107532-光电子技术-5.光调制技术3
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap5
与 都是对称二阶张量， ij ji 、 ij ji
简化下标得：
1 6 5 6 2 4
5 4 3 在主介电坐标系中上式简化为：
1 0 0 0 2 0
0 0 3
直角坐标系中，直观表示为：
• 中级晶族
– 三个主折射率中有两个主折射率相等，晶体的波矢面由 一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴 即为光轴；
• 高级晶族 – n1 =n2=n3 ，两个波阵面重合，晶体不再呈现双折射。
• 线性情况下，其特性与各向同性晶体一样， • 非线性情况下出现高阶介电张量，不同于各向同性晶体。
利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应 也可以制作电光调制器；
利用Pokels效应也可以制作电光调制器；
利用超声波作用下介质折射率周期性变化 的声光效应可以制作声光调制器；
利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光 隔离器。
利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行 超细光谱分析与激光稳频。
5.1晶体光学基础
波矢面图
2. 折射率椭球
——确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度
直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴分量表示为通式
x2 n12
y2 n22
z2 n32
1
代表一个椭球，称折射率椭球，
是晶体各向异性的几何表示，有性质：
• 其中任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个振 动方向；其长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。
x
0
0
y
0 0
0 0 z
晶体宏观对称性对应于张量分量个数和大小的制约关系，可使表达简化
低级晶族 对 称 性 不 中级晶族 同
光电子技术课件：第五章 光调制技术3
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。Fra bibliotek4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
光电子技术_王俊波_电光调制
2020/10/21 共29页 19
UP
DOWN
BACK
根据(3.2-37)式，当 时，半波电压为
其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以
可见，横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小d，增加 长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所 以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。
UP
DOWN
BACK
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压， 但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
其二，在光路上插入一个1／4波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体主 轴x成45o 角，使E x’和E y’二分量间产生 /2 的固定相位差。 (3.2-30)式中的总相位差
x y
/4波片
P2 调制光 Io
检偏器
纵向电光强度调制
电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x’,y’。因此，沿z轴入射的光束经起偏 器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两 个分量，两个振幅(等于入射光振幅的2 1/ ）和相位都相等．分别为：
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UP
DOWN
BACK
二、电光相位调制
由起偏器和电光晶体组成。 起偏器的偏振方向平行于 晶体的感应主轴x’(或 y’)，此时入射晶体的线 偏振光不再分解成沿x’、 入射光 y’两个分量，而是沿着 x’(或y’)轴一个方向偏 振，故外电场不改变出射 光的偏振状态，仅改变其 相位，相位的变化为
另一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布， 形成电场图像，即随x和y坐标变化的强度透过率或相位分 布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进 行调制。
第5章 光的调制技术
调频：
E ( t ) A c cos( c t c )
