第六章光辐射的调制ppt课件.ppt

第六章 光辐射的调制,6.1 序言,激光具有极好的时间和空间相干性，与无线电波相似，易于调制，且光波的频率极高，可供利用的频带很宽，故传递信息的容量很大。加之激光束发散角小，光能高度集中，既能传输较远距离，又易于保密。因而为光信息传递提供了一种理想的光源。,10131015Hz,把欲传输的信息加载于光辐射，对光的参量（振幅、频率、相位、偏振状态和传播方向等）进行控制使其发生变化并携带信息的过程称为调制。,载 波,调制信号（低频）,概念,调制的目的：对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式的变换，使之便于处理、传输和检测。,一般应用最多的是对光的振幅调制。因为光强与光的振幅平方成正比例，因此对光的振幅调制也就是对光强的调制。,振幅调制,传统调制方式 光学调制盘(强度调制)现代调制方式 现代调制器的工作基础是利用外场引起物质的非线性极化从而改变其光学性质产生的各种物理效应，实现光辐射振幅、相位等参数的调制。例如，电光效应、声光效应、磁光效应。,光调制分为内调制和外调制,例如，半导体激光器和半导体发光二极管所发的光，都与通过它的电流强度成正比例，改变电流强度，也就改变了它们的发光强度，因此可用调制信号直接控制驱动电源来实现对所发射光的强度进行调制的目的；另外，激光器的发光都与光腔有关，如果把调制措施引入到光腔里面来，使调制器和光腔结成一个整体，也可以使出射光受到调制。,内调制(直接调制)：把承载信息的电信号作为驱动电流直接施加在激光器上，在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。,基本的直接调制方式,内调制的特点：发光机制和调制机制紧密联系，实行起来，有的简单，有的复杂，多数情形不易调整；另外要求光源惰性小。,外调制是指发光器和调制器是分开设立的，使光在传播过程中受到调制的一种方式。即激光形成之后，在激光器外的光路上放置调制器，在调制器上加调制信号电压，改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使透过光波的某参量受到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的物理性质（强度、频率、相位、偏振等参数）。,外调制方式,外调制的特点：发光器与调制器没有内在联系，实行起来比较简单，而且容易调整，且比内调的调制速率高(约一个数量级)，调制带宽要宽得多，故倍受重视，所以，现在光电装置中多数都采用外调制方式。调制器的性能对调制质量影响很大，一般对调制器的要求是，性能稳定，调制度高，损耗小，相位均匀，有一定的带宽等。,6.2 调制的基本原理,与无线电通信技术中利用无线电波作为传递语言或图像信息的载波相似，在光电技术中利用光波作为传递信息的载波。光波频率高于无线电波，因此用光波传递信息的容量大；光传播具有方向性，因此光波传递信息保密性好，抗干扰性强。调制不仅使光信号携带信息而具有与背景辐射不同的特征，便于抑制背景光的干扰，而且可以抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场的干扰，使采用调制的光电系统在信号传输和探测过程中，具有更高的探测能力。,使光波中的某种可测量参量随信号的变化而变化。调制方式相位调制接收器为外差接收系统强度调制接收器为光探测器频率调制接收器有分光器偏振态调制接收器设有偏振片内调制直接对光源进行调制简单方便，效率高调制速度有限，带宽比较小外调制在光传输路径上进行调制（声光、电光、磁光等）调制速度高，带宽较大,光调制器,（一）光调制的形式,模拟调制：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振；任意时刻信息信号幅度与波参数幅度一一对应。包括调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式。,脉冲调制：对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，而用脉冲序列作载波。数字调制：把信息信号以编码的形式转换为脉冲序列。载波脉冲在时间上的位置固定，而幅度被量化。,模拟调制,脉冲序列的某一参量随低频调制信号的变化而变化。,脉冲调制,数字调制,数字系统与模拟系统相比不受噪声和失真的干扰；但系统的频带比相应的模拟信号带宽要大的多。,（二）调制信号的频谱,利用信号频谱和噪声频谱的差别，可以抑制噪声，提高检测质量。因此，调制形式确立后，应分析所调制信号的频谱，以利于信号的电路处理。