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第第5章章 光调制光调制1.1.载波载波(carrier):激光是一种光频电磁波，与无线电波类似可用来作为传激光是一种光频电磁波，与无线电波类似可用来作为传递信息的载体。递信息的载体。2.2.调制调制(Modulation):将信息加载于激光的过程。将信息加载于激光的过程。3.3.解调解调(Demodulation):把调制信号还原成原来的信息的过程。把调制信号还原成原来的信息的过程。4.4.调制器调制器(Modulator):完成将一个携带信息的信号叠加到载波光波上这一完成将一个携带信息的信号叠加到载波光波上这一过程的器件。过程的器件。光调制：光调制：改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位偏振等参数改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数,使之使之携带信息的过程。携带信息的过程。一、光调制的基本概念一、光调制的基本概念1.1.根据调制器和激光器的相对关系：内腔调制和外腔调制根据调制器和激光器的相对关系：内腔调制和外腔调制；2.2.根据调制器的工作原理根据调制器的工作原理，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制；可以分为电光调制、声光调制、磁光调制；3.3.按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等；按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等；二、光调制的分类二、光调制的分类振幅角频率相位角激光的电场强度是：激光的电场强度是：载波载波(carrier)(carrier)（7.1.1）能够利用非线性相互作用进行光调制能够利用非线性相互作用进行光调制的相关物理效应有的相关物理效应有l电光效应电光效应l声光效应声光效应l磁光效应磁光效应l强磁场中激光的强磁场中激光的Zeeman效应效应5.1光调制器的基本原理电光调制的物理基础：电光调制的物理基础：电光调制的物理基础：电光调制的物理基础：电光效应电光效应电光效应电光效应电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等电光效应电光效应：某些晶体在外加电场的作用下其折射率将发生：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。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，可表示为或或线性电光效应线性电光效应（PockelsPockels效应）效应）二次电光效二次电光效应（应（KerrKerr效效应）应）5.1.1电光调制电光调制一、电光效应一、电光效应折射率椭球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：在晶体未加外电场时，主轴坐标系中折射率椭球的方程为：1.1.x x，y y，z z为介质的主轴方向，在晶体内沿为介质的主轴方向，在晶体内沿着主轴方向的电位移着主轴方向的电位移D D和电场强度和电场强度E E是互相是互相平行的；平行的；2.2.n n1 1、n n2 2、n n3 3为折射率椭球为折射率椭球x x，y y和和z z方向的折射方向的折射率率(主折射率主折射率)。折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。传播特性。传播特性。传播特性。1.电致折射率变化电致折射率变化nKDPKDP为四方晶系，负单轴晶体，为四方晶系，负单轴晶体，电光张量为电光张量为KDPKDP晶体独立的电光系数只有晶体独立的电光系数只有nKDP的纵向运用 外加电场的方向平行于Z轴，即 折射率椭球方程为折射率椭球方程为对上式主轴化对上式主轴化(寻找新坐标系使得折射率椭球不含交叉项寻找新坐标系使得折射率椭球不含交叉项)通过坐标变换将上式变换成具有标准形式的椭球方程。通过坐标变换将上式变换成具有标准形式的椭球方程。