磁光调制和直接调制
第5章 光调制器
3）强度调制 强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而 变化的激光振荡。 激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收 器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化 的缘故。
激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为
(光波电场强度有效值的平方):
I (t ) e (t ) A cos (ct c )
而且， 41 52 因此，这一类晶体独立的电光系数只有 41和 63
两个，可得：
24
1 1 2 0, 2 41Ex n 1 n 4 1 1 2 41E y 2 0, n 5 n 3
4
比如，注入式半导体激光器，是用调制信号直接改变它的 泵浦驱动电流，使输出的激光强度受到调制 ( 也称直接调 制 ) 。还有一种内调制方式是在激光谐振腔内放置调制元 件，用调制信号控制元件的物理特性的变化，以改变谐振 腔的参数，从而改变激光器输出特性，（如，调Q技术）
5
外调制：是指激光形成之后，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特性，当激 光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。 外调制方便，且比内调的调制速率高（约一个数量 级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。 按调制器的工作原理，可分为电光调制、声光调制、磁 光调制、和直接调制（电源调制） 激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相 及强度调制等。
第5章 光调制器
0
本章内容： 1、光调制器的基本原理 （电光、声光、磁光、直接调制） 2、KDP光调制器 3、LiNbO3光调制器 4、半导体光调制器
1
1、调制的基本概念
激光是一种频率更高（1013~1015 Hz)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。 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
第二章 光辐射的调制
在可见和近红外区主要有KDP类晶体、见表2.1 在可见和近红外区主要有KDP类晶体、见表2.1 KDP类晶体 KTN等 LiTaO3、LiNbO3、KTN等。 在中红外区有GaAs、Cucl、CdTe等 在中红外区有GaAs、Cucl、CdTe等。 GaAs
KDP类晶体、 LN）晶体应用广泛。 KDP类晶体、LiNbO3（LN）晶体应用广泛。 类晶体
相位调制器
M-Z干涉型强度调制器
I = I i cos
2
ϕ
2
定向耦合器型强度调制器 在高速光通信中有 很好的应用价值 研究动向： 研究动向： 用聚合物来 形成各向异 性材料。 性材料。
2.3
利用超声波引 起介质折射率 变化而产生的 光调制。 光调制。
声光调制
适用于单色光源
一、声光效应
驱动电源 电-声换能器 声光介质 形成声光栅， 形成声光栅，栅距 λ s
轴对应的主折射率： 与Z轴对应的主折射率：
n3 = n e
轴对应的主折射率： 与Y轴对应的主折射率： n 2
= n0 + n γ 63 E
1 2 3 0
式中n 是晶体e光折射率，E=U/d， 为外加电压。 式中ne是晶体e光折射率，E=U/d，U为外加电压。 两个线偏振光射出晶体时有光程差： 两个线偏振光射出晶体时有光程差：
则相位差为： 则相位差为：
1 3 ∆ = (n2 − n3 )L = (n0 − ne )L + n0γ 63EL 2
2π 2π
π 3 L δ = ∆ = (n0 − ne )L + n0γ 63U λ λ λ d
消除自然双折射
L δ= n γ 63U λ d
3 0
2π
磁光调制实验
实验七 磁光调制实验一、 实验背景介绍（一）概述磁光调制是利用某些晶体的磁光效应，对光信号进行调制，使光信号的幅度随着调制信号的变化而变化，实现把调制信号加载到光信号上。
磁光调制在光电检测，光通讯，光显示等领域有着广泛的应用。
（二）磁光效应原理 磁光效应置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象。
法拉第效应 1845年由M.法拉第发现。
当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度θ与磁感应强度B 和光穿越介质的长度l 的乘积成正比，即V B L θ=⋅⋅，比例系数V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I 可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L 和右旋圆偏振光I R ，对应的电矢量为E L 和E R ，两者旋转方向相反。