t t dt c [ c k f a t ] dt c c t
k a t dt
f
c
E ( t ) A c cos( c t m f sin m t c )
2 2 2
I ( t ) E ( t ) Ac cos ( c t c )
a ( t ) A m cos m t
I (t ) Ac 2
2
m p k p A m 1
强度调制系数
1 m
p
cos m t cos ( c c )
2
强度调制的频谱除了载波分量和 对称分布的边频之外，还有低频和直 流分量。 为了提高抗干扰能力，采用二次 调制方式，即采用副载波进行强度调 制。
编码以后，信号转化为相应的二进制码， 用这一系列的电脉冲加到一个强度调制 器上，控制激光器的输出。
信息与通信学院 陈 明
第5章
光的调制技术
光电技术与应用课程
5.2 电光调制
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
电光调制器
光电技术与应用课程
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
5.2.1 电光效应
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
光电技术与应用课程 数字调制方式：脉冲调制
调制信号 幅度调制 脉宽调制 频率调制 脉位调制
信息与通信学院 陈 明
第三章光电子技术-1光波电调制
V
34
3.3 电光调制的物理基础
3.3.1电光效应 电光效应——某些介质的折射率在外加电场的 作用下而发生变化的一种现象。
( 1 n
线性电光效应 (普克耳效应)
2
) aE bE
2
二次电光效应 (克尔效应) a、b为一次、二次电 光系数，其值由材料 的结构和对称性决定。
35
Kerr effect
22
3.2.2强度调制
强度调制是直接对光强进行操作。
调制前： 调制后：
I I0 I I 0 f (Q )
23
强度调制的特点
能够实现线性解调； 使用中极易实现（如对光源进行调制）。
24
振幅(强度)调制的干扰问题
振幅调制和强度调制有一个共同点—— 易受干扰，如光源的波动，光信道的漂移等 因素均可带来光强的变化，使信号受到干扰。 故强度调制一般用在精度要求不高的场合。
27
3.2.3频率及相位调制
调制前：
E ( z , t ) E ( z ) sin( c t 0 )
E ( z , t ) E ( z ) sin ( f ( Q )) t 0
频率调制：
相位调制：
c
E ( z , t ) E ( z ) sin[ c t 0 f ( Q )]
28
特点及其讨论
PM和FM均是对光载波的角度量进行调制，而 角度量的变化并不能直接从光强上表现出来，故必 须在到达光电接收器件以前将角度量的变化转化成 光强的变化，常见的方法是借助与参考光进行干
涉解调（相干探测），其原理将在后面详细介绍。
29
特点
抗干扰能力强（主要指抗振幅、光强的波动） 灵敏度高 动态范围大 整个系统的成本高，主要是由于灵敏度太高，光源自 身的相位抖动或波长漂移均不可忽略，故高质量的光 源必然带来高的成本。此外，环境因素极易引入错误 的信息。
光电子学-第五章
折射率椭球——迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象
折射率椭球方程：
x x x 1 n n n
折射率椭球的性质: (d,n)曲面
n1
2 1 2 1
2 2 2 2
2 3 2 3
n3
0
n2
x2
x1 折射率椭球的物理意义：表征了晶体折射率在晶体空
间的各个方向上全部取值分布的几何图形。
利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性
调制后：
-10 -5
0.5
5 -0.5
10
-1
e(t ) ( Ac KA0 cos m t ) cos(c t c ) Ac (1 m cos m t ) cos(c t c ) A(t ) cos( c t c )
-10 -5
1.5 1 0.5
5 -0.5 -1 -1.5
Null
I0 (1 m p sin m t ) cos2 (c t c ) 2 I 0 (光强最大增量) K p A0 mp I 0 2 (光强平均值) I0 2 I (t )
波形不失真要求mp<1，即：
-10 -5
1 0.8 0.6 0.4 0.2
5
1.4 1.2
2 2 2 折射率椭球主轴坐标系方程 x1 x2 x3 1 2 2 2
n1
n2
n3
对于单轴晶体有n1=n2=no,n3=ne,所以得到：
2 2 2 x1 x2 x3 2 1 旋转椭球 2 no ne
x3
" S k （ s）
取 : k (0,sin , cos )
ne DT n E
光电子技术 电光调制
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V
第5章 光调制技术
1. 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）
x P1 Ii 入射光 L Io 起偏器
~V
z y x′ y′
P2 调制光
λ/4波片 /4波片
检偏器
纵向电光强度调制
