第08章 光学信号的调制E 磁光调制 2018.12.26
光学通信系统中的信号调制与解调技术研究
光学通信系统中的信号调制与解调技术研究光学通信系统是现代通信领域中一种有效率高、传输速度快的通信方式。
光信号的调制与解调技术是光学通信系统中不可或缺的关键技术之一。
本文将详细介绍光学通信系统中的信号调制与解调技术研究的相关内容。
一、信号调制技术信号调制是将信息信号转换为适合在光纤或空间中传输的调制信号的过程。
光信号的调制技术通常包括强度调制、频率调制和相位调制。
1. 强度调制强度调制是将信息信号转化为光信号的强度变化的过程。
光强度的调制通常通过改变光源的亮度来实现。
直接调制和外调制是两种常见的强度调制技术。
直接调制是通过改变光源的电流直接改变其输出强度。
这种方法简单高效，但由于光源本身的频率响应受限，适用于低速率通信。
外调制是使用外部调制器通过改变光信号的特性来实现强度的调制。
常用的外调制技术有电吸收调制器（EAM）和电光调制器（EOM）。
电吸收调制器通过改变材料在光信号通过时对光的吸收特性来实现调制，电光调制器则是利用材料的电光效应来实现调制。
外调制器结构复杂，但具有更高的调制带宽和更低的信噪比。
2. 频率调制频率调制是通过改变光信号的频率特性来实现调制。
频率调制通常用于光纤通信中。
直接频率调制和外部调频技术是两种常见的频率调制技术。
直接频率调制是在光源输出之前，通过对光源激发源的频率进行调整来实现。
这种调制技术具有高传输速率和较低的调制抖动，但较难实现。
外部调频技术采用外部调频器对光信号进行调制，常见的技术有锁相环调频和调制解调器调频等。
外部调频技术调制带宽宽，但技术复杂度高，成本相对较高。
3. 相位调制相位调制是通过改变光信号的相位特性来实现信号调制。
常见的相位调制技术有直接调相技术和外调相技术。
直接调相是通过改变光源的相位来实现调制。
这种调制技术简单有效，但由于光源本身的频率响应受限，适用于低速率通信。
外调相基于外部相调器对光信号进行调制，技术复杂度高，但调制带宽较宽。
二、信号解调技术信号解调是将光信号中的信息提取出来的过程。
光电子技术第8章
~ 1 T Cn 2T I (t ) exp(it )dt T 2
I0 , t 2 I (t ) 0, t T 2 2
a0 1 T 1 2T I (t )dt 2 I 0 dt I 0 2 T 2 T 2 T
一、调制的基本概念
1．概念：使载波的某一参量（幅度、频率、相位）按欲 传输信号规律变化的过程。 2．优点：由于既可携带信息，又与背景辐射特征不同，
第八章 光辐射的调制
所以： ①便于抑制背景光的干扰； ②抑制各环节的固有噪声； ③抑制外部磁场的干扰。 ∴调制的光电系统在信号传输和探测过程中，具有更高的探 测能力。 3．分类：模拟、脉冲、数字调制 ㈠模拟调制： ①原理：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振， 因此信息信号幅度与参数的幅度存在一一对应关系。 ②分类及特点：
第八章 光辐射的调制
△功率利用率高： 从信号的频谱图分析来看： 调幅系统的大部分能量集中在载频上，边频能量小。 调频系统，当 m f 1 时，能量主要集中在边频分量上，即能 量利用率高，调制效率高。 门限效应问题 2.非周期信号的频谱 ⑴单脉冲信号的频谱：
sin( / 2) I ( j ) I 0 / 2
二、调制信号的频谱
目的：利用信号频谱和噪声频谱的差异，抑制噪声，提高检 测质量，有利于电路处理。
第八章 光辐射的调制
复习以下内容： 1.周期信号的频谱： ⑴任何复杂的周期信号 I (t ) ，都可以表示为直流分量与无数 谐波分量之和，即任何周期信号都是由直流和无数不同频率 的正弦信号构成的。 n=1:基波，其基频为： 2 / T n>2:高次谐波 n=2:二次谐波 n=3:三次谐波 ⑵已知 I (t ) 求频谱叫频谱分析 特点：谱可以连续，也可以分立。 ⑶几种常见周期信号的频谱：
实验四 磁光调制实验
实验四、磁光调制实验[实验目的]1.了解法拉第效应的工作原理；2.掌握磁光调制器件性能参数的测量方法；[实验原理]原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。