在磁场作用下，处于磁场中的介质呈现各向异性，由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，E L 的传播速度与E R 不同，当它们穿过厚度为L 的介质后会产生相位差，E L 与E R 旋转角度为θL 与θR ，合成电矢量则旋转一个角度θ。
2L L n L πθλ= y=Acos(wt+θ) 初相位的改变 2R R n L πθλ=因θθθθ+=-R L1()()()22L R L R R L Ln n L n n cπωθθθλ=-=-=- （2）其中n R 为在磁场作用下，右旋圆偏振光通过介质的折射率，n L 为左旋圆偏振光通过介质的折射率，c 为真空中的光速。
如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与L 求出维尔德常数V图2 入射光偏振面的旋转运动3 交流磁光调制二、磁光调制实验（一）实验要求1、了解磁光调制实验的原理和方法2、了解磁光调制器用于光通讯的基本原理3、掌握磁光调制器的主要参数的测试方法 （二）实验内容1、测定旋光角与激励电流的关系2、出来晶体的半波电压和工作电压3、观察输出光强极小时，产生的倍频信号4、电光调制实现光通讯演示5、测试电光晶体的消光比和透射率 （三）实验步骤1、实验前的准备（1）按图组成实验系统，首先在光具座上放置好激光器和电接受器（2）设置实验仪（3）光路校准（4）插入起偏器，调节起偏器的高度和转角，使激光束垂直入射镜面，旋转起偏器，使透射光强最大。
磁光调制实验报告
磁光调制实验报告课程：_____光电子实验_____**：：专业：信息工程大学工程管理学院磁光调制实验报告一、实验目的1 观察磁光调制现象2 测量调制深度与调制角幅度3测定旋光角与外加磁场的关系4 测量直流磁场对磁光介质的影响5 磁光调制与光通讯实验演示二、实验原理1 磁光效应当平面偏振光穿透*种介质时，假设在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验说明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第〔Faraday〕效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即：θ (1)=vlB式中l为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德〔Verdet〕常数。
由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。
图1 磁光效应示意图如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成根本的磁光调制器件。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的外表时，偏振光的光强I可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L和右旋圆偏振光I R〔两者旋转方向相反〕。
由于介质对两者具有不同的折射率n L和n R，当它们穿过厚度为l的介质后分别产生不同的相位差，表达在角位移上有：式中λ为光波波长 因θθθθ+=-R L()()l n n R L R L ⨯-=-=λπθθθ221( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得〔1〕式，并由θ值与测得的B 与l 求出威德尔常数υ。
3 交流磁光调制用一交流电信号对励磁线圈进展鼓励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流〔信号〕磁光调制器〔此时的励磁线圈称为调制线圈〕，在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强αα2020cos )cos (I A I ==〔马吕斯定律〕其中200A I =为其振幅。
第二章 光辐射的调制
1.法拉第效应
非互易性：磁致旋光的方向决定于磁场方向
而与光传播方向无关。 以顺着磁场方向为基准， 光矢右旋（K>0），介质为正旋体， 光矢左旋（K<0），介质为负旋体。 非互易性的直接应用是光隔离器。 在法拉第效应装置中，设计N1、N2成45°角，线圈 电流产生的磁场造成旋光角45°。 入射线偏振光的光矢右旋45°，刚好通过检偏器， 光从左向右导通 ；若光从检偏器端射入，线偏 振光通过介质仍然右旋45°，光矢与N1方向垂直， 不能通过起偏器，从右向左不导通。
f t 是声音、图像、数据电信号，
则有
I 2 0 .5 I 1 I m f t
泡克尔斯（Pockels）电光调制器线性好， 性能稳定，可得到很高的调制频率。
三、电光相位调制
在电光效应装置图2.6、图2.7中，若使起 偏器透光方向N1与双轴晶体的其中一个光 轴平行，则仅是一个线偏振光通过晶体， 其位相被电信号调制。