电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x’,y’ 。因此，沿z轴入射的光束经起偏器 变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两个分 量(双折射效应)，两个振幅(等于入射光振幅的1/ 2 ）和相位都相等．分别为：
一、电光强度调制 电光调制是基于线性电光效应（泡克耳斯效应） 电光调制是基于线性电光效应（泡克耳斯效应）即 光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。 光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。
当一束光通过晶体之后， 当一束光通过晶体之后，可以使一个随时间变化的电信号 转换成光信号， 光波的强度或相位变化来体现要传递的 转换成光信号，由光波的强度或相位变化来体现要传递的 信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。 信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。 根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不 同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方 可分为纵向调制和横向调制。 向平行，称为纵向电光调制； 向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂 纵向电光调制 直，称为横向电光调制。 称为横向电光调制。
两个新主轴为
、
平面内x、 轴转过45°的方向上。对应的三个主折射率为： ，在z=0平面内 、y 轴转过 °的方向上。对应的三个主折射率为： 平面内
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。
光电子技术(第5版)第三章 光束的调制和扫描
I o [( E y )o ( E ) ]
(e
1)(ei 1) 2 A2 sin 2
2
2
*
y o
调制器的透过率：
T
Io
2 V
sin 2
sin
Ii
2
2 V
3.2.1 电光强度调制
1、纵向电光调制器及其工作原理
光电子技术（第5版）
第三章
本章内容
3.1 光束调制原理
3.2 电光调制
3.3 声光调制
3.4 磁光调制
3.5 直接调制
3.6 光束扫描技术
3.7 空间光调制器
3.1 光束调制原理
1. 1875年，英国Kerr发现电光效应Kerr效应，Kerr
盒是可做成电光调制器；
2. 用KDP（磷酸二氢钾）晶体在电场作用双折射效
I (t )
[1 m p cos m t ]cos 2 (c t c )
2
强度调制波的频谱可用角度调制的类似方法求得，其
结果与调幅波略有不同，其频谱分布除了载频及对称分
布的两边频之外，还有低频m和直流分量。
振幅、频率、相位、强度调制方式所得到的调制波都是
一种连续振荡波，统称为模拟调制。
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。
3.1.4 脉冲调制
脉冲调制有脉冲幅度调制、
脉冲宽度调制、脉冲频率调制
和脉冲位置调制等。
脉位调制：每个脉冲的位置与未
调制时的位置有一个与调制信号
成比例的位移，得到相应的光脉
光电子技术电子课件-激光调制
激光调制激光具有很好的时间相干性和空间相干性。
它和无线电波一样，易于进行调制；光波的频率很高，能够传递的信息量大；光束的方向性很好，发射角小，用它传递信息时，易于保密，并且能够传递较远距离。
所以激光是传递信息的一种极为理想的光源。
要用激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上的问题。
把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，完成这一过程的装置称为激光调制器。
由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程称为解调。
激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是需要传递的信息，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。
把激光调制比作人坐车，则人相当于低频信号，即调制信号，激光相当于车，人在车上相当于已调波，人下车相当于解调。
一、激光调制的种类按调制的性质而言，激光调制与无线电波调制相类似，可以采用连续的调幅、调频、调相及脉冲调制等形式。
（1）调幅调幅就是使光载波的幅度随着调制信号的变化规律而改变。
（2）调频和调相—角度调制调频或调相就是使光载波的频率或相位，随着调制信号的变化规律而改变。
因为这两种调制波都表现为总相角的变化，故统称为角度调制。
（3）脉冲调制在目前的光通信中，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调制。
先进行电调制，再对光载波进行光强度调制。