考虑考虑考虑考虑x x x x和和和和y y y y方向是对称的，所以将方向是对称的，所以将方向是对称的，所以将方向是对称的，所以将x x x x坐标和坐标和坐标和坐标和y y y y坐标绕坐标绕坐标绕坐标绕z z z z轴旋转轴旋转轴旋转轴旋转45454545 得到新的坐标系下的折射率椭球方程得到新的坐标系下的折射率椭球方程得到新的坐标系下的折射率椭球方程得到新的坐标系下的折射率椭球方程新折射率椭球各主轴方向的折射率为新折射率椭球各主轴方向的折射率为新折射率椭球各主轴方向的折射率为新折射率椭球各主轴方向的折射率为沿沿z z 轴加电场时，折射率发生了变化轴加电场时，折射率发生了变化(电致折射率变化电致折射率变化),KDP),KDP晶体由单轴晶体由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕主轴绕z z 轴旋转了轴旋转了4545角角转角与外加电场大小无关，折射率变化与电场大小成正比转角与外加电场大小无关，折射率变化与电场大小成正比电致折射率变化是实现光调制、调电致折射率变化是实现光调制、调电致折射率变化是实现光调制、调电致折射率变化是实现光调制、调Q Q Q Q、锁模技术的物理基础、锁模技术的物理基础、锁模技术的物理基础、锁模技术的物理基础2.电光相位延迟 纵向电光效应：电场方向与通光方向一致的电光效应纵向电光效应：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横向光电效应：电场方向与通光方向垂直的电光效应以以KDPKDP晶体为例晶体为例(电场沿晶体电场沿晶体z z轴，光波沿轴，光波沿z z方向传播方向传播)进入晶体后即分解为沿进入晶体后即分解为沿 方向方向的两个垂直偏振分量的两个垂直偏振分量 当它当它们经过长度们经过长度L L后，光程分别为后，光程分别为电光晶体的电光晶体的相位延迟相位延迟与与外加电压外加电压成正比变化，可用作成正比变化，可用作“波片波片”，实现光的偏振态的变化，实现光的偏振态的变化 当波长和电光晶体确定后，相位差的变化仅决定于外电压。当波长和电光晶体确定后，相位差的变化仅决定于外电压。相位延迟完全决定于电光效应造成的双折射。相位延迟完全决定于电光效应造成的双折射。3.光的偏振态变化 1 1 2 2 3 3晶体不加电场晶体不加电场：晶体加电场晶体加电场：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）向一致（全波片）出射光为椭圆偏振光，当出射光为椭圆偏振光，当 方向分量相同时，合成光方向分量相同时，合成光为圆偏振光，相当于为圆偏振光，相当于1/41/4波片波片出射光为线偏振光，但偏振方向相对于入射光有一个夹出射光为线偏振光，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角。当入射光偏振方向与 夹角为夹角为 ，出射光的偏，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。振方向与入射光偏振方向垂直，晶体起到半波片作用。a a点点：相位差相位差 光光场场矢量是沿矢量是沿x x方向的线偏振光方向的线偏振光 e e点：相位差点：相位差 合成光场矢量变为逆时针旋转的圆合成光场矢量变为逆时针旋转的圆偏振光偏振光 i i点：相位差点：相位差 则合成光矢量变为沿着则合成光矢量变为沿着y y方向的线偏方向的线偏振光，振光，相对于入射光偏转了相对于入射光偏转了9090 波导调制器除了通过感应折射率变化来改变光波相波导调制器除了通过感应折射率变化来改变光波相位实现调制外，还可以通过波导特性，如模式转换、模位实现调制外，还可以通过波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦合等特性来实现光的直接强度调制与开式耦合、定向耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等。关等。调制原理调制原理 波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场加在通光波导区，由于调制电场加在通光波导区，由于EV/d，因而可以在，因而可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。很低的外加电压下获得所需的调制场强。二、电光波导调制器的原理二、电光波导调制器的原理16一、声光效应一、声光效应物理基础：物理基础：声光相互作用声光相互作用 声波在介质中传播时，介质的折射声波在介质中传播时，介质的折射率沿声波的传播方向发生周期性变化。率沿声波的传播方向发生周期性变化。介质就如同一个光学的介质就如同一个光学的“相位光栅相位光栅”。当光波通过此介质时，就会产生光当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。都随着超声场的变化而变化。5.1.2 声光调制声光调制17超声行波在介质中的传播超声行波在介质中的传播超声驻波超声驻波结论：结论：声行波形成的光栅以声声行波形成的光栅以声速向前推进，频率为速向前推进，频率为f fs s结论：结论：声驻波在一个周期内，介质两声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，若超声频率为次出现疏密层，若超声频率为f fs s，光，光栅出现和消失的次数为栅出现和消失的次数为2f2fs s，光波通，光波通过该介质后受到的调制频率为过该介质后受到的调制频率为2f2fs s。