第二章光辐射的调制..ppt
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1、第二章第二章 光辐射的调制光辐射的调制2.1 2.1 机械调制机械调制2.2 2.2 电光调制电光调制2.3 2.3 声光调制声光调制2.42.4 磁光调制磁光调制在在光通信光通信系统中,系统中,需要把声音、图像、数据信息加载到需要把声音、图像、数据信息加载到光波上进行传输。光波上进行传输。在在光电检测光电检测系统中,系统中,使探测光为调制光,可以比非调制光使探测光为调制光,可以比非调制光 具有更强的抗干扰能力。具有更强的抗干扰能力。调制的目的调制的目的:光信息系统的信号加载与控制光信息系统的信号加载与控制 调制的内容:调制的内容:是指改变光波振幅、强度、相是指改变光波振幅、强度、相位或频率、
2、偏振等参数,使之携带信息的过程。位或频率、偏振等参数,使之携带信息的过程。光调制的优点光调制的优点:1.容量大容量大2.易加载易加载3.距离远距离远4.易保密易保密5.抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强 光光调制的方法:调制的方法:l l传统方法:调制盘(对光辐射强度进行调制);传统方法:调制盘(对光辐射强度进行调制);传统方法:调制盘(对光辐射强度进行调制);传统方法:调制盘(对光辐射强度进行调制);l l现代方法现代方法现代方法现代方法:利用外场的微扰引起介质的非线性:利用外场的微扰引起介质的非线性:利用外场的微扰引起介质的非线性:利用外场的微扰引起介质的非线性极化,从而改变介质的光学性质。
3、在外场下利极化,从而改变介质的光学性质。在外场下利极化,从而改变介质的光学性质。在外场下利极化,从而改变介质的光学性质。在外场下利用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频用光和介质的相互作用而实现对光辐射振幅频率、相位等参数的调制。率、相位等参数的调制。率、相位等参数的调制。率、相位等参数的调制。光辐射的现代调制方法:光辐射的现代调制方法:l l按调制是在光源内发生还是光源外进行分按调制是在光源内发生还是光源外进行分按调制是在光源内发生还是光源外进行分按调制是在光源内发生还是光源外进行分:内调制内调制内调制内调制和
4、和和和外调制外调制外调制外调制l l内调制内调制内调制内调制:将欲传输的信号直接加载于光源,将欲传输的信号直接加载于光源,将欲传输的信号直接加载于光源,将欲传输的信号直接加载于光源,以改变光源的输出特性来实现调制;只适用以改变光源的输出特性来实现调制;只适用以改变光源的输出特性来实现调制;只适用以改变光源的输出特性来实现调制;只适用于一些特定的光源,如于一些特定的光源,如于一些特定的光源,如于一些特定的光源,如LDLD和和和和LEDLED的直接调制的直接调制的直接调制的直接调制 例:例:例:例:对半导体激光器的驱动电源用调制信号对半导体激光器的驱动电源用调制信号对半导体激光器的驱动电源用调制信
5、号对半导体激光器的驱动电源用调制信号直接控制,实现对所发射激光强度的调制;直接控制,实现对所发射激光强度的调制;直接控制,实现对所发射激光强度的调制;直接控制,实现对所发射激光强度的调制;又如:把调制元件放在谐振腔内,用欲传输又如:把调制元件放在谐振腔内,用欲传输又如:把调制元件放在谐振腔内,用欲传输又如:把调制元件放在谐振腔内,用欲传输的信号控制调制元件物理性质的变化而改变的信号控制调制元件物理性质的变化而改变的信号控制调制元件物理性质的变化而改变的信号控制调制元件物理性质的变化而改变光腔参数,从而调制激光输出。光腔参数,从而调制激光输出。光腔参数,从而调制激光输出。光腔参数,从而调制激光输
6、出。l l外调制:将光源与调制器分开设立,在光源外调制:将光源与调制器分开设立,在光源外调制:将光源与调制器分开设立,在光源外调制:将光源与调制器分开设立,在光源外的光路上放置调制器,将欲传输的信号加外的光路上放置调制器,将欲传输的信号加外的光路上放置调制器,将欲传输的信号加外的光路上放置调制器,将欲传输的信号加载于调制器,透过光的物理性质将发生变化,载于调制器,透过光的物理性质将发生变化,载于调制器,透过光的物理性质将发生变化,载于调制器,透过光的物理性质将发生变化,实现调制。实现调制。实现调制。实现调制。电光调制电光调制电光调制电光调制 声光调制声光调制声光调制声光调制 磁光调制磁光调制磁