则有：
E yo A co s t b sin m t
可见，该输出光波的位相受到电信号的调制。
四、电光调制的频率特性
实际应用中，需要电光调制器达到高的 调制频率和足够宽的调制带宽。影响调制 频率和调制带宽的主要因素为： 1.光在晶体中的传输时间
d
n0 L c
当调制频率很高时，在 d 的时间内，外电场 会发生可观的变化。光通过晶体的不同部位时， 其相位延迟不同，这就限制了调制频率。
U
2
3
2n0 63 L
d
通常，纵向 U / 2 是数千伏，横向 U / 2只是数百伏。
3.电光晶体材料
用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光 效应强以外，还需综合考虑： 对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀 性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小； 折射率随温度的变化较小； 化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。
磁光效应和磁光调制
旋光现象
F为滤色片；M为起偏器；C是旋光物质（例如是晶面 与光轴垂直的石英片）旋光物体放在两个正交的偏振 片M与N之间，将会看到视场由原来的零变亮，把检 偏器 N 旋转一个角度，又可得到零视野
F
M
C
N
说明：光轴垂直于入射表面，即入射光波矢平行于光轴
实验证明：振动面旋转的角度 与材料的厚度d、浓度 C 以及入射光的波长 有关。
磁场。L0为介质长度。如果再通过检偏，就可以获得一
定强度变化的调制光。
若晶片厚度为l，一束线偏光通过晶片后的旋转角应为
(n左
n右 )l
左旋圆 偏振光
右旋椭圆 偏振光
迎着光线看（对着光的传播方向），光矢量顺时针转 的称右旋圆偏振光（或椭圆偏振光）；光矢量逆时针 转的称左旋圆偏振光（或椭圆偏振光）
二、磁光相互作用
当光波进入施加了磁场的介质时，其传播特性发生变化，这种 现象称为磁光效应。磁光效应包括法拉第旋光效应、克尔效应、 磁双折射效应等
5.5 磁光调制
磁光调制的物理基础是磁光效应，即晶体 在受到磁场作用时表现出旋光特性，称为法拉 第效应
1845年法拉第发现，当一束线偏振光通过 磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到外加 磁场平行传播方向分量的作用而发生偏转，这 种现象称为法拉第效应
一、自然旋光效应
光在晶体中沿光轴方向传播时，不产生双折射现象。 但在很多晶体中，线偏振光沿光轴方向通过晶体后，偏 振面却发生了旋转，这就是旋光效应
1、不沿光轴传播时，旋光现象往往被双折射现象所产 生的效果掩盖，只有沿光轴传播时，旋光现象才能显 示出来
2、偏振面的旋转角与通光长度成正比
对于固体： d 对于液体： Cd 式中C为溶液的浓度。
磁光调制简介和应用举例
(7)
又由 nR nL 正比于磁场强度，便可以得到公式(1)。 若 nR nL ，有 θ F 0 ，表示右旋；若 nR nL ，有 θ F 0 ，则表示左旋。 应用举例 [5] 磁光调制法测量玻璃内应力 玻璃存在内应力时，加工好的光学零件表面会随时间而变形，严重影响成像 质量。应力分布不均匀还会引起光学均匀性质量降低，造成折射率分布不一致， 从而使经过光学玻璃的波面发生变形,导致像质变坏。 带有准直透镜的激光光源发出的光束通过起偏器获得线偏振光， 线偏振光通 过外加正弦交变调制磁场的磁光玻璃时， 其偏振方向发生了偏转角为 的偏转摆 动，成为调制偏振光，其中磁场方向和光轴一致；调制信号光经过待测样品、旋 光器，到达检偏器和光电探测器。
图 3.测量原理图
利用磁光玻璃的磁致旋光效应，对信号光束进行正弦交变的磁光调制，将直 接测量光强信号改为测量频率信号,提高了测量精准度。 通过调节外加电流的大小来控制磁旋光器旋转的信号光束偏振方向的角度， 简化了测量操作，有助于提高系统的可靠性。 对玻璃内应力方向的测量准确度为 5'' ，对 应力双折射的测量准确度为
R
2
nR l
(5)
L , L 分别为左旋右旋圆偏振光的相位；
nL , nR 分别为左旋右旋圆偏振光在介质中的折射率；
为真空中的波长。
由线偏振光的合成可知：
R F L F
即：
(6)
F ( R L )
1 2
(n n )l R L
(2)
V ( ) 是费尔德(Verdet)常数是表征材料磁光性能的一个常量,由材料本身
性质和工作波长决定
V ( )
为入射波长；
光调制
光调制光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。
调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。
承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。
光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。
