改光学信号的调制

1.光载波的特征参数

－－人眼和探测器起作用的是光波的电场强度振幅频率相位特征参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······

光的强度（辐通量密度）－－光强是使用最为广泛的特征参数目前一页\总数一百零三页\编于十四点2.调制：一次调制和二次调制

光学调制是指改变光载波的一个或者几个特征参数的过程。特征参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······一次调制二次调制

广义的光学调制目前二页\总数一百零三页\编于十四点例1.卫星遥感农作物产量－－地面植物反射太阳光的光谱，生长状况信息将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制目前三页\总数一百零三页\编于十四点例2光纤通信系统－－将声音、图像信息加载到光波上

人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制目前四页\总数一百零三页\编于十四点－－脉冲调制将信息加载到光波上？

人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制例3：激光脉冲测距主波回波目前五页\总数一百零三页\编于十四点例4：利用调制光测量液体浓度液体浓度（信息）对光强参数的调制一次调制调制盘（确定时间规律）对光强参数的调制为二次调制目前六页\总数一百零三页\编于十四点3.二次调制的意义？？？声音、图像－－加载信息抑制干扰－－改善品质目前七页\总数一百零三页\编于十四点第09章光学信号的调制9.2光信号调制的基本原理9.3光信号调制的基本方法9.4调制信号的解调9.1光信号调制的概述目前八页\总数一百零三页\编于十四点9.2光信号调制的基本原理9.2.1模拟调制9.2.2脉冲调制9.2.3编码调制目前九页\总数一百零三页\编于十四点9.2.1模拟调制振幅调制(AM)频率调制(FM)光强调制目前十页\总数一百零三页\编于十四点1.振幅调制(AM)载波调制波调幅波目前十一页\总数一百零三页\编于十四点讨论：调制指数m对调幅波形的影响目前十二页\总数一百零三页\编于十四点目前十三页\总数一百零三页\编于十四点m>1称为过量调幅，包络形状与调制信号严重失真目前十四页\总数一百零三页\编于十四点调幅波频谱信息“频率”载波“频率”调幅波带宽B=2F目前十五页\总数一百零三页\编于十四点调幅波频谱：启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号单一频率调制信号目前十六页\总数一百零三页\编于十四点调幅波频谱：启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号多个频率调制信号目前十七页\总数一百零三页\编于十四点2.光强调制－－光强是使用最为广泛的特征参数目前十八页\总数一百零三页\编于十四点除非对光源直接调制，一般强度调制都是衰减调制，考虑经过光强调制以后不易失真，则平均光强选在I0/2。目前十九页\总数一百零三页\编于十四点频谱分析这两项虽包含信息项，但能量过低，其高频特性可通过平方津探测器和第两项一起滤掉目前二十页\总数一百零三页\编于十四点3.频率调制(FM)调频波调制信号频率调制：载波的频率变化－－信息目前二十一页\总数一百零三页\编于十四点频率调制指数对瞬时角频率在时间上积分得到相角，正如对瞬时速度在时间上积分得到距离一样频偏：频偏与调制信号频率无关，与其幅度成正比，这是调频波的基本特征瞬时角频率瞬时角频率变化范围频率调制实质上就是相位调制目前二十二页\总数一百零三页\编于十四点调制指数m对调频波形的影响启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号目前二十三页\总数一百零三页\编于十四点调制指数m对调频波形的影响启动虚拟仪器LabVIEW8.6仿真信号目前二十四页\总数一百零三页\编于十四点B=2(1+mf)F调频波的频谱由载频ω0和无数对边频(ω0±nΩ)组成调频波的另一特征：调频波有效带宽随调制信号振幅增大而变宽，但与调制信号的频率基本无关根据对信号失真要求的不同，调频波有效频宽不同，一般取目前二十五页\总数一百零三页\编于十四点9.2.2脉冲调制原始脉冲波形脉冲幅度调制脉冲频率调制脉冲宽度调制应用：－－激光测距、目标跟踪与识别等······目前二十六页\总数一百零三页\编于十四点9.2.3编码调制抽样量化编码把模拟信号先变成脉冲序列，再变成代表信号信息的二进制编码，然后对载波进行强度调制。模拟量4，8，……0100，1000，……脉冲量数字信号目前二十七页\总数一百零三页\编于十四点第9章光学信号的调制9.2光信号调制的基本原理9.3光信号调制的基本方法9.4调制信号的解调9.1光信号调制的概述目前二十八页\总数一百零三页\编于十四点9.3光信号调制的基本方法可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······9.3.2光信号相位的调制9.3.1光信号强度的调制9.3.3光信号频率的调制9.3.4光信号偏振的调制目前二十九页\总数一百零三页\编于十四点9.3.1光信号强度的调制可实现强度调制典型的方法2.机电调制3.光电子调制1.辐射源调制

