激光调制修改学习教案.pptx

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1、会计学1激光调制激光调制(tiozh)修改修改第一页，共65页。1.振幅振幅(zhnf)调制调制使载波使载波(zib)的振幅随着信号的变化规律而变化。的振幅随着信号的变化规律而变化。激光的电场激光的电场 调制信号调制信号 调幅波的频谱公式调幅波的频谱公式 =调幅调幅(dio f)系数：系数：第1页/共65页第二页，共65页。2.频率频率(pnl)调制和相位调制调制和相位调制光载波的频率或相位随着调制光载波的频率或相位随着调制(tiozh)信号的变化规律而改变。信号的变化规律而改变。频率频率(pnl)调制：调制：激光的电场强度：激光的电场强度：相位调制：相位调制：频率调制和相位调制都是调总相角，

2、写成统一形式：频率调制和相位调制都是调总相角，写成统一形式：调频系数：调频系数：第2页/共65页第三页，共65页。产生无数多个产生无数多个(du)边频，当边频，当m很小时，边频数量减少。很小时，边频数量减少。第3页/共65页第四页，共65页。3.强度强度(qingd)调制调制光载波光载波(zib)的强度（光强）随调制信号规律而变化。的强度（光强）随调制信号规律而变化。设调制信号是单频余弦设调制信号是单频余弦(yxin)波，则调制强度为：波，则调制强度为：实实际际应应用用中中，为为了了得得到到较较强强的的抗抗干干扰扰效效果果，往往往往利利用用二二次次调调制制方方式式，即即先先用用低低频频信信号号

3、对对一一高高频频副副载载波波进进行行频频率率调调制制，然然后后再再利利用用这这个个已已调调频频波波进进行行强强度度调调制制（称称为为FM/IM调调制制），使使光光的的强强度度按按副副载载波波信信号号的的规规律律变变化化。信信号号在在调调频频波波中中，抗抗干扰能力强。干扰能力强。第4页/共65页第五页，共65页。4.脉冲调制脉冲调制用一种间歇用一种间歇(jin xi)的的周期性脉冲序列作为载周期性脉冲序列作为载波，使载波的某一参量波，使载波的某一参量按调制信号规律变化的按调制信号规律变化的调制方法。调制方法。第5页/共65页第六页，共65页。脉冲编码调制脉冲编码调制(tiozh)(tiozh)（

4、采样、量化、编（采样、量化、编码）码）5.脉冲编码脉冲编码(bin m)调制（数字调制）调制（数字调制）第6页/共65页第七页，共65页。1.1.1.1.光在晶体光在晶体光在晶体光在晶体(jngt)(jngt)(jngt)(jngt)中的传播中的传播中的传播中的传播（1 1 1 1）晶体的极化率与介电系数晶体的极化率与介电系数晶体的极化率与介电系数晶体的极化率与介电系数介质极化强度介质极化强度介质极化强度介质极化强度(qingd)P(qingd)P(qingd)P(qingd)P与入射光与入射光与入射光与入射光E E E E的关系：的关系：的关系：的关系：极化率极化率 成为二阶张量，具有九个分

5、量：成为二阶张量，具有九个分量：于是于是(y(ysshh)各各向向异异性性晶晶体体中中P 每每一一个个分分量量都都与与E的的三三个个分分量量存存在在着着线线性性关关系系，P不不再再与与E同同向向。各各向向同同性性晶晶体体中中P 每每一一个个分分量量与与E的的相相应分量存在着线性关系，应分量存在着线性关系，P与与E同向。同向。7.5.2 电光调制电光调制第7页/共65页第八页，共65页。选择选择(xunz)坐标系为晶体的主介电坐标系，则非线性晶体张量坐标系为晶体的主介电坐标系，则非线性晶体张量非对角元素为零：非对角元素为零：折射率：折射率：低低级级晶晶族族3 3个个分分量量(fn(fn ling

6、)ling)不不相相等等，中中级级晶晶族族有有2 2个个相相等等，高高级晶族级晶族3 3个都相等。个都相等。第8页/共65页第九页，共65页。确定两个允许确定两个允许确定两个允许确定两个允许(ynx)(ynx)传输波的偏振方向及其相速度。传输波的偏振方向及其相速度。传输波的偏振方向及其相速度。传输波的偏振方向及其相速度。直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴(zh(zh zhu)zhu)分量表示为通式：分量表示为通式：为沿三个轴的主折射率为沿三个轴的主折射率（2）折射率椭球）折射率椭球 方程方程代表一个椭球，称代表一个椭球，称折射率椭球折射率椭球，晶体各向异性的几