一、光调制的方法（1）直接调制法：外加信号直接控制激光器的泵浦源，如控制半导体激光器的注入电流，从而使激光的某些参量得到调制。
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。
a 、半导体激光器（LD ）直接调制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，所 以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。
b 、半导体发光二极管（LED ）的调制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，LED 的P －I 特性曲线的线性比较好。
c 、半导体光源的模拟调制无论是使用 LD 或LED 作光源，其调制线性好坏与调制深度m 有关：偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度=-=m m :L E D :LD d 、半导体光源的脉冲编码数字调制数字调制是用二进制数字信号“1”和“0”码对光源发出的光波进行调制。
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“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。
然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。
（2）腔内调制：腔内调制是通过改变激光器的参数如增益、谐振腔Q 值或光程等实现的，主要用于Q开关、腔测空、锁模等技术。
腔内调制又分为被动式与主动式两类。
①被动调制这种调制利用某些吸收波长与激光波长一致的可饱和吸收体(如染料)的非线性吸收特性。
电子技术基础知识练习题与答案
电子技术基础知识练习题与答案电子技术基础知识练习题与答案电子技术是根据电子学的原理，运用电子元器件设计和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学，包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
下面跟着小编来看看电子技术基础知识练习题与答案吧！希望对你有所帮助。
一、基础知识。
1.按照调制方式分类，光调制可以分为：强度调制、相位调制、波长调制、频率调制、偏振调制。
2.半导体激光器发光是由能带之间的电子空穴对复合产生的。
3.激励过程是使半导体中的载流子过程从平衡态激发到非平衡态。
4.固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型绝缘晶体和玻璃为工作物质。
5.光纤传感器中常用的光电探测器：光电二极管、光电倍增管、光敏电阻。
6.红外探测器的响应波长范围参数指探测器电压响应率与入射的红外波长之间的关系。
7.光子探测原理是指利用半导体在入射光的照射下产生光子效应。
8.利用温差电势制成的红外探测器称为热电偶。
9.红外辐射在大气中传播时由于大气中水分子、蒸汽等吸收和散射使辐射在传播过程中衰减。
10.当红外辐射照在热敏电阻上时，使温度上升，内部粒子无规则运动加剧，自由电子数随温度而上升，所以电阻会减小。
11.辐射出射度：辐射体单位面积向半空间发出的辐射通量。
12.光电磁是利用光生伏特效应将光能变成电能。
13.任何物质只要温度高于0K就会向外辐射能量。
14.红外无损检测是通过测量热流或热量来检测。
15.内光电探测器可分为光电导、光伏特、光电磁三种探测器。
16.红外探测器的性能参数：电压响应率、噪声等效功率、时间常数。
17.光束扫描根据其应用的目的可分为模拟扫描和数字扫描。
模拟扫描用于显示，数字扫描用于光存储。
18.固体摄像器件主要有：CCD、CMOS、CID。
19.声光相互作用分为：拉曼—纳斯衍射和布喇格衍射。
20.磁光效应：外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象。
D的基本功能：电荷存储、电荷转移。
按结构分为线阵CCD和面阵CCD。
第二章光辐射的调制
外调制：将光源与调制器分开设立，在光源 外的光路上放置调制器，将欲传输的信号加 载于调制器，透过光的物理性质将发生变化， 实现调制。
• • • • 电光调制 声光调制 磁光调制 热光效应
外调制技术适用于所有光源。
常用方法: 机电振子、旋转调光盘等 调制原理：用遮光或改变透过率方式作光通 量的幅度调制。 应用：常用于光电探测中需要抗干扰的场合
1 U 可在光路中插入 / 4 波晶片，取代 2 2
则只需在晶体上加调制电压
U U m sin t
就可得到正弦调制光强。
I 2 / I1 ~ U
的关系曲线
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； 找出相位延迟和外加电压（电场）的关系； 加入检偏器得到输出光强随外加电压变化，实 现强度调制； 加入1/4波片提供固定“偏置”，以得到线性调 制。
