调制及电光调制
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
e(t ) Ac [1 m cosmt ]cos(ct c )
（3.1.2） （3.1.3）
m m e(t ) Ac cos(ct c ) Ac cos[(c m )t c ] Ac cos[(c m )t c ] 2 2
m Am / Ac 为调幅系数。
比较以上两式，由于外电场，折射率椭球各系数 1/ n2 发生线性变化，
其变化量定义为：
3 1 2 ij E j n i j 1
（3.2.3）
ij —线性电光系数，
16
i 1, 2,
6
j 1, 2, 3
上式（3.2.3）可用矩阵形式表示为：
1 n2 1 2 n 1 2 n 1 11 21 2 61 6
1
x(t )
t
分类：根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。
内调制：调制信号是在激光振荡过程中形成的。如，注入式半导体
激光器，用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出光的强度受到调
制，调Q技术。 外调制：在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器 的物理性能从而使激光器受到调制。 特点：外调制调整方便，对激光器没有影响，调制速率高，带宽宽。
又， cos(m sin m t ) J 0 (m) 2 J 2 n (m) cos(2n mt )
n 1
（3.1.8）
sin(m sin m t ) 2 J 2 n-1 (m)sin((2n -1) mt )
n 1
将上两式代入（6.1.8）可得：
e(t ) Ac J 0 (m) cos(ct c ) Ac J n (m){cos[(c nm )t c ]
由上式可得调幅波频谱，由中心载频分量、两个边频分量构成。 （3.1.4）
4
Ac
m Ac 2 m Ac 2
c m
c c m
调幅波频谱
图6.1.1
如果调制信号是一个复杂的周期性信号，调幅波频谱：由载频分量和两个边
频带构成。
5
二、频率调制和位相调制
定义：光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而变化的振荡。因而两种调
们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）, 再对光载
波进行光强度调制。
周期脉冲序列载波
脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载波 的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号 对一电脉冲序列的某参量 ( 幅度、宽度、频率、位置等 ) 进行电调制， 使之按调制信号规律变化, 成为已调脉冲序列, 然后再用这已调电脉 冲序列对光载波进行强度调制, 就可以得到相应变化的光脉冲序列。
(t ) 的变化，统称为角度调制。 制波都表现为总相位角
设调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：
(t ) (t )dt c [c k f (t )]dt c
调频波的表达式为：
e(t ) Ac cos(c t m f sin m t c )
（3.1.10） （3.1.11）
强度调制的光强可写为：
k —比例系数
设调制信号为余弦调制
(t ) Am cos( ， mt ) 代入上式：
（3.1.12）
Ac 2 I (t ) [1 m p cos m t ]cos 2 (c t c ) 2
m p k p Am —强度调制系数
所示：
0.77
0.44
m
0.22 0.02
c
角度调制波的频谱
8
三、强度调制
定义：光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化的激光振荡。 光强的定义：
I (t ) e 2 (t ) Ac 2 cos 2 ( c t c )
Ac 2 I (t ) [1 k (t )]cos 2 (c t c ) 2
（3.2.9）
19
上式其椭球主轴的半长度为：
1 1 63 Ez nx 2 no 2 1 1 63 Ez n y 2 no 2 1 1 nz 2 ne 2
（3.2.10）
由 63 Ez
1 3 1 n no 63 Ez x 2 ，得： 2 no 1 ny no3 63 Ez 2
x x cos - y sin y x sin y cos
代入（3.2.8）式，令交叉项为零，得 45 ，则新坐标系下方程为：
o
1 2 1 2 1 2 E x E y z 1 2 2 63 z 63 z 2 ne no no
这类晶体的电光张量为：
0 0 0 ij 41 0 0
0 0 0 0
52
0
63 0 0 0 0 0
（3.2.5）
17
41 52 ，将式（3.2.5）代入（3.2.4）：
1 2 n 1 2 n 1 0, 2 41 Ex 1 n 4 1 0, 2 41 E y 2 n 5
6
下面分析调频和调相波的频谱，两者可统一写成统一的形式：
e(t ) Ac cos(ct m sin mt c )
利用三角公式展开得：
（3.1.7）
