调制及电光调制

第三章光束的调整和扫描§3.1调制的基本概念§3.2

电光调制§3.3

声光调制§3.4

磁光调制§3.5

直接调制激光是一种频率更高（1013~1015Hz)的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息的载波。3.1调制的基本概念由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称之为调制完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。解调：调制的反过程，即把调制信号还原成原来的信息。分类：根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。

内调制：调制信号是在激光振荡过程中形成的。如，注入式半导体激光器，用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出光的强度受到调制，调Q技术。外调制：在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能从而使激光器受到调制。特点：外调制调整方便，对激光器没有影响，调制速率高，带宽宽。激光的电场强度是：激光调制按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等。振幅角频率相位角（3.1.1）一、振幅调制定义：载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡。如果调制信号为：则调幅表达式为：将上式展开：由上式可得调幅波频谱，由中心载频分量、两个边频分量构成。为调幅系数。（3.1.2）（3.1.3）（3.1.4）如果调制信号是一个复杂的周期性信号，调幅波频谱：由载频分量和两个边频带构成。图6.1.1调幅波频谱二、频率调制和位相调制定义：光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而变化的振荡。因而两种调制波都表现为总相位角的变化，统称为角度调制。调频波的表达式为：同样调相波的总相角：调相波的表达式：设调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：—比例系数，—调频系数—调相系数（3.1.5）（3.1.6）下面分析调频和调相波的频谱，两者可统一写成统一的形式：利用三角公式展开得：又，将上两式代入（6.1.8）可得：（3.1.7）（3.1.8）（3.1.9）所以，当频率正弦波调制时，其角度调制波的频谱由光载频与在它两边对称分布的边频所组成。各边频间隔，各边频幅度大小由决定。如频谱分布如下图所示：0.770.440.220.02

角度调制波的频谱三、强度调制定义：光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化的激光振荡。光强的定义：强度调制的光强可写为：设调制信号为余弦调制，代入上式：光强调制波的频谱可用前面类似的办法求得，和调幅波略有不同，除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频和直流分量。—比例系数—强度调制系数（3.1.10）（3.1.11）（3.1.12）四、脉冲调制以上几种调制形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。另外,在目前的光通信中还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脉冲调制）,再对光载波进行光强度调制。周期脉冲序列载波

脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化,成为已调脉冲序列,然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制,就可以得到相应变化的光脉冲序列。周期脉冲序列载波(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)脉冲位置调制脉冲调制形式这种调制是把模拟信号先变换成电脉冲序列,进而变成代表信号信息的二进制编码(PCM数字信号),再对光载波进行强度调制来传递信息的。要实现脉冲编码调制,必须经过三个过程：抽样、量化和编码。3.1.5脉冲编码调制（一般了解）尽管激光调制有各种形式，但调制的工作机理主要是基于电光、声光、磁光等物理效应。下面讨论电光调制的基本原理和调制方法。3.2电光调制电光调制的基本原理及公式推导电光调制器的技术参数电光调制器的应用实例电光调制的基本原理及公式推导电光调制的物理基础：电光效应电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传播特性就受到影响而改变

外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为或线性电光效应（Pockels效应）二次电光效应（Kerr效应）折射率椭球在晶体未加外电场时，主轴坐标系中折射率椭球的方程为：电光调制的基本原理及公式推导1.x，y，z为介质的主轴方向，在晶体内沿着主轴方向的电位移D和电场强度E是互相平行的；2.

n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方向的折射率(主折射率)。

折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。1、电致折射率变化采用折射率椭球体方法。在未加外场时，主轴坐标系中，折射率椭球由如下方程式描述：当晶体加外场时，椭球方程变为如下形式：—介质的主轴方向；—主折射率

比较以上两式，由于外电场，折射率椭球各系数发生线性变化，其变化量定义为：（3.2.1）（3.2.2）—线性电光系数，（3.2.3）上式（3.2.3）可用矩阵形式表示为：—电场沿方向的分量—电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，表征感应极化强弱的量（3.2.4）以KDP晶体为例（负单轴晶体，）这类晶体的电光张量为：（3.2.5）**，将式（3.2.5）代入（3.2.4）：（3.2.6）将式（3.2.6）代入（3.2.2），得到晶体加电场后的新折射率椭球方程式：外加电场导致“交叉”项出现，椭球主轴不再与x、y、z轴平行。（3.2.7）假设外电场方向平行于z轴，（3.2.7）是变为：寻求新坐标系（），消除交叉项，代入（3.2.8）式，令交叉项为零，得，则新坐标系下方程为：（3.2.8）（3.2.9）上式其椭球主轴的半长度为：由，得：讨论：当KDP晶体沿z轴加电场时，折射率椭球的主轴绕z轴旋转45度角（与外加电场大小无关）。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。（3.2.10）（3.2.11）2、KDP的纵向运用电光调制的基本原理及公式推导

纵向电光效应：电场方向与通光方向一致的电光效应横向光电效应：电场方向与通光方向垂直的电光效应

以KDP晶体为例(电场沿晶体z轴，光波沿z方向传播)进入晶体后即分解为沿方向的两个垂直偏振分量当它们经过长度L后，光程分别为产生相位差电光调制的基本原理及公式推导-光偏振态变化纵向电光效应造成的双折射引起相位的延迟电光晶体的相位延迟与外加电压成正比变化，可用作“波片”，实现光的偏振态的变化讨论三种情况