18二、声光相互作用的类型二、声光相互作用的类型1.Raman-Nath衍射衍射特点：特点：声波频率较低声波频率较低光波平行于声波面入射（垂光波平行于声波面入射（垂直于声场传播方向）直于声场传播方向）声光互作用长度声光互作用长度L L较短较短结论：结论：存在多级衍射，最强的一级光衍射效率也不会超过存在多级衍射，最强的一级光衍射效率也不会超过34%34%。192.Bragg衍射衍射特点：特点：声波频率比较高声波频率比较高光波与声波以一定的角度斜入射光波与声波以一定的角度斜入射声光互作用长度声光互作用长度L L比较长比较长 光波在介质中穿过多个声波面光波在介质中穿过多个声波面,当入射光与声波面间夹角满足一定条当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光相互干涉，各高级项衍射光将互相抵消，只出件时，介质内各级衍射光相互干涉，各高级项衍射光将互相抵消，只出现现0 0级和级和+1+1级（级（-1-1级）衍射光。级）衍射光。结论：结论：理想的理想的BraggBragg衍射，入射光可以全部转化为衍射光，衍射效率衍射，入射光可以全部转化为衍射光，衍射效率达到达到100%100%。故声光调制器中多采用。故声光调制器中多采用BraggBragg衍射效应。衍射效应。布拉格衍射公式布拉格衍射公式20三、声光调制器三、声光调制器1 1、声光调制器的组成、声光调制器的组成（1 1）声光介质）声光介质（2 2）压电换能器（利用某些压电晶体，）压电换能器（利用某些压电晶体，石英等，在外加电场作用下产生机械振石英等，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波）动而形成超声波）（3 3）吸声（或反射）装置。）吸声（或反射）装置。对于行波超声波，用来吸收已通过介质的残留超声波（防止返回介对于行波超声波，用来吸收已通过介质的残留超声波（防止返回介质产生干扰）；对于驻波超声波，用反射装置以形成驻波。质产生干扰）；对于驻波超声波，用反射装置以形成驻波。212.2.声光调制的工作原理声光调制的工作原理声光调制声光调制=利用声光效应将信息加载于光频载波上。利用声光效应将信息加载于光频载波上。调制信号以电信号形式作用于压电换能器上调制信号以电信号形式作用于压电换能器上 超声超声场场 光强光强 强度调制波。强度调制波。调制特性曲线调制特性曲线 类似于电光强度调制，一般情况下为非线性调制，需加超声类似于电光强度调制，一般情况下为非线性调制，需加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。偏置，使其工作在线性较好的区域。22一、自然旋光效应一、自然旋光效应1.自然旋光现象自然旋光现象 一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度。时，其振动平面会相对原方向转过一个角度。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而该现象应属另外传播不会发生双折射，因而该现象应属另外一种新现象，这就是一种新现象，这就是旋光现象旋光现象。实验证明一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的角度的角度与在该介质中通过的距离与在该介质中通过的距离l成正比：成正比：=l 比例系数比例系数表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。的性质及温度有关。5.1.3 磁光调制磁光调制232.2.自然旋光现象的理论解释自然旋光现象的理论解释菲涅耳假设菲涅耳假设 线偏振光线偏振光=右旋圆偏振光右旋圆偏振光+左旋圆偏振光左旋圆偏振光 菲涅耳认为：菲涅耳认为：在各向同性介质中，线偏在各向同性介质中，线偏振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度相振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度相等，因而其相应的折射率相等；在旋光介质等，因而其相应的折射率相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也不相等。相应的折射率也不相等。在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传度较快；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快。播速度较快。