激光原理与技术：第五章 激光调制与偏转技术

电光调制调制的基本概念第五章激光调制与偏转技术直接调制声光调制磁光调制一、调制的基本概念1.目的：通过调制进行信息的传递2.调制：把信息加到载波的过程即调制

定义：利用调制信号去改变载波的某一参数，使其参数按调制信号的规律发生变化的过程。从定义看出调制的含义：1)调制信号：需要调制的信息需转化为电信号，即调制信号2)载波：为传递信息附加的载体。载波一般用无线电波、光波等，需要频率较高，而且频率固定。第一节调制的基本概念(自学)二．激光调制1.激光调制：利用激光作为载波进行调制的过程激光频率高，可利用的带宽很宽能量集中，发散角小3)具有较好的时间相干性和空间相干性2.调制器：完成激光调制的装置3.调制的分类

1)内调制：在激光形成过程中，以调制信号的规律去改变激光振荡的某一参数。即用调制信号控制激光的形成

2)外调制：把调制器放在激光器的外面，用调制信号改变光波的参量优点：调制效率高缺点：调制带宽受到泵浦源和谐振腔参数的限制

1）内调制调制泵浦功率优点：

a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率

b.调制带宽不受谐振腔参数的限制，适于高速调制缺点：调制效率相对较低2）外调制5.1.1振幅调制(1)定义：以调制信号去改变激光的振幅，使其振幅按调制信号的规律变化调制前：

调制信号：调制后：调幅系数：

调幅波含三个不同的频率：第一项为调制前的激光振荡波第二项激光频率和调制频率之和第三项激光频率和调制频率之差(2)调幅波的频谱分析5.1.2相位调制和频率调制1.定义：以调制信号去改变激光振荡的相位（频率），使激光的相位（频率）按调制信号的规律变化的过程称相位（频率）调制，统称为角度调制调频调相总相位：调频和调相以后使总相位(t)变化——按调制信号的规律变。因此两者可归为一类，两者的差别是实现方法不同。

调相：

调频：调频系数2.频谱调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可以写成统一的形式在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载波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为m，各边频幅度的大小由贝塞尔函数决定。5.1.3强度调制

(1)定义:以调制信号去改变激光的光强，使光强按着调制信号的规律变化的过程。光强调制波的频谱与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频m和直流分量。以上几种调制方式所得到的调制波都是一种连续振荡的波，称为模拟式调制。5.1.4脉冲调制1.脉冲调制的概念在目前的光通信中，广泛采用一种在不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制（也称为脉冲编码调制）。它们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字调制），再对光载波进行光强度调制。

2.脉冲调制的类型：

脉冲调幅（PAM） 脉冲调宽（PWM）脉冲调频（PFM） 脉冲调位（PPM）

脉冲编码调制（PCM）5.2.1电光调制器的物理基础电光效应 如果在晶体中沿某一方向加一定电压，则晶体的折射率要发生相应的改变，因而晶体的双折射特性也要改变－电光效应电光调制：强度调制，相位调制1.KDP纵向运用，KDP，LN横向运用2.调制器应注意的问题第二节电光调制晶体折射率可用外加电场E的幂级数表示E：线性电光效应或泡克耳斯（Pockels）效应hE2：二次电光效应或克尔（Kerr）效应1.电致折射率变化未加电场时的折射率椭球方程：在外加电场E下的折射率椭球方程：折射率椭球各系数的变化量：线性电光系数用矩阵表示：KDP（KH2PO4）类晶体属于四方晶系，是负单轴晶体，这类晶体的电光张量为：在外加电场E下的折射率椭球方程：寻求一个新的主轴坐标系（x,y,z）,使椭球方程不含交叉项：坐标系变换关系：KDP晶体沿z轴加电场时，由单轴晶体变成双轴晶体，折射率椭球的主轴绕z轴旋转了45°，称为感应主轴，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比，这是利用电光效应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。2.电光相位延迟在实际应用中，电光晶体沿着特殊方向切割，外电场沿某一主轴方向加到晶体上。纵向电光效应：电场方向与通光方向一致。横向电光效应：电场方向与通光方向垂直。对KDP类晶体，取电场方向和通光方向均为

