第一章電光調(diào)制與聲光調(diào)制

1、第一章第一章 激光調(diào)制激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù)與偏轉(zhuǎn)技術(shù)v以調(diào)制為重點。對偏轉(zhuǎn)技術(shù)不作重點要求。主要講以下幾個問題。調(diào)制基本概念強度調(diào)制和振幅調(diào)制（定義，調(diào)制方法）相位調(diào)制和頻率調(diào)制（定義，調(diào)制方法）一激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)（簡單）一、調(diào)制一、調(diào)制1.目的：通過調(diào)制進行信息的傳遞。2.調(diào)制：把信息加到載波的過程即調(diào)制。定義：利用調(diào)制訊號去改變載波的某一參數(shù)，使其參數(shù)按調(diào)制訊號的規(guī)律發(fā)生變化的過程。1.1 概述概述二激光調(diào)制二激光調(diào)制1.激光調(diào)制：利用激光作為載波進行調(diào)制的過程。1)單色性好。2) 激光發(fā)散角小3) 具有較好的時間相干性和空間相干性2.調(diào)制器：完成激光調(diào)制的裝置優(yōu) 點：調(diào)制效率高。缺 點：a.由

2、于調(diào)制器放在腔內(nèi)，等于增加腔內(nèi)的損耗,降低了輸出功率。b. 調(diào)制器帶寬受到諧振腔通帶的限制 Gl優(yōu) 點：a.因為調(diào)制器和激光形成無關(guān),不影響激光器的輸出功率。b.調(diào)制器的帶寬不受諧振腔通帶的限制，缺 點：調(diào)制效率低。三振幅調(diào)制和強度調(diào)制三振幅調(diào)制和強度調(diào)制1.振幅調(diào)制（調(diào)幅）(1) 定義：以調(diào)制訊號去改變激光的振幅，使其振幅按調(diào)制訊號的規(guī)律變化。調(diào)制前： 調(diào)制后：( )cos()cccce tAt( )( )cos()ccce tA tt( )( )A tAcKa t0( )cosma tAt0( )(cos)cos()mcce tAcKAtt調(diào)制訊號(2)調(diào)制系數(shù)：振幅的最大增量與振幅的平均

3、值之比。振幅的最大值振幅的最小值振幅的最大增量 由 可得 m主要由K，A0決定，即比例系數(shù)K和調(diào)制訊號的振幅A0max0AcAKAmin0AcAKAmaxminccAAAAAcAmA0KAA 0KcAmA0( )cos( )(1cos)cos()cos()coscos()cos()cos()cos()22mcmcccccmcccccccmcccmca tAte tAmttAtmttmmAtAtAt調(diào)幅波含三個不同的頻率 ：(3)調(diào)幅波的頻譜分析2.強度調(diào)制(1)定義:以調(diào)制信號去改變激光的光強，使光強按著調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程。222200000020( )( )cos ()t( )( )(

4、 )( )cos ()ccccpppccI te tAtAIIIII tIK a tKI tIK a tt 瞬時光強設(shè)常數(shù)光強的最大值當光強受到調(diào)制時， 不再是常數(shù)，按調(diào)制信號的規(guī)律變化（ ）時間的函數(shù)設(shè)調(diào)制信號為a(t),則是比例系數(shù)則設(shè) ，則光強調(diào)制系數(shù)為調(diào)制后的光強為：0( )sinma tAt0000()2()2ppK AImII光強最大增量光強平均值20( )(1sin)cos ()2pmccII tmtt（2）對的mp要求 mp 彈性應變a)彈性波超聲波是一種彈性波-縱向機械應力波。存在質(zhì)點振動方向和波的傳播方向關(guān)系問題：橫波：質(zhì)點振動方向和波的傳播方向垂直橫波光波縱波：質(zhì)點振動方

5、向和波的傳播方向一致聲波 結(jié)論：介質(zhì)中存在彈性波等于介質(zhì)中存在時空周期變化的彈性應變，而介質(zhì)中各點的折射系數(shù)或介電常數(shù)會隨著該點的彈性應變發(fā)生相應的改變。3)光被介質(zhì)中的超聲波場衍射或散射 當介質(zhì)中存在超聲波時，介質(zhì)的折射率發(fā)生相應的改變，正弦相位光柵，光通過此種介質(zhì)時，光的傳播特性發(fā)生改變，光被介質(zhì)衍射或散射。v超聲波彈性力彈性應變正弦相位光柵光衍射光強控制超聲波強弱(2).折射率是時間和坐標的函數(shù)，因此光柵不是固定的。移動的速度是超聲波的速度vs。二.聲光作用本節(jié)主要討論光在超聲波傳播的介質(zhì)中通過時衍射情況聲光作用。按照超聲波的頻率和聲光互相作用的長度分成兩種類型，喇曼奈斯衍射 和布拉格衍