7、光调制磁光调制 热光效应热光效应热光效应热光效应外调制技术适用于外调制技术适用于所有所有光源。光源。常用方法常用方法:机电振子、旋转调光盘等机电振子、旋转调光盘等2.1 2.1 机械调制机械调制简单易行简单易行 调制原理调制原理:用遮光或改变透过率方式作光通用遮光或改变透过率方式作光通量的幅度调制。量的幅度调制。应用:常用于光电探测中需要抗干扰的场合应用:常用于光电探测中需要抗干扰的场合NMNMN 缺点:难进行高频调制、体积较大等缺点:难进行高频调制、体积较大等2.1 2.1 机械调制机械调制利用斩波器通断光通量,使利用斩波器通断光通量,使探测光成为调制光。探测光成为调制光。调制光并配上合适的
8、有源带通滤波器,以调制光并配上合适的有源带通滤波器,以克服杂散光的干扰克服杂散光的干扰。斩波器斩波器有源带通有源带通滤波器滤波器探测器输出的光电流探测器输出的光电流设计有源带通滤波器,设计有源带通滤波器,f f0 0为方波频率。通频带为方波频率。通频带f f窄,杂散光被滤去。窄,杂散光被滤去。优点:容易优点:容易实现;能对实现;能对辐射的任何辐射的任何光谱成分进光谱成分进行调制。行调制。缺点:有运缺点:有运动部分,寿动部分,寿命较短,体命较短,体积较大,调积较大,调制频率不高。制频率不高。一些机械调制装置一些机械调制装置2.2 2.2 电光调制电光调制在强电场作用下介质折射率改变而产在强电场作
9、用下介质折射率改变而产生的光调制。生的光调制。适用于单色光源。适用于单色光源。一、一、物理基础:物理基础:电光效应电光效应 线性电光效应线性电光效应(PockelsPockels,1893年)二次电光效应二次电光效应(KerrKerr,1875年)介质原本是单轴晶体。介质原本是单轴晶体。介质原本是各向同性晶体。介质原本是各向同性晶体。电光调制基于电光调制基于线性电光效应。线性电光效应。晶体的结构特征晶体的结构特征l空间点阵:晶体是由原子、分子或离子在空间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。l结点:晶体中的微粒叫基元,又叫结点。l点阵:全部结点的总称叫点阵。l晶格:格子状结构的点阵就叫晶
10、格。l格点:=结点l晶胞:周期重复的最小基本(结构)单位周期重复的最小基本(结构)单位l晶胞常量晶胞常量l布喇菲点阵:根据空间对称性,可以有布喇菲点阵:根据空间对称性,可以有14种点种点阵,称布喇菲点阵,或称阵,称布喇菲点阵,或称14种晶胞种晶胞l14种晶胞共分种晶胞共分7个晶系:个晶系:三斜、单斜、正交(斜三斜、单斜、正交(斜方)、正方(四角)、立方、三角、六角方)、正方(四角)、立方、三角、六角l布喇菲点阵布喇菲点阵三角六角三斜立方正交(斜方)正方单斜晶体的基本性质晶体的基本性质l1.自限性:晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力。l2.晶面角守恒:指同一品种的晶体,两个对应的晶棱间的
11、夹角恒定不变。l3.均匀性:晶体在不同的位置上具有相同的物理性质。l4.最小内能性:长程有序性l5.各向异性:晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。典型体现:晶体的解理、双折射。l6.对称性光在晶体中的传播特性光在晶体中的传播特性l光在晶体中的传播实际是光与晶体相互作用的结果:l介质受到光波电场E作用后产生极化,极化强度用极化强度矢量P来表示,P与E之间的关系用宏观物理量极化率来描述l光辐射场对晶体的极化影响综合效果集中表现为介电常量的变化,从而引起折射率变化从而引起折射率变化:通常材料的介电常量通常材料的介电常量 与外电场无关,但当外与外电场无关,但当外加电场较强时,介电常量便有微小的变化,