n E 二次电光效应 （Kerr，1875年）介质原本是各向同性晶体。
2
电光调制基于线性电光效应。
晶体的结构特征
空间点阵：晶体是由原子、分子或离子在空间 按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固 体。 结点：晶体中的微粒叫基元，又叫结点。 点阵：全部结点的总称叫点阵。 晶格：格子状结构的点阵就叫晶格。 格点：=结点 晶胞：周期重复的最小基本（结构）单位 晶胞常量
光在晶体中的传播特性
光在晶体中的传播实际是光与晶体相互作用的 结果： 介质受到光波电场E作用后产生极化, 极化强 度用极化强度矢量P来表示, P与E之间的关系 用宏观物理量——极化率χ来描述 光辐射场对晶体的极化影响综合效果集中表现 为介电常量ε的变化，从而引起折射率变化：
3.5直接调制概述
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其调制线性好坏与调制深度m有关：
LD : LED :
调制电流幅度 m 偏置电流 阈值电流 调制电流幅度 m 偏置电流
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4.半导体光源的脉冲编码数字调制
Pout
Pout
O Ib ID t
t I
O
I
(a)
t
(b)
数字调制特性 (a) 加Ib后LD数字调制特性；(b) LED数字调制特性
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液晶空间光调制器
有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，这时，它 一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性(如光学、力学、热学的 各向异性)，这种过渡相态称之为“液晶”。 液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强 的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场(电、热、磁等)， 液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即改变液晶的 物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的 电光效应。
A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
x
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或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是一种对光波的空 间分布进行调制的器件。它的英文名称是Spatial Light Modulator(SLM)。 空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成一维或二维阵列，每个 单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质 (透过率、反射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这些单元光 学性质的信号称为“写入信号”，写入信号可以是光信号也可以是电信号，射入 器件并被调制的光波称为“读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输 出光”。实时的二维并行处理。
磁光调制实验
▪ 采用在交流磁光调制出现的标准倍频现象做为基准，检偏器在只有 消光位置时，出现倍频信号，由此可用出现倍频信号来确定消光位 置。通过调节检偏器，重复出现的标准倍频现象来判断磁致旋转角
拉第(Fmday)效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应。 即：
lB
式中l为光波在介质中的路径， 为表征磁致旋光效应 特征的比例系数，称为维尔德(Vedet)常数。
3 第3页，本讲稿共24页
磁光效应系统示意图
激光电源
起偏器P
励磁线圈
LASER
检偏器A 出射光
磁光介质
l 激励电源
第4页，本讲稿4共24页
6 第6页，本讲稿共24页
交流磁光调制
为起偏器P与检偏器A主截面之间的夹角，I0为光强的幅值，
当线圈通以交流电信号 设调制线圈产生的磁场为
i i0 sint BB0sint
则介质相应地会产生旋转角 0sint
设起偏器与检偏器的夹角为 ，初始入射光强为 偏器输出的光强为：
I0 ，A02则从检
I I 0 c2 o s I 2 0 1 c2 o s I 2 0 1 c2 o 0 st i n
第15页，本讲稿1共5 24页
实验内容及主要步骤