6、射。1.喇曼奈斯衍射條件(1).超聲波頻率比較低。(2).光線平行于聲波面入射和聲波傳播方向垂直入射。(3).超聲波的寬度l比較小時平面相位光柵 聲速比光速小的多,聲波場的介質(zhì)厚度l比較小，相當于一個平面相位光柵，超聲波的頻率比較低，光柵間距大。當平行光通過光柵時，產(chǎn)生多級衍射各級衍射對稱的分布在零級兩側(cè)。v 式中 光通過介質(zhì)后相位變化的幅值。v c各級光強不等。m越大，光強越小。 圖1.3-9 圖1.3-1022( )( )mmJvJv02n lv d在忽略介質(zhì)對光的吸收損耗時 各級衍射光強之和恒等于1。2.布拉格衍射(1)條件 a.聲波的頻率f較高。 b.聲光相互作用長度L光柵變成三維空間

7、相位光柵。 c.入射光不是垂直入射，而是與聲波波面有一定角度。220( )2( )1mJvJv 圖1.3-11光通過介質(zhì)時，相當于通過多個光柵，只產(chǎn)生0級或1級光。(2)布拉格條件主要討論入射光在斜入射時的情況。 稱布拉格條件。 值滿足一定條件 布拉格條件 s i n2isv 討論：簡化條件，聲波行波傳播，把聲波看成許多相距為（光柵寬度）的鏡面。這些鏡面部分反射，部分透射。v 行波的速度：v 在光通過介質(zhì)的時間內(nèi)，可以近似認為聲波波面是靜止的。v 分兩步討論a光線入射到同一鏡面的反射情況。v 兩束光的干涉情況設(shè) BCX, ACBD是兩衍射光的光程差, 光在介質(zhì)中的波長。400700/svm s

8、di入射光的入射角,衍射光的衍射角cosiACxcosdBDxcoscosidixmi對于x值并不是固定的。即當x是任意值時，上式都應成立。只有 則 入射角和衍射角相等。b.光線入射在任意兩個聲波相位波面上v 入射光入射到兩個不同的鏡面上產(chǎn)生衍射。其兩束光的光程差EFEG在上面已經(jīng)推導。同一鏡面的衍射角 dcoscos0ididi兩束光干涉的條件只能是產(chǎn)生一級衍射光。 布拉格條件 因此，只有入射角滿足上式的光波，才能在 的方向上進行干涉，產(chǎn)生極大值。式中 光在介質(zhì)中的波長， 光在真空中波長，聲波波長。注意：因為衍射的本質(zhì)是散射，所以其他方向并非完全沒有光，只是由于互相干涉的結(jié)果，基本上相消而已

9、。EFsinsinsisiDE2sinsiiEFDEsin2iisdiBi0ins(3)布拉格衍射光強分布公式根據(jù)推導，當入射光強為 時，布拉格衍射的零級和一級衍射光強的表示式分別寫成 式中 光通過介質(zhì)產(chǎn)生的附加相位幅值0級和1級光強主要由附加相位決定。注：上兩式的推導，同學們可以參考英文“光電子導論”，即Introduction to Optical Electronics中第十二章的聲光相互作用，由于涉及的理論較多，在這里不做詳細推導。iI20cos ( )2iII21sin ( )2iII02nL4判定啦曼奈斯和布拉格衍射的標準在討論兩種衍射條件時都是定性劃分它們的范圍，現(xiàn)在定量地討論它

10、們的條件。布拉格衍射條件 sin,2iBs30012nn pS 322010sin ()sin ()2inIn plLSI a 高，則 小（光柵寬度?。?， bL大， c光線以一定角度入射根據(jù)以上條件，則入射的光線在聲光介質(zhì)中走的路程長，并經(jīng)過多個衍射光柵，因而發(fā)生多次衍射，因此布拉格是衍射的多光束發(fā)生干涉結(jié)果。設(shè) AB=h 根據(jù)布拉格衍射條件，光束在傳播過程中通過多個 ，把布拉格條件 帶入上式 sfsBsl 2iBshlBtan.v 布拉格衍射的定量尺寸選擇，在實際中一般 選擇啦曼奈斯衍射，則v 至于布拉格和啦曼衍射 取的中間部分，兩種衍射都存在。以上兩式是判定兩種衍射的標準。長度 是關(guān)鍵。2

