光調制器

1、,,對于光電子系統(tǒng)，無論其具體結構如何，都有一個共同的特點——利用光來傳遞信息。所謂光波的調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，對光的參量（振幅、頻率、相位、偏振狀態(tài)和傳播方向等）進行控制使其發(fā)生變化并攜帶信息的過程稱為調制

2、。一般應用最多的是對光的振幅調制。因為光強與光的振幅平方成正比例，因此對光的振幅調制也就是對光強的調制。調制的目的：對所需處理的信號或被傳輸?shù)男畔⒆瞿撤N形式的變換，使之便于處理、傳輸和檢測。,,光電系統(tǒng)基本模型,光發(fā)射機,光學信道,光接收機,→,→,,,,光源,主動式光電系統(tǒng)基本模型,光學信道,接受鏡系統(tǒng),光調制器,光電探測器,檢測電路,→,→,→,→,→,光發(fā)射機,光接收機,第一部分●1.1 各種調制方法的原理分析 （以振幅調制

3、為例）第二部分●2.1 光源直接調制●2.2 光源外部調制第三部分●3.1 三種常用的調制器件（以電光調制為例）,1、振幅調制（AM）,定義：,振幅調制就是載波的振幅隨調制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調幅。,載波信號：,調制信號：,,第一部分●1.1各種調制方法的原理分析 光束調制按其調制的性質可分為調幅、調頻、調相及強度調制等。,調幅波為：,,三角關系展開,圖1-1 調幅波頻譜,,由此可見，即使能夠對振幅進行線性調制

4、，解調出來的信號已變成二次函數(shù)，除非在調制前先將欲傳遞的信息q進行預處理，使其具有如下形式：,這樣經調制后方能得到真實的原始信息。,在振幅調制時，若調制信號為具有周期性結構的時變信號，則解調出來的信號將包含有諧波成分，形成干擾和失真，這一點尤其要注意。,2、頻率調制和相位調制,調頻或調相就是光載波的頻率或相位隨著調制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩，統(tǒng)稱為角度調制。,定義：,若調制信號仍為一余弦函數(shù)，則調頻波的總相角為：,【頻率調制】,則調制

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

6、然后再用這種經過預調制的信號對光載波進行強度調制，這樣所傳遞的信息便與光強無關，從而大大提高了其抗干擾性。另一種抑制光源波動影響的方法是設置參考通道，從參考通道中提取波動（或漂移）的信息，再從主信道中予以扣除。,4、脈沖調制,脈沖調制和數(shù)字式調制(脈沖編碼調制)在一種不連續(xù)狀態(tài)下進行的調制。 脈沖調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制信號規(guī)律變化的調制方法。,5、脈沖編碼調制（數(shù)字式調制）,這種調制是把模

7、擬信號先變成電脈沖序列，進而變成代表信號信息的二進制編碼，再對光載波進行強度調制。,要實現(xiàn)脈沖編碼調制，必須進行三個過程：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：一類是用電信號去調制光源的驅動電源；另一類是直接對光波進行調制。前者主要用于光通訊，后者主要用于光傳感。簡稱為：內調制和外調制。,,,2.1 光的內調制(直接調制),· 把承載信息的電信號作為驅動電流直接施加

8、在激光器上，在激光振蕩過程中進行的，即以調制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實現(xiàn)調制。,,,·內調制是指從發(fā)光器的內部采取措施，使光受到的調制。內調制的特點是：1.結構簡單，成本低；2.帶寬窄，小于2.5Gbps.光源直接調制的缺點：1.只能對半導體光源 進行直接調制；2.對LED等的調制時的 瞬態(tài)特性存在電光延遲 和張弛振蕩。。,,,①電光延遲：輸出光脈沖在時間上滯后于激勵的電脈沖。電

9、光延遲時間(或開通延遲)，一般為納秒量級。②張弛振蕩：當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光的外調制,外調制是指發(fā)光器和調制器是分開設立的，使光在傳播過程中受到調制的一種方式。即激光形成之后，在激光器外的光路上放置調制器，在調制器上加調制信號電壓，改變調制器的物理特性，當激光通過調制器時，就會使透過光波的某參量受到調制。外調制不

10、是改變激光器參數(shù)，而是改變已經輸出的激光的物理性質（強度、頻率、相位、偏振等參數(shù)）。 其特點是，發(fā)光器與調制器沒有內在聯(lián)系，實行起來比較簡單，容易調整,且比內調的調制速率高(約一個數(shù)量級也就是10倍的關系)。所以，現(xiàn)在光電裝置中多數(shù)都采用外調制方式。調制器的性能對調制質量影響很大，一般對調制器的要求是，性能穩(wěn)定，調制度高，損耗小，相位均勻，有一定的帶寬等。,,,外調制方式,外調制：,,,,現(xiàn)代調制方式

11、 現(xiàn)代調制器的工作基礎是物質對外來作用產生的各種物理效應，例如，電光效應、聲光效應、磁光效應等，本章將介紹這三種調制器件中的電光調制。,,,第三部分3.1 電光調制器的原理,電光調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。當光通過時，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，引起出射光強度變化。這樣，只要將電信號加到電光晶體上，光便被調制成載有信息的調制光。光在晶體中傳播的性質可

