电光调制技术在激光通信中的应用

1、 文 章 编 号 :1008-1658(2003 01-0010-06电光调制技术在激光通信中的应用巫建坤(北京机械工业学院 电子信息工程系 , 北京 100085摘 要 :由于光波通信具有无线电通信无法比拟的优点 , 在通信领域中起着至关重要的作用 , 所以利用电光调制的原理设计了一激光通信系统 号作为调制信号加在电光晶体上 , 在接收端接收被调制的光信号 , 、 还 原 , 用光波来传递信息 。 , 通信的可行性 。 影响较大 , 容易产生噪声 , 关 键 词 :; :A, 实际上是将有线通信的电信号处理技术 、 激光 , 可用于空间及地面通信 。 近几年来 , 人们对宽带多媒体业务 的需

2、求促进了整个通信网络的宽带化发展 。 光波是宽带信息的最理想载体 , 光纤通信的迅速 发展已证明了这一点 。光波通信具有无线电通信无法比拟的许多优点 。 首先通信容量大 , 激光不但频率很高 (约 1013Hz 1015Hz , 比微波高 10100万倍 而且单色性很好 , 可以做通信的载频使用 , 若以每 路电话频带宽度 4kHz 计算 , 可容纳 100亿路 , 全球以 50亿人口计算 , 全世界的人利用一束激 光通话还绰绰有余 , 巨大的通信容量是过去任何通信系统都无法达到的 。 其次抗干扰能力强 , 由于激光的频率较高以致无线电波对它起不了干扰作用 , 激光的高方向性使得光波也很难干

3、扰 。 再次保密性好 , 激光在大气通信中 , 由于较小的发散角 , 激光束几乎是一条准直的细线 , 保 持了高度的方向性 , 不象无线电通信那样向周围空间发散 , 加之它大多是不可见的红外线激 光 , 想截获十分困难 1。 基于以上所述 , 我们提出了利用电光调制技术在自由空间进行激光 通信的系统 , 此系统是将被传输的信号载到激光上 , 以大气为传播介质 , 在接收地再将信号还 原 , 完成被传输信号在自由空间的光传输 。实现激光通信 , 首先要解决的问题是如何将被传输的信号加载到激光上 , 即通常所说的调 制 , 所以首先简单地探讨一下有关光调制的问题 。1 调制方式根据调制与光源的关系

4、 , 光调制可分为直接调制和间接调制 2大类 :直接调制仅适用于半 导体光源 (LD 和 L ED , 这种方法是把要传送的信息转变为电流信号注入 LD 或 L ED , 从而获 收稿日期 :2002-10-17作者简介 :巫建坤 (1954- , 女 , 河南滑县人 , 北京机械工业学院电子信息工程系工程师 , 学士 , 主要从事电光调制技术的研究。第 18卷 第 1期 2003年 3月 北 京 机 械 工 业 学 院 学 报 Journal of Beijing Institute of Machinery Vol. 18 No. 1Mar. 2003 得相应的光信号 , 是电源调制方法

5、。 直接调制具有简单 、 经济 、 容易实现等优点 , 是光纤通信中 常采用的调制方式 。 但是激光器在直接调制时其啁啾与调制频率成正比 , 在光纤色散效应作 用下 , 它将导致传输谱展宽 , 直接影响传输距离 2。间接调制是利用晶体的电光效应 、 磁光效应 、 声光效应等性质来实现对激光辐射的调制 。 这种调制方式既适用于半导体激光器也适用于其它类型的激光器 。 间接调制最常用的是外调 制方式 , 既在激光形成以后加载调制信号 , 其具体方法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制 器 , 在调制器上加调制电压 , 使调制器的某些物理特性发生相应的变化 , 当激光通过它时得到 调制 。 所以根据物

6、理机制 , 外部调制器可以分为 3类 : 磁光 , 即 Farady 调制器 ; (AO 调制器 ; 电光 (EO 调制器 3。 在高级光通信中 , 调制速率比其他类型的调制器调制速率高得多 种 , 一种是 M -Z (Mach -Zahnder ( , 根据所查资料 把它们与直接调制器做一比较 , 1表 1 啁啾因子 驱动电流或电压 阻抗 转换关系 -DFB 约 12GHz <20GHz 35约 2>50mA >50mA 4848线性 线性 外调制 EAM -Z 约 40GHz 约 50GHz <10约 1. 5V 约 510V 约 0. 1p F R =50exp

7、(v cos2(v 从表 1中看出 :间接调制的 2种外部调制器调制带宽比直接调制要宽一倍以上 , 啁啾因子要 小得多 。 因此在高速传输系统中 (>10Gb/s 大多采用外调制技术 。2 电光调制原理 4电光调制的物理基础是电光效应 , 即某些晶体在外电场的作用下其折射率随电场的变化 而发生变化的一种效应 。电光调制又有调幅和调相之分 。电光调幅是借助于晶体的电光效 应 , 使光束的偏振态从线偏振光变为椭圆偏振光 , 再通过检偏器转变为光的强度调制 。 而电光 调相则不改变输出光的偏振态 , 只改变其相位 。 我们所设计的激光通信系统采用的是电光调 幅 。 因此简单的介绍一下电光振幅调