,时域描述和频域描述,我们直接观测或记录的信号一般是随时间变化的物理量，即以时间作为独立变量，称为信号的时域描述。为了研究信号的频率结构和各频率成分的幅值大小，应对信号进行频谱分析，把时域信号通过分析变成频域信号，即对信号作频域描述。,从数学分析可知，任何周期函数在满足狄利克莱（Dirichlet）条件下，可以展开成正交函数线性组合的无穷级数，如正交函数集是三角函数集(sin n0t，cos n0t)或复指数函数集（ej n0t），则可展开成为傅里叶级数。,复数形式表达式：,周期信号的幅值谱、相位谱、功率谱,通常有实数形式表达式：,正弦余弦式,余弦相移式,三式中各参数及相应关系如下：,傅里叶系数：,以上，An、Cn关系称为幅值谱；n关系称为相位谱；An2、Cn2关系称为功率谱。,持续信号的傅里叶级数,f(t)=0.5c+S an cos(2 n ft)+bn cos(2 n ft),1次和 3次谐波,1,3,5 及7次谐波,1,3 和5次谐波,1,3 和5次谐波,傅立叶级数揭示了信号的频谱特性，使任何复杂的周期信号均可进行分解求其频谱（频谱分析），或者相反，实现信号合成（线性叠加）。,周期1/f0的矩形波函数的傅立叶展开,一个周期内函数解析式：,傅立叶级数的三角展开式：,矩形波的傅立叶综合：,包括零频项(n=0)；基波(n=1，f0)；不同的谐波分量(频率为f0的整数倍)。其中，叠加的谐波分量项数越多，综合的波形越接近于原函数。,便于理解频谱概念，但过程复杂,绘制频谱图,矩形波的频谱图：,指数形式的傅立叶级数展开式：,频谱图描述了信号频谱中各分量的振幅、相位和频率的关系。,周期矩形脉冲信号,f(t)在一个周期（-T/2，T/2）内表达式为,复数振幅频谱,每条垂线代表频谱的一个分量，且按照谐波次数顺序排列；线的横坐标代表相应分量的频率，长度代表该分量的振幅，线的正负(方向)代表相位。,振幅频谱,相位频谱,脉冲宽度不变，周期T增大，即脉冲变稀，则谱线变密，包络变低；,周期T不变，脉冲宽度减小，即脉冲变窄，则包络变宽，两零点内谱线增多，谐波收敛速度变慢。包络线反应了谱线幅度的大小，随频率增高而减小，总的趋势是收敛到零。,周期信号的频谱具有下列性质：离散性，谱线的分布为离散的而非连续的；谐波性，即谱线在频率轴（轴）上的位置刻度一定是1(基频)的整数倍，且任意两根谱线之间的间隔=1。收敛性，也称衰减性，即随着谐波次数的增高，各次谐波的振幅总趋势是频率增加而衰减。,非周期信号的幅值谱密度,非周期信号一般为时域有限信号，具有收敛可积条件，其能量为有限值。这种信号频域分析的数学手段是傅里叶变换，时域信号x(t)与其傅里叶变换X()构成时域，频域变换对，其表达式为：,或,非周期信号的频谱具有连续性。,上式中的X()具有单位频率的幅值的量纲，而且是复数，所以有：,X()关系为信号 x（t）的幅值谱密度；X()2关系为信号 x（t）的能量谱密度;()关系则称为信号 x（t）的相位谱密度。,由于非周期信号的周期T，基频0d,所以它包含了从零到无限大的所有频率分量。各频率分量的幅值为X()d/2，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用密度函数描述。,典型周期信号及其频谱,典型非周期信号及其频谱,典型非周期信号及其频谱,其中 Am 和 m 分别是调制信号的振幅和角频率，当进行振幅调制之后，激光振幅 Ac 不再是常量，而是与调制信号成正比。,振幅调制,设激光载波的电场强度如：,如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：,振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡。,其调幅波的表达式为：,调幅系数,可见调幅波的频谱是由三个频率成分组成的，其中，第 一项是载频分量，第二、三项是因调制而产生的新分 量，称为边频分量。,调幅波频谱,调幅波的功率,载波的平均功率：,在调幅波中载波不能传送有用信号，只有边频才能传送。即总功率中至多有三分之一（调制最大m=1）被用来传送有用信号，因此能量利用率低是调幅的主要缺点。,实际调制信号的调幅波形,频率调制和相位调制,式中的角频率c 不再是常数，而是随调制信号变化，即：,对于调频而言，式,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。因为这两种调制波都表现为总相角(t)的变化，因此统称为角度调制。