12、从而引加电场较强时,介电常量便有微小的变化,从而引起折射率变化:起折射率变化:、为常量常量线性电光效应,或线性电光效应,或Pockels效应(效应(KDP、LiNbO3)二次电光效应,或二次电光效应,或Kerr效应效应(BaTiO3、硝基苯液体)、硝基苯液体)、k由介质本身的性质决定,取决于晶体本身的结构和对称性。现在讨论现在讨论线性电光效应线性电光效应 晶体的双折射晶体的双折射l定义:是指光在各向异性介电晶体中传播时,分为两束偏振方向不同的光,向两个方向折射l通常情况下,o光与 e光的传播方向不同各向同性介质各向同性介质双折射现象双折射现象外加强电场外加强电场单色自然光单色自然光晶体的截面晶
13、体的截面O O光光e e光光电光效应电光效应l定义定义:当足够强的外电场影响到晶体中的原子、分子的排列以及它们之间的相互作用,这种内部的,微观的变化就导致晶体在宏观上表现出极化强度及折射率也各向异性地发生变化,由由于极化而出现光学特性(各向异性)的改变,于极化而出现光学特性(各向异性)的改变,影响到光波在介质中的传播特性。影响到光波在介质中的传播特性。l电光效应电光效应实质实质:在光波电场与外电场的共同作:在光波电场与外电场的共同作用下,使介质出现非线性的极化过程。用下,使介质出现非线性的极化过程。1.1.的纵向电光效应的纵向电光效应KDPKDP负单轴晶体负单轴晶体 强电场强电场E/ZE/Z轴
14、轴,KDP,KDP由单轴晶体变为变为双轴晶体;线偏振光沿双轴晶体;线偏振光沿Z Z轴入射,轴入射,分解成分解成X X、Y Y方向上方向上振幅相同振幅相同、但、但传传播速度不同播速度不同的两个线偏振光。的两个线偏振光。光传播方向与光传播方向与电场方向一致电场方向一致起偏器 lKDP晶体沿晶体沿z轴加电场时,由单轴晶体变成了轴加电场时,由单轴晶体变成了双轴晶体,折射率椭球的主轴绕双轴晶体,折射率椭球的主轴绕z轴逆时针旋轴逆时针旋转了转了450角,此转角与外加电场的大小无关。角,此转角与外加电场的大小无关。X X、Y Y方向两偏振光射出晶体时有光程差方向两偏振光射出晶体时有光程差:则相位差为:则相位
15、差为:半波电压半波电压 :造成光程差造成光程差电光相位延迟电光相位延迟:在:在X、Y两个方向的传播速度如果不同两个方向的传播速度如果不同,则则在传播过程中会产生相位延迟的现象,即产生相位差。在传播过程中会产生相位延迟的现象,即产生相位差。2.2.的横向电光效应的横向电光效应光传播方向与光传播方向与电场方向垂直电场方向垂直对对KDPKDP晶体采用晶体采用45-Z45-Z切。强电场切。强电场E/ZE/Z轴轴,KDP,KDP变为双轴晶体。变为双轴晶体。入射光沿入射光沿X X轴方向进入晶体,轴方向进入晶体,其偏振方向与其偏振方向与Z Z、Y Y成成4545,在晶体中分解为,在晶体中分解为Z Z、Y Y
16、方向两个振幅相同的线偏振光。方向两个振幅相同的线偏振光。与与Z Z轴对应的主折射率:轴对应的主折射率:与与Y Y轴对应的主折射率:轴对应的主折射率:式中式中n ne e是晶体是晶体e e光折射率,光折射率,E=U/dE=U/d,U U为外加电压。为外加电压。两个线偏振光射出晶体时有光程差:两个线偏振光射出晶体时有光程差:则相位差为:则相位差为:l横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差,易受温度影响。横向电光效应包含了自然双折射造成的相位差,易受温度影响。采用组合调制器进行补偿。采用组合调制器进行补偿。自然双折射造成的相位差自然双折射造成的相位差电光效应引起的相位差电光效应引起的相位差消除自然
17、双折射消除自然双折射横向电光效应的优点:横向电光效应的优点:适当地增加适当地增加 L/d L/d,就可以增强电光效应的作用,就可以增强电光效应的作用而降低晶体上所需的电压;电极设在横向,不影而降低晶体上所需的电压;电极设在横向,不影响光的传播;在外加电压响光的传播;在外加电压 U U一定时,加长晶体通一定时,加长晶体通光长度并不影响晶体内的电场强度,因而可以加光长度并不影响晶体内的电场强度,因而可以加长晶体长度获得较大的相位延迟。长晶体长度获得较大的相位延迟。半波电压半波电压 为为:通常,纵向通常,纵向 是数千伏,是数千伏,横向横向 只是只是数百伏。数百伏。3.3.电光晶体材料电光晶体材料 用
