光电子复习参考第章.pptx

第三章第三章 光束的调制和扫描光束的调制和扫描 在光电子系统当中，不论具体结构如何，有一在光电子系统当中，不论具体结构如何，有一 个共同的特点个共同的特点利用光来传递信息。利用光来传递信息。光束的调制光束的调制就是将欲传递的信息加载到光波上就是将欲传递的信息加载到光波上 的过程。的过程。调制的对象调制的对象改变光波的振幅、强度、相位、频改变光波的振幅、强度、相位、频 率、偏振等，使其携带信息。率、偏振等，使其携带信息。Company Logo 内调制内调制：将欲传输的信号直接加载于光源上，改变将欲传输的信号直接加载于光源上，改变光源的输出特性实现调制，或在激光器的谐振光源的输出特性实现调制，或在激光器的谐振腔内调制，改变光腔参数。腔内调制，改变光腔参数。外调制外调制：在光路上放置调制器，将欲传输的信号加在光路上放置调制器，将欲传输的信号加载于调制器上，使光的物理性质变化，实现信载于调制器上，使光的物理性质变化，实现信号的调制。号的调制。Company Logo2.请画出纵向电光调制的结构图，写出调制条件，并推导出纵向电光调制器的透过率。根据上面的推导结果，画出纵向电光调制特性曲线，据此可得到哪些结论？用什么方法可实现线形调制？1 1 电光强度调制电光强度调制 （1 1）纵向电光调制）纵向电光调制 纵向电光强度调制器的结构如下图所示：纵向电光强度调制器的结构如下图所示：Company Logo 结构特点：结构特点：电光晶体（电光晶体（KDPKDP）置于两成正交的偏振器之间；）置于两成正交的偏振器之间；起偏器起偏器 的偏振方向平行与的偏振方向平行与KDP KDP 的的 x x 轴；轴；检片器检片器 平行于平行于KDPKDP的的 y y 轴；轴；插入插入/4/4波片；波片；沿晶体沿晶体 z z 轴方向施加电场；轴方向施加电场；晶体的感应主轴为晶体的感应主轴为x x和和y y，分别与，分别与x x轴、轴、y y轴轴的夹角为的夹角为4545o o。Company L 纵向电光调制过程纵向电光调制过程 沿沿z z轴入射的光束，经起偏器变为平行于轴入射的光束，经起偏器变为平行于x x方方向的线偏振光；向的线偏振光；刚进入晶体时（刚进入晶体时（z=0z=0），），被分解为沿被分解为沿x x和和y y方向的两个分量。此时，其振幅和相位都相同。方向的两个分量。此时，其振幅和相位都相同。分别为：分别为：Company L用复数表示为：用复数表示为：光强正比于电场的平方，入射光强（光强正比于电场的平方，入射光强（z=0z=0）为）为：Company Logo 当光通过长度为当光通过长度为L L的晶体之后的晶体之后，由于电光效由于电光效应，应，和和 两分量之间产生了一个相位两分量之间产生了一个相位差，此时有：差，此时有：通过通过 后后，总电场强度是总电场强度是 和和 在在 y y 方向上的投影之和为：方向上的投影之和为：Company L Company Logo 输出光强为输出光强为：Company L利用三角函数关系式：利用三角函数关系式：光强为：光强为：Company L 调制器的透过率为：调制器的透过率为：纵向电光相位延迟的相位差为：纵向电光相位延迟的相位差为：由由 ，可以画出纵向电光强度，可以画出纵向电光强度调制特性曲线，调制特性曲线，Company LCompany L讨论：讨论：透过率透过率 T T 与外加电压与外加电压 V V 的关系是的关系是非线性非线性的；的；当当 时，时，T=100%,T=100%,透过光强最大；透过光强最大；时，时，T=50%,T=50%,且在其附近有一线性关系；且在其附近有一线性关系；V=0 V=0 时，时，T=0T=0。Company L 得出重要结论：得出重要结论：调制器工作在非线性区，调制光强发生调制器工作在非线性区，调制光强发生畸变；畸变；在在 附近有一线性关系，可设法附近有一线性关系，可设法使调制器工作在线性区使调制器工作在线性区。