z方向。x和y方向的电光相位延迟：相位差：半波电压：半波电压是表征电光晶体性能优劣的一个重要参数，这个电压越小越好，特别是在高频情况下，半波电压小，需要的调制功率就小。半波电压可用静态法测出，并进一步计算出晶体的电光系数。3.光偏振态的变化假设一束线偏振光入射晶体，其沿x方向的电场为Ex，振幅为A1，其沿y方向的电场为Ey，振幅为A2，初位相相同。在一般情况下，出射的合成振动为一个椭圆偏振光（1）当晶体上未加电压时，输出线偏振光，相当于全波片（2）V=V/4时，输出椭圆偏振光，相当于/4波片（3）V=V/2时，输出线偏振光，相当于/2波片在晶体的输出端放置一个与入射光偏振方向相垂直的偏振器，当晶体上所加的电压在0~V/2间变化时，从检偏器输出的光只是椭圆偏振光的y向分量，因而可以把偏振态的变化（偏振调制）变换成光强度的变化（强度调制）。5.2.2电光强度调制器1.纵向电光调制器

晶体的运用方式两种：纵向运用：加场的方向和通光的方向都沿z方向。横向运用：加场的方向和通光方向垂直。纵向运用的结构和原理x-yx-y先讨论不含1/4波片的情况：入射光经起偏器后，沿x方向线偏振入射晶体，分解为沿x’，y’方向的两个分量用复数表示：通过晶体后：通过检偏器的总电场强度是沿y方向的投影之和：入射光强：x-y输出光强为调制器的透过率：总相位差：透过率：考虑含1/4波片的情况：非线性调制x-y贝塞尔展开：高频谐波与基频波成分的比值：此时，要获得线性调制，应取：x-y透过率：纵向电光调制器的优点：结构简单、工作稳定、不存在自然双折射。缺点：半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率消耗比较大。xoz平面2．横向电光调制

1．KDP类的横向运用（三种）xoy平面Yyoz平面YZX现以KDP类的第一种运用方式为例进行讨论:强度调制中，影响输出光强的主要因素是，入射光的偏振方向和x轴成45°角（在xoz平面内）由于在z向加电场，所以三个感应主轴的折射率和纵向运用相同。由于沿y’方向通光，光在晶体中分解为沿x’和z方向振动的两束光。e，o光的折射率:这两束光通过晶体后的位相差为:

第一项是与外加电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟，这一项对调制器的工作没有作用，相反，当晶体温度变化时会增加附加的相位差，造成随温度变化，工作不稳定，必须消除这种影响。在实际应用中，主要采用一种”组合调制器“的结构补偿温飘。第二项是外加电场作用产生的位相差。不仅与V有关，而且与晶体的尺寸L/d有关，合理选择晶体的尺寸增大L/d

，则可降低晶体的半波电压V/2横向运用的最大优点是半波电压比纵向运用低得多。5.2.3电光相位调制器

相位调制即是用调制信号的规律来改变激光振荡的相位角。由起偏器和KDP电光晶体组成，起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴x，电场沿z方向加到晶体上，入射晶体的线偏振光不再分解，沿x轴一个方向偏振，外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位。相位调制器的结构x轴折射率为：输出电场（z=L处）：外加电场略去常数项：相位调制系数：5.2.4．电光波导调制器(自学，不做要求)