具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。
对于不同的介质其振动面的旋转方向不同，顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，反之，则称为左旋或负旋介质。
ψ＝VlBcosα式中，ψ为振动面旋转的角度， l为光程，B为磁感应强度，α为光线与磁场的夹角，V为比例常数，称费尔德常数，单位rad/Tm，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。
对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。
这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。
就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。
例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。
可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。
因此，在磁致旋光的情况下，使光线多次通过磁光物质可得到旋转角累加。
图1 磁光调制器结构简图磁光调制器就是根据法拉第效应制成的，其结构见图67-1。
将磁光介质（铁钇石榴石Y3Fe5O12或三溴化铬CrBr3）置于激磁线圈中。
在它的左右两边，各加一个偏振片。
安装时，使它们的光轴彼此垂直。
没有磁场时，自然光通过起偏振片变为平面偏振光通过磁光介质。
达到检偏振片时，因振动面没有发生旋转，光因其振动方向与检偏振片的光轴垂直而被阻挡，检偏振片无光输出。
有磁场时，入射于检偏振片的偏振光，因振动面发生了旋转，检偏振片则有光输出。
光输出的强弱与磁致的旋转角ψ有关。
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。
物理实验技术中的磁光调制实验方法
物理实验技术中的磁光调制实验方法磁光调制是物理实验中一种重要的技术方法，可以在光学实验中控制光的传输性能。
通过磁场对材料的磁光性质进行调控，磁光调制实验可以实现光的偏振、幅度和相位的调节，从而在光传输的过程中产生一定的调制效应。
本文将从基本原理、实验仪器和实验步骤三个方面，介绍磁光调制实验的方法和应用。
一、基本原理：磁光调制的基本原理是基于磁光效应。
磁光效应是指在磁场的影响下，材料的折射率会发生变化，从而改变光的传播速度和相位延迟。
具体而言，当光通过具有磁光性质的材料时，会出现棘轮效应和线性磁光效应。
棘轮效应是指光的线偏振方向在磁场的作用下旋转一定角度，而线性磁光效应是指光的相位随磁场的改变而发生变化。
二、实验仪器：进行磁光调制实验需要一些基本的仪器设备。
首先需要一个光源，可以使用激光器或白光源。
其次是一套光学系统，包括透镜、偏振片、分光镜和探测器等。
磁光调制实验还需要一个外加磁场装置，可以使用恒定磁场，也可以使用可调节磁场。
最后，还需要一台计算机和数据采集系统，用于记录和分析实验数据。
三、实验步骤：1. 准备工作：根据实验要求，选择合适的磁光材料和适当的光源。
检查实验仪器的连接情况，确保各个部件正常工作。
2. 光路调整：利用透镜、分光镜和偏振片等光学元件，完成光路的调整。
确保光经过偏振片后，能够以所需的偏振方向进入磁光样品。
3. 材料处理：将磁光样品制备成合适的形状和大小，并进行必要的处理，如去除气泡和表面污染物。
将样品固定于实验台上，保持稳定。
4. 磁场调节：根据实验所需，调节外加磁场的大小和方向。
可以使用恒定磁场装置或可调节磁场装置，确保磁场的稳定性和准确性。
5. 数据采集：通过探测器收集实验数据，并利用计算机进行信号处理和数据分析。
可以记录光强度、偏振角度和相位等参数。
6. 实验结果分析：根据所得数据，分析磁光调制实验的结果。
可以通过比较不同光源、不同磁场和不同样品的实验数据，研究磁光效应的特性。
磁光调制
半导体激光器的输出特性
半导体激光器的光谱特性
为使调制不产生畸变，需要做到：
1、输出功率与电流呈良好的线性关系。
2、采用条宽较窄结构的激光器。
3、直接调制的半导体激光器的能力受到脉冲宽 度与频宽的限制，故在高频调制下宜采用量子阱 器或其他外调制器
