光調制.ppt

光的調制技術 主要內容 一 光輻射的調制二 模擬調制三 數字調制方式四 外調制 一 光輻射的調制 光輻射的調制 是指改變光波的振幅 強度 頻率 相位和偏振等參量使之載攜信息的技術過程 可以完成將傳輸的信息加載到激光上的裝置稱為調制器 承載信息的激光稱為光載波 傳輸的信息稱為調制信號 加載信號后的激光稱為調制光 1 1光輻射調制的實現 光波具有振幅 頻率 相位 強度和偏振等參量 能夠通過某種物理效應改變這些參量 使其按照調制信號的規(guī)律變化 光波受到信號的調制 形成調制光 其中 光波的電場強度 1 2光輻射調制的分類 按照調制器和激光器的關系 內調制 是指加載調制信號是在激光振蕩過程中進行的 即以調制信號去改變激光器的振蕩參數 從而改變激光輸出特性以實現調制 調制信號改變激光器的泵浦驅動電流 使得輸出的激光強度受到調制 稱為直接調制或者電源調制 在諧振腔內加入調制元件 用調制信號控制元件的物理特性的變化 以改變諧振腔的參數 從而改變激光器輸出特性 1 2光輻射調制的分類 按照調制器和激光器的關系 外調制 在激光諧振腔以外的光路上放置調制器 用調制信號改變調制器件的物理性質 當光通過調制器件時 光波的某個參數發(fā)生變化 外調制不改變激光器的參數 不涉及激光器的內部結構 是目前應用廣泛的一種調制方式 內調制具有小型化 集成度高的特點 主要應用在光通信的半導體激光器中 提高系統(tǒng)的集成度 1 2光輻射調制的分類 按照調制的性質 幅度調制 頻率調制 相位調制 強度調制 模擬調制 1 2光輻射調制的分類 按照調制器的工作機理 電光調制 聲光調制 磁光調制 直接調制 電源調制 外調制 2 1振幅調制 幅度調制是使光載波的振幅隨著調制信號的變化規(guī)律而變化 簡稱調幅 調幅系數 設調制信號是一個時間的余弦函數 當進行激光振幅調制之后 激光振幅Ac不再是常量 而是與調制信號成正比 載頻分量 邊頻分量 邊頻分量 調幅波頻譜 二 模擬調制 2 2頻率調制 頻率調制和相位調制使得光載波的頻率和相位隨著調制信號的變化規(guī)律而改變 兩種調制表現為總相角 t 的變化 統(tǒng)稱為角度調制 頻率調制 角頻率 c不再是常數 而是隨調制信號而變化 若調制信號仍是一個余弦函數 則調頻波的總相角為 其中稱為調頻系數 kf稱為比例系數 2 3相位調制 調相系數 相位調制就是相位角不再是常數 而是隨調制信號的變化規(guī)律而變化 調相波的總相角為 相位調制 頻率調制和相位調制都是調制總相角 可以寫成統(tǒng)一形式 m的調制系數 利用三角公式展開 得 將式中兩項按貝塞爾函數展開 2 4頻率調制和相位調制 將以上兩式代入利用三角函數關系式 可得 可見 在單頻正弦波調制時 其角度調制波的頻譜是由光載頻與在它兩邊對稱分布的無窮多對邊頻所組成的 各邊頻之間的頻率間隔是 各邊頻幅度的大小由貝塞爾函數決定 2 4頻率調制和相位調制 2 5強度調制 強度調制是使得光載波的強度隨著調制信號的變化而改變 由于接收器一般都直接感受接受的光信息強度的變化 所以強度調制是采用的比較多的一種方式 強度調制的頻譜除了載波分量和對稱分布的邊頻之外 還有低頻和直流分量 為了提高抗干擾能力 采用二次調制方式 即采用副載波進行強度調制 強度調制系數 激光的光強度定義為光波電場的平方 其表達式為 三 數字調制方式 脈沖調制是用一種間歇的周期性脈沖序列作為載波 這種載波的某一參量按調制信號規(guī)律變化的調制方法 先用模擬調制信號對一個電脈沖序列的某個參數 幅度 寬度 頻率 位置等 進行電調制 形成已調電脈沖 然后再利用已調的電脈沖序列對光載波進行強度調制 形成光脈沖序列 3 1脈沖調制 調制信號幅度調制脈寬調制頻率調制脈位調制 脈沖調制有脈沖幅度調制 脈沖寬度調制 脈沖頻率調制和脈沖位置調制 3 1脈沖調制 三 