,若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：,则调制波的表达式为：,同样，相位调制就是相位角 不再是常数，而是随调制信号的变化规律而变化，调相波的总相角为：,则调相波的表达式为：,由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式：,调频和调相波的频谱,将 按贝塞尔函数展开：,知道调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数值。,具体展开可得：,可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是,各边频幅度的大小 由贝塞尔函数决定。,如下图是m=1时的角度调制波的频谱。,显然,若调制信号不是单频正弦波,则其频谱将更加复杂.,强度调制,光强定义为光波电场的平方：,强度调制后的光强表示为：,强度调制是光载波的强度（光强）随着调制信号规律变化的激光振荡。光束调制多采用强度调制。,光强比例系数,如果调制信号是一个时间的余弦函数，则：,频谱？,调制形式的选择取决于：,由于光电探测器仅响应于光功率（辐射通量），则各种光波参数的调制最终均需转化为光功率的变化。,应有效地、失真最小地携带并检测信息；有利于抑制噪声，满足精度要求；系统易于实现。,实际应用中，为了提高抗干扰能力，往往采用二次调制方式：频率调制强度调制（FM/IM）。,低频信号对高频副载波的频率调制,调频后的副载波对光的强度调制,调制信号就像一封封写有标志或地址的信件。调制到副载波就像是将某种类型的信件装到某个车厢内，不同类型的信件装到不同的车厢内，例如，将测距信号装到一号车厢，将遥测信号装到二号车厢，将图像信号装到三号车厢等等。然后将副载波调制到载波（如激光）就像是将一节节车厢挂到一个火车上，这就是统一载波的概念。如果一个火车头只拉遥测一节车厢，这就是独立载波的概念。功率放大的目的就是可以将载波发送得更远。传输介质可以是有线，也可以是无线。收端就是卸火车的过程，最后将原始信息拿出来。,多路电视光纤传输技术通过一根光纤传输多路视频、音频、信号一直是人们追求的目标。为了实现这一点，可采用副载波复用（Sub-Carrier Multiplexing）光纤传输系统，把一系列频率不同的已调副载波组合起来对光源做强度调制，就完成信号的发送过程。经过光纤传输的光波在接收端被转换为组合的已调副载波，再经滤波和解调就获得被发送的原始信号。,调制技术应用举例,6.3 光调制器的种类,6.3.1 调制盘,最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图所示，在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。,强度调制盘,当盘旋转时，通过盘的光脉冲周期性的变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。,如果光源聚焦在盘上成一极小的圆，如M点，则通过盘的光脉冲为矩形波。,如果光源在盘的像较大，如P点的圆，则盘旋转时，透明的扇形逐步遮盖光斑，通过盘的光强近乎正弦地变化。,如欲调制线光源（可把线 光源放于圆筒的中心轴 上，在圆筒的表面上有相 隔等距离的狭缝，圆筒的 前面放置缝隙光阑，仅当 圆筒的狭缝与光阑的狭缝 对准时，有光通过光阑，而当圆筒旋转时，可得到 线状的调制光。,调制线光源,光栅种类很多，可分为物理光栅和计量光栅。,6.3.2 光栅与莫尔条纹,光栅-等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。,物理光栅：,计量光栅：,利用光的衍射现象分析光谱、测定波长,利用光的莫尔条纹现象测量精密位移,计量光栅,1、光栅的构造,两块栅距W相等的光栅刻痕之间有较小的夹角时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹（横向），它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。,2、工作原理,莫尔条纹（Moire）,条纹宽度：,W-栅距，a-线宽，b-缝宽,W=a+b，a=b=W/2,特例：当=0,w1=w2 B=光闸莫尔条纹 当=0,w1w2 纵向莫尔条纹,计量光栅传感器分类与结构原理,按运动形式分：直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,按光学形式分：透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。,光栅位移传感器,将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。