2．半导体发光二极管(LED)的调制特性
【LED的工作原理】
【调制过程】
模拟信号 抽样 量化 编码 实现电-光的调制
参考文献： 1．《激光原理》，陈钰清主编，国防工业 出版社，2003年1月 2．《激光技术》，蓝信钜，等编著，科学 出版社，2000年8月
直接调制原理图
2.1 直接调制 1、半导体激光器(LD)的调制特性
【LD的工作原理】
半导体激光器是向半导体PN结注入电流， 实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利 用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光 振荡的。
(a)电原理图 (b)调制特性曲线
半导体激光器调制
• 半导体激光器的输出特性及光谱特性
线性磁光调制示意图
直接调制的原理 直接调制是指加载的调制信号在激光震荡的过程 中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数， 从而达到改变激光输出特性实现调制的目的直接 调制只适用于半导体激光器和发光二极管，这是 因为发光二极管和半导体激光器基本上与注入电 流成正比，而且电流的变化转换为光频调制也呈 线性，所以可以通过改变注入电流来实现光强度 调制。 例如，利用调制讯号直接控制激光器的泵浦 电源来调制激光器的输出参数（一般激光强 度），一般在半导体激光器中应用。
磁光调制
（原理及直接调制）
09级物理学一班 高菲
磁光效应：光通过磁化的物体时，其传播特 性发生变化。 • 法拉第效应 法拉第在1845年发现：当一束平面偏振光 通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面 受到正比于外加磁场平行于传播方向分量 的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第 效应。 • 旋光现象 当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质 时，偏振面旋转的现象称为天然旋光，简 称旋光现象。
法拉第效应—磁光调制实验
法拉第效应—磁光调制实验汪能058摘要当线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则光的振动面将发生旋转，这种磁致旋光现象是1845年由法拉第第一发觉的，故称为法拉第效应。
通过法拉第效应—慈光调制实验能够研究ZF6重火石玻璃在不同波长下的费尔德而常量，研究其色散曲线，进而测量电子的荷质比。
关键词法拉第效应旋光角费德尔常量荷质比1.引言1845年，法拉第（）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发觉了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，若是在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光通过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。
如图⑴所示：图⑴法拉第效应偏振面转过的角度φ知足以下公式：φ＝VBD其中B为磁场强度，D为介质厚度，V为费德尔常量。
下表为若干物质的费德尔常量。
物质T/℃λ/nm V/(′)T-1cm-1空气0 580 ×10-2一氧化氮0 580 ×10-2水20 580 ×102甲醇20 589 ×102水晶20 589 ×102重火石玻璃20 589图⑵若干物质的费德尔常量法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术进展后，其应用价值愈来愈受到重视。
如用于光纤通信中的磁光隔离器，是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关。
利用法拉第效应驰豫时刻短的特点制成的磁光效应磁强计能够测量脉冲强磁场、交变强磁场。
在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，能够测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。
