磁光调制和直接调制
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➢ （连续的）模拟调制 ➢ 数字（脉冲编码）调制
–a
–10
• 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
–a
–11
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。
• 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–。a
–13
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。
• 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
–a
–6
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
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
122 (n R n L )L
–a
–4
• 当它们通过介质之后，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 A’
• 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
• 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
y
➢ A(x,y)＝A0T(x,y)
• 或者是形成随坐标变化的相位分布
x
➢ 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。
–a
–12
• 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
–a
–7
• 工作物质钇铁石榴石(YIG或掺Ga的YIG棒)放在沿轴方向z 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。
–a
–8
• 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。
• 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
度，此值等于 角的一半，即
AL’
AL z AR
右旋光效应
= /2＝ （–a nR – nL）L/
–5
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。
下学期的“液晶显示器”
–a
–14
–a
–15
版权声明
本课件根据作者多年教学经验制作。课件中 Flash 动 画和图片由课件作者从网络上搜集，原作者不详，所 有版权归原作者所有，请勿另作它用，否则责任自负 ，本课件作者不承担连带责任。
由发布者设计和编写的内容采用 知识共享 署名-相同 方式共享 3.0 未本地化版本 许可协议进行许可。课件 内容会经常更新，详见作者网站上的《光电子学》课 件发布页面。
第3章
光辐射的调制
–a
–1
§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
–a
–2
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
➢ 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
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• 入射到器件并被调制的光波称为“读出光”；
Hsin( t) 0
H
L s
Hdc
式中，
0
θs 单位长度饱和法拉弟旋转角
H0sinωHt 调制磁场
–a
–9
§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
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
–a
–3
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
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• 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
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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。
• 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–。a
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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。
• 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
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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
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
122 (n R n L )L
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• 当它们通过介质之后，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 A’
• 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
• 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
y
➢ A(x,y)＝A0T(x,y)
• 或者是形成随坐标变化的相位分布
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➢ 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。
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• 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
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• 工作物质钇铁石榴石(YIG或掺Ga的YIG棒)放在沿轴方向z 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。
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–8
• 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。
• 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
度，此值等于 角的一半，即
AL’
AL z AR
右旋光效应
= /2＝ （–a nR – nL）L/
–5
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。
下学期的“液晶显示器”
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第3章
光辐射的调制
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§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
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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
➢ 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
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• 入射到器件并被调制的光波称为“读出光”；
Hsin( t) 0
H
L s
Hdc
式中，
0
θs 单位长度饱和法拉弟旋转角
H0sinωHt 调制磁场
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§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
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
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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