使调制器的电压偏置在使调制器的电压偏置在 T=50 T=50 的工作点。的工作点。Company L实现线性调制的办法：实现线性调制的办法：在调制晶体上除了施加信号电压外，在调制晶体上除了施加信号电压外，再附再附 加一个加一个 的固定偏压。的固定偏压。但增加电路的复杂性，工作点的稳定性差。但增加电路的复杂性，工作点的稳定性差。在调制器的光路上在调制器的光路上插入插入 波片波片，使，使 和和 两个分量间产生两个分量间产生 的固定相位差。的固定相位差。Company Logo证明：证明：经过晶体经过晶体 L L 后的相位差为后的相位差为 ，加入加入 波片后的总相位差为：波片后的总相位差为：透过率为：透过率为：利用：利用：Company L 利用：利用：得到：得到：当当 a a 较小时，较小时，sina=asina=a，因为：因为：所以所以：此时此时 T T 与与 V V 之间为线形关系，可实现之间为线形关系，可实现线性调制，且不失真。线性调制，且不失真。Company L 纵向电光调制的优缺点：纵向电光调制的优缺点：优优 点：点：结构简单，工作稳定，不存在自然结构简单，工作稳定，不存在自然双折射的影响。双折射的影响。缺缺 点：点：半波电压太高，特别是调制频率较半波电压太高，特别是调制频率较高时，功率损耗大。高时，功率损耗大。Company Logo3.请画出横向电光调制器的结构图，给出调制条件。通过与纵向电光调制器的比较，说明横向电光调制的优缺点。采用什么方法可以克服横向电光调制中存在的问题？（2 2）横向电光调制）横向电光调制横向电光调制有两个明显的横向电光调制有两个明显的优点优点：可以避开电极对光波的影响；可以避开电极对光波的影响；可以通过增加晶体的长度降低调制电可以通过增加晶体的长度降低调制电压，具重要的实用意义压，具重要的实用意义。Company Logo 典型结构分析典型结构分析 外加电场沿外加电场沿 z z 轴方向，轴方向，通光方向与通光方向与 z z 轴垂直，沿轴垂直，沿 y y 方向入射方向入射,入射光偏振方向与入射光偏振方向与 z z 轴成轴成4545o o角。角。Company L 横向电光调制特点：横向电光调制特点：当光线进入晶体后，将分解为沿当光线进入晶体后，将分解为沿x x和和z z方向振动的两个分量，其折射率分别为方向振动的两个分量，其折射率分别为 和和 .从晶体出射后，两光波的相位差为：从晶体出射后，两光波的相位差为：Company LogoKDPKDP晶体的横向电光效应的相位延迟包括两项：晶体的横向电光效应的相位延迟包括两项：第一项：第一项：与外电场无关的晶体本身的自然双折射与外电场无关的晶体本身的自然双折射 引起的相位延迟，对调制器没有贡献，引起的相位延迟，对调制器没有贡献，应设法消除；应设法消除；第二项：第二项：外电场作用产生的相位延迟，与外电场作用产生的相位延迟，与 V V、L L、d d 有关，适当选择有关，适当选择 L L、d d，可降低半波电，可降低半波电 压。压。Company Logo 自然双折射的影响：自然双折射的影响：当晶体的温度引起折射率当晶体的温度引起折射率 n no o 和和 n ne e 变化时，变化时，两光波的相位差将发生漂移两光波的相位差将发生漂移。例如：例如：L=30L=30,=623.8nm,=623.8nm，,折射率随温度的变化率折射率随温度的变化率 ：所以，要采取措施消除自然双折射的影响。所以，要采取措施消除自然双折射的影响。Company Logo 消除自然双折射的方法：消除自然双折射的方法：散热、恒温，以减少晶体的温度漂移散热、恒温，以减少晶体的温度漂移 采用采用“组合调制器组合调制器”的结构予以补偿的结构予以补偿 Company Logo4.请画出声光调制器的结构，并说明各部分的作用 3.3.3.3.声光调制声光调制 声光调制是基于声光效应。声光调制是基于声光效应。