8、制器 , 典型的电光振幅调制器如图 1所示 。图 1 电光振幅调制器图中 P 1,P 2分别为起偏振器和检偏振器 , 两者的透光轴相互垂直 , P 1的透光轴平行于晶 体的 x 主轴 ,P 2的透光轴平行于晶体的 y 主轴 , 并在 P 1,P 2间插入 1/4波片 。加上电场 V 后 , 晶体的感应主轴 x , y 分别为旋转到与原主轴 x , y 轴成 45°的夹角方向 。 因此 , 入射光束经 P 1后与 x 轴平行的线偏振光束进入晶体 (z =0 , 并分解成沿 x , y 轴的两11第 1期 巫建坤 :电光调制技术在激光通信中的应用 个相位和振幅均分别相等的分量 , 即E

9、x =A cos 0tE y =A cos 0 t(1 若用复数表示形式 , 则有 E x (0 = A , E y (0 = A 。 因此输入光强为I 0 E E 3=E x (0 2+E y (0 2=2A 2(2 当光通过长度为 l 的晶体后 , 在输出面 z =l 处 , x 和 y 分量之间将产生相位差 , 则有 E x (l = A E y (l = A e-i (3 这样从 P 2出射的光则为 E x (l 和 E y (l 在 y , 即 (E y 0=(4 而输出光强则为I 0(E 0=2(e -i-1 (e i -1 =2A 2sin 2 2(5 T =I 0=sin 22

10、=sin 22V (6 图 2 透过率与外加电压 V 的关系曲线 式中 I 为输出光强 , I 0为输入光强 , V 为当 =时加在晶 体上的电压 , 通常叫做晶体的半波电压 。 此式表明 , 透过率随外加电压而变化 , 光强调制特性曲线如图2所示 。由此图可以看出 , T -V 曲线是非线性的 , 故必须选择合适的调制工作点 , 否则调制光强将发生畸变 。在 V =V /2附近近似有一线性关系 (V m V 。因此 ,我们设计调制器时 , 必须设法使调制器工作在此线性部分 。在图 1中插入一个 1/4波片 , 使 x , y 2个分量间产生固定相位差为 =/2。 当 V m V 式 (6 就

11、变为 I 0=sin 24+2V =21+sin V (7 这里的电压 V 在直线部分变动 , 这表明在一个小的正弦调制电压的作用下 , 就会使已调制光波的强度变化与调制信号成线性关系 , 光强的变化就能正确地反映信号的变化 。 由图 2可以看出 , 当 V =0时 , 透过光强 I =0; 当 V =V 时 , 透过光强最大 (I/I 0=100% ; V =V /2时透过光强为 V =V 时的一半 (即 50% 。电光调制有 2种 :外加电场的方向与光的传播方向平行 , 叫做纵向电光调制 , 前面我们所21 北京机械工业学院学报 第 18卷 讨论的就是纵向调制 。 这种调制方法由于外加电场

12、的方向与光的传播方向同向 , 因此在电光 晶体的端面电极须做成环行电极或者镀以透明电极 , 光才能通过 。这样给加工带来一定的难 度 , 而且电极对光束有干扰作用 。 当外加电场的方向与光的传播方向垂直时 , 叫做横向调制 , 采用横向调制时电场电极不会防碍光的传输 , 而且也便于制作 。若采用又长又薄的晶体还可 以减小半波电压值 。 由于横向调制器中小电压易于变化 , 所以频响优于纵向调制 。鉴于此我 们的通信系统中采用的是横向调制 。3 激光通信系统及通信实验3. 1 通信系统基于以上电光调制原理 , 所示 声音信息 , 由激光器产生的激光 , 4, 使 得 2个偏振分量 (0光和 e 光

13、 。为的是让调制器工作 在图 2的近似线性区域 。 , 给电光晶体加一个外加电压 , 此电压就 , 晶体的折射率及其他光学性能发生变化 , , , 再经过检偏器又成为线偏振光 , 光 , 在接收地用光电探测器接收被调制 的光信号 , 之后进行电路转换 , 将光信号转换成电信号 , 用解调器将声音信号还原 , 最终完成声 音信号的光传输 。图 3 激光通信系统图 4 待传输的信号3. 2 通信实验根据以上所设计的通信系统我们做了相关的通信实验 , 系统中的电光晶体由铌酸锂 (LiNbO 3 制成 , 铌酸锂晶体为单轴晶体 , 在切割的时候沿光轴的方向进行切割 , 并在晶体的侧面镀上电极 , 用来

14、施加外加电压 ,把 2个端面抛光 , 以进行通光 , 通光的方向即为光轴的方向 。外加电压为被传输的声音信号 , 此信号可以是 收录机的输出或磁带机输出 , 实际上就是一个随时间变化的电压信号 , 其波形为图 4。因电压 的幅值较小 , 只有 2V 左右 , 因此将此信号经电压放大器放大 10倍后加在电光晶体上 , 这样从 31第 1期 巫建坤 :电光调制技术在激光通信中的应用 电光晶体出射的光波中就载有声音信息 。 也就是说把声音信号加载到了光波上 , 光波载着声 音信息在自由空间传输 , 在接收端用光电探测器接收光信号 , 之后经转换电路转换为电压 。 图 5(a , (b 分别为未加载声