1.体调制器：前面讲的各种电光调制器，采用具有较大体积尺寸的分离器件。 特点：几乎整个晶体材料都受到外加电场的作用，需要较强的电场（缺点）

2.光波导调制器：

(1)集成光学系统：把激光器、调制器、探测器等有源器件“集成”在同一衬底上，并通过波导、耦合器等无源元件连接起来，构成一个完整的微型光学系统。

(2)分类：

光波导调制器的特点：

a.加电场的区域很小，薄膜附近。薄膜厚度微米量级。驱动功率比体调制器小1-2个数量级。材料的要求：至少有一 种满足调制器的要求，材料有确定的相对固定的折射率。

b.利用电光、声光控制时，折射率的变化，使两传播模间有一相位差。与体调制器不同的地方：由于外场的作用导致波导中本征模（如TE模和TM模）传播特性的变化以及两 不同模式之间的耦合转换（模耦合调制）。2.电光波导调制器的调制原理参考：A.Yariv,QuantumElectronics,2rdedition,JohnWilly&Sons模振幅传播常数模耦合系数通常可简化：如果波导中电光材料均匀，加电场均匀。TE，TM完全限制在波导薄膜层中，阶次相同，m=l，积分取极大值。这时，TE模和TM模的场分布几乎相同，仅电矢量的方向不同。且在相位匹配条件下要获得完全的TETM功率转换，必须满足：无转换时：

波导调制器的输出光强(TM)与输入光强之比为：d-波导薄膜厚度

I/I02.电光波导相位调制

设传播的波为TM波，电场方向Ez，相位变化：

对于电光波导相位调制，不存在不同模之间的互耦合。自学：yy的确定3.电光波导强度调制

在LiNbO3晶体作为波导基片的沉底上，用射频溅射刻蚀法制造Ti扩散分叉条状波导，条状波导中间和两侧制作表面电极。两个分路的光在电光效应区受到相位调制，它们再相遇时，两个线偏光相干合成而实现强度调制。相位差为：提高调制深度及减小插入损耗的措施：1、张角不宜太大2、单模设计3、结构设计上严格对称100MHz横向

LiNbO3

5.2.5.电光偏转光束偏转应用：激光显示、传真和光存储光束偏转实现方式：机械转镜、电光效应和声光效应光束偏转类型：模拟偏转、数字偏转1.电光偏转原理电光偏转利用电光效应来改变光束在空间的传播方向如果晶体的折射率是坐标的线性函数A线和B线通过晶体所需时间A线相对B线落后距离双KDP楔形棱镜偏转器由两块KDP直角棱镜组成，两块晶体的z轴反向平行，外加电场沿z轴方向，光线沿y方向传播且沿x方向偏振。上部的A线完全在上棱镜中传播，“经历”折射率为在晶体内输出端，偏转角为光束输出晶体后的偏转角为而在下棱镜中，因外加电场相对于z反向，故B线“经历”的折射率为故上下折射率之差为偏转角为（10-6rad量级）2.电光数字式偏转由电光晶体KDP和双折射晶体方解石构成。未加电压时，光波通过S后偏振态不变，通过B时方向仍保持不变。加半波电压时，入射光通过S时偏振面旋转90°，而变成e光，通过B产生位移b。电光晶体和双折射晶体构成一个一级数字偏转器，把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字式偏转。一、声光效应定义：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于光弹效应，光被介质中的超声波衍射或散射的现象。

第三节声光调制5.3.1声光调制的物理基础产生声光效应的条件：

1)在介质中必须存在超声场。

2)光弹效应：当介质中有超声波传播时，由于超声波是弹性波，在介质中就产生了随时间和空间周期变化的弹性应变，因而介质中各点的折射率就会随着该点上的弹性应变而发生相应的改变。折射率的改变影响了光的传播特性。

超声波-弹性波-弹性应力-弹性应变--光的传播特性变化二、超声波的传播形式1.行波：沿x方向传播深色部分：压缩，密度增大，n增大浅色部分：拉伸，密度减小，n减小介质折射率的增大和减小交替变化，并以声速vs向前推进。对于光波而言，“声光栅”可认为静止声波方程（质点的瞬时位移）介质折射率的变化行波时的介质折射率弹光系数应变参考：徐阶平，声光器件的原理、设计和应用，科学出版社，19822.驻波：由传播方向相反的两束声波叠加而成声柱波方程（质点的瞬时位移）介质折射率的变化1.拉曼－纳斯衍射