7、何表，晶体各向异性的几何表示。性质：示。性质：l 其中任一矢径的方向，其长度表示沿该方向其中任一矢径的方向，其长度表示沿该方向偏振偏振的光波的的光波的折射率。折射率。l对对于于任任意意给给定定的的波波矢矢k，利利用用折折射射率率椭椭球球可可求求光光波波的的偏偏振振方方向向及及相相应应折折射射率率：通通过过原原点点作作k的的垂垂面面，与与折折射射率率椭椭球球相相交交得得一一椭椭圆圆截截面面，则则这这一一椭椭圆圆截截面面的的两两个个轴轴即即为为两两个个偏偏振振方方向，两个轴长度向，两个轴长度 为相应折射率。为相应折射率。第9页/共65页第十页，共65页。单轴晶体折射率椭球：单轴晶体折射率椭球：单轴

8、晶体折射率椭球：单轴晶体折射率椭球：取取取取光光光光轴轴轴轴为为为为z z轴轴轴轴，沿沿沿沿x x、y y轴轴轴轴的的的的主主主主折折折折射射射射率率率率相相相相等等等等，说说说说明明明明xoyxoy平平平平面面面面内内内内的的的的D D、E E方方方方向向向向一一一一致致致致，与与与与各各各各向向向向同同同同性性性性介介介介质质质质(jizh)(jizh)中中中中光光光光波波波波性性性性质质质质一一一一样样样样，称称称称寻寻寻寻常常常常光光光光，相相相相应应应应主主主主折折折折射射射射率率率率为为为为寻寻寻寻常常常常折折折折射射射射率率率率，记记记记为为为为no no；沿沿沿沿光光光光轴轴轴

9、轴的的的的主主主主折折折折射射射射率率率率称称称称非非非非常常常常折折折折射射射射率，记为率，记为率，记为率，记为ne ne zyxzyxOO(a)正单轴晶体正单轴晶体 (b)负单轴晶体负单轴晶体 单轴晶体折射率椭球单轴晶体折射率椭球第10页/共65页第十一页，共65页。单轴晶体折射率椭球特性单轴晶体折射率椭球特性单轴晶体折射率椭球特性单轴晶体折射率椭球特性(txng)(txng)：（a a a a）xoy xoy xoy xoy平面与椭球截面是一个圆，其半径为平面与椭球截面是一个圆，其半径为平面与椭球截面是一个圆，其半径为平面与椭球截面是一个圆，其半径为no no no no。表表表表明明明

10、明当当当当光光光光波波波波沿沿沿沿着着着着z z z z轴轴轴轴方方方方向向向向传传传传播播播播时时时时，即即即即kikikiki平平平平行行行行于于于于光光光光轴轴轴轴时时时时，只只只只存存存存在在在在一一一一种种种种折折折折射射射射率率率率nononono，光光光光波波波波偏偏偏偏振振振振方方方方向向向向取取取取垂垂垂垂直直直直于于于于Z Z Z Z轴轴轴轴的的的的任任任任何何何何方方方方向向向向，折折折折射射射射率率率率相等，不产生双折射。相等，不产生双折射。相等，不产生双折射。相等，不产生双折射。z z z z轴即单轴晶体光轴。轴即单轴晶体光轴。轴即单轴晶体光轴。轴即单轴晶体光轴。（b

11、 b b b）xozxozxozxoz、yozyozyozyoz平平平平面面面面，或或或或其其其其它它它它含含含含z z z z轴轴轴轴的的的的椭椭椭椭球球球球截截截截面面面面为为为为一一一一椭椭椭椭圆圆圆圆，其其其其两两两两半半半半(lin bn)(lin bn)(lin bn)(lin bn)轴长度分别为轴长度分别为轴长度分别为轴长度分别为 、。表表表表明明明明当当当当光光光光垂垂垂垂直直直直于于于于z z z z轴轴轴轴入入入入射射射射(ki(ki(ki(ki垂垂垂垂直直直直于于于于光光光光轴轴轴轴，处处处处于于于于xoyxoyxoyxoy平平平平面面面面内内内内)时时时时，可可可可允允

12、允允许许许许两两两两个个个个彼彼彼彼此此此此正正正正交交交交的的的的线线线线偏偏偏偏振振振振光光光光传传传传播播播播，其其其其中中中中一一一一个个个个光光光光波波波波偏偏偏偏振振振振方方方方向向向向平平平平行行行行于于于于光光光光轴轴轴轴、折折折折射射射射率率率率为为为为 ，另另另另一一一一光光光光波波波波偏偏偏偏振振振振方方方方向向向向垂垂垂垂直直直直于于于于光光光光轴轴轴轴、折射率为折射率为折射率为折射率为 。第11页/共65页第十二页，共65页。（c c c c）当）当）当）当ki ki ki ki 与与与与z z z z轴夹角为轴夹角为轴夹角为轴夹角为 时，通过原点时，通过原点时，通过