右旋石英与左旋石英右旋石英与左旋石英 24二、磁光效应二、磁光效应法拉第效应法拉第效应1.法拉第效应法拉第效应 本来不具有旋光性的介质，在强磁场作用下产生旋光现象的效本来不具有旋光性的介质，在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应，简称为磁光效应（法拉第效应）。应叫磁致旋光效应，简称为磁光效应（法拉第效应）。振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l和磁感场强度和磁感场强度H H成正比，即：成正比，即：=VHl 式中，式中，V V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。物物 质质 温温 度度 /C C V V/弧度弧度/(/(特特米米)磷冕玻璃磷冕玻璃轻火石玻璃轻火石玻璃水晶水晶(垂直光轴垂直光轴)食盐食盐水水磷磷二硫化碳二硫化碳 18181818202016162020333320 20 4.864.869.229.224.834.8310.4410.443.813.8138.5738.5712.30 12.30 252.2.旋光现象的物理成因旋光现象的物理成因 当一束线偏光通过时，分解为左旋圆偏光和右旋圆偏光，它们通过当一束线偏光通过时，分解为左旋圆偏光和右旋圆偏光，它们通过厚度为厚度为L L的介质之后产生的相位延迟分别为：的介质之后产生的相位延迟分别为：通过介质后，又合成一线偏光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度：通过介质后，又合成一线偏光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度：注意：注意：磁致旋光效应的旋转方向仅于磁场方向有关，而与光线传播方向磁致旋光效应的旋转方向仅于磁场方向有关，而与光线传播方向的正反无关。因此，当光通过磁光介质时，只要磁场方向不变，的正反无关。因此，当光通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角旋转角都朝一个方向增加都朝一个方向增加。而晶体的双折射效应产生的自然双折射现象，当光。而晶体的双折射效应产生的自然双折射现象，当光束往返穿过晶体时，因旋转角相等方向相反而互抵消。束往返穿过晶体时，因旋转角相等方向相反而互抵消。26二、磁光调制与磁光隔离器二、磁光调制与磁光隔离器27 让偏振片让偏振片P P1 1与与P P2 2的透振方向成的透振方向成 4545角，调整磁感应强度角，调整磁感应强度B B，使从法，使从法拉第盒出来的光振动面相对拉第盒出来的光振动面相对P P1 1转过转过 4545，于是，刚好能通过，于是，刚好能通过P P2 2 ；但对；但对于从后面光学系统各界面反射回来的光，经于从后面光学系统各界面反射回来的光，经P P2 2和法拉第盒后，其光矢量和法拉第盒后，其光矢量与与P P1 1垂直，因此被隔离而不能返回到光源。垂直，因此被隔离而不能返回到光源。三、磁光体调制器三、磁光体调制器 z zz zH Hdcdc4545 入射光入射光起偏器起偏器调制信号调制信号检偏器检偏器YIGYIG棒棒为为了了获获得得线线性性调调制制，在在垂垂直直于于光光传传播播的的方方向向上上加加一一恒恒定定磁磁场场H Hdcdc，其其强强度度足足以使晶体饱和磁化。以使晶体饱和磁化。工工作作时时，高高频频信信号号电电流流通通过过线线圈圈就就会会感感生生出出平平行行于于光光传传播播方方向向的的磁磁场场，入入射射光光通通过过YIGYIG晶晶体体时时，由由于于法法拉拉第第旋旋转转效效应应，其其偏偏振振面面发发生生旋旋转转，旋旋转转角角正正比比于于磁场强度磁场强度H H。磁光调制：磁光调制：先将电信号转换成与之相对应的交变磁场，再由磁先将电信号转换成与之相对应的交变磁场，再由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。参量的目的。s s：是单位长度饱和法拉第旋转角；：是单位长度饱和法拉第旋转角；：是调制磁场：是调制磁场 如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。z zz zH Hdcdc4545 入射光入射光起偏器起偏器调制信号调制信号检偏器检偏器YIGYIG棒棒磁光隔离器：磁光隔离器：令令=45=45，则则2=90=90，反反射射光光不不能能通通过过偏偏振振片片P P，从从而而消消除除了了反反射射光光的的干干扰扰。光光隔隔离离器器在在激激光光多多级级放放大大技技术术中中是是不不可可缺缺少少的的器件。器件。B BP PM M磁致旋光物质磁致旋光物质 磁光隔离器：磁光隔离器：两偏振片透光轴方向夹角为两偏振片透光轴方向夹角为=45=45。