第3章-光束的调制和扫描

第3章光束的调制和扫描光电子技术基础厚德博学求实创新学习目标

通过本章学习，掌握光束调制的原理和方法，掌握电光调制、声光调制、磁光调制等调制方法的原理、特性等知识。了解光束扫描技术、空间光调制器的原理和方法，为光束的调制和扫描及其器件的设计打下基础。

第三章光束的调制和扫描

[教学目的]1、牢固掌握光束调制原理。2、牢固掌握电光调制、声光调制的原理。3、了解光束扫描技术、空间光调制器。[教学重点与难点]重点：光束调制原理、电光调制、声光调制的原理。难点：电致折射率变化，电光相位延时分析。3.1光束调制原理要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。调制（将信息加载到激光的过程）调制器光波的电场为：式中Ac为振幅，wc为角频率，jc为相位角。

既然光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光束就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的。实现激光束调制的方法，根据调制器与激光器的关系可以分为：内调制(直接调制)和外调制内调制：指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。外调制：指激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。光束调制按其调制的性质可分为：调幅、调频、调相及强度调制等。1、振幅调制若调制信号是一时间的余弦函数，即：调幅波的表达式为：调幅波的频谱为：载频分量边频分量2、频率调制和相位调制<角度调制>调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。对频率调制来说，就是式中的角频率c随调制信号变化：

调频系数则调制波的表达式为:同样，相位调制就是相位角c随调制信号的变化规律而变化，则调相波的表达式为由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成统一的形式

调相系数3、强度调制光强随调制信号规律变化的激光振荡光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强。光束强度定义为光波电场的平方于是，强度调制的光强可表示为：光强比例系数仍设调制信号是单频余弦波，则强度调制系数以上几种调制方式所得到的调制波都是一种连续振荡波，统称为模拟调制。I(t)t调制信号载波4、脉冲调制模拟调制：调制波是一种连续振荡波。脉冲调制数字式调制脉冲调制：用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。不连续状态下进行调制先电调制，再光强度调制(a)调制信号(b)脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制(e)脉冲位置调制

5、脉冲编码调制三个过程：（1）抽样：把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定的脉冲列来表示。模拟信号变成脉幅调制信号（2）量化：分级取“整”变为数字信号（3）编码：把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过程。“1”激光载波的极大值；“0”激光载波的零值。3.2电光调制利用电光效应可实现强度调制和相位调制。本节以KDP电光晶体为例讨论。3.2.1.电光晶体基础利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制。（1）电致折射率的变化外加电场的方向平行于z轴将x坐标和y坐标绕z轴旋转45角（2）电光相位延迟纵向电光效应电场方向与光束在晶体中的传播方向一致横向电光效应电场与光束在晶体中的传播方向垂直。

与外加电场无关，是由晶体本身自然双折射引起的电光效应相位延迟3.2.2电光强度调制和电光相位调制1.电光强度调制外加电场使得晶体的折射率发生变化，这便是电光调制的物理基础。加电场通常有两种方式：一是电场沿晶体主轴轴（光轴方向），电场与光束传播方向平行，即产生纵向电光效应；二是电场沿晶体的任一主轴轴，而光束的传播方向与电场方向垂直，即产生横向电光效应。这两种效应均可实现电光强度调制。⑴纵向电光调制器及其工作原理纵向电光强度调制起的结构如图所示入射光P1IixyzxyP2Io调制光~VL起偏器/4波片检偏器进入晶体后被分解为沿x和y方向的两个分量，其振幅和相位都相同，分别为：入射光强度为通过长度为L的晶体之后，和两个分量之间产生了一相位差，则有，。，

或

那么，通过检偏器后的总电场强度是和在y方向的投影之和，即与之相应的输出光强为：调制器的透过率

50100透过率(%)0透射光强时间电压调制电压VV/2可见，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。调制光强发生畸变1、附加一个的固定偏压

会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。2、在调制器的光路上插入一/4波片，解决办法和两个分量之间产生/2的固定相位差