12、用折射率橢球來描述，電場對光學介質的影響，是電場使介質的折射率橢球主軸方向和大小發(fā)生變化。,,,電光晶體,在電場作用下，某些晶體的折射率會發(fā)生變化，利用這種性質，可對入射到晶體中的光束的強度、相位以及光束的出射方向進行控制，此種晶體稱為電光晶體。,,,§1-4 電光調制器件,,,,電光效應：是指某些介質的折射率在外加電場的作用下而發(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（普克耳效應/一次電光效應

13、））,二次電光效應（克爾效應）,a,b為電光系數(shù)，它們由材料的晶格結構決定。,,,,指折射率的變化與外加場強成正比（如壓電晶體）， 由德國晶體物理學家普克爾斯（F. Pockels）于1893年首先預期，后來在石英等晶體得到證實。故又稱為普克爾斯效應 。,普克爾效應,,,,克爾效應 指與電場二次方成正比的電感應雙折射現(xiàn)象。放在電場中的物質，由于其分子受到電力的作用而發(fā)生偏轉，呈現(xiàn)各向異性，結果產生雙折射，即沿兩個不同方向，物

14、質對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，或簡稱克爾效應。,,,克爾盒與普克耳盒 利用克爾效應制成的調制器，稱為克爾盒，其中的光學介質為具有電光效應的液體有機化合物。 利用普克耳效應制成的調制器，稱為普克耳盒，其中的光學介質為非中心對稱的壓電晶體。普克耳盒又有縱向調制器和橫向調制器兩種。,幾種電光調制器的基本結構圖 a) 克爾盒  b) 縱調的普

15、克耳盒 c) 橫調的普克耳盒,,,當不給克爾盒加電壓時，盒中的介質是透明的，各向同性的.非偏振光經過P后變?yōu)檎駝臃较蚱叫蠵光軸平面的偏振光。通過克爾盒時不改變振動方向。到達Q時，因光的振動方向垂直于Q光軸而被阻擋（P、Q分別為起偏器和檢偏器，安裝時，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，盒中的介質則因有外電場的作用而具有單軸晶體的光學性質，光軸的方向平行于電場。這時，通過它的平面偏振光則改變其振動方

16、向。所以，經過起偏器P產生的平面偏振光，通過克爾盒后，振動方向就不再與Q光軸垂直，而是在Q光軸方向上有光振動的分量，所以，此時Q就有光輸出了。,,,Q的光輸出強弱，與盒中的介質性質、幾何尺寸、外加電壓大小等因素有關。對于結構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。由此即實現(xiàn)了對光的調制。,,,右圖示出幾個偏振量的方位關系，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；外電場使克爾盒中電光介質產生的光軸方向平行于x軸；o光垂直于xz面，e光在xz面內。,對前圖a而言的幾個量的方位關系圖,,,設自然光經過P后所產生的平面偏振光為 ：EM＝Esinωt    由于此光的傳播方向垂直于介質光軸，所以，它通過介質時產生雙折射。但是，這個光的o光和e光在介質中的折射率不同，而且o光的振

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

19、達到Q時，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的設置，當α＝β＝π/4時輸出最強，此時上式變?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的光振動的振幅。,,,由于發(fā)光強度I正比于振幅的平方，則有 I∝A2＝E2sin2(φ/2) 此式對于克爾盒和普克耳盒都適用，其中的φ隨著盒中介質的不同而不同。    對于具有克爾效應的介質，理論分析指出，o、e光通過厚度為l的介質后，所產生的相位差為

21、 φ＝2πklU 2 / λ d 2 式中，k稱為克爾系數(shù)，與介質種類有關；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?，克爾盒中φ與U的平方成線性關系。,,,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，相應的光程差為λ/2，即(ne-no)l=λ/2。這時克爾盒的作用，相當于一個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。,,,克爾效應的時間響應特別快，可跟得上1010Hz的電壓變化，因此可用它來作高速的電光開關。如果加到克爾盒上的電壓是由其它物理量轉換來的調制信號，克爾盒的光輸出就要隨著信號電壓而變化，這時克爾盒就是電光調制器。    克爾盒中所用的介質，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。,聲光調制,■聲光調制器是由聲光介質、電聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅動電源等組成。,而作為聲光調制器來說，無論屬于哪種類型，調制器都有兩種工作方式，一種是將零級光束作為輸出；另一種是將1級衍射光束作為輸出。當聲波振幅隨著調制信號改變時，各級衍射光的強度也將隨之發(fā)生相應變化。若將某一級衍射光和為輸出，利用光闌將其它衍射級遮攔，則從光闌孔出射的光束就是調制光。,■調制原理,聲光調制特性曲線,為了使調制波不發(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。,◆聲光波導調制器,★舉例：聲光調Q技術,磁光調制,團結 勤奮 求是 創(chuàng)新,,,,法拉第效應,,,,,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、低成本的應用中，如多數(shù)的門禁控制、校園卡、動物監(jiān)管、貨