數字調制方式 脈沖編碼調制是把模擬信號先變成電脈沖序列 進而變成表示信息的二進制編碼 然后再對光載波進行強度調制 要實現上述過程 必須進行三個過程 抽樣量化編碼編碼以后 信號轉化為相應的二進制碼 用這一系列的電脈沖加到一個強度調制器上 控制激光器的輸出 3 2脈沖編碼調制 光波在介質中的傳播規(guī)律受到介質折射率分布的制約 而折射率的分布又與其介電常量 電容率 密切相關 晶體折射率可用施加電場E的冪級數表示 即 4 1 1電光調制的物理基礎 式中 E是一次項 由該項引起的折射率變化 稱為線性電光效應或泡克耳斯 Pockels 效應 由二次項bE2引起的折射率變化 稱為二次電光效應或克爾 Kerr 效應 對于大多數電光晶體材料 一次效應要比二次效應顯著 4 1電光調制 四 外調制 4 1 2電光效應 電光調制是基于電光效應 某些晶體在外加電場的作用下 折射率發(fā)生變化 使得在其中傳播的光信號的傳播特性受到影響 稱為電光效應 電光效應被廣泛使用來實現對光波 相位 頻率 偏振和強度 的控制 已經做成調制器 偏振控制器和濾波器件等等 電致折射率變化 折射率橢球方法 在未外加電場時 主軸坐標系中 折射率橢球由以下方程 主軸 晶體中電位移矢量D和電場強度E方向一致的方向nx ny和nz為折射率橢球x y z方向的折射率 稱為主折射率 4 1 2電光效應 在外加電場作用時 主軸坐標系中 導致折射率橢球發(fā)生變形 成為以下形式 在外電場的作用下 折射率橢球各個系數隨之發(fā)生線性變化 變化量可定義為 4 1 2電光效應 i j為線性電光系數 i 1 2 6 j 1 2 3 其中6X3矩陣稱為電光張量 4 1 2電光效應 電光晶體的相位延遲性質 外加電壓的變化 會引起晶體中兩個偏振方向的光的相位差改變 電矢量的空間振動方向隨著變化 可以用來控制光波的某些參數 實現電光調制 電光效應可以實現強度調制和相位調制 4 2 1聲光調制的物理基礎 聲波是一種彈性波 縱向應力波 在介質中傳播時 它使介質產生相應的彈性形變 從而激起介質中各質點沿聲波的傳播方向振動 引起介質的密度呈疏密相間的交替變化 因此 介質的折射率也隨著發(fā)生相應的周期性變化 超聲場作用的這部分如同一個光學的 相位光柵 該光柵間距 光柵常數 等于聲波波長 s 當光波通過此介質時 就會產生光的衍射 其衍射光的強度 頻率 方向等都隨著超聲場的變化而變化 其中深色部分表示介質受到壓縮 密度增大 相應的折射率也增大 而白色部分表示介質密度減小 對應的折射率也減小 在行波聲場作用下 介質折射率的增大或減小交替變化 4 2聲光調制 4 2 2聲光效應 介質的折射率不僅可以通過外加電場改變 外力作用亦可改變 由于外力作用引起的介質光學性質的變化成為彈光效應 聲波在介質中傳播時 引起介質的密度沿著聲波傳播的方向從呈現周期分布 折射率也呈現周期分布 這種由于聲波的作用引起的介質光學性質的變化稱之為聲光效應 介質中的聲波分為行波和駐波兩種形式 x n x X方向聲波的行波方程 介質的折射率變化正比于質點沿著x方向的位移 介質的折射率分布為 n0為無聲場介質折射率 S為超聲波產生的應變 P為材料的彈光系數 聲速是光速的數十萬分之一 光柵可以看作是靜止的 4 2 2聲光效應 x n x n X方向聲波的駐波是由兩個具有相同波長 振幅和相位的相反方向傳播的聲波疊加而成 介質的折射率變化正比于質點沿著x方向的位移 聲駐波方程 4 2 2聲光效應 4 2 3聲光相互作用的類型 按照聲波頻率高低和聲光相互作用的長度不同 聲光相互作用可分為 1 Raman Nath衍射 超聲波頻率較低 聲光作用長度較短 2 Bragg衍射 超聲波頻率較高 聲光作用長度較長 4 3 1旋光現象 當偏振光沿著光軸方向通過天然介質時 偏振方向發(fā)生旋轉 稱為旋光現象 具有旋光特性的物質稱為旋光物質 