强度调制是指光载波的强度（光强度）随调制信号变化的调制。
这种调制是把模拟信号先转换成电脉冲系列，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送信息。
要实现脉冲编码调制，需要经过三个过程：抽样、量化和编码。
1）抽样抽样就是把连续的信号波分割成不连续的脉冲波，用一定周期的脉冲序列来表示，且脉冲列（称为样值）的幅度是与信号波的幅度相对应的。
2）量化：量化就是把抽样之后的脉冲调制波做分级取“整”处理，用有限个数的代表值取代抽样值的大小。
3）编码：编码是把量化后的数字信号转换成对应的二进制代码的过程。
光调制技术
光调制技术光调制技术是一种在光通信和光电子领域广泛应用的技术，可以将电信号转换为光信号。
调制是指通过改变载波的一些属性，如振幅、频率或相位，对信号进行编码和调控。
在光调制技术中，我们主要关注的是调制光的亮度或相位，以实现信号的传输和处理。
在电光调制中，光的强度可以通过外加电压的改变来调制。
这种调制方法常用于光通信中的光调制器和光收发器。
电光调制器将电信号转换为光信号，并用于光纤通信系统中的光调制、调幅和调制解调等应用。
光收发器将光信号转换为电信号，并用于接收和解调光信号。
在光纤调制中，光信号通过光纤进行传输，并在光纤中受到调制。
光纤调制器主要通过电流或电压对光信号进行调制，实现对光信号的幅度、相位和频率的调控。
这种调制方法常用于光纤通信和光纤传感中，可以实现高速、长距离和低衰减的信号传输和处理。
激光调制是利用激光器对光信号进行调制的方法。
激光器是一种能够产生高度相干和长距离传输的光信号的器件，广泛应用于光通信和激光加工中。
激光调制方法常用于光通信中的激光调制器和光放大器，可以实现高速、高效率和低噪声的光信号调制和放大。
非线性光调制是利用非线性光学效应对光信号进行调制的方法，包括自相位调制、非线性光折变和非线性光谱扩展等。
非线性光调制技术常用于光通信和光传感中，可以实现高灵敏度和宽带的信号检测和处理。
总的来说，光调制技术是一种将电信号转换为光信号的关键技术，对于光通信、光电子和光学应用具有重要意义。
不同的调制方法可以实现不同的光信号处理功能，如调制、解调、放大和检测等。
随着光电子技术的发展，光调制技术将继续创新和应用，为光通信、光传感和光学信息处理带来更多的机会和挑战。
107538-光电子技术-光电技术-v03
绪论 光电子学与光电子技术的基本概
光电子技术发展史 光电子技术应用与发展 本书内容介绍
1.2 光电技术的发展
光电技术的形成的标志---激光的出现。
– 随着激光的出现，物质的光辐射放大为光电子技术 提供了一种全新的光源之外，自身的光与物质作用 理论就构成了一全新的物理学分支。
– 1917年爱因斯坦提出受激辐射理论，奠定了激光的 理论基础
电子技术：包括真空电子技术、气体电子技术、 固体电子技术等，主要研究电子的特性与行为 及其在真空或物质中的运动与控制。
光子技术:研究光子的特性与行为及其与物质的 相互作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控 制。
课程概述
光电子技术的特征：光源激光化、传输波 导化、手段电子化、电子学中的理论模 式和处理方法光学化。
环境与资源
–环境 地球植被的探测系统
1.3 光电子技术应用与发展（续13）
激光医疗
–准分子激光视力矫正
1.3 光电子技术应用与发展（续14）
光传感器件
光通信
应用仪器
光电产业
图像、显示
科学研究
激光应用
1.3 光电子技术应用与发展（续15）
光传感器件
–电流、磁场传感器 –电场、电压传感器 –温度传感器、激光陀螺、光纤陀螺 –激光测量、激光雷达 –激光多普勒仪 –激光干涉位移测量
传输
光源 调制器 波长锁定器 接受器 探测器 收/发模块 收发一体模块 电驱动器
DWDM
放大器
开关
隔离器 分光器 泵浦激光器 增益均衡器 衰减器
EDFAs 拉曼放大器 半导体光放大器
光开关 微机械陈列 循环器 耦合器
Add/drop modules
1.3 光电子技术应用与发展（续3）
光电子技术课件：5_3 电光调制
4）使
(n
1 )
2
时，
E2 x
A12
E
2 y
A22
1
这是一个正椭圆方程，当A1=A2 时，其合成光就变成一 个圆偏振光，相当于一个“1/4波片”的作用。
(3) 当外加电场Vλ/2使△ = (2n+1)π, 有
Ex Ey 2 0
A1
A2
Ey
(
A 2
A
)Ex
Extg( )
1
x’
x y’
y
E
上式说明合成光又变成线偏振光，但偏振方向相对于入射光旋
Ex 0 Acoswct Ey 0 Acoswct
复数形式为
Ex0 Aexpiwct Ey0 Aexpiwct
由于光强正比于电场的平方，因此，入射光强度为
当光通过长度为L的晶体后，由于电光效应，E x’和E y’二分量间就 产生了一个相位差 ，则
ExL A EyL Aexp i
与之相应的输出光强为：
( 1 E )x2 ( 1 E ) y2 1 z2 1
n2
63 z
n2
63 z
n2
0
0
e
这就是KDP类晶体沿Z轴加电场之后的新椭球方程，如图所示。 其椭球主轴的半长度由下式决定：
y
y'
x'
1 nx2
1 no2
63Ez
450
x
1 ny2
1 n02
63Ez
11 nz2 ne2