13、原点时，通过原点O O O O垂直于垂直于垂直于垂直于ki ki ki ki 的平面与的平面与的平面与的平面与椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于两种本征光波：两种本征光波：两种本征光波：两种本征光波：寻常光：偏振方向与寻常光：偏振方向与寻常光：偏振方向与寻常光：偏振方向与SOZSOZSOZSOZ平面垂直，折射率及相速与平面垂直，折射率及相速与平面垂直，折射率及相速与平面垂直，折射率及相速与 无关，无关，无关，无关，

14、折射率折射率折射率折射率nononono称寻常折射率。称寻常折射率。称寻常折射率。称寻常折射率。非常光：偏振方向在非常光：偏振方向在非常光：偏振方向在非常光：偏振方向在SOZSOZSOZSOZ平面内，平面内，平面内，平面内，折射率折射率折射率折射率ne(ne(ne(ne()满足满足满足满足(mnz)(mnz)(mnz)(mnz)方程：方程：方程：方程：折射率与相速和角度折射率与相速和角度(jiod)有关。有关。任意任意(rny)(rny)方向传播的方向传播的双折射双折射第12页/共65页第十三页，共65页。2.2.电光电光(dingun(dingung)g)效应效应电光效应：当介质的两端所加外

15、电场较强时，介质内的电子电光效应：当介质的两端所加外电场较强时，介质内的电子 分布状态将发生变化，以致介质的极化分布状态将发生变化，以致介质的极化(j hu)强度以及强度以及 折射率也各向异性地发生变化的现象。折射率也各向异性地发生变化的现象。电光效应弛豫时间很短，仅有电光效应弛豫时间很短，仅有10-11量级量级外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成。外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成。可用作高速调制器、高速开关等可用作高速调制器、高速开关等（a）外加电场相对）外加电场相对(xingdu)光场为低频光场为低频（b）外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体，此时）外加电场沿着某

16、一介电主轴作用于晶体，此时D与与E的方向一致，的方向一致，因而因而D只随只随E的大小变化。的大小变化。为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件：为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件：第13页/共65页第十四页，共65页。（1 1 1 1）泡克尔斯）泡克尔斯）泡克尔斯）泡克尔斯(Pockels)(Pockels)(Pockels)(Pockels)效应效应效应效应(xioyng)(xioyng)(xioyng)(xioyng)与克尔与克尔与克尔与克尔(Kerr)(Kerr)(Kerr)(Kerr)效应效应效应效应(xioyng)(xioyng)(xioyng)(xioyng)当外加电场沿

17、某一介电主轴作用于晶体当外加电场沿某一介电主轴作用于晶体当外加电场沿某一介电主轴作用于晶体当外加电场沿某一介电主轴作用于晶体(jngt)(jngt)(jngt)(jngt)时，电位移矢量时，电位移矢量时，电位移矢量时，电位移矢量为为为为 为不加电场时的介电常数，称线性介电常数。为不加电场时的介电常数，称线性介电常数。定义定义D(E)的斜率的斜率(xil)为加电场后的介电常数：为加电场后的介电常数：l 与外加电场的一次方成正比，称为与外加电场的一次方成正比，称为泡克尔斯效应；泡克尔斯效应；ln与外加电场平方成正比，称为与外加电场平方成正比，称为克尔效应。克尔效应。n第一项大大于后面各项，作泰勒级

18、数展开第一项大大于后面各项，作泰勒级数展开第14页/共65页第十五页，共65页。（2 2）KDP KDP晶体的线性电光晶体的线性电光晶体的线性电光晶体的线性电光(dingung)(dingung)效应效应效应效应 KDP KDP晶体晶体(jngt(jngt)是人工生长的是人工生长的KH2PO4KH2PO4单轴晶体单轴晶体(jngt(jngt)的简称。的简称。不加外场，折射率椭球为：不加外场，折射率椭球为：外加电场外加电场(din chng)作用后，新的折射率椭球为：作用后，新的折射率椭球为：外外加加电电场场引引起起了了折折射射率率椭椭球球中中的的后后三三项项，即即“交交叉叉项项”，这这意意味味