目前三十页\总数一百零三页\编于十四点1.辐射源调制1)半导体激光器调制--改变输入电流来实现光强度的调制2．发光二极管调制－－调制频率40GHz－－调制频率100MHz－中短距离光电测距－光通信，······目前三十一页\总数一百零三页\编于十四点摘自国家精品课程《光纤通信技术》--深圳职业技术学院制作摘自国家精品课程《光纤通信技术》--深圳职业技术学院制作目前三十二页\总数一百零三页\编于十四点9.3.1光信号强度的调制可实现强度调制典型的方法2.机电调制3.光电子调制1.辐射源调制

目前三十三页\总数一百零三页\编于十四点1)调制盘调制2)光栅莫尔条纹调制2.机电调制目前三十四页\总数一百零三页\编于十四点1)调制盘调制调制盘是一种典型的光强度调制器应用：－－红外被动制导系统、红外跟踪系统－－激光波束制导，······目前三十五页\总数一百零三页\编于十四点最基本的作用：恒定的辐通量－－周期性辐通量a用调制盘抑制背景噪声b用调制盘进行空间滤波c用调制盘确定目标方位目前三十六页\总数一百零三页\编于十四点a.用调制盘抑制背景噪声有源带通滤波器目前三十七页\总数一百零三页\编于十四点b.用调制盘进行空间滤波目标辐射背景辐射目标辐射背景辐射调制盘利用目标和背景相对于系统的张角不同，调制盘可以抑制背景以突出目标，从而把目标从背景中分离出来－－空间滤波目前三十八页\总数一百零三页\编于十四点中国轰-6型战略轰炸机巡航南沙2007,05,09

目标小张角背景大张角b.用调制盘进行空间滤波目前三十九页\总数一百零三页\编于十四点空间滤波分析：初升太阳调制盘小张角目标调制图大张角背景调制图b.用调制盘进行空间滤波目前四十页\总数一百零三页\编于十四点c.用调制盘确定目标方位目标方位：目标M'（ρ΄，θ'）像点M（ρ，θ）目前四十一页\总数一百零三页\编于十四点目标方位：像点M（ρ，θ）调制信号幅度－－ρ目前四十二页\总数一百零三页\编于十四点调制信号初相位－－θ

目前四十三页\总数一百零三页\编于十四点调制信号初相位－－θ

目前四十四页\总数一百零三页\编于十四点目标像初相位－－θ

目前四十五页\总数一百零三页\编于十四点2)光栅调制光栅是具有周期性空间结构或光学性能（如透射率、反射率等）的光学元件。计量光栅（空间周期P>>λ）

衍射光栅（空间周期P≈λ）

目前四十六页\总数一百零三页\编于十四点－－光栅莫尔条纹典型的计量光栅结构：小夹角主光栅--定光栅指示光栅--动光栅θ=20’，k=172倍目前四十七页\总数一百零三页\编于十四点结构：目前四十八页\总数一百零三页\编于十四点xΦ光栅莫尔条纹原理：光通量明暗交替变化两光栅移动，莫尔条纹移动光栅位移信息－－光强信号目前四十九页\总数一百零三页\编于十四点原理：光栅位移信息－－光强信号xΦx＝NP+△x目前五十页\总数一百零三页\编于十四点应用举例：精密数控位移台--光栅线位移传感器测量范围：0-100mm；0-3000mm分辨率：10、5、1、0.5、0.1µm主光栅--定光栅指示光栅--动光栅刻线密度---测量精度(10、25、50、100、125线/mm)目前五十一页\总数一百零三页\编于十四点9.3.1光信号强度的调制可实现强度调制典型的方法2.机电调制3.光电子调制1.辐射源调制