由于γ63 很小（约10-10m/V）,一般是γ63EZ <<
3. 光偏振态的变化
根据上述分析可知，两个偏振分量间的差异，会使一个分 量相对于另一个分量有一个相位差（△），而这个相位差作用 就会改变出射光束的偏振态。在一般情况下，出射的合成振动 是一个椭圆偏振光，用数学式表示为：
光电子技术_王俊波_光束调制原理
E (t ) Ac cos( c t m cosmt c )
式中，m
共24页 12
(3.1.9)
k Am称为调相系数。
UP DOWN BACK
主讲:周自刚《光电子技术》§3.1 光束调制原理
由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可写成 统一的形式
调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化 规律而改变的振荡。因为这两种调制波都表现为总相角 (t) 的 变化，因此统称为角度调制。
例如：光纤通信中相位调制
Ａ、对于调频而言，就是(3.1-1)式
Ec (t ) Ac cos( c t c )
ωc 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
sin(m sin mt ) 2 J 2 n 1 (m) sin(2n 1)mt
n 1
知道了调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔 函数的值。
共24页 14
UP
DOWN
BACK
主讲:周自刚《光电子技术》§3.1 光束调制原理
将以上两式代入(3.1-11) 式利用三角函数关系式：
（3.1.13)
共24页 18
UP
DOWN
BACK
主讲:周自刚《光电子技术》§3.1 光束调制原理
于是，强度调制的光强表达式可写为 :
2 Ac I (t ) 1 k p a(t ) 2
cos2 ( c t c )
(3.1.14)
kp
比例系数
设调制信号是单频余弦波 a(t ) Am cos( m t )
(3.1 1)
a(t ) Am cosmt
光电子技术科学专业技术方案
光电子技术科学专业技术方案光电子技术是一门涉及光电子器件、光电材料和光通信系统等领域的科学技术，具有广泛的应用前景。
为了充分发挥光电子技术的优势，提高其在实际应用中的效果，我们制定了以下技术方案。
一、光电子器件的研发与应用1. 研究新型光电子器件材料：我们将重点研究具有较高传输性能和较低能耗的新型光电子材料，如有机-无机杂化材料、碳纳米管等，以提高光电子器件的性能和稳定性。
2. 开展光电子器件的工艺研究：我们将建立一套完整的光电子器件制备工艺，包括光刻、薄膜沉积、离子注入和激光加工等，以确保光电子器件的制备过程稳定可靠，减少不良品率。
3. 提高光电子器件的集成度：我们将通过研究微纳光学、微纳加工技术，将不同功能的光电子器件进行集成，以提高整体系统的性能和可靠性。
二、光电材料的研究与应用1. 开展光电材料的合成与表征：我们将研究具有较高光电转化效率和稳定性的光电材料，如钙钛矿、有机太阳能电池材料等，并建立适合光电材料特性表征的实验方法和设备。
2. 优化光电材料的器件结构：我们将对不同类型的光电材料进行器件结构的优化设计和工艺改进，以提高材料的光吸收、光电转换和电荷传输性能。
3. 探索新型光电材料的应用领域：我们将开展新型光电材料的应用研究，包括太阳能电池、光敏器件、光传感器等，以提高光电材料的实际应用效果。
三、光通信系统的研发与应用1. 研究高效的光通信传输技术：我们将研究高效的光通信传输技术，包括多波长复用、空间分集复用、相干检测等，以提高光通信系统的传输速率和抗干扰能力。
2. 开发高速光通信器件和集成芯片：我们将研发高速光电调制器、光放大器、光探测器等器件，并通过微电子加工技术实现这些器件的集成，以提高光通信系统的性能和可靠性。
3. 改进光通信网络拓扑结构：我们将通过改进光通信网络的拓扑结构和路由算法，提高网络的稳定性、容量和可扩展性，以满足不断增长的通信需求。
通过以上技术方案的实施，我们将推动光电子技术在各个领域的应用，提高系统的性能和可靠性，为社会经济发展提供强有力的支撑。
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– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
P P
光源
t
t
V t
电信号输入
调制器
偏置控制
光信号输出
驱动器
50欧姆电阻
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 改变光的强度或者频率、偏振等特性的 技术统称为光调制技术。
• 改变光的传播方向也是一种调制技术， 在光的控制方面也有重要的应用。
• 本章讨论的光调制技术主要是通过调制， 将信息加载到光波上，达到传输的目的。
4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 随着激光、红外和光通信技术的发展，对各种光学 晶体元件的应用也越来越广泛，因此晶体光学也逐 步由专业学科向基础学科转变。晶体光学已成为一 门独立的基础课程。我们这里把晶体光学主要讲述 晶体光学的基本概念和调制应用。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 晶体是组成物质的微粒（原子、分子或者离子）或 者微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的 一种晶态固体。