条件：(1)超声波频率比较低。(2)光线平行于声波面入射，和声波传播方向垂直。(3)声光互作用长度L较短

声速比光速小的多,声波场的介质厚度L比较小，相当于一个平面相位光栅。超声波的频率比较低，光栅间距大。当平行光通过光栅时，产生多级衍射5.3.2声光互作用的两种类型

按照超声波的频率以及声光互相作用的长度不同，声光互作用分成两种类型，拉曼－纳斯衍射和布拉格衍射。

超声波为沿x方向传播、宽度为L的平面纵波，光沿y方向传播。行波折射率变化：

把声行波近似视为不随时间变化的超声场，折射率变化可简化为在声光介质的前表面y=-L/2处，入射光波为：在y=L/2处，等相位面为n(x)决定的折皱曲面，出射光波为：出射的光受到相位调制，调制结果是光产生多级衍射光，根据菲涅耳-基尔霍夫积分公式则在很远的屏上某点p给出的光振幅为： 式中:q—光束的宽度，exp(-ikir)—表示光传到p点相位的变化，ry。略去对时间的依赖关系，对坐标x积分略去常数项C 式中:r0—超声介质中心到p点的距离，

—r0和y轴之间的夹角从上式可以看出：a.拉曼－纳斯衍射产生多级衍射光强：上式中每一项（贝塞尔函数的系数）都是形式。衍射光强取极大值的条件为：根据欧拉公式和贝塞尔函数，积分得到：m取离散值，对称分布b.第m级衍射光强大小为由于：故各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相等。此外：由于光波与声波场的作用，各级衍射光将产生多普勒频移，根据能量守恒原理,（根据声光衍射的粒子模型理解）2.布拉格衍射

(1)条件：a.声波的频率fS较高。b.声光相互作用长度L较大－光栅变成三维空间相位光栅。c.入射光不是垂直入射，而是与声波波面有一定角度。光通过介质时，相当于通过多个光栅，只产生0级或1级光，即产生布拉格衍射。若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到1级衍射极值上，获得很高的效率。简化条件：把声波看成许多相距为S的镜面。这些镜面部分反射，部分透射。在光通过介质的时间内，可以近似认为声波波面是静止的。分两种情况讨论a.光线入射到同一镜面的反射情况。两束光的干涉情况 设BC＝x,AC－BD是两衍射光的光程差,(2)布拉格方程的推导： x值并不是固定的，即当x是任意值时，上式都应成立 只有 则－入射角和衍射角相等。b.光线入射在任意两个声波相位波面上入射光入射到两个不同的镜面上产生衍射。其两束光的光程差EF＋EG为光波波长的整数倍 即即B称为布拉格角，上式称为布拉格方程，只有入射角i等于布拉格角B时，在声波面上衍射的光波才满足相干加强条件，得到衍射极值例：①水中的布拉格衍射，波长0.5m，fS=500MHz，布拉格角B为3.4°；②熔融石英的布拉格衍射，波长1.064m，fS=40MHz，布拉格角为0.43°(3)衍射光强分析根据推导，当入射光强为Ii时，布拉格衍射的零级和一级衍射光强的表示式分别写成（参考：徐阶平，声光器件的原理、设计和应用）光波穿过长度为L的超声场产生的附加相位延迟即根据超声功率超声截面长度（声光晶体厚度）超声截面宽度超声强度或声光介质的物理参数组合称为声光材料的品质因数，是选择声光介质的主要指标之一。讨论：①PS一定，选择M2大的材料，衍射光强增大；②当PS足够大，I1/Ii→100%；③通过控制PS，实现声光调制(4)布拉格声光衍射的粒子模型根据量子力学理论，光束可以看成是能量为，动量为的光子流；同样，声波也可以看成能量为，动量为的声子流。声光互作用可以看作是光子和声子的一系列碰撞，每次碰撞导致一个入射光子（i）和一个声子（S）的湮灭，同时产生一个新（衍射）光子（d）。动量守恒：能量守恒：式中，“+”表示吸收声子，“-”号表示放出声子由图直接导出：(5)区分拉曼-纳斯衍射和布拉格衍射的定量标准影响出现两种衍射情况的主要参数是声波长S、光束入射角i及声光作用距离L。特引入参数G