,其电压为：,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线，夹角很小时 与光栅移动方向垂直,d=0.01mm,=0.01rad,得W=1mm,放大100,同步性：光栅移动一个栅距W 莫尔条纹移动一个间距B 方向对应,放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度,准确性：大量刻线误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,横向莫尔条纹排列的方向与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直,可调性：夹角 条纹间距B 灵活,圆光栅传感器,光栅-径向光栅、切向光栅、环形光栅,径向圆光栅 切向圆光栅,径向光栅莫尔条纹,切向光栅莫尔条纹,环形光栅莫尔条纹,(4)光栅传感器特点,精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式-几十米响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量 计数 断电数据消失要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂,6.3.3 电光调制器件,各向异性晶体中的双折射现象自然光进入各向异性晶体中 光线？方解石晶体,CaCO3 的同素异构体,现象：1)两束折射光,服从折射定律,寻常光线,o 光,不服从折射定律,异常光线,e 光,光,光,双折射,纸面,令方解石晶体绕光线旋转,光,光,双折射,纸面,光,光,双折射,纸面,光,光,双折射,纸面,在某一方向振动占优势的光称为部分偏振光.,（1）自然光,振动在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，而且没有一个方向占优势的光称为自然光。,自然光的表示法,部分偏振光的表示法,（2）部分偏振光,线偏振光或平面偏振光,只在某一固定方向振动的光称为线偏振光或平面偏振光。,线偏振光的表示方法,起偏示意图：,偏振片产生平面偏振光,产生偏振光的光学器件称为起偏器。常见的起偏器：偏振片,偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片。它允许透过某一电矢量振动方向的光（此方向称为偏振化方向），而吸收与其垂直振动的光。,检偏:检验偏振光的偏振程度,偏振片也可作为检偏器.,偏振片,自然光,（一）概 述,电光效应：当某些光学介质受到外电场作用时，它的极化强度及折射率将随着外电场发生变化，介电系数和折射率都与光入射方向有关，要用张量来描述，在光学性质上变为各向异性；,改变了入射光的相位和输出光功率。,而不受外电场作用时，介电系数和折射率都是标量，与光入射方向无关，在光学性质上是各向同性的。,泡克耳斯（Pokells）效应和克尔（Kerr）效应,通常可将电场引起的折射率的变化用下式表示：n=n0+aE0+bE02+,式中a和b为张量，称为电光系数，n0为不加电场时晶体的折射率。,由一次项aE0 引起折射率变化的效应，称为一次电光效应，也称线性电光效应或泡克耳斯（Pokells）效应；,由二次项bE02引起折射率变化的效应，称为二次电光效应，也称平方电光效应或克尔（Kerr）效应。,一次电光效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应要比二次效应显著。,1.泡克耳斯效应(一次电光效应),不加电场 P2 不透光,no o光在晶体中的折射率,相位差：,r 电光常数,V 电压,应用:电光开关、电光调制器。如军用固体激光测距机。,优点：响应时间短，外加电压低，克尔效应的十分之一。,2.克尔效应(二次电光效应，1875年),盒内充某种液体 如硝基苯（C6H5NO2）,不加电场 液体各向同性 P2无透射光,加电场 液体呈单轴双折射晶体性质，其光轴平行电场强度方向 P2透光,由于折射率改变与电场强度是平方关系故克尔效应也叫二次电光效应。,k 克尔常数 V 电压,相位差为：,此时对应的电压V叫半波电压；P2透光最强。,折射率改变与电场强度的关系是:,光程差是半波长的奇数倍,若l=3cm,d=0.8cm,入射光为=600nm的黄光，则可得发生 k=时的电压为：,硝基苯溶液的克尔常数为：,应用:高速电光开关，电光调制器。,缺点:所用液体常有剧毒，易爆炸。,克尔盒与泡克耳斯盒利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种。,几种电光调制器的基本结构形 a)克尔盒 b)纵调的泡克耳斯盒 c)横调的泡克耳斯盒,泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。