19、着着加加上上电电场场后后，椭椭球球的的主主轴轴不不再再是是x、y、z轴轴，而而是是有有所所偏转。偏转。新新主主轴轴、的的方方向向和和大大小小与与E的的关关系系就就确确定定了了电电场场对对光传播的影响。光传播的影响。第15页/共65页第十六页，共65页。外加电场外加电场外加电场外加电场(din chng)(din chng)(din chng)(din chng)平行于光轴（平行于光轴（平行于光轴（平行于光轴（Z Z Z Z轴）：轴）：轴）：轴）：设新主轴设新主轴设新主轴设新主轴(zhzhu)(zhzhu)(zhzhu)(zhzhu)相对旧主轴相对旧主轴相对旧主轴相对旧主轴(zhzhu)(zhz

20、hu)(zhzhu)(zhzhu)旋转了角度旋转了角度旋转了角度旋转了角度，则，则，则，则在新主轴坐标系在新主轴坐标系 中，折射率椭球方程变为：中，折射率椭球方程变为：第16页/共65页第十七页，共65页。结论结论(jiln)(jiln)：(a)(a)施施加加外外场场E3E3后后，椭椭球球的的xoyxoy截截面面由由圆圆变变为为椭椭圆圆，折折射射率率椭椭球球由由旋旋转转椭椭球球面面 变变 为为 一一 般般 椭椭 球球 面面，KDPKDP由由单单轴轴晶晶体体变变为为双双轴晶体。轴晶体。(b)沿沿 方方向向偏偏振振的的光光传传播播相相速速度度加加大大，而而沿沿 方方向向偏偏振振的的光光传传播播速速

21、度度减小，因此减小，因此 轴称为快轴，轴称为快轴，轴为慢轴。轴为慢轴。第17页/共65页第十八页，共65页。（3 3 3 3）电光相位延迟）电光相位延迟）电光相位延迟）电光相位延迟 以外加电场以外加电场以外加电场以外加电场(din chng)(din chng)(din chng)(din chng)平行于光轴（平行于光轴（平行于光轴（平行于光轴（Z Z Z Z轴）的轴）的轴）的轴）的KDPKDPKDPKDP晶体为例，光波沿晶体为例，光波沿晶体为例，光波沿晶体为例，光波沿z z z z方向传播距离方向传播距离方向传播距离方向传播距离l l l l后，两偏振光之间的相位差为后，两偏振光之间的相位

22、差为后，两偏振光之间的相位差为后，两偏振光之间的相位差为 的变化曲线及相应的光场矢量变化情形、第18页/共65页第十九页，共65页。n n当当当当相相相相位位位位(xingwi)(xingwi)(xingwi)(xingwi)延延延延迟迟迟迟时时时时，光光光光场场场场为为为为x x x x方方方方向向向向偏偏偏偏振振振振的的的的线线线线偏偏偏偏振振振振光光光光，当当当当/2/2/2/2时时时时，光光光光场场场场为为为为圆圆圆圆偏偏偏偏振振振振光光光光，当当当当时时时时，光光光光场场场场又又又又变变变变成成成成沿沿沿沿y y y y方向偏振的线偏振光。方向偏振的线偏振光。方向偏振的线偏振光。方向

23、偏振的线偏振光。n n与与与与对对对对应应应应的的的的偏偏偏偏振振振振光光光光相相相相对对对对入入入入射射射射光光光光旋旋旋旋转转转转了了了了90909090，其其其其相相相相应应应应的的的的电电电电压压压压称为半波电压称为半波电压称为半波电压称为半波电压 n n晶体的电光系数越大，相应半波电压越低晶体的电光系数越大，相应半波电压越低晶体的电光系数越大，相应半波电压越低晶体的电光系数越大，相应半波电压越低.n n通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。第19页/共65

24、页第二十页，共65页。部分部分部分部分(b fen)(b fen)(b fen)(b fen)晶体的晶体的晶体的晶体的 和和和和第20页/共65页第二十一页，共65页。3.电光强度电光强度(qingd)调调制制（1）纵向电光强度）纵向电光强度(qingd)调制调制第21页/共65页第二十二页，共65页。（1）电电光光(dingung)强强度度调调制制装装置置由由两两块块交交叉叉偏偏振振片片及及其其间间放放置置的的一一块块单轴电光单轴电光(dingung)晶体组成。偏振片的通振动方向分别与晶体组成。偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行。轴平行。（2）设某时刻加在电光晶体上的电压）设某时刻加在电光