激光放大器激光放大器激光放大器激光放大器激光输入激光输入激光输出激光输出n当输入的电流大到使当输入的电流大到使M M沿沿z z方向饱和时，则转换效率达到方向饱和时，则转换效率达到最大。最大。若器件的若器件的T=2.5mT=2.5m，蛇形线路中输入，蛇形线路中输入0.5A0.5A直流电直流电流，磁光互作用长度流，磁光互作用长度L=6mmL=6mm，则可将输入的，则可将输入的TMTM模模（=1.152m=1.152m）52%52%的功率转换到的功率转换到T TE E模。模。磁磁光波导模式光波导模式转换调制器的输出耦合器是一个具有高双折射的金红石转换调制器的输出耦合器是一个具有高双折射的金红石棱镜。棱镜。n使输出的使输出的TETE和和TMTM模分成模分成20201111张角的两条光束，输入张角的两条光束，输入蛇形线路的电流频率为蛇形线路的电流频率为080MHz080MHz，均可观察到两个模式，均可观察到两个模式的光强度被调制的情况。的光强度被调制的情况。5.1.4 直接调制直接调制n直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体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（光源（LD或或LED），从而获得调制光信号。由于它是），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。在光源内部进行的，因此又称为内调制。n根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。数字调制两种。一、一、半导体激光器直接调制的原理半导体激光器直接调制的原理n半导体激光器（半导体激光器（LD）是电子与光子相互作用并进行能）是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。图示为量直接转换的器件。图示为AsGaAl双异质结注入式半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。导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。n 半导体激光器有一个阈值电流半导体激光器有一个阈值电流It，当驱动电流密度小，当驱动电流密度小于于It时，激光器基本上不发光或只发很弱的、谱线宽度时，激光器基本上不发光或只发很弱的、谱线宽度很宽、方向性较差的荧光；当驱动电流密度大于很宽、方向性较差的荧光；当驱动电流密度大于It时，时，则开始发射激光，此时谱线宽度、辐射方向明显变窄，则开始发射激光，此时谱线宽度、辐射方向明显变窄，强度显著增大，而且随着电流的增加呈现线性增长。强度显著增大，而且随着电流的增加呈现线性增长。为了获得线性调制，使工作点位于输出特性曲线的直为了获得线性调制，使工作点位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流I Ib b，这样就可以使输出的光信号不失真。但是，应把直，这样就可以使输出的光信号不失真。但是，应把直流偏置源与调制信号源相隔离，避免直流偏置源对调制信流偏置源与调制信号源相隔离，避免直流偏置源对调制信号源产生影响。当频率较低时，可用电容和电感线圈串接号源产生影响。当频率较低时，可用电容和电感线圈串接来实现；当频率较高（大于来实现；当频率较高（大于50MHz50MHz）时，则应采用高通滤波）时，则应采用高通滤波电路。电路。输输出出功功率率直直 流流偏置偏置调调制制信信号号输输出出光光强强信信号号ttt(b)CLLD调制信号调制信号直流偏置直流偏置(a)图图5-18 半导体激光器调制原理示意图半导体激光器调制原理示意图 (a)电原理图；电原理图；(b)调制特性曲线调制特性曲线n 偏置电流直接影响偏置电流直接影响LDLD的调制性能，通常应选择的调制性能，通常应选择I Ib b在阈在阈值附近且略低于值附近且略低于I It t，以使，以使LDLD获得较高的调制速率。但若获得较高的调制速率。但若I Ib b选得太大，又会使激光器的消光比变差，所以在选择偏置选得太大，又会使激光器的消光比变差，所以在选择偏置电流时，要综合考虑其影响。电流时，要综合考虑其影响。n 半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调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，由于有直流偏置制信号，由于有直流偏置I Ib b，所以功耗较大，从而引起温，所以功耗较大，从而引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。双异质结激光器的出升，会影响或破坏器件的正常工作。