于是总相位差为调制的透过率可表示为线性调制的判据：

优点：

具有结构简单；工作稳定；不存在自然双折射的影响等。缺点：

半波电压太高，特别在调制频率较高时；功率损耗比较大。⑵横向电光调制在此仅以KDP晶体的第一类运用方式为代表进行分析沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x轴或y轴成45夹角(晶体为45-z切割)。-x从晶体出射两光波的相位差为:

可见，KDP晶体的横向电光效应使光波通过晶体后的相位延迟包括两项：第一项:是与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟;

第二项:是外电场作用产生的相位延迟下图所示的是一电光相位调制的原理图，它由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴x’(或y’)，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x’、y’两个分量，而是沿着x’(或y’)轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化为2

电光相位调制这里的因为光波只沿x’方向偏振，相应的折射率为。若外加电场是,在晶体入射面(z＝0)处的光场，则输出光场(z＝L处)就变为略去式中相角的常数项，因为它对调制效果没有影响，则上式可写成

式中称为相位调制系数。一个高质量的电光调制器主要应满足以下几个方面的要求：(1).调制器应有足够宽的调制带宽，以满足高效率无畸变地传输信息。(2).调制器消耗的电功率小。(3).调制特性曲线的线性范围大。(4).工作稳定性好。设计电光调制器应考虑的问题3.3声光调制光波在声光晶体中的传播声波是弹性波，在介质中传播时，会使介质的弹性形变或者介质的密度发生周期性的疏密变化，从而引起介质中光折射率的相应变化，影响光在介质中的传播特性。这种效应使得声光介质形成一位相光栅，光栅常数为声波波长。出射光发生多级衍射，使得光束在传播方向，频率和强度分布等都发生规律性变化，这种现象称为声光效应。

1

声光效应弹光效应：由于外力作用而引起光学性质变化的现象。声波作为一种弹性波，在晶体中传播时，会造成介质密度的疏密变化，使得介质的折射率分布也随之改变。声光效应：由于声波作用而引起光学性质变化的现象，声光效应是弹光效应的一种。

(1)拉曼-纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。拉曼-纳斯衍射的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。sLxy声波阵面声波光波阵面拉曼-纳斯衍射图各级衍射的方位角为（最大值的位置）：各级衍射光的强度为：3210-1-2-3衍射效率为：(2)布喇格衍射产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1级）衍射光。s入射光i衍射光i+s2非衍射光图5布喇格声光衍射声波衍射效率为：

M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽度，L为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。

声光效应与电光效应对比相似之处：晶体在受到外部作用后，才出现光学性质的变化，具体表现为折射率的分布发生改变。区别：

电光效应中，外加电场的加入是起因。声光效应中，造成折射率变化的因素是应变或应力。声波传播方向入射波透射波衍射波布拉格方式（透射）入射波透射波反射波声波传播方向布拉格方式（反射）声波传播方向入射波0级1级1级2级2级拉曼－纳斯方式声波传播方向入射波衍射波聚焦布拉格方式（聚焦）3.3.2声光调制的工作原理

声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。

声光调制器的组成：（1）声光介质、（2）电-声换能器、（3）吸声（或反射）装置、（4）驱动电源。（1）声光介质声光相互作用的区域（2）电-声换能器超声发生器

压电晶体或压电半导体的反压电效应将电功率转换成声功率

（3）吸声（或反射）装置避免返回介质产生的干扰（4）驱动电源

工作原理：调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

特性曲线衍射效率s与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。tPsId(fm)fm(Is)0Ps图1声光调制特性曲线1、拉曼-纳斯型声光调制器

调制器的工作原理如图2(a)所示，工作声源频率低于10MHz。只限于低频工作，带宽较小。入射光

衍射光

调制信号图2拉曼-纳斯型声光调制器若取某一级的衍射光作为输出，可利用光阑将其他各级的衍射光遮挡，则从光阑孔出射的光束就是一个随相位延迟因子变化的调制光。当工作频率较高时，声光作用区长度太小，要求的声功率很高，所以该声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。

效率低，光能利用率低。衍射光调制信号入射光图3声光调制器布喇格型2、布喇格型声光调制器

布喇格型声光调制器工作原理如图3所示。tPsId(fm)fm(Is)0图3声光调制特性曲线

布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图3所示。由图可以看出：衍射效率s与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。