18、于线性电光效应的电光晶体,除要求电光用于线性电光效应的电光晶体,除要求电光效应强以外,还需综合考虑:效应强以外,还需综合考虑:对使用的波段要有较高的透过率;光学均匀对使用的波段要有较高的透过率;光学均匀性好、耐压高;对光波和调制波的损耗小;性好、耐压高;对光波和调制波的损耗小;折射率随温度的变化较小;折射率随温度的变化较小;化学性质稳定,易于获得大尺寸晶体等。化学性质稳定,易于获得大尺寸晶体等。、在可见和近红外区主要有在可见和近红外区主要有KDPKDP类晶体、类晶体、LiTaOLiTaO3 3、LiNbOLiNbO3 3、KTNKTN等。等。在中红外区有在中红外区有GaAsGaAs、CuclC
19、ucl、CdTeCdTe等。等。KDPKDP类晶体、类晶体、LiNbOLiNbO3 3(LNLN)晶体应用广泛。)晶体应用广泛。见表见表2.12.1二、电光强度(或振幅)调制二、电光强度(或振幅)调制在在PockelsPockels效应中,通过晶体的两正交线效应中,通过晶体的两正交线偏振光形成了固定的相位差偏振光形成了固定的相位差。在晶体的在晶体的光输出端光输出端后置检偏后置检偏器器P P2 2,使使N N2 2NN1 1。透过检偏器透过检偏器P P2 2的光强的光强I I2 2便受到电信号的调制。便受到电信号的调制。横向电光调制装置横向电光调制装置纵向电光强度调制装置纵向电光强度调制装置其中
20、其中为检为检偏器的最大偏器的最大输输出光出光强强。显显然,然,检检偏器的偏器的输输出光出光强强是是电压电压V 的函数。的函数。当当时时,出,出现现消光消光现现象。象。时时,光,光强强有最大有最大值值 可见出射光强随外加电压而变,如果把信号加在晶体上,输出光强就随信号而变,就为信号所调制。根据上述关系可以画出光强调制特性曲线。根据上述关系可以画出光强调制特性曲线。在一般情况下,调制器的输出特在一般情况下,调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的性与外加电压的关系是非线性的。50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/2电调制特性曲线电调制特性曲线若调制器工作在非线性部分若调制器工作在
21、非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线则调制光将发生畸变。为了获得线性调制,可以通过引入一个固定的性调制,可以通过引入一个固定的 /2相位延迟,使调制器的相位延迟,使调制器的电压偏置在电压偏置在T50的工作点上。常用的办法有两种:的工作点上。常用的办法有两种:下面详细分析横向电光调制:下面详细分析横向电光调制:入射光入射光(光强光强I I1 1)进入晶体进入晶体,其其振幅振幅A A1 1分解成分解成A Az z、A Ay y:两线偏振光到达检偏器,能透过两线偏振光到达检偏器,能透过P P2 2的光振幅:的光振幅:这两个线偏振光射出晶这两个线偏振光射出晶体,有固定相位差:体,有固定相位差:二
22、者有固定相位差二者有固定相位差+,则通过检偏器则通过检偏器P P2 2的光强:的光强:式中,式中,I 输出V 输入l问题:问题:由于调制器的工由于调制器的工作点在透射曲线的非线作点在透射曲线的非线性区,故输出光信号失性区,故输出光信号失真,光信号的频率为调真,光信号的频率为调制信号的两倍。制信号的两倍。l解决办法:解决办法:为了获得线为了获得线性调制,可引入一个固性调制,可引入一个固定的定的/2/2相位延迟,常相位延迟,常在调制器的光路中插入在调制器的光路中插入一个一个/4/4波片。波片。p为使工作点选在曲线中点处,通常在调制晶体上外加直流为使工作点选在曲线中点处,通常在调制晶体上外加直流偏压
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- 第二 光辐射 调制
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