11、34silllisl2isl21.4其他調(diào)制方法其他調(diào)制方法一、磁光調(diào)制：利用光的法拉弟效應制成的。利用有些晶體材料（如YIG釔鐵石榴石）等在外加磁場作用下，可使通過它的線偏光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與沿光束方向的磁場強度H及晶體的通光長度成正比。 式中 磁光系數(shù)，也稱范德特常數(shù)， 晶體的通光長度， 磁場強度。利用調(diào)制信號控制磁場強度的變化，可以使光的偏振面發(fā)生相應的變化，光通過檢偏器時，實現(xiàn)了光的調(diào)制。光的偏振面旋轉(zhuǎn)的方向僅由磁場的方向決定，與光線傳播方向的正逆無關(guān)。QVHLVLH特點：需要功率低， 范圍損耗小，其他范圍損耗太大。在該波長范圍，可以制成調(diào)制器、開關(guān)、隔離器等，磁光晶體的物

12、理性能受溫度的影響小，不易潮解，調(diào)制電壓低。 圖1.4-1 圖1.4-2 麥克爾遜干涉儀調(diào)制 1.2 4.5 m二、干涉調(diào)制原理：主要是利用麥克爾遜干涉儀的原理。它主要是利用反射鏡M2把一束光分成兩束光，通過改變兩束光的光程差，實現(xiàn)光的干涉。干涉調(diào)制是把其中一個反射鏡固定在壓電元件上，把調(diào)制信號加到壓電元件上，使 M2在干涉儀中產(chǎn)生有規(guī)律的周期變動，從而使兩束光的光程差產(chǎn)生有規(guī)律的變化，最后得到周期變化的干涉光強。實現(xiàn)光的調(diào)制。（1） M3把入射光分成兩束光，通過 M1， M2 反射，使兩束光產(chǎn)生一定的光程差。（2）把高頻信號電壓加在與 M2相連的壓電元件上，使 M2振動，則M2的位置變化為0

13、sinmmdddt三、直接調(diào)制三、直接調(diào)制利用調(diào)制訊號直接控制激光器的泵浦電源來調(diào)制激光器的輸出參數(shù)（一般激光強度），一般在半導體激光器中應用。GaAs輸入電流大輸出激光光強大輸入電流小輸出激光光強小且在通訊中，大部分應用半導體激光器（調(diào)制頻率十千兆） 圖1.4-3圖1.4-41.加直流偏置Ib使其工作在線性區(qū)數(shù)字調(diào)制必須對信號進行抽樣，量化“編碼”變成矩形脈沖。目前數(shù)字通信發(fā)展快，因為它比模擬調(diào)制抗干擾能力強，對數(shù)字光通信設(shè)備的線性要求不高，可充分利用LD的輸出功率，數(shù)字通信設(shè)備便于和脈沖編碼調(diào)制（PCM）電話終端相連接，從而組成既能傳輸電話、彩色電視，又能傳輸計算機數(shù)據(jù)的多媒體綜合通信系統(tǒng)

14、。第一章小結(jié)第一章小結(jié)調(diào)制：激光調(diào)制：利用要傳遞的信息作為調(diào)制訊號去改變激光的某一參數(shù)，使其參數(shù)按調(diào)制信號的規(guī)律變化過程，參數(shù)振幅、強度、相位、頻率等。強度調(diào)制1.定義：利用調(diào)制信號去改變激光強度，使光強按調(diào)制信號的規(guī)律變化。2.方法電光調(diào)制：利用晶體的電光效應和偏光的干涉原理使變化20( )(1sin)cos2pmcII tmtt1pm 200011sin(1cos )(1cos)222VIIIIV一般情況下，和不是線性關(guān)系。只有在 處近似線性，選擇工作點，加 波片在調(diào)制信號比較強時含有高次諧波成分為防此失真，消除高次諧波。綜合考慮以上因素， 選在 之間縱向運用橫向運用，（）加場向通光VnI

15、調(diào)制信號變實現(xiàn)光強調(diào)制2V=V14011 sin()2VIIV130112()sin2()sin32mmmmVVIJtJtIVV 212mmVVmVVmVV102聲光調(diào)制調(diào)制信號電功率 換能器 （注意逆壓電效應和關(guān)系） 驅(qū)動源 超聲波 行波 駐波聲光介質(zhì) 聲光效應 彈性應變 正弦相位光柵入射光 衍射光 衍射光強相應地變化（強度調(diào)制）喇曼奈斯衍射 多級光平面相位光柵布拉格衍射 2880sfd千赫sf2sPkp0( , )sin()ssn x tnnk xt 0( , )cossinssn x tnnk xt( , )x t( , )n x t0S 改變02n LV011,II I2( )mmIJsinism 2sil2is0I20cos2iII1I2212sinsin ()22iisLIIIM P