由此可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。

布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。

在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍射效率s随声强度Is单调地增加(近似呈线性关系)：相对于声波波前以B

入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成2B

角的1级衍射光。其光强为

：在电场作用下导波光通过长度为L距离的相位延迟；B:是一比例系数，它取决于波导的有效折射率neff等因素。上式表明，衍射光强I1随电压V的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。

3.4磁光调制磁光调制主要是基于磁光效应中的法拉第旋转效应，使得一束在外磁场的作用下的介质中传播的线偏振光发生偏转，其旋转角度与沿光束方向的磁场强度H和光在介质中传播的长度L之积成正比，即

式中V为韦尔德（Verdet）常数，表示单位磁场强度下通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。3.5直接调制

直接调制是把要传递的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），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。分类：模拟调制数字调制一.半导体激光器（LD）直接调制的原理

LD是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。图3-20为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。105050100It

150200驱动电流(mA)输出功率(mW)图3-20半导体激光器的输出特性阈值电流100806040208509501050波长(m)相对辐射强度(%)高于阈值（发射激光）低于阈值（基本不发光）图3-21半导体激光器的光谱特性图3-21所示半导体激光器的光谱特性。

由上可知，发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调制信号加到激光器电源上，就可直接改变激光器输出光信号的强度。

广泛应用于光纤通信、光盘和光复印等。

图5所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。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，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。

输出功率直流偏置调制信号输出光强信号ttt(b)CL~LD调制信号直流偏置(a)图3-22半导体激光器调制(a)电原理图；(b)调制特性曲线半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。

二、半导体发光二极管调制特性

半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，LED的P－I特性曲线的线性比较好。图3-23示出了LED与LD的P－I特性曲线的比较。LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)1614121086420100200300400图3-23LED与LD的Pout-I曲线比较三.半导体光源的模拟调制

无论是使用LD或LED作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于LD或LED的P－I特性曲线的直线段，如图7所示。其调制线性好坏与调制深度m有关：LEDUb+EcIc已调光波(a)PoutItIco(b)图3-24模拟信号驱动电路激光强度调制(a)驱动电路；(b)LED工作特性四.半导体光源的脉冲编码数字调制

数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。

而数字信号大都采用脉冲编码调制：1、先将连续的模拟信号通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列；2、“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。3、然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如下图所示。PoutIbID

ttI(a)OPoutIO

t(b)数字调制特性(a)加Ib后LD数字调制特性

(b)LED数字调制特性由于数字光通信的突出优点，所以其有很好应用的前景。3.6光束扫描技术

应用目的分类：模拟式扫描：光的偏转角是连续变化的，它能描述光束的连续位移；

主要用于各种显示数字扫描：光的偏转角是不连续的，在选定空间的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变”。

主要用于光存储

1.机械扫描

定义：利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动实现光束扫描。机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。如果只需要改变光束的方向，即可采用机械扫描方法。

下图所示为一简单的机械扫描原理装置，激光束入射到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。

入射光束扫描光束

反射镜

机械扫描装置示意图缺点：扫描速度慢优点：扫描角度大；受温度影响小；光的损耗小；适用于各种光波长的扫描。因此，机械扫描方法在目前仍是一种常用的光束扫描方法。它不仅可以用在各种显示技术中，而且还可用在微型图案的激光加工装置中。机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动实现光束扫描。见右图。发送端光机扫描：激光束入射到一可转动的多棱反射镜上，当多面镜转动时，多面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。接收端的光束扫描：摆动平面反射镜，使探测器依次接收到来自不同空间方向的辐射。2.电光扫描

电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，其原理如下图所示。L

dBAy

xBA光束的偏转方向电光扫描原理图

光束沿y方向入射到长度为L，厚度为d的电光晶体，如果晶体的折射率是坐标x的线性函数，即用折射率的线性变化代替，偏转角

可根据折射定律求得

式中的负号是由坐标系引进的，即

由y转向x为负。下图所示的是根据这种原理作成的双KDP楔形棱镜扫描器。它由两块KDP直角棱镜组成，棱镜的三个边分别沿x、y