25、晶体上的电压(diny)为为V，入射到晶体的在，入射到晶体的在x方向上的线偏振光电矢量振幅为方向上的线偏振光电矢量振幅为E0 进入晶体时沿快轴进入晶体时沿快轴 和慢轴和慢轴 的电矢量振幅都变为的电矢量振幅都变为 通过晶体后沿通过晶体后沿 和和 方向的二线偏振光之间的方向的二线偏振光之间的位相差位相差 通通过过振振动动方方向向与与 y 轴轴平平行行的的偏偏振振片片检检偏偏后后产产生生的的光光振振幅幅分分别别为为 ，则有：，则有：第22页/共65页第二十三页，共65页。投影投影(tuyng)之之和为：和为：图图(4-22)I/I0-V曲线曲线第23页/共65页第二十四页，共65页。（4）如外加信号

26、电压为正弦电压，）如外加信号电压为正弦电压，则，则输出光强近似输出光强近似为正弦形，实现无失真调制。为正弦形，实现无失真调制。（3）画画出出 曲曲线线的的一一部部分分以以及及光光强强调调制制的的情情形形。为为使使工工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压 来完成，或者插入来完成，或者插入/4波片，使之产生波片，使之产生90度的相位差。度的相位差。应用应用(yngyng)应用应用(yngyng)第24页/共65页第二十五页，共65页。使用使用(shyng)电光调制器的光通信线路电光调制器的光通信线路 激光器输出激光器输出(shch)(sh

27、ch)为为偏振光偏振光第25页/共65页第二十六页，共65页。（2）横向电光强度）横向电光强度(qingd)调制调制第一项表示天然双折射造成第一项表示天然双折射造成(zo chn)的相位差；的相位差；第二项由电光效应引起，为电光延迟。第二项由电光效应引起，为电光延迟。由第一项确定由第一项确定(qudng)工作点位置后，根据第二项正比于工作点位置后，根据第二项正比于l/d，恰当选择长宽比，以实现有效的电光调制。恰当选择长宽比，以实现有效的电光调制。消除天然双折射方法：两块晶体串接（消除天然双折射方法：两块晶体串接（Z轴垂直）轴垂直）电压加在电压加在X X方向，入射光沿方向，入射光沿Z Z方向，方

28、向，X X方向偏振；方向偏振；X X、Y Y、Z Z与晶体边与晶体边平行。平行。第26页/共65页第二十七页，共65页。横向电光调制可降低半波电压横向电光调制可降低半波电压(diny)，用两块晶体可消除自，用两块晶体可消除自然双折射，但结构较复杂。然双折射，但结构较复杂。第27页/共65页第二十八页，共65页。4 电光电光(dingung)相位调制相位调制（1）加电场后，）加电场后，振动方向与晶体的感应主轴相平行的振动方向与晶体的感应主轴相平行的光通过光通过长度为长度为 的晶体，其位相增加为的晶体，其位相增加为（2）晶体上所加的是正弦）晶体上所加的是正弦(zhngxin)调制电场调制电场 晶体

29、输入面处的光场是晶体输入面处的光场是 第28页/共65页第二十九页，共65页。式中，式中，为相位调制度为相位调制度（3）则在晶体）则在晶体(jngt)输出面处的光场可写成输出面处的光场可写成 第29页/共65页第三十页，共65页。5.5.5.5.波导波导波导波导(b do)(b do)(b do)(b do)电光调电光调电光调电光调制器制器制器制器n n波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场加在通光波导区，可以在很低的外加电压

30、下获得所需的调制加在通光波导区，可以在很低的外加电压下获得所需的调制加在通光波导区，可以在很低的外加电压下获得所需的调制加在通光波导区，可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。场强。场强。场强。n n可以通过可以通过可以通过可以通过(tnggu)(tnggu)(tnggu)(tnggu)波导特性，如模式转换、模式耦合、定向波导特性，如模式转换、模式耦合、定向波导特性，如模式转换、模式耦合、定向波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等。耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等。耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等。耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等

31、。n n波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦合等优点。合等优点。合等优点。合等优点。（1 1）M-ZM-Z干涉仪强度干涉仪强度(qingd)(qingd)调制器调制器晶晶体体材材料料为为铌铌酸酸锂锂晶晶体体(LiNbO3)，其其中中的的光光波波导导是是在在晶晶体体上上用用钛钛扩扩散散（折折射射率率提提高高）技技术术制制作的。作的。第30页/共65页第三十一页，共65页。n n电电电电信信信信号号号号加加加加到到到到如如如如图