1 1 结构：结构：激光激光(光源光源)声光介质声光介质 电电-声转换器声转换器 吸声吸声(反射反射)装置装置 驱动电源驱动电源 Company Logo 声光介质声光介质 声光相互作用的区域声光相互作用的区域。利用衍射光的强度随超声波强度的变化而利用衍射光的强度随超声波强度的变化而 变化的性质，制成光强度调制器。变化的性质，制成光强度调制器。电电-声换能器声换能器（超声波发生器）（超声波发生器）将调制的电功率转换成声功率将调制的电功率转换成声功率。利用某些压电晶体（石英、利用某些压电晶体（石英、L Li iN Nd dO O3 3等）或等）或 压电半导体（压电半导体（C Cd dS S、Z Zn nO O等）的反压电效应，在外等）的反压电效应，在外 加电场作用下产生机械振动，形成超声波。加电场作用下产生机械振动，形成超声波。Company Logo 吸声（反射）装置吸声（反射）装置 确定超声波工作状态。确定超声波工作状态。吸声装置吸声装置 通过吸收介质的声波使工作于通过吸收介质的声波使工作于 行波态行波态 反射装置反射装置 反射声波，使超声场为反射声波，使超声场为驻波状态驻波状态。Company Logo5.何为直接调制？请说明半导体激光器直接调制的原理，并说明如何实现直接调制？3.4 3.4 直接调制直接调制直接调制直接调制-把要传递的信息转变为电流信号注入半把要传递的信息转变为电流信号注入半 导体光源导体光源(LED(LED或或LD)LD)，获得调制信号。，获得调制信号。直接调制是在光源内部进行的，又称为直接调制是在光源内部进行的，又称为内调内调 制制。是目前光纤通信系统普遍采用的调制方法。是目前光纤通信系统普遍采用的调制方法。直接调制分为两种类型：直接调制分为两种类型：模拟调制模拟调制：用连续的模拟信号用连续的模拟信号(如视频、音频等信如视频、音频等信 号号)对光源进行强度调制。对光源进行强度调制。数字调制数字调制：用脉冲编码调制的数值信号对光源进行用脉冲编码调制的数值信号对光源进行 强度调制。强度调制。Company Logo 半导体激光器（半导体激光器（LDLD）直接调制原理）直接调制原理 半导体激光器是电子与光子相互作用并半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。进行能量直接转换的器件。下图给出了砷镓铝双异质结注入式半导下图给出了砷镓铝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体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。曲线。Company Logo结论结论 当驱动电流密度当驱动电流密度 IIIt t 时时，开始发射激光，谱线宽度、开始发射激光，谱线宽度、辐射方向显著变窄，强度大幅度增加，而且随电流的增辐射方向显著变窄，强度大幅度增加，而且随电流的增 加呈线性增长。加呈线性增长。由于发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关，由于发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关，可以直接把调制信号加到激光器电源上，改变输出光信可以直接把调制信号加到激光器电源上，改变输出光信 号的强度。号的强度。优点优点：方式简单，能在高频工作，良好的线性、带宽。：方式简单，能在高频工作，良好的线性、带宽。广泛应用于光纤通信、光盘和光复印等方面广泛应用于光纤通信、光盘和光复印等方面。Company Logo 下图给出了半导体激光器输出光功率与调制下图给出了半导体激光器输出光功率与调制信号的关系曲线。用下述办法可实现信号调制：信号的关系曲线。用下述办法可实现信号调制：为获得线性调制，必须在施加调制信号电流为获得线性调制，必须在施加调制信号电流的同时，加一适当的的同时，加一适当的 偏置电流偏置电流I Ib b，以保，以保 证输出光信号不失证输出光信号不失 真。通常选择真。