磁光调制主要应用于光偏振微小旋转角的测量技术，它是通过测量光束通过某种物质时偏振面的旋转角度来测量物质的活性，这种测量旋光的技术在科学研究、工业和医疗中有普遍的用途，在生物和化学领域和新兴的生命科学领域中也是重要的测量手腕。
如物质的纯度控制、糖分测定；不对称合成化合物的纯度测定；制药业中的产物分析和纯度检测；医疗和生化中酶作用的研究；生命科学中研究核糖和核酸和生命物质中左旋氨基酸的测量；人体血液中或尿液中糖份的测定等。
光电子技术 磁光调制
磁光调制主要是应用法拉第旋转效应: VBL
一、磁光调制器结构与原理
结构与电光强度调制器 结构相同，需要相互正交的 起、检偏振器。
为了获得线性调制，在 垂直于光传播的方向上加一 恒定的偏置磁场Hdc. 其强度 足以使晶体饱和磁化。它不 仅影响透射光的旋转角，还 影响透射光的振幅，因而影 响透过率。
§3.4磁光调制
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，入射光通过磁光 晶体YIG(钇铁石榴石: Y3Fe5O12)时，由于法 拉第旋转效应，其偏振 面发生旋转，旋转角正H t
H dc
L0
(3 64)
s是单位长度饱和法拉
第旋转角；H 0 sinH t
是调制磁场。
再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。
§3.4磁光调制
二、磁光调制器特点 优点：工作所需的功率低，受温度影响小。 缺点：仍限于红外波段。 实际上，磁光器件更多地用于光隔离器等光通信器
件。
光信号调制的过程
光信号调制的过程光信号调制是将电信号转换为光信号的过程，通过调制技术可以将电信号传输到远距离的地方。
下面将从调制的基本原理、调制方法和调制器件等方面来详细介绍光信号调制的过程。
一、调制的基本原理光信号调制是利用光的强弱、频率和相位等特性，将电信号转换为光信号，以便在光纤中传输。
调制的基本原理是通过改变光的某种特性，来携带电信号的信息。
二、调制方法1. 频率调制（FM）：通过改变光的频率来携带电信号的信息。
频率调制通常用于调制模拟信号，如音频信号。
2. 强度调制（AM）：通过改变光的强度来携带电信号的信息。
强度调制常用于调制数字信号，如数据传输等。
3. 相位调制（PM）：通过改变光的相位来携带电信号的信息。
相位调制常用于光通信中的调制技术。
三、调制器件1. 激光二极管（LD）：激光二极管是一种常用的光源，可以将电信号转换为光信号。
2. 光调制器：光调制器是一种用于改变光的特性的器件，可以实现光信号调制。
常见的光调制器包括电吸收调制器（EAM）、电光调制器（Mach-Zehnder调制器）等。
3. 光纤：光纤是用于传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等优点。
四、光信号调制的过程光信号调制的过程可以分为以下几个步骤：1. 电信号产生：首先，需要产生一个电信号，这个信号可以是模拟信号或数字信号。
模拟信号可以是声音、图像等连续信号，数字信号可以是计算机数据等离散信号。
2. 信号调制：将电信号通过调制器件进行调制。
不同的调制方法使用不同的调制器件，如频率调制使用频率调制器，强度调制使用强度调制器等。
调制过程中，电信号的特性被转换为光信号的特性。
3. 光信号传输：经过调制后的光信号通过光纤进行传输。
光信号在光纤中以光的形式传播，具有低损耗、高带宽等优点。
4. 光信号解调：在接收端，需要对光信号进行解调，将光信号转换为电信号。
解调过程使用解调器件，如光电探测器等。
5. 电信号处理：解调后的电信号可以进行进一步的处理，如放大、滤波、解码等，以恢复原始的信号。
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；
第08章光学信号的调制
理学院 光电子与物理学系
8.2.2 脉冲调制
Φ
8.2 光信号调制的基本原理
Φ
0
t
0
t
原始脉冲波形
脉冲幅度调制
Φ
Φ
0
t
0
t
脉冲频率调制
脉冲宽度调制
应用：－－激光测距、目标跟踪与识别 等······
8.2 光信号调制的基本原理
8.2.3 编 码 调 制