双异质结激光器的出现，使激光器的阈值电流密度比同质结大为降低，可在室现，使激光器的阈值电流密度比同质结大为降低，可在室温下以连续调制方式工作。温下以连续调制方式工作。n 要使半导体激光器在高频调制下不产生调制失真，最基本要使半导体激光器在高频调制下不产生调制失真，最基本的要求是：输出功率应与阈值以上的电流呈良好的线性关的要求是：输出功率应与阈值以上的电流呈良好的线性关系。系。I(mW)LD2LD1LED1LED2LED3LED4Pout(mW)16141210864200 100 200 300 400 LED与与LD 的的Pout-I曲线比较曲线比较 半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不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，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，LEDLED的的P PI I特性曲线的线性比较好。特性曲线的线性比较好。二、半导体发光二极管的调制特性二、半导体发光二极管的调制特性三、三、半导体光源的模拟调制半导体光源的模拟调制n 无论是使用无论是使用 LD或或LED作光源，都要施加偏置电流作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于使其工作点处于LD或或LED的的PI特性曲线的直线段，特性曲线的直线段，其调制线性好坏与调制深度其调制线性好坏与调制深度m有关：有关：LD调制特性曲线LED调制特性曲线三、三、半导体光源的半导体光源的PCM数字调制数字调制n数字调制是用二进制数字信号数字调制是用二进制数字信号“1”和和“0”码对光源发码对光源发出的光波进行调制。出的光波进行调制。n而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过信号通过“采样采样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化量化”和和“编码编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为形脉冲作为“码元码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。冲编码数字信号。n然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。n数字调制方法优点：数字调制方法优点：1、在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间、在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强；接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强；2、其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分、其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源（利用光源（LD）的发光功率；）的发光功率；3、这种调制方法与现有的数字化设备相兼容。、这种调制方法与现有的数字化设备相兼容。由于数字调制的这些突出优点，所以其有很好应用的前景。由于数字调制的这些突出优点，所以其有很好应用的前景。5.2 KDP光调制器KDPKDP家家族族晶晶体体（特特别别是是KDPKDP、DKDPDKDP晶晶体体）具具有有较较大大的的非非线线性性光光学学系系数数和和较较高高的的激激光光损损伤伤阈阈值值，从从紫紫外外到到近近红红外外波波段都具有较高的透过率，得到广泛应用。段都具有较高的透过率，得到广泛应用。1 1）电光强度调制）电光强度调制在在KDPKDP晶晶体体上上施施加加一一电电场场E E，当当一一束束光光通通过过晶晶体体后后，将将会会使使随随时时间间变变化化的的电电场场信信号号转转换换成成光光信信号号，由由光光波波的的强强度度或或相相位位变变化化来来反反映映要要传传递递的的信信息息，即即为为电电光光效效应应实实现现光光调制的原理。调制的原理。（1）纵向电光调制纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）（通光方向与电场方向一致）KDP置置于于两两个个成成正正交交的的偏偏振振器器之之间间，其其中中起起偏偏器器P1的的偏偏振振方方向向平平行行于于电电光光晶晶体体的的x轴轴，检检偏偏器器P2的的偏偏振振方方向向平平行行于于y轴轴，当当沿沿晶晶体体z轴轴方方向向加加电电场场后后，它它们们将将旋旋转转45o变变为为感感应应主主轴轴x,y。