二者比较，横调的两电极间距离短，所需的电压低，但横调的泡克耳斯盒的调制效果不如纵调的好，目前这两种形式的器件都很常用。,纵向电光调制优点是结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响，不需进行补偿。其缺点是半波电压太高，功率损耗较大。一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用,但由于存在着自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改变，往往使已调波发生畸变，常采用“组合调制器”来进行补偿。,纵向调制与横向调制优缺点,当克尔盒未加电压时，盒中介质是透明，各向同性的。非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡所以Q没有光输出（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。）。,克尔效应电光调制过程,给克尔盒加电压时，盒中的介质因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出。,Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的调制。,右图示出几个偏振量的方位关系，其中，光的传播方向平行于z轴（垂直于屏幕向里）；M和N分别为起偏器P和检偏器Q的光轴方向，二者彼此垂直；为M与y轴的夹角，为N与y轴的夹角，+/2；外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x轴；o光垂直于xz面，e光在xz面内。,对前图a而言的几个量的方位关系图,设自然光经过P后所产生的平面偏振光为 EMEsint由于此光的传播方向垂直于介质光轴，所以，它通过介质时产生双折射。但是，这个光的o光和e光在介质中的折射率不同，而且o光的振动方向垂直于主截面（光轴与光线所构成的平面），e光的振动方向在主截面内，所以，o光和e光在介质中的传播速度不同。,这两种光在介质的输入端是同相的，而通过一定厚度的介质达到输出端时，将要有一定的相位差。因此，o光和e光在介质输出端的表达式为 e光，ExlEsintsin o光，EylEsin(t+)cos式中，下标l代表介质厚度，代表o、e光通过厚度为l的介质后所产生的相位差。,当o、e光达到Q时，只有平行于Q光轴N的分量能通过，垂直于N的分量则被阻挡。所以，通过Q的光为 ExN-Exlsin EyNEylcosENExN+EyNEsin(t+)coscos-sintsinsin,可以证明，P与Q的设置，当/4时输出最强，此时上式变为 ENmEsin(/2)cos(t+/2)Acos(t+/2)式中，AEsin(/2)为通过检偏器Q的光振动的振幅。,由于发光强度 I 正比于振幅的平方，则有 IA2E2sin2(/2)此式对于克尔盒和泡克耳斯盒都适用，其中的随着盒中介质的不同而不同。对于具有克尔效应的介质，理论分析指出，o、e光通过厚度为l 的介质后，所产生的相位差为 2kl(V/d)2k称为克尔系数，与介质种类有关；V为加到克尔盒两电极板上的电压；d为两电极板间的距离。可见，克尔盒中与V的平方成线性关系。,讨论：1）如果V=0，则=0，I=0。这是不给克尔盒加电压，Q无光输出时的情形。2）如果 V=d(2kl)-1/2，则，IE2。这时o、e光的相位差为，Q有最大的光输出；相应的光程差为/2，即(ne-no)l=/2。这时克尔盒的作用，相当于一个1/2波片。所以，称满足这一条件的电压为半波电压，记以V/2或V。3）如果0VV/2，则0，IE2sin2(/2)。这即是介于以上二者之间的情形。Q将因的不同而要阻挡一部分光，Q的光输出，将是以/2为参量，按正弦平方的规律变化。,克尔效应的时间响应特别快，可跟上1010Hz的电压变化，因此可用它来作高速的电光开关。如果加到克尔盒上的电压是由其它物理量转换来的调制信号，克尔盒的光输出就要随着信号电压而变化，这时克尔盒就是电光调制器。克尔盒中所用的介质，多数都是液体，但也有少数固体，如铌酸钽钾和钛酸钡晶体等。半波电压一般为数千伏。,电光晶体和电光调制器,在电场作用下，某些晶体的折射率会发生变化，利用这种性质，可对入射到晶体中的光束的强度、相位以及光束的出射方向进行控制，此种晶体称为电光晶体。,电光调制器是利用某些晶体材料在外加电场的作用下所产生的电光效应而制成的器件。