32、图图图所所所所示示示示的的的的电电电电极极极极上上上上，来来来来自自自自激激激激光光光光器器器器的的的的连连连连续续续续光光光光波波波波输输输输入入入入到到到到调调调调制制制制器器器器的的的的左左左左端端端端，然然然然后后后后被被被被均均均均匀匀匀匀地地地地分分分分配配配配到到到到光光光光波波波波导导导导的的的的两两两两个个个个臂臂臂臂中中中中，两两两两光光光光路路路路长长长长度度度度相相相相等等等等。由由由由于于于于电电电电光光光光效效效效应应应应，其其其其折折折折射射射射率率率率及及及及到到到到达达达达输输输输出出出出端端端端的的的的光光光光程程程程差差差差和和和和位位位位相相相相随随随随

33、外外外外加加加加电电电电压压压压的的的的变变变变化化化化(binhu)(binhu)(binhu)(binhu)而而而而变变变变化化化化(binhu)(binhu)(binhu)(binhu)，在在在在时时时时间间间间上上上上发发发发生生生生延延延延迟迟迟迟。两两两两束束束束光光光光到到到到达达达达输输输输出出出出端端端端后后后后，经经经经3 dB3 dB3 dB3 dB光耦合器耦合在一起由一路光纤输出。光耦合器耦合在一起由一路光纤输出。光耦合器耦合在一起由一路光纤输出。光耦合器耦合在一起由一路光纤输出。根根据据这这一一原原理理(yunl)，即即可可完完成成光光信信号号强强度度随随电电信信号号

34、的的变变化化而而不不断断改改变变的的调调制制过过程程，即即实实现现强强度度调调制制。图图中中，沿沿方方向向切切割割LiNbO3晶晶体体，光波沿光波沿z方向传输，调制电场施加于方向传输，调制电场施加于y方向。设入射光场为方向。设入射光场为 调制电压为调制电压为第31页/共65页第三十二页，共65页。外加电场作用下光波外加电场作用下光波外加电场作用下光波外加电场作用下光波(gungb)(gungb)(gungb)(gungb)产生的相位变化为产生的相位变化为产生的相位变化为产生的相位变化为 式中式中式中式中L L L L为调制区间长度。为调制区间长度。为调制区间长度。为调制区间长度。从调制臂输出的

35、光场为 式中，为调制深度(shnd)。此时，经过调制臂的光波相位已经受到调制，在输出端可以得到强度调制的光波信号输出。调制器输出调制器输出(shch)光强为光强为输出光强随信号电压输出光强随信号电压V V变化。变化。第32页/共65页第三十三页，共65页。(2)(2)定向定向(dn xin)(dn xin)耦合器型耦合器型光波导调制器光波导调制器M-ZM-Z干涉仪由干涉仪由2 2个个3dB3dB耦合器和耦合器和1 1个移相器组成个移相器组成(z chn)(z chn)。当电调制信号为空号时，两支路正好满足N为偶数(u sh)。当电调制信号为传号时，由于电场的加入，改变了波导的有效折射率，因而改

36、变传播常数k，使其正好满足180的附加相移，由交叉态变为直通态。第33页/共65页第三十四页，共65页。7.5.3 7.5.3 7.5.3 7.5.3 声光声光声光声光(shn(shn(shn(shn un)un)un)un)调制调制调制调制 声声波波的的应应变变场场也也能能改改变变(g(g ibin)ibin)某某些些晶晶体体的的折折射射率率，产产生生类类似似于于光光栅栅的的光光学学结结构构，从从而而对对入入射射的的光光波波产产生调制，这种调制称为声光调制。生调制，这种调制称为声光调制。1 声光(shn un)衍射（1）声光衍射的定性描述）声光衍射的定性描述 在晶体中传播的超声波产生弹光效应

37、使晶体的介电常数发生变化，晶体中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。(a)超声行波 (b)超声驻波 声波在介质中传播分为行波与驻波两 种，所以折射率变化也有两种形式：第34页/共65页第三十五页，共65页。（2 2 2 2）声光声光声光声光(shn un)(shn un)(shn un)(shn un)布喇格衍射布喇格衍射布喇格衍射布喇格衍射若若若若声声声声波波波波频频频频率率率率较较较较高高高高，且且且且声声声声光光光光作作作作用用用用长长长长度度度度L L L L较较较较大大大大，声声声声扰扰扰扰动动动动介介介介质质

38、质质形形形形成成成成“体体体体位位位位相相相相光光光光栅栅栅栅”。当当当当平平平平面面面面光光光光波波波波相相相相对对对对于于于于声声声声波波波波方方方方向向向向以以以以一一一一定定定定角角角角度度度度入入入入射射射射时时时时，介介介介质质质质内内内内的的的的各各各各级级级级衍衍衍衍射射射射光光光光将将将将互互互互相相相相干干干干涉涉涉涉，在在在在一一一一定定定定条条条条件件件件(tiojin)(tiojin)(tiojin)(tiojin)下下下下，各各各各高高高高级级级级衍衍衍衍射射射射光光光光将将将将互互互互相抵消，只出现相抵消，只出现相抵消，只出现相抵消，只出现0 0 0 0级和级级和