因因此此，沿沿z轴轴入入射射的的光光束束经经起起偏偏器器变变为为平平行行于于x轴轴的的线线偏偏振振光光，进进入入晶晶体体后后(z=0)被被分分解解为为沿沿x和和y方方向向的的两两个个分分量量，两个振幅两个振幅(等于入射光振幅的等于入射光振幅的1/）和相位都相等，分别为：）和相位都相等，分别为：当当光光通通过过长长度度为为L的的晶晶体体后后，由由于于电电光光效效应应，E x和和E y二二分分量量间就产生了一个相位差间就产生了一个相位差 ，则，则 由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为 那那么么，通通过过检检偏偏器器后后的的总总电电场场强强度度是是E x(L)和和E y（L）在在y方向的投影之和即方向的投影之和，即 yYxX45o45o与之相应的输出光强为：与之相应的输出光强为：注意公式：注意公式：将出射光强与入射光强相比得：将出射光强与入射光强相比得：V和和V/2/2 是一回事。是一回事。其其中中的的T称称为为调调制制器器的的透透过过率率。根根据据上上述述关关系系可可以以画画出出光光强强调调制制特特性性曲曲线线,如如图图所所示示。由由图图可可见见，在在一一般般情情况况下下,调调制制器器的的输输出出特特性性与与外外加加电电压压的关系是非线性的。的关系是非线性的。若若调调制制器器工工作作在在非非线线性性部部分分,则则调调制制光光将将发发生生畸畸变变。为为了了获获得得线线性性调调制制，可可以以通通过过引引入入一一个个固固定定的的 2相相位位延延迟迟，使使调调制制器的电压偏置在器的电压偏置在T50的工作点上。常用的办法有两种：的工作点上。常用的办法有两种：其其一一，在在调调制制晶晶体体上上除除了了施施加加信信号号电电压压之之外外，再再附附加加一一个个 V/4 的的固固定定偏偏压压，但但此此法法会会增增加加电电路路的的复复杂杂性性，而而且且工工作作点点的稳定性也差。的稳定性也差。式式中中，m=Vm/V 是是相相应应于于外外加加调调制制信信号号最最大大电电压压vm的的相位延迟。其中相位延迟。其中Vm sinmt 是外加调制信号电压。是外加调制信号电压。其其二二，在在调调制制器器的的光光路路上上插插入入一一个个14波波片片其其快快慢慢轴轴与与晶晶体体主主轴轴x成成45o 角角，从从而而使使Ex和和Ey二二分分量量间间产产生生 /2 的的固固定定相相位位差差。于是，总相位差于是，总相位差因此，调制的透过率可表示为因此，调制的透过率可表示为利用贝塞尔函数恒等式将上式展开，得利用贝塞尔函数恒等式将上式展开，得由由此此可可见见，输输出出的的调调制制光光中中含含有有高高次次诣诣波波分分量量，使使调调制制光光发发生生畸畸变变。为为了了获获得得线线性性调调制制，必必须须将将高高次次谐谐波波控控制制在在允允许许的的范围内。范围内。计算表明，若取计算表明，若取则三次谐波光强为基波的则三次谐波光强为基波的5%。因此取因此取作为线性调制的判据作为线性调制的判据 由由此此也也可可得得出出以以上上同同样样的的结结论论。所所以以为为了了获获得得线线性性调调制制，要要求求调调制制信信号号不不宜宜过过大大(小小信信号号调调制制)，那那么么输输出出的的光光强强调调制制波波就就是是调调制制信信号号V=Vm sinmt 的的线线性性复复现现。如如果果 m 1rad的的条条件件不不能能满满足足(大大信信号号调调制制)，则则光光强强调调制制波波就就要要发发生畸变。生畸变。以以上上讨讨论论的的纵纵向向电电光光调调制制器器具具有有结结构构简简单单、工工作作稳稳定定、不不存存在在自自然然双双折折射射的的影影响响等等优优点点。其其缺缺点点是是半半波波电电压压太太高高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。强度调制器小结：强度调制器小结：入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；入射光分解为感应主轴方向的两个传播模；找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；找出相位延迟和外加电压（电场）的关系；加加入入检检偏偏器器得得到到输输出出光光强强随随外外加加电电压压变变化化，实实现现强强度调制；度调制；加入加入1/4波片提供固定波片提供固定“偏置偏置”，以得到线性调制。，以得到线性调制。(2)横向电光调制横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）（通光方向与电场方向垂直）由物理光学，横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：由物理光学，横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：(1)沿沿z轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与轴，并与x或或y 轴成轴成45o夹角夹角(晶体为晶体为45o-z切割切割)。