考慮：對使用的波段要有較高的透過率；光學均勻性好、耐壓高；對光波和調制波的損耗小；折射率隨溫度的變化較小；化學性質穩定，易于獲得大尺寸晶體等。,、,在可見和近紅外區主要有KDP類晶體、LiTaO3、LiNbO3、KTN等。在中紅外區有GaAs、Cucl、CdTe等。,KDP類晶體、LiNbO3（LN）晶體應用廣泛。,見表2.1,.,27,二、電光強度（或振幅）調制,在Pockels效應中，通過晶體的兩正交線偏振光形成了固定的相位差。,在晶體的光輸出端后置檢偏器P2，使N2N1。,透過檢偏器P2的光強I2便受到電信號的調制。,橫向電光調制裝置,.,28,縱向電光強度調制裝置,.,29,其中,為檢偏器的最大輸出光強。,顯然，檢偏器的輸出光強是電壓V,的函數。,當,時，,，出現消光現象。,時，光強有最大值,可見出射光強隨外加電壓而變，如果把信號加在晶體上，輸出光強就隨信號而變，就為信號所調制。,.,30,根據上述關系可以畫出光強調制特性曲線。在一般情況下，調制器的輸出特性與外加電壓的關系是非線性的。,電調制特性曲線,若調制器工作在非線性部分,則調制光將發生畸變。為了獲得線性調制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲，使調制器的電壓偏置在T50的工作點上。常用的辦法有兩種：,.,31,下面詳細分析橫向電光調制：,入射光(光強I1）進入晶體，其振幅A1分解成Az、Ay：,兩線偏振光到達檢偏器，能透過P2的光振幅：,這兩個線偏振光射出晶體，有固定相位差：,.,32,二者有固定相位差+，,則通過檢偏器P2的光強：,式中，,問題：由于調制器的工作點在透射曲線的非線性區，故輸出光信號失真，光信號的頻率為調制信號的兩倍。解決辦法：為了獲得線性調制，可引入一個固定的/2相位延遲，常在調制器的光路中插入一個/4波片。,.,33,為使工作點選在曲線中點處，通常在調制晶體上外加直流偏壓來完成。（插入1/4波片）,I/I0-V曲線,.,34,選取工作點：,若要得到光強隨時間正弦變化的調制光,可使調制電壓為：,則有：,式中，,可在光路中插入,波晶片，取代,則只需在晶體上加調制電壓,就可得到正弦調制光強。,.,35,的關系曲線,.,36,強度調制器小結：,入射光分解為感應主軸方向的兩個傳播模；找出相位延遲和外加電壓（電場）的關系；加入檢偏器得到輸出光強隨外加電壓變化，實現強度調制；加入1/4波片提供固定“偏置”，以得到線性調制。,.,37,優點:縱向:結構較簡單,工作穩定,不會受到自然雙折射的影響橫向:可通過調節d/l使半波電壓降低到約幾百伏缺點：縱向：半波電壓太高，調制頻率較大時會產生較大的功率損耗橫向：存在由自然雙折射引起的相位延遲，且隨溫度的變化而漂移，導致調制器不能正常工作,.,38,是聲音、圖像、數據電信號，,若,則有,泡克爾斯（Pockels）電光調制器線性好，性能穩定，可得到很高的調制頻率。,三、電光相位調制,在電光效應裝置圖2.6、圖2.7中，若使起偏器透光方向N1與雙軸晶體的其中一個光軸平行，則僅是一個線偏振光通過晶體，其位相被電信號調制。,.,39,在右圖中，若,Y偏振光的折射率,，,在晶體入射面處光場為,則光通過晶體后的光場：,.,40,式中，略去常數相位因子：,則,可見，該光波的位相因子受電壓U影響。,設U為正弦調制電壓,令,則有：,可見，該輸出光波的位相受到電信號的調制。,.,41,四、電光調制的頻率特性,實際應用中，需要電光調制器達到高的調制頻率和足夠寬的調制帶寬。影響調制頻率和調制帶寬的主要因素為：,1.光在晶體中的傳輸時間,前面對電光調制的分析，均認為調制信號頻率遠遠低于光波頻率(也就是調制信號波長遠遠大于光波波長)，并且遠大于晶體的長度L，因而在光波通過晶體L的渡越時間內，調制信號電場在晶體各處的分布是均勻的，則光波在各部位所獲得的相位延遲也都相同，即光波在任一時刻不會受到不同強度或反向的調制電場的作用。在這種情況下，裝有電極的調制晶體可以等效為一個電容即可以看成是電路中的一個集總元件，通常稱為集總參量調制器。集總參量調制器的頻率特性主要受外電路參數的影響。,.,42,但當調制頻率很高時，在的時間內，外電場會發生可觀的變化。光通過晶體的不同部位時，其相位延遲不同，這就限制了調制頻率。,.,43,調制波與光波以相同速度在晶體中傳播，調制頻率可達幾個。,為了適應高頻率寬頻帶調制信號的要求，采用行波調制器。,調制帶寬僅在0,附近的有限頻帶內。,2.晶體諧振電路的帶寬,實用中，電光調制器構成諧振電路：,.,44,五、光波導調制器,晶體制作的電光調制器屬于體調制器，需要施加相當高的電壓，才能實現電光調制。,光波導調制器可以把光場限制在很小的區域里，從而大大降低所需要的調制電壓和調制功率。,光波導寬度d極窄，遠小于長度L。采用橫向電光調制，半波電壓可為幾伏。調制頻率可達100GHz。,相位調制器,.,45,M-Z干涉型強度調制器,定向耦合器型強度調制器,在高速光通信中有很好的應用價值,研究動向：用聚合物來形成各向異性材料。