把模拟信号先变成脉冲序列，再变成代表信号 信息的二进制编码，然后对载波进行强度调制。
驱动
电路
InGaAsP 激光器
C
光纤 RL 放大器
PIN
判别
电路
输出
光强度调制，··· ···
➢光学信号变换 举例
场镜、光锥等光学系统会聚目标辐射能量
光机扫描扩大视场
光谱滤波消除背景辐射干扰
色散光栅实现光谱的空间分离
光强度调制，··· ···
光电系统中光学信号变换有着重要的意义，其变换方法 也很多。本章重点讲述光信号的强度、频率、相位和偏 振等参数的调制。
将信息直接加载到光载波上的调制，称为一次调制 人为地按确定的规律变换载波信号，称为二次调制
光电系统中常用的调制大多是二次调制
第08章 光学信号的调制
8.1 光信号调制的概述 8.2 光信号调制的基本原理 8.3 光信号调制的基本方法 8.4 调制信号的解调
理学院 光电子与物理学系
8.2 光信号调制的基本原理
2.机电调制
光栅是具有周期性空间结构或光学性能（如透射率、
反射率等）的光学元件。
计量光栅
（空间周期P>>λ ）
衍射光栅
（空间周期P≈λ ）
光学中的光学调制方程
光学中的光学调制方程光学调制方程是指光学器件中的光场与外界调制信号之间的关系。
调制的目的不仅是为了实现信号传输，更是为了在光通信、光存储、光传感等领域开展应用。
光调制主要有三种方式：振幅调制（AM）、相位调制（PM）和频率调制（FM）。
本文将重点讲述光在振幅调制和相位调制下的调制方程式。
一、振幅调制的光学方程式振幅调制，即将模拟信号电流与光源亮度的线性关系转化为模拟信号电流与光幅度的线性关系。
通过调制光的幅度，实现对数字信息的传输。
设偏振射线电场为Ei=E0Xcosωt, 其中E0为振幅、X为振幅调制器的调制函数，cosωt为振幅调制的载波信号。
偏振射线通过波片会分为光场电场与垂直于光场电场的电场两个偏振向量，设它们的幅度分别为E1和E2，两个偏振向量所对应的光强分别为I1和I2。
我们可以计算得出调制后光场电场的功率为：P=0.5E02X2 —（ 1）偏振器的作用是为光线带上一个特定方向的偏振向量，使光线沿这一方向传播。
如果偏振器的方向为φ，与光场电场方向的夹角为θ，则有：I=I0sin2 (θ-φ) —（ 2）其中,I0为偏振器透射光强度零偏值。
当I1和I2经过偏振器得到透射时，两个方向上的光强度可分别表示为：I1=I0sin2 (θ-φ)，I2=I0sin2 ((θ+π/2)-φ)代入上式可得：P=0.5E^2_0 [Xcos(ωt)+Xcos(ωt+π)] —（ 3）P=0.5E^2_0 Xcosωt —（ 4）这就得到了光学方程式。
由此可以看出，振幅调制后，光幅度的变化与振幅调制函数X 成正比。
即每个调制函数的周期内，光波频率不变，振幅发生变化，从而实现模拟信号的光电转换。
二、相位调制的光学方程式相位调制，即将模拟信号电流与光源相位的线性关系转化为模拟信号电流与光相位的线性关系。
通过调制光的相位，实现对数字信息的传输。
设照射在相位调制器上的光波通过器件后，产生一个加性相位变化量（其中包括直流分量和调制分量），并把光场电场变为E=E0cos（ωt+Φ），其中Φ为调制后的相位变化量。
第8章 光学信号的调制和解调
34
1. 纵向电光调制
将出射光强与入射光强相比，得：
怎么来的？
3 3 n x n y 2 n0 63 E z L 2 n0 63 V
V
2
V 3 2n0 63
33
1. 纵向电光调制
V 1 T sin ( ) [1 cos V 2V 2
第8章 光学信号的调制
8.1 光信号调制的概述 8.2 光信号调制的基本原理 8.3 光信号调制的基本方法 8.4 调制信号的解调
8.1 光信号调制的概述
光波是信息的载体，通常称为光载波。 1. 载波的特征参数？ 2. 调制：一次调制和二次调制
3. 二次调制的意义
1.光载波的特征参数
－－人眼和探测器起作用的是光波的电场强度
8.3.1 光信号强度的调制 8.3.2 光信号相位的调制
8.3.3 光信号频率的调制
8.3.4 光信号偏振的调制
8.3.1 光信号强度的调制
可实现强度调制典型的方法
1. 辐射源调制
2. 机电调制 3. 光电子调制
需要掌握
1.辐射源调制
--改变输入电流来实现光强度的调制 1)半导体激光器调制 －－调制频率40GHz