通过实践，现已普遍采用下列定量标准为方便应用，又引入参量定量标准可以写为：参考：徐阶平，声光器件的原理、设计和应用，科学出版社，19825.3.3声光体调制器1、声光体调制器的组成

声光体调制器是由声光介质、电-声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源所组成。（1）电—声换能器：是把电能转变为超声波的装置。原理：利用一些晶体（石英、LiNbO3等）或者压电半导体（CdS：ZnO）的逆压电反应。（2）声光介质超声波在此介质中传播，光通过此介质产生衍射，合理的选择声光材料很重要，常用材料包括重火石玻璃、熔融石英。（3）吸声器（或反射器）在行波结构中加吸声器吸收传播来的声波，使之不反射。在驻波结构中加反射器反射传播来的声波，以便形成驻波。（4）驱动电源产生调制电信号施加于电声-换能器的两端电极上，驱动声光调制器（换能器）工作。吸声器换能器声光介质2、声光调制的工作原理

调制信号加到换能器上，使声波的振幅受到调制,进而产生光强度调制。布拉格衍射效率：布拉格衍射效率与超声功率是非线性调制曲线形式，为了使调制不发生畸变，则需加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。拉曼-纳斯衍射只限于低频工作，带宽窄。3、调制带宽

调制带宽是衡量能否无畸变的传输信息的一个技术指标。对于布拉格声光调制器，对一定入射角和波长的光波，只有一个确定频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩散，因此只允许在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。由布拉格衍射方程得到允许的声频带宽：调制带宽与声波穿过光束的渡越时间成反比，为避免0级和1级衍射光的重叠，最大的调制频率应小于声频率的一半。4、声光调制器的衍射效率（自学）

理解M1、M3的物理含义。5.3.4声光偏转

声光效应的另一个重要用途是用来使光束偏转。其结构与声光调制器基本相同，不同之处在于改变声波频率，使衍射光偏转角改变。布拉格角：衍射光与入射光的夹角：2、声光偏转器的主要性能参量①可分辨点，决定偏转器的容量；②偏转时间，决定偏转器的速度；③衍射效率可分辨点：偏转角光束发散角为超声波渡越时间，记为，也就是偏转器的偏转时间。称为声光偏转器的容量-速度积。根据推算，设计布拉格声光偏转器带宽的基本关系式：R=4/，基模

一、磁光效应：

包括法拉弟旋转效应、磁双折射效应，其中最主要的是法拉弟旋转效应。利用有些晶体材料（如YIG钇铁石榴石）等在外加磁场作用下，可使通过它的线偏光的偏振面发生旋转，旋转的角度与沿光束方向的磁场强度H及晶体的通光长度成正比。

式中—磁光系数，也称韦尔代常数，—晶体的通光长度，——磁场强度。第四节磁光调制（不做要求）

利用调制信号控制磁场强度的变化，可以使光的偏振面发生相应的变化，光通过检偏器时，实现了光的调制。二、磁光调制为获得线性调制，在垂直于光传播方向上加一恒定磁场，使晶体饱和磁化。高频信号电流通过线圈感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过晶体时，偏振面发生相应的变化。磁致旋光效应的旋转方向仅与磁场方向相关，而与光线传播方向的正逆无关，这是磁致旋光和自然旋光的不同之处。三、法拉弟隔离器应用：①在光通信系统中，用于隔离光源与后续信号处理单元。②在级联激光放大器系统，用于各放大级之间的隔离。第五节直接调制（自学）

直接调制是把信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得已调制信号，又称为内调制。可分为模拟调制和数字调制。5.5.1半导体激光器（LD）直接调制的原理

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