(2)沿沿x方向加电场方向加电场(即电场方向垂直于即电场方向垂直于z轴轴)，通光方向，通光方向 垂直于垂直于x轴，并与轴，并与z轴成轴成45o 夹角夹角(晶体为晶体为45o-x切割切割)。(3)沿沿y轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于y轴，并与轴，并与z轴成轴成 45o夹角夹角(晶体为晶体为45o-y切割）。切割）。以下仅以以下仅以KDP类晶体为代表讲述第一种运用方式。类晶体为代表讲述第一种运用方式。横横向向电电光光调调制制如如图图所所示示。因因为为外外加加电电场场是是沿沿z轴轴方方向向，因因此此和和纵纵向向运运用用时时一一样样，Ex=Ey=0,Ez=E，晶晶体体的的主主轴轴 x,y 旋转旋转45o 至至 x，y,相应的三个主折射率相应的三个主折射率:此此时时的的通通光光方方向向与与z轴轴相相垂垂直直，并并沿沿着着y方方向向入入射射(入入射射光光偏偏振振方方向向与与z轴轴成成450角角)，进进入入晶晶体体后后将将分分解解为为沿沿x和和z方方向向振振动的两个分量，其折射率分别为动的两个分量，其折射率分别为nx和和nzx若若通通光光方方向向的的晶晶体体长长度度为为L，厚厚度度(两两电电极极间间距距离离)为为d，外外加电压加电压VEzd，则从晶体出射两光波的相位差，则从晶体出射两光波的相位差，由由此此可可知知，KDP晶晶体体的的横横向向电电光光效效应应使使光光波波通通过过晶晶体体后后的的相相位差包括两项：位差包括两项：第第一一项项是是与与外外加加电电场场无无关关的的晶晶体体本本身身的的自自然然双双折折射射引引起起的的相相位位延延迟迟，这这一一项项对对调调制制器器的的工工作作没没有有什什么么贡贡献献，而而且且当当晶晶体体温温度度变变化化时时，还还会会带带来来不不利利的的影影响响，因因此此应应设设法法消消除除补补偿偿)掉；掉；第第二二项项是是外外加加电电场场作作用用产产生生的的相相位位延延迟迟，它它与与外外加加电电压压V和和晶晶体体的的尺尺寸寸(Ld)有有关关，若若适适当当地地选选择择晶晶体体尺尺寸寸，则则可可以以降降低其半波电压。低其半波电压。KDP晶晶体体横横向向电电光光调调制制的的主主要要缺缺点点是是存存在在自自然然双双折折射射引引起起的的相相位位延延迟迟，这这意意味味着着在在没没有有外外加加电电场场时时，通通过过晶晶体体的的线线偏偏振振光光的的两两偏偏振振分分量量之之间间就就有有相相位位差差存存在在，当当晶晶体体因因温温度度变变化化而而引引起起折折射射率率n0和和ne的的变变化化时时，两光波的相位差发生漂移。两光波的相位差发生漂移。在在KDP晶晶体体横横向向调调制制器器中中，自自然然双双折折射射的的影影响响会会导导致致调调制制光光发发生生畸畸变变。甚甚至至使使调调制制器器不不能能工工作作。所所以以，在在实实际际应应用用中中，除除了了尽尽量量采采取取一一些些措措施施(如如散散热热、恒恒温温等等)以以减减小小晶晶体体温温度度的的漂漂移移之之外外，主主要要是是采采用用一一种种“组组合合调调制制器器”的的结结构构予予以以衬衬偿偿。常常用用的的补补偿偿方方法法有有两两种种：一一种种方方法法是是，将将两两块块几几何何尺尺寸寸几几乎乎完完全全相相同同的的晶晶体体的的光光轴轴互互成成90o串串接接排排列列，即即一一块块晶晶体体的的y和和z轴轴分分别别与与另另一一块块晶晶体体的的z轴和轴和y轴平行轴平行(见图见图(a)。另另一一种种方方法法，两两块块晶晶体体的的z轴轴和和y轴轴互互相相反反向向平平行行排排列列,中中间间放放置置一一块块12 波波片片(见见图图(b)。这这两两种种方方法法的的补补偿偿原原理理是是相相同同的的。外外电电场场沿沿z轴轴(光光轴轴)方方向向，但但在在两两块块晶晶体体中中电电场场相相对对于于光光轴轴反反向向，当当线线偏偏振振光光沿沿x轴轴方方向向入入射射第第一一块块晶晶体体时时，电电矢矢量量分分解解为为沿沿z方方向向e1光光和和沿沿y方方向向的的o1光光两两个个分分量量，当当它它们们经经过过第第一一块块晶晶体体之之后后，两两束束光光的的相相位差位差 经经过过12波波片片后后，两两束束光光的的偏偏振振方方向向各各旋旋转转90，经经过过第第二二块块晶晶体体后后，原原来来的的e1光光变变成成了了o2 光光,o1光光变变成成e2光光，则则它它们们经经过过第二块晶体后，其相位差第二块晶体后，其相位差于于是是，通通过过两两块块晶晶体体之之后后的的总总相相位差位差当当 时，半波电压为时，半波电压为 其中括号内的就是纵向电光效应的半波电压，所以其中括号内的就是纵向电光效应的半波电压，所以可可见见，横横向向半半波波电电压压是是纵纵向向半半波波电电压压的的d/L倍倍。