目前五十二页\总数一百零三页\编于十四点3.光电子调制1）电光调制2）声光调制0基本概念目前五十三页\总数一百零三页\编于十四点0基本概念－－某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应(1)电光效应U－施加在电光晶体上的电压Uπ－半波电压r－电光系数单轴晶体——双轴晶体目前五十四页\总数一百零三页\编于十四点目前五十五页\总数一百零三页\编于十四点偏振片(2)偏振元件－偏振片若入射的是自然光－－起偏器目前五十六页\总数一百零三页\编于十四点若入射的是线偏光－检偏器偏振片目前五十七页\总数一百零三页\编于十四点线偏光经过1/4波片(3)1/4波片目前五十八页\总数一百零三页\编于十四点1）电光调制电光调制器－－是指利用晶体的电光效应制成的调制器调制频率～10GHz，理论上可达120GHz－－某些晶体（固体或液体）在外加电场中，随着电场强度的改变，晶体的折射率会发生改变，这种现象称为电光效应目前五十九页\总数一百零三页\编于十四点光强度调制基本思路：电光调制器输入光（恒定强度）输出光（交变强度）变化的电场（～10GHz）目前六十页\总数一百零三页\编于十四点未加电场已加电场输出光为零输出光不为零目前六十一页\总数一百零三页\编于十四点已加电场线性好目前六十二页\总数一百零三页\编于十四点已加电场1/4波片也能实现x’，y’方向相位相差π/2目前六十三页\总数一百零三页\编于十四点2）声光调制(1)声光效应(2)声光效应的两种类型(3)声光调制器目前六十四页\总数一百零三页\编于十四点(1)声光效应当声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）发生疏密交替的周期性变化－－声光栅行波（吸声层）声光栅栅面在空间移动波长1/2λs与光束比较，几乎静止驻波（声反射层）声光栅固定不移动波长1/2λs

目前六十五页\总数一百零三页\编于十四点－－声光栅－－衍射光栅当光波通过声光栅时，衍射光的强度、频率、方向等随超声场变化－－声光效应。目前六十六页\总数一百零三页\编于十四点喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：条件：超声波频率较低，声光作用长度L较小，光束垂直声波传输方向条件：超声波频率较高、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(2)声光效应的两种类型目前六十七页\总数一百零三页\编于十四点喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：特点：平面光栅，多级衍射，零级光最强，其他级衍射光对称地分布在零级光两侧，光强依次递减。特点：体光栅，只出现零级和一级衍射光。目前六十八页\总数一百零三页\编于十四点喇曼－奈斯衍射：布拉格衍射：布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分光强调制器均采用布拉格型声光调制器！目前六十九页\总数一百零三页\编于十四点(3)声光调制器－－衍射光强度调制布拉格型声光调制器IiI1Ps为超声波功率目前七十页\总数一百零三页\编于十四点9.3光信号调制的基本方法可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······9.3.2光信号相位的调制9.3.1光信号强度的调制9.3.3光信号频率的调制9.3.4光信号偏振的调制目前七十一页\总数一百零三页\编于十四点电光相位调制交变电场在某一感应轴上产生交变折射率变化，从而使该感应轴方向的偏振光在通过晶体后，其相位也交变变化－－可以实现对单束相干光波相位的调制9.3.2光信号相位的调制目前七十二页\总数一百零三页\编于十四点－－可以实现两束以上相干光波相位差的调制相位调制的作用该光路光束相位被调制，从而双光束干涉条纹的运动（光纤马赫泽德干涉仪）马赫－泽德干涉仪目前七十三页\总数一百零三页\编于十四点9.3光信号调制的基本方法可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······9.3.2光信号相位的调制9.3.1光信号强度的调制9.3.3光信号频率的调制9.3.4光信号偏振的调制目前七十四页\总数一百零三页\编于十四点工程上常采用的频率调制技术大致三种：运动参量调频固定频移直接光频调制可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······目前七十五页\总数一百零三页\编于十四点1）光学多普勒效应和运动差频运动物体能改变入射于其上的光波频率的现象称作光学多普勒效应。频移：多普勒效应1.运动参量调频目前七十六页\总数一百零三页\编于十四点2）萨格纳克效应和转动差频当封闭的光路相对于惯性空间有一转动角速度Ω时，顺时针光路和逆时针光路之间将形成与转速成正比的光程差ΔL，这种现象称为萨纳克效应，其数值满足关系