39、级级和级级和级(或级或级或级或级)衍射光，即产生布喇格衍射。衍射光，即产生布喇格衍射。衍射光，即产生布喇格衍射。衍射光，即产生布喇格衍射。布喇格衍射条件布喇格衍射条件 布喇格角布喇格角 衍射衍射(ynsh)(ynsh)效率效率第35页/共65页第三十六页，共65页。令衍射效率达到令衍射效率达到(d do)100，则需要的声强度为：，则需要的声强度为：所需的超声波功率所需的超声波功率(gngl)(gngl)为：为：第36页/共65页第三十七页，共65页。对于超声波对于超声波(shn b)(shn b)行波场，声波行波场，声波(shn b)(shn b)运动的影响使声运动的影响使声光栅移动，从而使

40、衍射光束产生多普勒效应，则：光栅移动，从而使衍射光束产生多普勒效应，则：式中，式中，为光波频率，为光波频率，为声波速度矢量沿光波传播方向的为声波速度矢量沿光波传播方向的分量，所以有：分量，所以有：因此，当声波因此，当声波迎向迎向光波传播时，衍射光频率为光波传播时，衍射光频率为 ；当声波当声波背向背向光波传播时，衍射光频率为光波传播时，衍射光频率为第37页/共65页第三十八页，共65页。2.2.2.2.声光声光声光声光(shn(shn(shn(shn un)un)un)un)调调调调制器制器制器制器组成：声光晶体组成：声光晶体(jngt)(jngt)、压电换能器、吸声（反射）装置、驱动源。、压电

41、换能器、吸声（反射）装置、驱动源。1.1.驱动源：产生高频信号，由电极驱动源：产生高频信号，由电极(dinj)(dinj)加到压电换能器两侧。加到压电换能器两侧。2.2.压压电电换换能能器器：将将电电功功率率信信号号转转换换成成超超声声波波，通通过过耦耦合合器器耦耦合合到到声声光光介介质质中中，使使介介质质折折射射率率发发生生变变化化，形形成成光光栅栅。压压电电换换能能器器通通常常由由石石英英晶晶片或铌酸锂晶片来实现。厚度十几到几十微米，频率越高，厚度越薄。片或铌酸锂晶片来实现。厚度十几到几十微米，频率越高，厚度越薄。3.3.声声光光介介质质：声声场场和和光光场场相相互互作作用用的的场场所所。

42、需需考考虑虑工工作作波波长长及及品品质质因因素素。常常用用的的有有：铌铌酸酸锂锂（0.5-4.5um0.5-4.5um透透 光光）、钼钼 酸酸 铅铅（0.4-5.5um0.4-5.5um透光）透光）第38页/共65页第三十九页，共65页。5.4.3 5.4.3 声光声光(shn un)(shn un)调制调制调制调制(tiozh)(tiozh)特特性曲线性曲线 如果声波是载有信息如果声波是载有信息(xnx)的信号调制的，则衍射光也会受到相的信号调制的，则衍射光也会受到相同信号的调制。同信号的调制。一级衍射光强度：一级衍射光强度：第39页/共65页第四十页，共65页。7.5.4 7.5.4 7.

43、5.4 7.5.4 磁光调制磁光调制磁光调制磁光调制(tiozh)(tiozh)(tiozh)(tiozh)1 1 磁光效应磁光效应 当当线线偏偏振振光光沿沿光光轴轴方方向向通通过过(tnggu)某某些些天天然然介介质质时时，偏偏振振面面旋旋转转的的现现象象称称为为天天然然旋旋光光，简简称称旋旋光光现现象象。不不同同介介质质对对光光振振动动矢矢量量的的旋旋转转方方向向可可能能不不同同，分分为为左左旋旋和和右右旋旋。对对着着光光线线观观察察，矢矢量量顺顺时时针针旋旋转转成成右右旋旋，逆逆时时针针称称左左旋旋。葡葡萄萄糖糖溶溶液液是是右右旋旋介介质质，果果糖糖是是左左旋旋介质。介质。（1）旋光效应

44、）旋光效应(xioyng)第40页/共65页第四十一页，共65页。（2 2 2 2）法拉第效应）法拉第效应）法拉第效应）法拉第效应 法拉第在法拉第在法拉第在法拉第在1845184518451845年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到正比于外加时，其偏振面受到正比于外加时，其偏振面受到正比于外加时，其偏振面受到正比于外加(wiji)(wiji)(wiji)(wiji)磁场平行于传播方向分量的作用磁场平行于传播方向分量的作用磁场