1

2

3晶体不加电场：晶体加电场：晶体加电场：

1

2

3晶体不加电场：晶体加电场：晶体加电场：通过晶体后的合成光仍然是偏振光，且与入射光的偏振方向一致（全波片）出射光为椭圆偏振光，当方向分量相同时，合成光为圆偏振光，相当于1/4波片电光调制的基本原理及公式推导-光偏振态变化出射光为线偏振光，但偏振方向相对于入射光有一个夹角。当入射光偏振方向与夹角为，出射光的偏振方向与入射光偏振方向垂直，晶体起到半波片作用。电光调制的基本原理及公式推导-光偏振态变化a点：相位差光场矢量是沿x方向的线偏振光

e点：相位差合成光场矢量变为逆时针旋转的圆偏振光

i点：相位差则合成光矢量变为沿着y方向的线偏振光，相对于入射光偏转了90°电光调制的基本原理及公式推导-强度调制

利用Pockels效应实现电光强度调制

(主要讨论在晶体上施加空间基本均匀、时间变化的电场的情况）

工作机理：利用晶体的电光效应，使一个随时间变化的电信号转换成光信号，由透过晶体后光波的强度或相位变化来传递信息。主要应用：光通信、光开关等领域。3、纵向电光强度调制（电光晶体KDP）电光调制的基本原理及公式推导-强度调制电光晶体KDP置于两个正交的偏振器之间P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，P2的偏振方向平行于y轴当沿晶体z轴方向加电场后，x和y轴旋转45°变为感应主轴x’和y’沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后被分解为沿x’和y’的两个分量Ex’和Ey’，它们的振幅和位相都相等，分别为

复数表示为电光调制的基本原理及公式推导-强度调制入射光的强度为当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，Ex’和Ey’间就产生了相位差，用复数表示为通过检偏器后的总的电场强度是Ex’(L)和Ey’(L)在y方向上的投影之和，即输出光强为调制器的透过率为

电光调制的基本原理及公式推导-强度调制强度调制图电光调制的基本原理及公式推导-强度调制为实现线性调制，可引入固定的π/2相位延迟，使调制器的电压偏置在T=50%的工作点上（B点）

调制器的透过率与外加电压呈非线性关系若调制器工作在非线性电压部分，调制光将发生畸变电光调制的基本原理及公式推导-强度调制改变工作点的常用方法1在调制晶体上除了施加信号电压之外，再附加一个半波电压，但此法增加了电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。2在调制器的光路上插入一个1/4波片，使其快慢轴与晶体主轴x成45角，从而使Ex’和Ey’二分量间产生π/2的固定相位差。电光调制的基本原理及公式推导-强度调制插入一个1/4波片情况的分析：

设调制电压为正弦信号

总相位差为

其中电光调制器的透过率为

利用贝塞尔函数将函数展开，可以知道输出的调谐光中含有高次谐波部分，使调制光发生畸变

电光调制的基本原理及公式推导-强度调制

解决畸变方法：将高次谐波的光强控制在允许的范围内，实现线性调制，这要求调制电压Vm不能太大。

实现线性调制的判据为

此时的透过率为

输出的强度调制波是调制信号的线性复现电光调制的基本原理及公式推导-强度调制电光调制的基本原理及公式推导-相位调制工作原理：电光相位调制器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（），此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x’和y’两个分量，而是沿着x’或y’轴一个方向偏振，外电场不改变出射光的偏振态，仅改变相位。电光调制的基本原理及公式推导-相位调制光波只沿ｘ′方向偏振，相应的折射率为

若外加电场是

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，上式写成相位调制系数渡越时间：激光通过长度为L的晶体所需时间。对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的调制带宽。前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频率(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且波长远大于晶体的长度L，因而在光波通过晶体L的渡越时间内，调制信号电场在晶体各处的分布是均匀的，则光波在各部位所获得的相位延迟也都相同，即光波在任一时刻不会受到不同强度或反向的调制电场的作用。在这种情况下，装有电极的调制晶体可以等效为一个电容．即可以看成是电路中的一个集总元件，通常称为集总参量调制器。集总参量调制器的颇率特性主要受外电路参数的影响。3.2.4电光调制器的电学性能调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束：ViV当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。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。3.2.5设计电光调制器应考虑的问题现以KDP类电光调制器为例来说明如何选择参数。电光晶体材料的选择调制晶体材料对调制效果起着关键的作用，所以在选择晶体材料时，应着重考虑以几个方面的因素：A.首先是光学性能好,对调制光波透明度高,吸收和散射损耗小并且晶体的折射率均匀,其折射率的变化应满足△n＜10-4／cm；B.其次是电光系数要大，因为调制器的半波电压及所耗功率分别与γ63

和γ632

成反比。C.此外，调制晶体还要有较好的物理化学性能(主要指硬度、光破坏与制、阈值、温度影响和潮解等)。表1.2-2给出了一些常用的电光晶体材料。常用电