机械、电光调制

第二章光辐射的调制

2.1 机械调制

2.2 电光调制

2.3 声光调制

2.4磁光调制

光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。即使传播的光波携带信息的过程。

在光通信系统中，

需要把声音、图像、数据信息加载到光波上进行传输。在接收端再从调制光中解调出所需信息。

在光电检测、控制系统中，

使探测光为调制光，可以比非调制光具有更强的抗干扰能力。

光辐射的调制方法：

内调制：即LD和LED的直接调制（在光源内进行）外调制：将光源与调制器分开设立

外调制器：机械调制、电光调制

声光调制、磁光调制

外调制技术适用于所有光源。

~输出功率

直流偏置

调制信号

输出光强信号

t

I

t

(b)

C L

LD

调制信号

直流偏置

(a)

如图所示的是半导体激光器直接调制（内调制）原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流I b ，这样就可以使输出的光信号不失真。

半导体激光器调制(a)电原理图；(b)调制特性曲线

（1）半导体激光器（LD ）直接调制的原理

（2）半导体发光二极管（LED ）的调制特性

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。

U b

LED

+E c

I c已调

光波

(a)

P out

I

t

I co

(b)

(a)驱动电路；(b)LED工作特性

P out

I b

I D

t

t

I (a)

O

P out

I O

t

(b)

数字调制特性(a)加I

b 后LD数字调制特性

(b)LED数字调制特性

2.1 机械调制

靠机械装置改变光性质，常对光通量进行调制。利用斩波器通断光通量，使探测光成为调制光。

调制光并配上合适的有源带通滤波器，以克服杂散光的干扰。

斩波器

有源带通滤波器

一些机械调制装置

当盘旋转时，通过

盘的光脉冲周期性的变化，光脉冲的形状决定于扇形尺寸和光源在盘上的像的大小和形状。如果光源聚焦在盘上成一极小的圆，如M点，

则通过盘的光脉冲为矩形波。如果光源在盘的像较大，如P点的圆，

则盘旋转时，黑的扇形逐步遮盖光斑，通过盘的光强近乎正弦地变化。

如欲调制线光源可把线光源1放于圆筒2的中心轴上，在圆筒的表面上有相隔等距离的狭缝3，圆筒的前面放置缝隙光阑4，仅当圆筒的狭缝与光阑的狭缝对准时，有光通过光阑，而当圆筒旋转时，可得到线状的调制光。

电磁感应调制器

将一永磁铁固定在基座上，中间加入激磁线圈，该线圈中铁芯的一端经簧片后固定在基座上，在铁芯的另一端上固定挡片，即光调制片。在激磁线圈中加入交变电流，则铁芯两端产生交变磁场，在永磁铁作用下挡片产生左右摆动，对光束进行调整，其调制频率是激磁电流交变频率的两倍。而其调制波形应与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。

优点：容易实现；能对辐射的任何光谱成分进行调制。

缺点：有运动部分，寿命较短，体积较大，调制频率不高。

2.2 电光调制

在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。适用于单色光源。

一、电光效应

线性电光效应（Pockels）

n E ∆∝

二次电光效应（Kerr）

2

n E

∆∝

介质原本是单轴晶体。

介质原本是各向同性晶体。电光调制基于线性电光效应。

当晶体的折射率的变化与外加电场幅度

成线性变化时，称为线性电光效应，即泡克尔斯效应(Pockels)。只有那些不具有对称中心

的晶体才能产生线性电光效应,如KDP(磷酸二

氢钾)类晶体、铌酸锂晶体（LiNbO

）等。

3

当晶体的折射率的变化与外加电场幅度的平方成比例变化时，称为非线性(二次)电光效应，即克尔效应(Kerr)。指一些各向同性的晶

）晶体、体、液体、气体，如钛酸钡（BaTiO

3

硝酸苯液体等，在强电场作用下会变成光学各向异性体的情况。

电光调制器主要利用晶体的泡克尔斯效应。

63 1. 的纵向电光效应KDP (磷酸二氢钾)负单轴晶体切

Z 强电场E//Z 轴,KDP 变为双轴晶体；

线偏振光沿Z 轴入射，分解成X 、Y 方

向上振幅相同的两个线偏振光（与N 1

成450).两偏振光传播方向相同(z 轴),

但速度不同,对应的折射率不同。

光传播方向与外电场方向一致

与X 轴对应的主折射率：E n n n 63302101

γ-=与Y 轴对应的主折射率：E n n n 6330

21

02γ+=式中，n o 为KDP 晶体o 光折射率，为电光系数。

63γX 、Y 方向两偏振光射出晶体时有光程差:

3321063063()n n L n EL n U

γγ∆=-==则相位差为：

306322n U

ππ

δγλλ=∆=32

063

2U n λλγ=造成光程差2/λ=∆πδ=半波电压:/2U λ合成为线偏振光，方向与N 1垂直。