起因 某些介質對左旋 右旋偏振光的折射率大小不同 4 3磁光調制 磁致旋光效應的旋轉方向僅與磁場方向有關 而與光線傳播方向的正逆無關 這是磁致旋光現象與晶體的自然旋光現象不同之處 即當光束往返通過自然旋光物質時 因旋轉角相等方向相反而相互抵消 但通過磁光介質時 只要磁場方向不變 旋轉角都朝一個方向增加 此現象表明磁致旋光效應是一個不可逆的光學過程 因而可利用來制成光學隔離器或單通光閘等器件 對于旋光現象的物理原因 可解釋為外加磁場使介質分子的磁矩定向排列 當一束線偏振光通過它時 分解為兩個頻率相同 初相位相同的兩個圓偏振光 其中一個圓偏振光的電矢量是順時針方向旋轉 稱為右旋圓偏振光 而另一個圓偏振光是逆時針方向旋轉的 稱為左旋圓偏振光 這兩個圓偏振光無相互作用地以兩種略有不同的速度v c nR和v c nL傳播 4 3 1旋光現象 假設有一束偏振光入射旋光物質 旋光物質對左旋和右旋偏振光的折射率不同 則左旋偏振光和右旋偏振光通過厚度為L的介質所產生的相位延遲分別為 兩橢圓偏振光的相位差為 通過介質后 合成線偏振光 偏振方向相對于入射光偏振方向旋轉了一個角度 4 3 1旋光現象 4 3 2法拉第效應 某些非旋光物質 在強磁場的作用下可以表現出旋光特性 這種在磁場的作用下產生的旋光現象成為磁光效應 磁光效應包括法拉第效應 克爾效應和磁雙折射效應 主要是法拉第效應 當一束平面偏振光穿過至于磁場中的介質 光束的偏振面將發(fā)生旋轉 旋轉角度正比于與光束傳播方向平行的磁場分量 稱為法拉第效應 1845年 B表示平行于光束傳播方向上的磁場分量 L為介質長度 V為費爾德常數 是表示材料磁光性能的一個常量 與波長有關 4 4直接調制 直接調制是把要傳遞的信息轉變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽w光源 激光二極管LD或半導體發(fā)光二極管LED 從而獲得調制光信號 由于它是在光源內部進行的 因此又稱為內調制 它是目前光纖通信系統(tǒng)普遍采用的實用化調制方法 根據調制信號的類型 直接調制又可以分為模擬調制和數字調制兩種 前者是用連續(xù)的模擬信號 如電視 語音等信號 直接對光源進行光強度調制 后者是用脈沖編碼調制的數子信號對光源進行強度調制 4 4 1半導體激光器直接調制的原理 砷鎵鋁雙異質結注入式半導體激光器的輸出光功率與驅動電流的關系曲線 發(fā)射激光的強弱直接與驅動電流的大小有關 若把調制信號加到激光器電源上 就可以直接改變 調制 激光器輸出光信號的強度 半導體激光器是電子與光子相互作用并進行能量直接轉換的器件 半導體激光器有一個閾值電流Ith 當驅動電流密度小于Ith時 激光器基本上不發(fā)光或只發(fā)很弱的 譜線寬度很寬 方向性較差的熒光 當驅動電流密度大于Ith時 則開始發(fā)射激光 此時譜線寬度 輻射方向顯著變窄 強度大幅度增加 而且隨電流的增加呈線性增長 4 4 1半導體激光器直接調制的原理 為了獲得線性調制 使工作點處于輸出特性曲線的直線部分 必須在加調制信號電流的同時加一適當的偏置電流 這樣就可以減少輸出的光信號的非線性失真 4 4 1半導體激光器直接調制的原理 4 4 2半導體發(fā)光二極管調制特性 半導體發(fā)光二極管不是閾值器件 P I特性曲線的線性比較好 發(fā)光二極管的 特性曲線明顯優(yōu)于半導體激光器 所以它在模擬光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應用 但在數字光纖通信系統(tǒng)中 因為它不能獲得很高的調制速率 最高只能達到100Mb s 而受到限制 LD 調制深度 LED 當m大 調制信號幅度大 則線性較差 當m小 雖然線性好 但調制信號幅度小 因此 應選擇合適的m值 必要時應考慮非線性補償