通常选择I Ib b在在 阈值电流阈值电流 I It t 附近附近 且略高于且略高于I It t，使延，使延 迟时间小。迟时间小。Company Logo 必须把调制信号源与直流偏置隔离，避免必须把调制信号源与直流偏置隔离，避免直接偏置源对调制信号源产生影响，采用直接偏置源对调制信号源产生影响，采用方法：方法：当频率较低时，用电容和电感线圈串联来当频率较低时，用电容和电感线圈串联来实现；实现；当频率较高时（当频率较高时（50MHz50MHz），采用高通滤波），采用高通滤波电路。电路。Company Logo LDLD调制中存在的问题：调制中存在的问题：由于有直流偏置，当半导体激光器处于连续工由于有直流偏置，当半导体激光器处于连续工 作状态时，功耗较大，甚至引起温升，影响或作状态时，功耗较大，甚至引起温升，影响或 破坏器件的正常工作。破坏器件的正常工作。改用双异质结激光器，使改用双异质结激光器，使I It t下降，可在室下降，可在室 温室下连续工作。温室下连续工作。为使高频调制下不产生畸变，采用条宽较窄结为使高频调制下不产生畸变，采用条宽较窄结 构的激光器，或采用量子阱激光器或其它外调构的激光器，或采用量子阱激光器或其它外调 制器。制器。Company Logo6.请用画图及公式推导说明电光扫描原理（偏转扫描），光束偏转角与哪些因素有关？若要获得较大的偏转角，如何设计扫描器的结构？2 2 电光扫描电光扫描 电光扫描是利用电光效应改变光束在空间的传播方向，电光扫描是利用电光效应改变光束在空间的传播方向，其偏转方式有两种：其偏转方式有两种：扫描偏转扫描偏转 和和 数字式偏转。数字式偏转。扫描偏转：扫描偏转：扫描原理扫描原理 假设：假设：*光束沿光束沿y y方向入射到长度为方向入射到长度为L L、厚度为、厚度为d d的电光晶体的电光晶体 *晶体的折射率是坐标晶体的折射率是坐标 x x 的线性函数，即：的线性函数，即：当当 x=0 x=0 时，时，n(0)=nn(0)=n 当当 x=d x=d 时，时，n(d)=n+nn(d)=n+Company LCompany Logo 当一平面波经过晶体时，光波的上部（当一平面波经过晶体时，光波的上部（A A线）和下部线）和下部（B B线）所经受的折射率不同，则通过晶体所需的时间不同线）所经受的折射率不同，则通过晶体所需的时间不同.光线光线A A相对于相对于B B要落后一段距离要落后一段距离 ，光波到达晶体出射面时，其波阵面相对于入射波阵面偏光波到达晶体出射面时，其波阵面相对于入射波阵面偏转了一个小角度转了一个小角度Company L 利用折射定律：利用折射定律：nsinnsin n no osinsinsinsin 当当与与很小时：很小时：nn;则有：则有：nn 结论：结论：只要晶体在电场的作用下，沿某些方向的折射率发生变只要晶体在电场的作用下，沿某些方向的折射率发生变 化，当光束沿着特定方向入射时，可以实现光束扫描化，当光束沿着特定方向入射时，可以实现光束扫描;光束偏转角的大小与晶体折射率的线性变化成正比；光束偏转角的大小与晶体折射率的线性变化成正比；光束偏向折射率增加的方向。光束偏向折射率增加的方向。Company Logo 电光扫描原理电光扫描原理：当一平面波经过晶体时，由于晶体上、下折当一平面波经过晶体时，由于晶体上、下折射率不同，该光线通过晶体后产生一光程差，射率不同，该光线通过晶体后产生一光程差，即光波在晶体出射面相对于入射波阵面偏转了即光波在晶体出射面相对于入射波阵面偏转了一个小角度，从而实现光束的扫描。一个小角度，从而实现光束的扫描。Company Logo 扫描器结构扫描器结构结构：结构：*棱镜的三个边分别沿棱镜的三个边分别沿X X、Y Y和和Z Z轴方向，尺寸为轴方向，尺寸为L L、h h、d;d;*两块晶体的两块晶体的Z Z轴反向平行放置，轴反向平行放置，X X方向重合，方向相同；方向重合，方向相同；*电场沿电场沿Z Z轴方向，光线沿轴方向，光线沿Y Y方向传播，沿方向传播，沿X X方向偏振。