,常用的电光晶体是 KH2PO4（KDP，磷酸二氢钾）NH4H2PO4（ADP，磷酸二氢铵）等,应用：,LiNbO3 Phase Modulators,LiNbO3 Intensity Modulators,（二）电光调制器的原理,电光调制器最重要的部分是电光晶体。电光晶体放在两片正交偏振片之间。当光通过时，加在晶体上的交变电压使折射率发生变化，通过晶体的偏振光发生相位差，引起出射光强度变化。这样，只要将电信号加到电光晶体上，光便被调制成载有信息的调制光。,典型的KDP晶体纵向电光调制器,基于铌酸锂光波导的电光调制器,在LiNbO3晶体衬底上，制作两条光程相同的单模光波导，其中一条波导的两侧施加可变电压。,M-Z型电光强度调制器,调制深度达80半波电压约3.6V功耗35uW/MHz左右调制带宽达17GHz,设输入调制信号按余弦变化，则输出信号的光功率：,Vs和Vb 分别为信号电压和偏置电压，V为光功率变化半个周期(相位为0)所需的外加电压，即半波电压。当 Vs+Vb=0 时，P=2为最大；当 Vs+Vb=V时，P=0。,M-Z型电光强度调制器,马赫-曾德尔干涉仪型调制器特性,输出光功率P,M-Z型电光强度调制器,电光效应驰豫的时间很短，仅有10-11s量级，外场的施加或撤销导致的折射率变化或恢复瞬间即可完成，因而可用作高速调制器、高速开关等。,该器件优点是：带宽较宽,工作电压低,消光性能好,线性动态范围大,阻抗匹配,插入损耗低,高调制度。,IBM公司使用光取代铜线制造超级计算机芯片,（三）电光调制器的主要性能参量,V/2是使调制器光输出达到最大时所需的电压，这个电压自然是越小越好。这样，既便于操作，又可减少电功率损耗和发热。,1）半波电压V/2（或V）,2）透过率T,调制器的光输出Io与光输入Ii之比。,对于线性调制器，要求信号不失真，调制器的透过率与调制电压能有良好的线性关系。从上式看，sin2(V/2V)在V=0附近并不是直线，而在VV/2附近可近似为一条直线。所以，静态工作点一般都设在V/2附近。,常用材料：铌酸锂LiNbO3、砷化钾GaAs、钽酸锂LiTaO3,电光调制器透过率,注意：在调制的区域要求器件的线性度高。若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。,当VV/2时，泡克耳斯盒的作用相当于一个/4波片。所以，为了使静态工作点能设在直线区，常在泡克耳斯盒和检偏器Q之间插入1个1/4波片。这样即可得到与偏压V/2相同的效果。,加/4波片的泡克耳斯盒示意图,泡克耳斯盒加/4波片与不加/4波片的区别示意图a)不加/4波片 b)加/4波片,3）调制带宽f,f 与调制器的等效电容有关，低频时f 与调制功率成正比。这就要求光波在晶体中的渡越时间tl要远小于调制信号的周期T，即 tl=l/(c/n)T=1/f,l为晶体长度，n为晶体的折射率，c为真空中的光速，f为调制频率。,对于一定的调制器有一最高调制频率 fmaxc/4l,4）消光比,是检偏器的最大输出与最小输出之比，即Imax/Imin。由于吸收、反射、散射等损耗，Imax总是小于入射光强，而Imin是与光束的发散角、晶体的剩余双折射、晶体的厚度和均匀性、电场的均匀性以及对偏振器的调整等因素有关。目前对单色、小发散角的激光束来说，消光比可达100-10000。,光通信中调制器的设计目标,高的调制速度和宽的调制带宽 低的驱动电压 高消光比 低的插入损耗,为达到上述要求,实际中大都采用工艺较成熟的LiNbO3材料制作电光调制器,目前电光调制器的性能,目前，10Gb/s速率的光调制器已成熟，40Gb/s的光调制器已成为主流技术。国际上LiNbO3光调制器的调制带宽已达到160GHz以上。,6.3.4 声光调制器件与偏转器件,声波是一种纵向机械应力波（弹性波）。若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化，使介质的折射率也发生相应的周期性变化，这样声光介质在超声场的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，光栅的栅距等于声波的波长。,（一）概述,如果光波作用于该光栅时，就会产生衍射。衍射光的强度、频率和方向将随超声场而变化，所以声波对光的作用提供了一种控制光束、光强和传播方向的方便方法。所谓“声光调制器”就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的。,声波传播方向,为超声波的波长,光束与声束之间的相互作用而导致光束的偏转，以及光束在偏振性、振幅、频率及相位上的变化。众所周知，在石英晶片或电气石晶片中加频率较高的电压时，可以激发频率很高的机械振动（由于它们有反压电效应，频率可达每秒108次），这种振动着的晶片将辐射超声波向周围媒质中传播。