15、音信号和加载声音信号接收端的接收情况 。图 (a 因为没有给电光 晶体加外加电压 , 即未加载声音信号 , 因此从电光晶体出射的光没有被调制 , 所以在接收端光 电探测器所接收的光信号经电路转换后得到的电压值为一条直线 。而图 (b 则是加载了声音 信号 , 光电探测器接收的光信号中带有声音信息 , 经电路转换后得到了与发送端相同的电压波 形 , 之后经解调器解调又还原为声音 。 至此完成了用激光光波在自由空间传输声音信息的全 过程 。(a 未加载声音信号 , 接收端的波形 (b 加载声音信号 , 接收端的波形图 5 接收信号波形在调整好光路和电路的基础上我们从以下几方面进行了通信实验 :(1

16、 选择合适的工作点 。 从图 2中看到 T -V 曲线虽然是非线性的 , 但是放入 1/4波片 可以让调制器工作在 V =V /2附近 , 即 T -V 曲线的近似线性段 , 此时调制光强将不会发生 畸变 , 被传输的声音信号也不会产生失真 , 解调器解调出来的声音信号与发送端的声音信号是 完全相同的 。 去掉 1/4波片调制器的工作点就不在 V =V /2附近了 , 也就是说调制器工作 在 T -V 曲线的非线性区 , 解调器解调出来的声音就会失真或者完全听不到声音 。(2 改变输入端信号的大小 , 即调节收录机即或磁带机的音量 , 解调器解调出来的声音也 随同变化 , 说明通信是成功的 。

17、(3 挡住从检偏器出来的光 , 解调器就解调不出发射端所发射的声音信号 。由于我们所使用的光电探测器是光电三极管 , 所以在实验中发现光电探测器的放置位置 至关重要 , 因为光电三极管的接收面为一球面 , 球面的中心一定要对准所接收光斑的中心 , 若 有偏差的话 , 在接收端也将接收不到被传输的声音信号 。4 结论通过以上实验证明了利用电光调制技术进行激光通信是可行的 。 而且此种通信方法具有 传输速度快 、 抗干扰能力强 、 保密性好 、 结构简单 、 成本低廉 、 易于实现等优点 , 可用于城市两建 筑物之间以及校园网 、 小区网或大企业的内部网建设 。但是由于此通信系统是自由空间光通 信

18、 , 通信的介质是大气 , 因此在通信距离之内不能有遮挡物的存在 , 而且由于空气的扰动 、 气候 的变化等都会影响通信质量 。 解决此问题的最好方法是采用光纤通信 , 通信质量可以大为改 41 北京机械工业学院学报 第 18卷第 1 期 巫建坤 : 电光调制技术在激光通信中的应用 15 善 ,但是成本将会大大提高 。 人类已进入信息社会 ,随着经济和通信全球化 、 因特网的大量普及 ,使人们对通信的要求 越来越高 ,通信速度不仅要快而且质量要高 。这样人们才能不失时机地掌握各种信息 ,以提高 工作效率和生活质量 。因此光通信技术得到了飞速的发展 ,在地面光纤通信技术日趋成熟的 同时 ,人们正

19、在不断地探索和研究无线自由空间光通信技术 。我们相信在信息时代的今天 ,光 通信技术的发展速度将超越电技术 ,而且会有更加广阔的应用前景 。 参考文献 : 1 梅遂生 . 光电子技术 M . 北京 : 国防工业出版社 ,1999. 2 唐晓东 ,曾庆济 , 金耀辉 , 等 . 全光通信网光电器件及其最新进展 ( 1 J . 光通信技术 . 2001 , ( 2 : 90 - 91. 3 顾畹仪 ,李国瑞 . 光纤通信系统 M . 北京 : 北京邮电大学出版社 ,1999. 4 江月松 . 光电技术与实验 M . 北京 : 北京理工大学出版社 , 2000. The application of

20、 electrooptic modulation technology in laser communication (Depart ment of Electronic Information Engineering , Beijing Institute of Machinery , Beijing 100085 ,China Abstract: A laser communication system is presented , after discussion about t he met hods and principle of elect rooptic modulation

21、。A t ransferred signal is applied to an elect rooptic crystal. The optical modulated signal is received in t he receiving end , t hen demodulated and recovered . The experiment of laser communication shows t he realizability of elect rooptic modulation in application of laser communication. If it is

22、 t ransfered in t he medium of air , t he quality of communication will mended to achieve better communication quality. be effected by t he environment to be more likely to produce noise . Laser communication is recom2 Key words : optical communication ; elect rooptic modulation ;fibre ( 上接 9 页 A study of intensity prediction using grey model and its programming application in LabVIEW (Depart ment of Mechanical Engineering ,Beijing Ins