45、平行于传播方向分量的作用磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。法拉第效应法拉第效应(xioyng)(xioyng)时的时的V值值 第41页/共65页第四十二页，共65页。天然天然天然天然(tinrn)(tinrn)旋光效应与法拉第磁光效应的本质区别：旋光效应与法拉第磁光效应的本质区别：旋光效应与法拉第磁光效应的本质区别：旋光效应与法拉第磁光效应的本质区别：n n光光光光束束束束返返返返回回回回通通通通过过过过天天天天然然然然旋旋旋旋光光光光介介介介质质质质时时时

46、时，旋旋旋旋转转转转角角角角度度度度与与与与正正正正向向向向入入入入射射射射时时时时相相相相反反反反，因而因而因而因而(yn r)(yn r)往返通过介质的总效果是偏转角为零；往返通过介质的总效果是偏转角为零；往返通过介质的总效果是偏转角为零；往返通过介质的总效果是偏转角为零；n n而而而而磁磁磁磁致致致致旋旋旋旋光光光光方方方方向向向向与与与与磁磁磁磁场场场场方方方方向向向向有有有有关关关关，而而而而与与与与光光光光的的的的传传传传播播播播方方方方向向向向无无无无关关关关，因因因因而而而而(yn(yn r)r)光光光光往往往往返返返返通通通通过过过过法法法法拉拉拉拉第第第第旋旋旋旋光光光光物

47、物物物质质质质时时时时，偏偏偏偏转转转转角角角角度度度度增增增增加加加加一一一一倍倍倍倍。可应用于光隔离器。可应用于光隔离器。可应用于光隔离器。可应用于光隔离器。第42页/共65页第四十三页，共65页。2 2 磁光调制磁光调制(tiozh)(tiozh)将磁光介质（如YIG棒）置于恒磁场Hd（与光传输方向垂直）中，棒上饶有射频激励线圈(xinqun)，以便在介质内建立时变调制磁场。由于加了恒磁场，光通过介质后旋转角度为 如果令其通过检偏器（偏振方向如果令其通过检偏器（偏振方向(fngxing)(fngxing)可平行于起偏方可平行于起偏方向向(fngxing)(fngxing)，也可垂直于起偏

48、方向，也可垂直于起偏方向(fngxing)(fngxing)），则旋转角的），则旋转角的调制转换为光强调制。调制转换为光强调制。输出光强随信号电流而变化，受到强度调制。输出光强随信号电流而变化，受到强度调制。第43页/共65页第四十四页，共65页。7.5.5 直接直接(zhji)调制调制 把要传递的信息把要传递的信息(xnx)转变为电流信号调制激光器驱动电源，从转变为电流信号调制激光器驱动电源，从而使输出激光带有信息而使输出激光带有信息(xnx)。是目前光纤通信系统普遍是目前光纤通信系统普遍(pbin)使用的实用化调制方法。使用的实用化调制方法。直接调制直接调制模拟调制：模拟调制：数字调制：数

49、字调制：用连续的模拟信号（如电视、话音等用连续的模拟信号（如电视、话音等信号）直接对光源进行光强度调制信号）直接对光源进行光强度调制 用脉冲编码调制（用脉冲编码调制（PCM）的数字信）的数字信号对光源进行强度调制号对光源进行强度调制 第44页/共65页第四十五页，共65页。1.1.模拟模拟(mn)(mn)调制调制 为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号(xnho)电流的同时加一适当的偏置电流Ib。（1）调制信号(xnho)源与直流偏置电流必须隔离。（2）偏置电流略大于LD的阈值电流。（3 3）直直接接调调制制(tiozh)(tiozh)会会使使激激光光器器主主模

50、模的的强强度度降降低低，而而次次模模的的强度相对增加，从而使谱宽增加。强度相对增加，从而使谱宽增加。调制深度：调制深度：第45页/共65页第四十六页，共65页。2.2.数字式调制数字式调制(tiozh)(tiozh)下图为光载波直接光强调制的基本原理。Ib为直流偏置电流，Im为代表信息数据的驱动电流，Ib+Im成为(chngwi)LD的工作电流。数据1对应于激光发射，数据0对应于无光发射。LD数字(shz)调制原理图第46页/共65页第四十七页，共65页。光发送机框图(kungt)LD实用驱动(q dn)电路 实际的数字信号经过交换、复接过程，其波形不是矩形脉冲，在调制(tiozh)LD之前需