,.,46,2.3聲光調制,利用超聲波引起介質折射率變化而產生的光調制。,一、聲光效應,適用于單色光源,驅動電源電-聲換能器聲光介質,形成聲光柵，柵距,.,47,聲光效應分為兩種類型：,入射光波被聲光柵衍射，衍射光的強度、頻率、方向等都隨超聲場變化。這就是聲光效應。,拉曼-奈斯衍射,布拉格衍射,只有零級、1級衍射光,產生多級衍射光,.,48,拉曼-納斯衍射,產生拉曼-納斯衍射的條件：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L較短時，在光波通過介質的時間內，折射率的變化可以忽略不計，則聲光介質可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。,拉曼-納斯衍射的特點：由出射波陣面上各子波源發出的次波將發生相干作用，形成與入射方向對稱分布的多級衍射光。,.,49,各級衍射的方位角為（最大值的位置）：,各級衍射光的強度為：,.,50,衍射效率為：,附加相位延遲因子,附加相位延遲因子,.,51,布喇格衍射,產生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質具有“體光柵”的性質。,布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現0級和+1級（或1級）衍射光。,.,52,布拉格衍射條件：,零級、1級衍射光強：,式中，為聲光效應產生的附加相移：,有應用價值的是一級衍射光,.,53,式中，為聲光介質的品質因數。,應選擇大的材料，常用聲光介質見表2.2。,.,54,衍射效率為：,M2為聲光材料的品質因數，Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長度。同樣的改變超聲功率，也可以達到改變一級衍射光的強度。,附加相位延遲因子,.,55,聲光調制(Acousto-opticalModulate),一.聲光調制器的工作原理,聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調制信號是以電信號(調輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應的電信號轉化為變化的超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。,.,56,聲光體調制器是由聲光介質、電聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅動電源等所組成。,(1)聲光介質，聲光介質是聲光互作用的場所。當一束光通過變化的超聲場時，由于光和超聲場的互作用，其出射光就具有隨時間而變化的各級衍射光，利用衍射光的強度隨超聲波強度的變化而變化的性質，就可以制成光強度調制器。,(2)電聲換能器(又稱超聲發生器),(3)吸聲(或反射)裝置(放置在超聲源的對面)。,(4)驅動電源它用以產生調制電信號施加于電聲換能器的兩端電極上，驅動聲光調制器(換能器)工作。,.,57,聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調制信號是以電信號(調輻)形式作用于電聲換能器上而轉化為以電信號形式變化的超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。,由前面分析可知，無論是拉曼納斯衍射，還是布拉格衍射，其衍射效率均與附加相位延遲因子2nL有關，而其中聲致折射率差n正比于彈性應變幅值S，而S聲功率Ps，故當聲波場受到信號的調制使聲波振幅隨之變化，則衍射光強也將隨之做相應的變化。,.,58,(1)、拉曼-納斯型聲光調制器,調制器的工作原理如圖1(a)所示，工作聲源頻率低于10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。,.,59,對于拉曼納斯型衍射，工作聲頻率低于10MHz，所確定的相互作用長度L小；當工作頻率較高時，最大允許長度太小，要求的聲功率很高，因此拉曼納斯型聲光調制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。,.,60,(2)、布喇格型聲光調制器,布喇格型聲光調制器工作原理如圖2所示。,.,61,的關系曲線,選取工作點：,若使作正弦變化，頻率為，,則有,.,62,布拉格聲光調制特性曲線與電光強度調制相似。由圖可以看出：衍射效率與超聲功率Ps只是非線性調制曲線形式，為了使調制不發生畸變，則需加超聲偏置（類似于電光調制中的偏壓V/4=V/2），使其工作在線性較好的區域。,布拉格衍射必須使入射光束以布拉格角B入射，同時在相對于聲波陣面對稱方向接收衍射光束時，才能得到滿意的結果。布拉格衍射由于效率高，且調制帶寬較寬，故多被采用。,.,63,要實現光強調制，超聲波應是高頻調幅波，則電-聲換能器上驅動信號應是高頻調幅電信號.,高頻振蕩（s）