方向偏振。Company Logo 上部的上部的A A光线完全在上棱镜中传播，折射光线完全在上棱镜中传播，折射率为率为:下部的下部的B B光线在下棱镜中传播，因光线在下棱镜中传播，因Z Z轴反向，轴反向，折射率为：折射率为：上下折射率差上下折射率差：光束的偏转角光束的偏转角：Company Logo由公式可见由公式可见：当外加电压变化时，偏转角成比例地随着变化。当外加电压变化时，偏转角成比例地随着变化。可利用外加电压控制光线的前进方向。可利用外加电压控制光线的前进方向。例如：例如：L=d=1cm,rL=d=1cm,r63 63=10.5=10.5 1010-12-12m/V,nm/V,n0 0=1.51,V=100V=1.51,V=100V 则：则：3535 1010-7-7rad(rad(弧度弧度)由此看出：由此看出：一个电光偏转器所能获得的偏转角一个电光偏转器所能获得的偏转角很小很小，很很 难满足实际应用的要求。难满足实际应用的要求。为了增加偏转角，电压又不至太高，常将若干为了增加偏转角，电压又不至太高，常将若干 个个KDPKDP棱镜串接起来。棱镜串接起来。Company Logo多级棱镜扫描器多级棱镜扫描器 *中间的棱镜为顶角是中间的棱镜为顶角是的等腰三角棱镜；的等腰三角棱镜；*两端两块是一个角为两端两块是一个角为/2/2的直角三角棱镜；的直角三角棱镜；*棱镜的棱镜的 Z Z 轴皆垂直于纸面轴皆垂直于纸面*构成长构成长 mLmL，宽，宽h,h,高为高为 d d 的偏转器。的偏转器。Company Logo 相邻的二个棱镜的相邻的二个棱镜的 Z Z 轴反向，电场沿轴反向，电场沿 Z Z 轴方向，各轴方向，各 棱镜的折射率交替为：棱镜的折射率交替为：n n0 0-n-n，n n0 0nn，nn n n0 03 3r r6363E EZ Z 因此，光束通过扫描器后，总的偏转角为每一对棱镜偏因此，光束通过扫描器后，总的偏转角为每一对棱镜偏转角的转角的 m m 倍，即：倍，即：一般一般 m m 为为4 410,m10,m不能无限增大，光束不能偏出不能无限增大，光束不能偏出 d d 之外。之外。Company Logo7.请画出一个KDP晶体和一个双折射晶体组成的数字式扫描原理图，并分析当时加在电光晶体上的电压值发生变化时，光束偏转的方向。请在三级或四级数字式电光扫描器示意上标出施加电压的情况（“1”表示施加电压，“0”表示未施加电压）。（2 2）电光数字式扫描（光开关）电光数字式扫描（光开关）1 1级电光数字扫描器级电光数字扫描器S S：KDP KDP 晶体。晶体。B B：方解石双折射晶体。该晶体能使入射的线偏振光分成互相平行、振动：方解石双折射晶体。该晶体能使入射的线偏振光分成互相平行、振动方向垂直的两束光（方向垂直的两束光（o o光、光、e e光光)，其间隔，其间隔 d d 为分裂度，为分裂度，为分裂角。为分裂角。r r：入射光法线方向与光轴间的夹角。：入射光法线方向与光轴间的夹角。Company Logo偏转器的工作过程如下：偏转器的工作过程如下：当当 V=0 V=0 时时，线偏振光通过线偏振光通过 S S 晶体后，偏振状态保持不晶体后，偏振状态保持不变。即：变。即：S S：o o光光-进，进，o o光光-出出；e e光光-进，进，e e光光-出出。B B:o:o光光-进，进，o o光光-出出；e e光光-进，进，e e光光-出出。当当 V=V V=V 时时，线偏振光通过晶体线偏振光通过晶体 S S 后，偏振面旋转后，偏振面旋转9090，即：，即：S S：o o光光-进，进，e e光光-出出；e e光光-进，进，o o光光-出出。B:B:o o光光-进，进，o o光光-出出；e e光光-进，进，e e光光-出出。e e 光进入光进入B B 后，以后，以 e e 光通过晶体光通过晶体B B，以，以角的方向角的方向出射，偏移间距出射，偏移间距 d d。