,把振动着的石英放在某液体中，就可得到在这种液体中产生的超声波。液体中的弹性波是一种压缩与疏松的波，它以一定的速度传播着（行波）。这样一来，在液体中便形成周期地互相交替地一组压缩与疏松地区域。在此区域中折射率不同。如果使超声波从容器的底部反射，则入射波与反射波的叠加将形成超声波的驻波。它也是一个密度周期性变化着的结构，从而是光的折射率周期性变化着的结构，因此，我们可以把声光介质看作一个立体光栅。,1、超声波在声光介质中的作用,声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式；行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的。介质折射率的增大和减小是交替变化的，并且以超声波的速度Vs向前推进；在声光介质中，两列相向而行的超声波（其波长、相位和振幅均相同）产生叠加，在空间将形成超声驻波。声驻波形成的声光栅在空间是固定的，其相位变化与时间成正弦关系，合成声波方程为：,介质中折射率的变化：,声波在一个周期T内，介质将两次出现疏密层，且在波节处密度保持不变，因而折射率每隔半个周期（T/2）在波腹处变化一次，即由极大值变为极小值，或由极小值变为极大值，在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同，相当于一个不受超声场作用的均匀介质。若超声频率（即加在调制器上的信号频率）为 fs 时，则声光栅出现或消失的次数为2 fs，因而调制光的频率为2 fs（为超声频率的二倍）。,超声场中，由于介质密度周期性的疏密分布而形成声光栅，栅距等于1个超声波的波长。如果有一束光以i 角入射于声光栅，则出射光即是衍射光。理论分析指出，当i满足以下条件时，衍射光强最大。,i为入射角，实际是掠射角，它是入射光线与超声波波面之间的夹角；和Ks分别为超声波的波长和波数（Ks2/）；和K分别为入射光波的波长和波数（K2/）；N为衍射光的级数。,声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长s。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,声光晶体等价于一个相位光栅,2、两种声光作用形式,按照超声波频率和声光介质厚度的不同，将声光作用可以分为两种类型，即喇曼奈斯衍射（Raman-Nath）和布喇格衍射(Bragg)。引入参数：,声波传播方向,入射波,透射波,衍射波,布拉格方式（透射）,入射波,透射波,反射波,声波传播方向,布拉格方式（反射）,声波传播方向,入射波,0级,1级,1级,2级,2级,拉曼纳斯方式,声波传播方向,入射波,衍射波,聚焦,布拉格方式（聚焦）,若 Q 1，在超声波频率较低，且声光介质的厚度L又比较小的情况下，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位光栅”，光栅常数等于超声波波长。掠射角i0，即入射光平行于声光栅的栅线入射。,喇曼奈斯衍射,激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时，产生类似于平面光栅的喇曼奈斯声光衍射现象。在这种情况下，产生多级衍射，而且各级衍射的极大值对称分布在零级条纹的两侧，其强度依次递减。,实现喇曼-奈斯衍射的条件：,或,声光相互作用长度,喇曼-奈斯衍射的特点,掠射角i 0 多级衍射 各级衍射光强对称分布 适用于振幅较大的低频弹性波,拉曼奈斯衍射装置,当应变较小时，并暂时略去时间 t 的依赖关系，则折射率随空间位置x的变化关系为：,设超声波波长为s，波矢量 Ks 指向 x 正方向，而入射光波矢量 Ki 指向 y轴正方向，两者呈正交。,由于介质的折射率发生周期性变化，所以会对入射光束的相位进行调制。出射的光波已不再是平面波，其等相面是一个由n(x)决定的皱折曲面。其各级极大值的衍射角m应满足公式：,s为超声波波长；为入射光波长。,其各级衍射的光强值为：,m阶贝塞尔函数,v表示由于折射率变化n而引起的被调制光束的相位变化。,衍射效率为：,布喇格衍射,当超声波频率较高，且声光介质较厚时，即声光作用长度L较大，入射光线以一定掠射角（i 0）斜入射，介质具有“体光栅”的性质。一般情况下，衍射光都很弱，只有满足条件：idKs/2K 衍射光最强，这种衍射称为布喇格声光衍射。,布喇格声光衍射的衍射光不是对称分布的，当光以某一特定角度入射，且声光介质较厚时，光波被声波衍射的作用路程很长，较高衍射级的光波就会被散失掉，可以忽略，只出现零级和1级或1级（视入射光方向而定）衍射光；若能合理选择参数，超声波足够强，可使入射光能量较集中地转移到零级和1级（或1级）衍射极大值上，衍射效率（衍射光强与入射光强之比）可接近100%。