e(t ) Ac [cos(ct c )cos(msin mt ) sin(ct c )sin(msin mt )]
第三章 光束的调整和扫描
§3.1 §3.2
调制的基本概念 电光调制
§3.3
§3.4
声光调制磁Βιβλιοθήκη 调制§3.5直接调制
3.1 调制的基本概念 激光是一种频率更高（1013~1015Hz)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 完成这一过程的装置称为调 制器。其中激光称为载波； 起控制作用的低频信息称为 调制信号。 解调：调制的反过程，即把 调制信号还原成原来的信息。
尽管激光调制有各种形式，但调制的工作机理主要是基于电光、 声光、磁光等物理效应。下面讨论电光调制的基本原理和调制方法。
12
3.2电光调制
电光调制的基本原理及公式推导 电光调制器的技术参数 电光调制器的应用实例
13
电光调制的基本原理及公式推导
电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等 电光调制的物理基础：电光效应
折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。
15
1、电致折射率变化
采用折射率椭球体方法。 在未加外场时，主轴坐标系中，折射率椭球由如下方程式描述：
x2 y2 z2 2 2 1 2 nx ny nz
（3.2.1）
x、y、z —介质的主轴方向； nx、n y、 nz主折射率 —
当晶体加外场时，椭球方程变为如下形式：
10
周期脉冲序列载波
(a)调制信号
(b)脉冲幅度调制
(c)脉冲宽度调制 (d)脉冲频率调制
(e)脉冲位置调制
脉冲调制形式
11
3.1.5 脉冲编码调制（一般了解）
这种调制是把模拟信号先变换成电脉冲序列,进而变成代表信号
信息的二进制编码(PCM数字信号), 再对光载波进行强度调制来传递 信息的。 要实现脉冲编码调制, 必须经过三个过程：抽样、量化和编码。
（3.2.6）
1 1 2 0, 2 63 Ez n 3 n 6
将式（3.2.6）代入（3.2.2），得到晶体加电场后的新折射率椭球方程式：
x2 y2 z2 2 2 2 41 yzEx 2 41 xzE y 2 63 xyEz 1 2 n0 n0 ne
1 3 no 63 Ez 2 1 ny no no3 63 Ez 2 nx no
nz 0
nz ne
（3.2.11）
讨论：当KDP晶体沿z轴加电场时，折射率椭球的主轴绕z轴旋转45度角 （与外加电场大小无关）。折射率变化与电场成正比。这是利用电光效 应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。
（3.1.5）
k f —比例系数， m f (0) / m —调频系数
同样调相波的总相角： 调相波的表达式：
(t ) c t c k Am cos m t
e(t ) Ac cos(c t m cos mt c )
（3.1.6）
m k Am —调相系数
1 2 1 2 1 1 1 1 x y 2 yz 2 xz 2 2 2 2 2 2 2 xy 1 （3.2.2） n n n n n 1 2 3 4 5 n 6
电光调制的基本原理及公式推导
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：
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 n1 n2 n3
1.x，y，z为介质的主轴方向，在晶体内沿着主轴方 向的电位移D和电场强度E是互相平行的；
2. n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方向的折射率(主折射率)。
外加电场导致“交叉”项出现，椭球主轴不再与x、y、z轴平行。
（3.2.7）
18
Ez E , Ex E y 0（3.2.7）是变为： 假设外电场方向平行于z轴，
x2 y2 z2 2 2 2 63 xyEz 1 2 n0 n0 ne
（3.2.8）
寻求新坐标系（ x、y、z ），消除交叉项，
n 1
(1)n cos[(c nm )t c ]}
（3.1.9）
7
所以，当频率正弦波调制时，其角度调制波的频谱由光载频与在它两边 对称分布的边频所组成。各边频间隔 m ，各边频幅度大小由 J n (m) 决
，J0 (m) 0.77，J1 (m) 0.44，J 2 (m) 0.11 频谱分布如下图 定。如 m 1
12 22 62
13 Ex 23
E y Ez 63
（3.2.4）
Ex、E y、Ez —电场沿 x、y、z 方向的分量
ij —电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，表征感应极化强弱的量
ne ** 以KDP晶体为例（负单轴晶体， nx n y n0 , nz ne , no ）
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
外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为
n n0 aE bE2 ...
线性电光效应 （Pockels效应）
14
或
n n n0 aE bE2 ...