E (t ) E sin[0 t m f sin( t )]
调制指数m 对调频波形的影响
启动虚拟仪器 LabVIEW8.6仿真信号
E (t ) E sin[0 t m f sin( t )]
调频波的频谱由载频ω0和无数对边频(ω0 ±nΩ)组成 调频波的另一特征：调频波有效带宽随调制信 号振幅增大而变宽，但与调制信号的频率基本 无关 根据对信号失真要求的不同，调频波有效 频宽不同，一般取
光学信号的调制
(3)声光调制器
－－衍射光强度调制 ＋1级（或－1级）光输出
布拉格型声光调制器
I1 2 sin ( )， Ps Ii 2 2
Ii I1
I1 0.5 m sin t Ii
4，8，……
0100，1000，……
数字信号
5.3 光学信号调制的基本方法
可调参数： －－光强、振幅、频率、相位、 －－偏振方向、传播方向，· · · · ··
一、 光信号强度的调制 二、 光信号相位的调制 三、光信号频率的调制 四、 光信号偏振的调制
一、 光信号强度的调制
可实现强度调制典型的方法
喇曼－奈斯衍射：
布拉格衍射：
特点：平面光栅，多级衍
射，零级光最强，其他级衍 射光对称地分布在零级光两 侧，光强依次递减。
特点：体光栅，只出现
零级和一级衍射光;超声场 足够强，入射能量几乎全 部转移到＋1级（－1级）
布拉格声光衍射光能利用率高，因而大部分调制器均 采用行波声场的布拉格型声光调制器！
（3）声光调制器 －－应用： 衍射光强度调制 衍射光频率调制 衍射光方向调制
反射率等）的光学元件。
计量光栅
（空间周期P>>λ ）
衍射光栅
（空间周期P≈λ ）
典型的计量光栅
－－光栅莫尔条纹
结构： 小夹角 主光栅--定光栅 指示光栅--动光栅
B
P
典型的计量光栅
－－光栅莫尔条纹
结构：
光栅莫尔条纹 原理：
两光栅移动，莫尔条纹移动 光通量明暗交替变化 光栅位移信息－－光强信号
背景大张角
目标小张角
b. 用调制盘进行空间滤波
空间滤波分析：
初升太阳 调制盘
磁光调制
（1）实验证明：振动面旋转的角度θ与材料 实验证明：振动面旋转的角度θ 的厚度L 浓度C 材料本身的旋光率α以及入 的厚度L、浓度C、材料本身的旋光率 以及入 射光的波长λ有关。 射光的波长λ有关。 对于固体： 对于固体：
θ =α ⋅L θ = c ⋅α ⋅ L
α为旋光率，表征了介质的旋光本领，它是入 为旋光率，表征了介质的旋光本领， 射光波长的函数。 射光波长的函数。 对于液体： 对于液体：
一、晶体的天然旋光效应： 晶体的天然旋光效应：
定义：线偏振光沿光轴通过某些透明介质后 通过某些透明介质后， 1.定义：线偏振光沿光轴通过某些透明介质后， 它的电矢量振动方向将绕着光的传播方向旋转 旋光现象。 过某一角度θ 称为旋光现象 过某一角度 θ ，称为 旋光现象。 这种介质称为 旋光物质。如石英、 酒石酸钾钠等。 旋光物质。如石英、糖、酒石酸钾钠等。
A
A´
各向异性介质中： 各向异性介质中：
vR ≠ vL , n R ≠ n L
AL AR
δ= δ
2π
π θ = = (nR − nL ) ⋅ L 2 λ v R > v L , n R < n L , 右旋介质，θ < 0； v R < v L , n R > n L , 左旋介质，θ > 0。
圆的双折射
θ = V ⋅ B⋅ L
B
P1
P2
V叫做维尔德 叫做维尔德(Verdet)系数， 称为磁致旋光现象。 系数， 称为磁致旋光现象。 叫做维尔德 系数
θ
B
右旋
θ
B
θ
左旋
反射面
θ
B
θθ
B
B
当线偏光沿磁场方向通过磁光物质时， 当线偏光沿磁场方向通过磁光物质时，在迎光矢量 沿磁场方向通过磁光物质时 图上电振动方向右旋 右旋， 反射光逆磁场通过时 通过时， 图上电振动方向右旋，当反射光逆磁场通过时，电 左旋。 往返一次通过磁 振动方向左旋 所以，如果线偏光往返一次 振动方向左旋。所以，如果线偏光往返一次通过磁 光物质，振动面旋转过2 光物质，振动面旋转过2θ，利用这一特性在激光技 术中，制成光隔离器 使得反射光的振动方向改变， 光隔离器。 术中，制成光隔离器。使得反射光的振动方向改变， 避免了对前面光源的影响。 避免了对前面光源的影响。
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旋光现象