因而光束能量可以得到充分的利用，获得较高的效率。,实现布拉格衍射的条件,或,布拉格衍射的特点,掠射角i 0 只有零级、正一级或负一级衍射 衍射光强分布不对称 适用于振幅较小的高频弹性波,超声波经过的介质近似地看作由许多相距为s的部分反射、部分透射的镜面组成。,发生衍射的必要条件是一个镜面上所有各点对该方向衍射的贡献是相同的。,要使衍射沿d方向，即干涉增强的条件是光程差为波长整数倍。,当光束以入射角i 射入声光介质中时，由镜面产生反射，而衍射光干涉，极大值（干涉增强）应满足条件：,入射角i 满足 i d B 时该方向上能得到衍射极大值。这个式子通常称为布喇格衍射公式：,布喇格角,可以证明，当入射光强为 Ii 时。布喇格衍射的零级与1级的衍射光强可分别表示为：,式中 v=2nL/是光波穿过厚度为L的超声场所产生的相位延迟。,M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。,衍射效率为：,1.当L2/(20)时,式中L为声束宽度，为声波在介质中的波长，0为真空中的光波波长，就会产生对称与零级的多级衍射，即拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射。此时和平面光栅的衍射几乎没有区别，满足下式的衍射光均在衍射角的方向上产生极大光强:sin=m0/，m=0,1,2,2.当L2/(20)时,声光介质相当于体光栅，产生布拉格(Bragg)衍射，其衍射光强只集中在满足布拉格公式（sinB=m0/(2)，m=0,1,2.）的一级衍射方向，且1 级不同时存在。,(三)声光器件,声光器件是基于声光效应的原理来工作的，分为声光调制器和声光偏转器两类，它们的原理、结构、制造工艺相同，只是在尺寸设计上有所区别。,当超声波通过某些晶体时，晶体内会产生弹性应力，使晶体折射率发生周期性变化，形成超声光栅，光通过时就会发生衍射，衍射光的强度、频率、方向将随超声波的变化而变化，此现象称为声光效应，也称为弹光效应，此种晶体叫声光晶体。,掠射角i与衍射角d之和，也称为偏转角。即,v 和 f 分别为超声波在介质中的传播速度和频率。,由此可知，偏转角正比于超声波的频率。故改变超声波的频率（实际是改变换能器上电信号的频率）即可改变光束的出射方向，这就是声光偏转器的原理。,声光效应偏转器,声光效应调制器,声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。对声光调制器来说，无论属于哪种类型（喇曼奈斯型或布喇格型衍射），调制器都有两种工作方式，一种是将零级光束作为输出；另一种是将1级衍射光束作为输出。当声波振幅随着调制信号改变时，各级衍射光的强度也将随之发生相应变化。若将某一级衍射光和为输出，利用光阑将其它衍射级遮拦，则从光阑孔出射的光束即调制光。所以，如果用频率为 f 的信号电压加在电声换能器上，由此在声光介质中形成超声场的频率为 fs，当光波通过该调制器时，将产生一个频率为2fs 的调制光。,声光调制器的工作原理,声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。,声光器件由声光介质和换能器两部分组成。常用的声光介质有钼酸铅晶体（PM）、氧化碲晶体和融熔石英等。换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。,声光器件的基本结构示意图,声光效应调制器原理图,常用材料：压电晶体(石英、铌酸锂)或压电半导体（CdS、ZnO）,金刚石是比较好的声光晶体，但因价格昂贵，使用较少。目前所用的声光晶体中最重要的是TeO2和PbMoO4，激光打印机中用于偏转激光束的晶体使用的就是TeO2。这两种晶体主要有中国科学院上海硅酸盐所研究，可生长出大尺寸高质量单晶。,常见声光晶体的特性参数,1、拉曼-纳斯型声光调制器,调制器的工作原理如图所示，工作声源频率低于 10MHz。只限于低频工作，带宽较小。,2、布喇格型声光调制器,布喇格型声光调制器工作原理如图所示。,Bragg衍射声光强度调制器,声光调制器调制效率,衍射光强和超声波的强度成正比例。因此，即可利用这一原理来对入射光进行调制。,表征声光衍射效率的品质因数,应选用M2大的声光材料以提高调制效率，当超声功率足够大时，布拉格衍射效应的调制效率最大可达1，因此常采用此衍射效应；,调制信号如果是非电信号，首先要把它变为电信号，然后作用到超声波发生器上，使声光介质产生的声光栅与调制信号相对应。这时入射激光的衍射光强，则正比于调制信号的强度。,（四）声光调制的应用,利用声光晶体可以制作声光调制器、声光偏转器、声光滤波器等，声光器件