– 晶体与非晶体的重要区别是晶体在不同的空间方向 上表现不同的光学特性，构成晶体的分子或原子按 一定方向排成周期性结构，如下面的长方体就是一 种结构。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 周期性排列、不断重复的微粒或者微粒群是 晶体的基本单元，称为基元。所有基元是相 同的，晶体中把这些基元用一些结点来表征， 于是，晶体内部结构就可以概括成为有一些 相同的结点在空间有规则的做周期性的分布。
中沿着每一个给定的波矢量方向，允许两个平面波传播，这两个
波有着不同的折射率（不同的相速）和不同的偏振态，这就是通
常所说的“双折射现象”。
4-52
5.2 光在晶体中的传播
• 上述的光在晶体中传输的特性可以用折射率椭球来描 述。
– 在直角主介电坐标系中，对于任给出的波矢量K传播的波面可 以由方程给出：
• 激光的外调制
– 在激光器谐振腔外的光路上放置光调制器件，将待 传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这 种调制器时，激光的某一参数（强度、位相、频率 等）发生改变，从而光波的特征上带有了被传输的 信号信息，实现了信号调制。
• 外调制方式不涉及激光器的内部结构，构成单独的一个 器 件，可采用各种性能优秀的激光器，因此被广泛使用。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。
第五章 光调制技术
北京航空航天大学
第五章 光调制技术
5.1 光信息系统的信号加载与控制 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制 5.6 光调制器件
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 光电技术对于光的研究主要内容是光的特 性、光的控制与光的应用。
• 光的应用
x2 n12
y2 n22
z2 n32
1
• 该椭球上任一矢径的方向表 示光波电位移矢量D的方向， 矢径的长度表示D沿矢量方向 振动的光波折射率。
• 对于任意给定的K波矢，利用 折射率椭球可求出光波D的偏 振方向和相应的折射率。
5.2 光在晶体中的传播 • 单轴晶体
– n1=n2≠n3，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体。
– 单轴晶体中，取Z轴为光轴 n1=n2=n0,, n3=ne
5.2 光在晶体中的传播
• 光在单轴晶体界面上的折射—双折射。
kzkxEx kzkyEy
k02n32
kx2
k
2 y
Ez 0
4-51
5.2 光在晶体中的传播
这一组齐次方程组有非零解的条件是其系数行列式为零
k02 n12
k
2 y
k
2 z
kykx
kzkx
kxky
k02 n22
k
2 x
k
2 z
kzky
kxkz
kykz
0
k02 n32
k
2 x
k
2 y
这是关于( n2)的一个二次方程，它确定（n2）为k ( kX , ky ,kz) 的函数。可以证明这个方程一般存在两个不相等的实根，这两个 根分别用n12 和 n22 表示，它们就是与波矢量 k0 相应的两个折射 率。还可求出与之分别对应的两个偏振态。因此，在给定的晶体
– 结点的结合成为点阵。
– 点阵结构形成了许多的直线和平面簇，构成 一种格子结构，称为晶体的晶格。 结点就 是晶格的格点。
5.2 光在晶体中的传播
晶体中的波动方程
由于晶体不同方向性质不同，我们称为各向异性，在均匀介质中，物 质方程为E= ε D，而在各向异性介质中，不同方向的介电常数ε是不同
的。这指的是，由 E场引起介质的极化在不同的方向不一致，从而造 成的电位移矢量 D不再与 E平行。具体地说，在空间由场产生的
– 光通信---将各种信息加载到光波上，利用光 波进行传播。
– 光传感—外界物理量影响到光波的传播特性。
• 光调制是分析控制光的技术。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
将各种信息加载到光波上，利用光波进行 传播是控制光波的一项重要内容，同时也 是光波应用的内容。
• 应用光波作为信息传递的方式拥有悠久而 古老的历史：
nij
0
1 ij
5.2 光在晶体中的传播
得到晶体中的波动方程
2E(r;t)
1 c2
2 E(r ; t ) t 2
0
2 P(r ; t ) t 2
在直角坐标系中
k02n12
k
2 y
kz2
Ex kxkyEy kxkzEz 0
kykxEx k02n22 kx2 kz2 Ey kykzEz 0
D 场的每一个分量都由E 场的三个分量的不同加权的线性组合而来。
Dx xxEx xyEy xzEz
Dy yxEx yyEy yzEz
或
Dx
Dy
xx yx
xy yy
xz yz
E E
x y
Dz zx zy zz Ez
Dz zx Ex zy Ey zz Ez