1、打开调制幅度和解调幅度开关，将二者均调到最 大（解调幅度始终保持最大，保证实验成功率）
２、光路准直
３、交流调制调节： （1）检偏器的精密测角器盘预置在0位； （2）插入起偏器(P)，仪器电源打开，调制加载和直
直接调制和空间光调制-精品文档
应采用条宽较窄的激光器结构。
5
1.5.2 半导体光源的模拟调制
无论是使用LD或LED作为光源，都要施加偏置电流Ib， 使工作点处于LD后LED的线性工作区。调制线性好坏与 调制深度m有关：
LD： m=
调制电流幅度 偏置电流-阈值电流
LED:
m=
调制电流幅度 偏置电流
6
由这两个图可以看出，m大时，调制信号幅度大，但
12
这种方式主要用于光—光转换器件，这种器件 可以用于光学信息处理和光计算机进行图像转换、 显示、存储和滤波。 当写入信号是电信号时，采用电学寻址方式，
主要用于电—光实时接口器件。优点：直接利用
电信号控制输出光的振幅或相位。
13
1.6.2 空间光调制器的基本功能
1.变换器功能
（1）电—光转换和串行—并行转换。 例如：待处理的信息来自摄影机或计算机模拟信号，他往 往是一个随时间变化的电信号，为了把该信号输入到光学 系统中去，就要用空间光调制器，一方面把按时间先后串
1
1.5.1 半导体激光器（LD）直接调制原理
由半导体的激光输出特性图可以看出： 半导体激光器有一个阈值电流It，到驱动电流小于It时，激
光器基本上不发光或只发出微弱的荧光；当驱动电流大于It
时，开始发射激光。 其光谱特性图如图：
输 出 功 率 相 对 强 度 高于阈值
低于阈值
驱动电流
波长
2
若把调制信号加到激光器上，就可以直接改变激光 器输出光信号的强度。 半导体激光器调制原理示意图：
线性差；m小时。线性好，但调制幅度小，因此要选
择合适的m值。
7
1.5.3 半导体光源的PCM调制
数字调制是二进制数字信
磁光调制,直接调制
• 然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制。
•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 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 利用光源（LD）的发光功率； 3、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。
• 当输入的电流大到使M沿z方向饱和时，则转换效率达到
最大。若器件的T=2.5μ m，蛇形线路中输入0.5A直流电
流，磁光互作用长度L=6mm，则可将输入的TM模 （λ =1.152μ m）52%的功率转换到TE模。磁光波导模式
转换调制器的输出耦合器是一个具有高双折射的金红石
棱镜。
• 使输出的TE和TM模分成20°11′张角的两条光束，输入
光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋 转，其旋转角度为θ的大小与沿光束方向的磁场强度H和 光在介质中传播的长度L成正比，即
VHL
旋光现象： 可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一 束线偏振光通过介质时，分解为两个频率相同、初相位相 同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针 方向旋转，称为右旋圆偏光，而另一个圆偏振光是逆时针 方向旋转的，称为左旋圆偏光。 这两个圆偏振光无相互作用地以两种略有不同的速度 vR和vL传播，它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延 迟。
5.1.3.2 磁光调制器
磁光调制是将电信号先转换成与之对应的交变磁场,由 磁光效应改变在介质中传输的光波的偏转态,从而达到改 变光强等参数的目的。
z
入射光 起偏器 YIG棒 调制信号 图5-14 磁光调制示意图 检偏器
Hdc
45 z
为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁 场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。
直接调制和空间光调制
直接调制就是要把传递的信息转变为电流信号注入 半导体光源，从而获得已调制的信号。由于它是在光源 内部进行的，因此又叫内调制。 优点：简便高效率、高速调制 根据调制信号的类型，可分为以下两种：
模拟调制：用连续模拟信号直接对光强度进行调制
数字调制：用脉冲编码的数字信号对光源进行强度 调制
17
1.6.3 OM） 为了满足实时处理的要求，陆续出现了多种结构
原理的器件，其中以硅酸铋（简写为BSO）晶体材 料制成的空间光调制器的倒了较快的发展。BSO不 但具有光电效应，而且还具有线性电光效应，半波 电压较低，BSO-PROM空间光调制器的结构示意图如 图：
13
1.6.2 空间光调制器的基本功能