二次电光效应 （Kerr效应）
光强调制波的频谱可用前面类似的办法求得，和调幅波略有不同，除了载
频及对称分布的两边频之外，还有低频 m 和直流分量。
9
四、 脉冲调制 以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡的波, 称 为模拟式调制。另外, 在目前的光通信中还广泛采用一种在不连续状
态 下进行调制的脉冲调制和数字式调制 ( 也称为脉冲编码调制 ) 。它
2
激光的电场强度是：
ec (t ) Ac cos(ct c )
振幅 角频率 相位角
（3.1.1）
激光调制按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度
调制等。
3
一、振幅调制
定义：载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡。 如果调制信号为： 则调幅表达式为： 将上式展开：
(t ) Am cosmt
（3.1.2） （3.1.3）
m m e(t ) Ac cos(ct c ) Ac cos[(c m )t c ] Ac cos[(c m )t c ] 2 2
m Am / Ac 为调幅系数。
比较以上两式，由于外电场，折射率椭球各系数 1/ n2 发生线性变化，
其变化量定义为：
3 1 2 ij E j n i j 1
（3.2.3）
ij —线性电光系数，
16
i 1, 2,
6
j 1, 2, 3
上式（3.2.3）可用矩阵形式表示为：
1 n2 1 2 n 1 2 n 1 11 21 2 61 6
1
x(t )
t
分类：根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制两种。
内调制：调制信号是在激光振荡过程中形成的。如，注入式半导体
激光器，用调制信号直接改变它的泵浦驱动电流，使输出光的强度受到调
制，调Q技术。 外调制：在激光器外的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器 的物理性能从而使激光器受到调制。 特点：外调制调整方便，对激光器没有影响，调制速率高，带宽宽。
又， cos(m sin m t ) J 0 (m) 2 J 2 n (m) cos(2n mt )
n 1
（3.1.8）
sin(m sin m t ) 2 J 2 n-1 (m)sin((2n -1) mt )
n 1
将上两式代入（6.1.8）可得：
e(t ) Ac J 0 (m) cos(ct c ) Ac J n (m){cos[(c nm )t c ]
由上式可得调幅波频谱，由中心载频分量、两个边频分量构成。 （3.1.4）
4
Ac
m Ac 2 m Ac 2
c m
c c m
调幅波频谱
图6.1.1
如果调制信号是一个复杂的周期性信号，调幅波频谱：由载频分量和两个边
频带构成。
5
二、频率调制和位相调制
定义：光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而变化的振荡。因而两种调
们一般是先进行电调制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）, 再对光载
波进行光强度调制。
周期脉冲序列载波
脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载波 的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号 对一电脉冲序列的某参量 ( 幅度、宽度、频率、位置等 ) 进行电调制， 使之按调制信号规律变化, 成为已调脉冲序列, 然后再用这已调电脉 冲序列对光载波进行强度调制, 就可以得到相应变化的光脉冲序列。
(t ) 的变化，统称为角度调制。 制波都表现为总相位角
设调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：
(t ) (t )dt c [c k f (t )]dt c
调频波的表达式为：
e(t ) Ac cos(c t m f sin m t c )
（3.1.10） （3.1.11）
强度调制的光强可写为：
k —比例系数
设调制信号为余弦调制
(t ) Am cos( ， mt ) 代入上式：
（3.1.12）
Ac 2 I (t ) [1 m p cos m t ]cos 2 (c t c ) 2
m p k p Am —强度调制系数
所示：
0.77
0.44
m
0.22 0.02
c
角度调制波的频谱
8
三、强度调制
定义：光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化的激光振荡。 光强的定义：
I (t ) e 2 (t ) Ac 2 cos 2 ( c t c )
Ac 2 I (t ) [1 k (t )]cos 2 (c t c ) 2
（3.2.9）
19
上式其椭球主轴的半长度为：
1 1 63 Ez nx 2 no 2 1 1 63 Ez n y 2 no 2 1 1 nz 2 ne 2
（3.2.10）
由 63 Ez
1 3 1 n no 63 Ez x 2 ，得： 2 no 1 ny no3 63 Ez 2
x x cos - y sin y x sin y cos
代入（3.2.8）式，令交叉项为零，得 45 ，则新坐标系下方程为：
o
1 2 1 2 1 2 E x E y z 1 2 2 63 z 63 z 2 ne no no
这类晶体的电光张量为：
0 0 0 ij 41 0 0
0 0 0 0
52
0
63 0 0 0 0 0
（3.2.5）
17
41 52 ，将式（3.2.5）代入（3.2.4）：
1 2 n 1 2 n 1 0, 2 41 Ex 1 n 4 1 0, 2 41 E y 2 n 5
6
下面分析调频和调相波的频谱，两者可统一写成统一的形式：