ΔL＝(4A/c)ΩΩA为光路包围的面积目前七十七页\总数一百零三页\编于十四点反射镜组成激光谐振腔--环形激光器

由nλ=L推得频率与腔长的关系：目前七十八页\总数一百零三页\编于十四点环形激光器光学差频检测装置激光陀螺--测角速度--测角度国产激光陀螺测量角速度的精度优于0.01o/小时目前七十九页\总数一百零三页\编于十四点环形激光器光学差频检测装置激光陀螺--测角速度--测角度国产激光陀螺测量角速度的精度优于0.01o/hr目前八十页\总数一百零三页\编于十四点9.3.3光信号频率的调制工程上常采用的频率调制技术大致三种：运动参量调频固定频移直接光频调制可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······目前八十一页\总数一百零三页\编于十四点2.固定频移利用光学和光电子学等方法可制成频率偏移器件目前八十二页\总数一百零三页\编于十四点塞曼效应激光频移：利用永久磁铁或螺线管在He-Ne激光器中形成轴向磁场，它使单模激光分裂成左右圆偏振的两个分量。二偏振光存在频差，数值取决于外加磁场的强度和谐振腔的品质因数。目前八十三页\总数一百零三页\编于十四点旋转波片激光频移：线偏振激光通过λ/4波片1后输出圆偏振光。再通过以角频率Ω旋转的半波片和固定的λ/4波片2，所输出的偏振光可得到2Ω的角频移。目前八十四页\总数一百零三页\编于十四点声光效应激光频移：在声光器件中以频率为f的交变信号激励换能器，在透明介质内形成折射率的周期变化。当激光平行入射到介质内将产生0级和±1级衍射光。一级衍射光与零级衍射光频率相差±f，可分别作为参考光和信号光。目前八十五页\总数一百零三页\编于十四点旋转光栅激光频移：激光由透镜聚焦在光栅盘的刻线上，透射光被分作0级和±1级衍射光。光栅盘由电动机带动旋转，若光栅上光点处的线速度为υ，光栅刻线间距为d，则±1级衍射光将发生f=±υ/d的频移。目前八十六页\总数一百零三页\编于十四点塞曼效应：2～3MHz

几种方法的频移对比：声光效应：～100MHz，变换效率80％

旋转波片：2～3kHz，变换效率90％

旋转光栅：～20MHz，变换频率20％

目前八十七页\总数一百零三页\编于十四点旋转波片激光频移

频移受限在2～3kHz以下目前八十八页\总数一百零三页\编于十四点

λ/4波片：

λ/2波片：

线偏振激光通过λ/4波片1后输出圆偏振光

λ/4波片光轴

P线偏振激光矢量-450

线偏振激光通过半波片后输出偏振面转过2θ角度θ

半波片光轴θθ目前八十九页\总数一百零三页\编于十四点

半波片光轴

θ

半波片光轴θ圆偏振光ω以ω旋转线偏振光ωθωθωθθω角频率Ω旋转半波片，输出圆偏振光频率ω+2Ω或ω-2Ω线偏振激光通过半波片后输出偏振面转过2θ角度目前九十页\总数一百零三页\编于十四点ω线偏振激光ω圆偏振光ω+2Ω或ω-2Ω圆偏振光ω+2Ω或ω-2Ω线偏振光正向逆向目前九十一页\总数一百零三页\编于十四点9.3.3光信号频率的调制工程上常采用的频率调制技术大致三种：运动参量调频固定频移直接光频调制可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方向，······目前九十二页\总数一百零三页\编于十四点半导体激光器的直接频率调制iv1MHz～50－70GHz电流频率调制系数:0.1GHz/mA～1GHz/mA可调频范围:可以证明：LD目前九十三页\总数一百零三页\编于十四点9.3光信号调制的基本方法可调参数：－－光强、振幅、频率、相位、－－偏振方向、传播方