1.变换器功能 （1）电—光转换和串行—并行转换。 例如：待处理的信息来自摄影机或计算机模拟信号，他往 往是一个随时间变化的电信号，为了把该信号输入到光学 系统中去，就要用空间光调制器，一方面把按时间先后串 行的电信号，转换成一个在空间以一维或二维阵列形式排 列的控制信号，另一方面又把阵列中每个像素上的控制信 号转换成能调制读出光的光学性质的变化。
空间光调制器，是一种对光波的空间分布进行调 制的器件。空间光调制器含有独立单元即像素，它 们在空间排列成一维或二维阵列，每个像素都可以 独立的接受光信号或电信号的控制，并按此次弄好 改变自身的光学性质，从而对通过他的光波进行调 制。
10
控制这些像素光学性质的信号称为“写入信号 （W）”，写入信号可以是电信号也可以是光信号， 射入器件并被调制的光称为“读出光（IR）”，和调 制后的“输出光”的关系为：
23
2、磁光空间调制器 利用对铁性材料的诱导磁化来记录写入信息的，通
过磁光效应来实现对读出光的调制。 调制过程：
光源调制原理
光源调制原理第四节光源调制原理要实现光纤通信，⾸先要解决如何将光信号加载到光源的发射光束上，即需要进⾏光调制。
调制后的光波经过光纤信道送⾄接收端，由光接收机鉴别出它的变化再现出原来的信息，这个过程称为光解调。
调制和解调适光纤通信系统的重要内容。
光源的两种调制⽅式*************************************************************************根据调制与光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两⼤类。
⽅法仅适⽤于半导体光源（LD和LED），这种⽅法是把要传送的信息转变为电流信号注⼊LD或LED，从⽽获得相应的光信号，所以是采⽤电源调制⽅法。
直接调制后的光波电场振幅的平⽅⽐例与调制信号，使⼀种光强度调制（IM）的⽅法。
直接调制间接调制：是利⽤晶体电光效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，这种调制⽅式既适⽤于半导体激光器，也适应于其他类型的激光器。
间接调制最常⽤的是外调制的⽅法，即在激光形成以后加载调制信号。
其具体⽅法是在激光器谐振腔外的光路上放置调制器，在调制器上加电压，使调制器的某些物理特性发⽣相应的变化，当激光器通过它时，得到调制。
对某些类型的激光器，间接调制也可以采⽤内调制的⽅法，即⽤集成光学的⽅法把激光器和调制器集成在⼀起，⽤调制信号控制调制元件的物理性质，从⽽改变激光输出特性以实现其调制。
间接调制光源的直接调制原理***************************************************************************直接调制可分为模拟信号调制和数字信号调制。
模拟信号调制就是将连续变化的模拟信号（如话⾳、视频等）叠加在直流偏置的⼯作点上对光源进⾏调制。
（a）LED模拟调制（b）LD模拟调制数字调制属于脉冲调制，即调制电流为⼆进制脉冲形式，利⽤输出光功率的有（“1”码）、⽆（“0”码）状态来传递信息。
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3.4.2 磁光调制器
把要传递的信息转换成光载波的强度(振幅)等参量随时间
的变化 过程（与电光调制、声光调制有所不同）
磁光调制是电信号先转换成与之对应的交变磁场，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参量的
目的
工作物质钇铁石榴石(YIG或掺Ga的YIG棒)放在沿轴方向z
液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强
的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场(电、热、磁 等)，液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即 改变液晶的物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化， 这就是液晶的电光效应。
下学期的“液晶显示器”
版权声明
A(x,y)＝A0T(x,y)
y x
或者是形成随坐标变化的相位分布
A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。
• 空间光调制器（SLM，Spatial Light Modulator）是一种
对光波的空间分布进行调制的器件
含有许多独立单元，在空间排列成一维或二维阵列 每个单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改 变自身的光学性质(透过率、反射率、折射率等)，从而对通过它的 光波进行调制
• 控制这些单元光学性质的信号称为“写入信号”，写入信号 可以是光信号也可以是电信号
• 入射到器件并被调制的光波称为“读出光”；
• 经过空间光调制器后的输出光波称为“输出光”。