Company Logo 当当 n ne e 和和 n no o 确定后，最大的分裂角确定后，最大的分裂角maxmax为为 方解石晶体，方解石晶体，maxmax6(6(可见光、红外光可见光、红外光)。由一个电光晶体（由一个电光晶体（s s）和一个双折射晶体）和一个双折射晶体（B B）就构成了一个一级数字扫描器）就构成了一个一级数字扫描器。入射的线偏振光，随电光晶体上入射的线偏振光，随电光晶体上“加加”和和 “不加不加”半波电压，分别占据两个半波电压，分别占据两个“地址地址”之一，分别代表之一，分别代表 “0 0”和和 “1 1”状态。状态。Company Logo 3 3级电光数字扫描器级电光数字扫描器 把把3 3个这样的数字偏转器组合起来，就可以产生个这样的数字偏转器组合起来，就可以产生2 23 3个个扫描点。扫描点。如果要求使可控位置分布在二维方向上，只要用两种如果要求使可控位置分布在二维方向上，只要用两种 彼此垂直的彼此垂直的N N级扫描器组合起来，就可以实现级扫描器组合起来，就可以实现 2 2N N*2*2N N个二维个二维 可控扫描。可控扫描。Company Logo8.何为声光扫描？实现声光扫描有几种办法？（1 1）声光扫描原理）声光扫描原理 产生布喇格衍射的条件是：产生布喇格衍射的条件是：布喇格角一般很小，可写为：布喇格角一般很小，可写为：由图可看出，衍由图可看出，衍 射光与入射光间的射光与入射光间的 夹角为夹角为，Company L 由上式看出，由上式看出，改变超声波的频率改变超声波的频率 f fs s，就，就可以改变其偏转角可以改变其偏转角，从而达到控制光束传，从而达到控制光束传播方向的目的。播方向的目的。即：即：Company L 3 3 声光扫描声光扫描 声光效应的应用声光效应的应用：对光束进行强度调制，改变衍射光的强度对光束进行强度调制，改变衍射光的强度 改变声波频率，使光束偏转改变声波频率，使光束偏转,实现声光扫描实现声光扫描.实现声光偏转方法实现声光偏转方法：声波使介质折射率在空间形成梯度分布，当声波使介质折射率在空间形成梯度分布，当 光束通过介质时，传播方向将向折射率增加光束通过介质时，传播方向将向折射率增加 的方向偏转；的方向偏转；（改变改变n n）利用布喇格声光衍射，通过改变声波频率来利用布喇格声光衍射，通过改变声波频率来 改变衍射角，使光束发生偏转。改变衍射角，使光束发生偏转。（改变改变B B）Company Logo9.空间光调制器与电光和声光调制器的本质区别是什么？3.6 3.6 空间光调制器空间光调制器 前面所介绍的各种调制器的特点：前面所介绍的各种调制器的特点：*对一束光的对一束光的“整体整体”进行作用，进行作用，*与光传播方向相垂直平面上的与光传播方向相垂直平面上的每一点每一点，调制效果相同调制效果相同。此种调制不能满足某些需要。此种调制不能满足某些需要。例如，当信息由例如，当信息由非相干光非相干光所荷载时，由所荷载时，由于光波是独立传播的，信息无法直接耦合到于光波是独立传播的，信息无法直接耦合到相干光处理系统中去。因此，需要一个特殊相干光处理系统中去。因此，需要一个特殊的器件的器件-空间光调制器空间光调制器。Company Logo 空间光调制器空间光调制器-对光波的空间分布进行调制对光波的空间分布进行调制器件器件 基本工作原理：基本工作原理：1）接收非相干光图像，通过器件中的）接收非相干光图像，通过器件中的特殊效应特殊效应，把光学把光学 图像所表征的光强分布转换成其它物理量的二维分布图像所表征的光强分布转换成其它物理量的二维分布 (例如：折射率、电压、电荷密度分布度例如：折射率、电压、电荷密度分布度)；2）再通过器件的）再通过器件的另一效应另一效应，调制处理系统中相干光的某调制处理系统中相干光的某 一参数（相位、强度、偏振度），从而完成信息从信一参数（相位、强度、偏振度），从而完成信息从信 源向处理系统的转移，实现非相干光向相干光的转换源向处理系统的转移，实现非相干光向相干光的转换Company Logo