e(t ) Ac cos(ct m sin mt c )
利用三角公式展开得：
（3.1.7）
e(t ) Ac [cos(ct c )cos(msin mt ) sin(ct c )sin(msin mt )]
第三章 光束的调整和扫描
§3.1 §3.2
调制的基本概念 电光调制
§3.3
§3.4
声光调制磁Βιβλιοθήκη 调制§3.5直接调制
3.1 调制的基本概念 激光是一种频率更高（1013~1015Hz)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 完成这一过程的装置称为调 制器。其中激光称为载波； 起控制作用的低频信息称为 调制信号。 解调：调制的反过程，即把 调制信号还原成原来的信息。
尽管激光调制有各种形式，但调制的工作机理主要是基于电光、 声光、磁光等物理效应。下面讨论电光调制的基本原理和调制方法。
12
3.2电光调制
电光调制的基本原理及公式推导 电光调制器的技术参数 电光调制器的应用实例
13
电光调制的基本原理及公式推导
电光调制的分类：强度调制、相位调制、偏振态调制等 电光调制的物理基础：电光效应
折射率椭球方程可以描述光波在晶体中的传播特性。
15
1、电致折射率变化
采用折射率椭球体方法。 在未加外场时，主轴坐标系中，折射率椭球由如下方程式描述：
x2 y2 z2 2 2 1 2 nx ny nz
（3.2.1）
x、y、z —介质的主轴方向； nx、n y、 nz主折射率 —
当晶体加外场时，椭球方程变为如下形式：
10
周期脉冲序列载波
(a)调制信号
(b)脉冲幅度调制
(c)脉冲宽度调制 (d)脉冲频率调制
(e)脉冲位置调制
脉冲调制形式
11
3.1.5 脉冲编码调制（一般了解）
这种调制是把模拟信号先变换成电脉冲序列,进而变成代表信号
信息的二进制编码(PCM数字信号), 再对光载波进行强度调制来传递 信息的。 要实现脉冲编码调制, 必须经过三个过程：抽样、量化和编码。
（3.2.6）
1 1 2 0, 2 63 Ez n 3 n 6
将式（3.2.6）代入（3.2.2），得到晶体加电场后的新折射率椭球方程式：
x2 y2 z2 2 2 2 41 yzEx 2 41 xzE y 2 63 xyEz 1 2 n0 n0 ne
1 3 no 63 Ez 2 1 ny no no3 63 Ez 2 nx no
nz 0
nz ne
（3.2.11）
讨论：当KDP晶体沿z轴加电场时，折射率椭球的主轴绕z轴旋转45度角 （与外加电场大小无关）。折射率变化与电场成正比。这是利用电光效 应实现光调制、调Q、锁模等技术的物理基础。
（3.1.5）
k f —比例系数， m f (0) / m —调频系数
同样调相波的总相角： 调相波的表达式：
(t ) c t c k Am cos m t
e(t ) Ac cos(c t m cos mt c )
（3.1.6）
m k Am —调相系数
1 2 1 2 1 1 1 1 x y 2 yz 2 xz 2 2 2 2 2 2 2 xy 1 （3.2.2） n n n n n 1 2 3 4 5 n 6
电光调制的基本原理及公式推导
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：
x2 y 2 z 2 2 2 1 2 n1 n2 n3
1.x，y，z为介质的主轴方向，在晶体内沿着主轴方 向的电位移D和电场强度E是互相平行的；
2. n1、n2、n3为折射率椭球x，y和z方向的折射率(主折射率)。
外加电场导致“交叉”项出现，椭球主轴不再与x、y、z轴平行。
（3.2.7）
18
Ez E , Ex E y 0（3.2.7）是变为： 假设外电场方向平行于z轴，
x2 y2 z2 2 2 2 63 xyEz 1 2 n0 n0 ne
（3.2.8）
寻求新坐标系（ x、y、z ），消除交叉项，
n 1
(1)n cos[(c nm )t c ]}
（3.1.9）
7
所以，当频率正弦波调制时，其角度调制波的频谱由光载频与在它两边 对称分布的边频所组成。各边频间隔 m ，各边频幅度大小由 J n (m) 决
，J0 (m) 0.77，J1 (m) 0.44，J 2 (m) 0.11 频谱分布如下图 定。如 m 1
12 22 62
13 Ex 23
E y Ez 63
（3.2.4）
Ex、E y、Ez —电场沿 x、y、z 方向的分量
ij —电光张量，每个元素的值由具体的晶体决定，表征感应极化强弱的量
ne ** 以KDP晶体为例（负单轴晶体， nx n y n0 , nz ne , no ）
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
外加电场时晶体的折射率是电场E的函数，可表示为
n n0 aE bE2 ...
线性电光效应 （Pockels效应）
14
或
n n n0 aE bE2 ...
二次电光效应 （Kerr效应）
光强调制波的频谱可用前面类似的办法求得，和调幅波略有不同，除了载
频及对称分布的两边频之外，还有低频 m 和直流分量。
9
四、 脉冲调制 以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡的波, 称 为模拟式调制。另外, 在目前的光通信中还广泛采用一种在不连续状
态 下进行调制的脉冲调制和数字式调制 ( 也称为脉冲编码调制 ) 。它
2
激光的电场强度是：
ec (t ) Ac cos(ct c )
振幅 角频率 相位角
（3.1.1）
激光调制按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度
调制等。
3
一、振幅调制
定义：载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡。 如果调制信号为： 则调幅表达式为： 将上式展开：
(t ) Am cosmt