• 可实现实时的二维并行处理。
液晶空间光调制器
有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，这时，
它一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性(如光学、力学、 热学的各向异性)，这种过渡相态称之为“液晶”。
的光路上，它的两端放置有起、检偏器，高频螺旋形线圈 环绕在YIG棒上，受驱动电源的控制，用以提供平行于z 轴的信号磁场。 为了获得线性调制，通常在垂直于光传播的方向上加一恒
定磁场 Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。
当工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传
播方向的磁场，入射光通过 YIG 晶体时，由于法拉第旋 转效应，其偏振面发生旋转，旋转角与磁场强度H成正比。 只要用调制信号控制磁场强度的变化，就会使光的偏振面 发生相应的变化。
振方向会发生旋转。旋转角度 的大小与沿光束方向的磁 场强度 H 和光在介质中传播的长度 L 之积成正比
＝VBL
V 称为韦尔代(Verdet)常数 表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振 方向旋转的角度
关于旋光现象的解释
旋光现象可解释为
外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一束线偏振光通过它时， 分解为频率相同、初相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振 光的电矢量是顺时针方向旋转，称为右旋圆偏振光，而另一个圆 偏振光是逆时针方向旋转的，称为左旋圆偏振光。这两个圆偏振 光无相互作用地以两种略有不同的速度 +＝c/nR 和 -＝c/nL传播， 它们通过厚度为 L 的介质之后产生的相位延迟分别为: 两圆偏振光间存在一相位差
这里因加有恒定磁场Hdc ，且与通光方向垂直，故旋转角
与Hdc成反比，于是
H 0 sin(H t ) s L0 H dc
式中，
θs 单位长度饱和法拉弟旋转角 H0sinωHt 调制磁场
§3.5 直接调制
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(激光二极管LD或半导体二极管LED)，从而获得已调制 信号的过程 由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制 是目前光纤通信系统普通使用的实用化调制方法 根据调制信号的类型，直接调制又可以分为
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1 2们通过介质之后，又合成为一线偏振
光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个 角度。
A’
AL’ AL AR
图中ZA表示入射介质的线偏振光的振动
方向，将振幅A分解为左旋和右旋两矢量 AL和AR ，假设介质的长度L使右旋矢量 AR刚转回到原来的位置，此时左旋光矢量 (由于vL≠vR )转到A’L，于是合成的线偏振 光A’相对于入射光的偏振方向转了一个角 度，此值等于 角的一半，即
（连续的）模拟调制
数字（脉冲编码）调制
半导体激光器有一个阈值电流 It，发射激光的强弱直接与驱动电流的 大小有关。若把调制信号加到激光器(电源)上，即可以直接改变(调制)
激光器输出光信号的强度
3.6 空间光调制器
前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，
而且对与光传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果是 相同的。 空间光调制器可以形成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过 率
z
右旋光效应
= /2＝ （nR – nL）L/
特点
两种旋光效应的区别
晶体的自然旋光现象：当光束往返通过自然旋光物质时，因旋转 角相等、方向相反而相互抵消。 磁致旋光效应：其旋转方向仅与磁场方向有关，而与光线传播方 向的正逆无关。
通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方 向增加，此现象表明磁致旋光效应是一个不可逆的光学过 程，因而可利用来制成光学隔离器或单通光闸等器件
第3章
光辐射的调制
§3.4 磁光调制
磁光效应
当光波通过某种磁性物质时，其传播特 性发生变化，这种现象称为磁光效应 包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁致 双折射效应等
下面以法拉第旋转效应为例说明磁光调制的原理与过程
3.4.1 法拉第旋转效应
一束线偏振光在有外加磁场作用下的介质中传播时，其偏