1811 年, 阿喇果(Arago)在研究石英晶体的双折射特性
时发现：一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，
其振动平面会相对原方向转过一个角度，如图所示。由 于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生
双折射，因而阿喇果发现的现象应属另外一种新现象，
这就是旋光现象 ( 当线偏振光沿光轴方向通过某些天然 介质时，偏振面旋转的现象称为天然旋光，简称旋光现 象 ) 。稍后，比奥 (Biot) 在一些蒸汽和液态物质中也观 察到了同样的旋光现象。
传播，迎着光线看，振动面向右旋转角度θ ，而当光束沿反
方向传播时，振动面仍沿原方向旋转，即迎着光线看振动面 向左旋转角度θ ，所以光束沿原路返回，一来一去两次通过 磁光介质，振动面与初始位置相比，转过了角度 2θ 。
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由于法拉第效应的这种不可逆性，使得它在光电子技术 中有着重要的应用。例如，在激光系统中，为了避免光路中 各光学界面的反射光对激光源产生干扰，可以利用法拉第效 应制成 光隔离器 ，只允许光从一个方向通过，而不允许 反向通过。
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1846年，法拉第发现，在磁场的作用下，本来不具有旋
光性的介质也产生了旋光性，能够使线偏振光的振动面发生
旋转，这就是法拉第效应。
将一根玻璃棒的两端抛光，放进螺线管的磁场
中，再加上起偏器P1和检偏器P2,让光束通过起偏器后顺着
磁场方向通过玻璃棒，光矢量的方向就会旋转，旋转的角度
可以用检偏器测量。
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究，发现光振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l
和磁感应强度B成正比，即：
θ =VBl
式中，V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。 一些常用物质的维尔德常数列于表 8-1。
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表 8-1 几种物质的维尔德常数
(用λ=0.5893μm的偏振光照明) 物 质 磷冕玻璃 轻火石玻璃 水晶(垂直光轴) 食盐 水 磷 二硫化碳 温 度 /° C 18 18 20 16 20 33 20 V/［弧度/(特· 米 )］ 4.86 9.22 4.83 10.44 3.81 38.57 12.30
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旋光现象
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实验还发现，不同旋光介质光振动矢量的旋转方向可能不
同，并因此将旋光介质分为左旋和右旋。当对着光线观察时， 使光振动矢量顺时针旋转的介质叫右旋光介质，逆时针旋转的
介质叫左旋光介质。自然界存在的石英晶体既有右旋的，也有 左旋的，它们的旋光本领在数值上相等，但方向相反。之所以 有这种左、右旋之分，是由于其结构不同造成的，右旋石英与 左旋石英的分子组成相同，都是SiO2，但分子的排列结构是镜 像对称的，反映在晶体外形上即是镜像对称。
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实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振 动方向转过的角度θ 与在该介质中通过的距离l成正比，
θ =α l
波长、介质的性质及温度有关。
比例系数α 表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光
介质的旋光本领因波长而异的现象称为旋光色散，石英
晶体的旋光率α 随光波长的变化规律如图所示。
例如，石英晶体的α 在光波长为 0.4μ m时，为49°/mm； 在0.5μ m时，为31°/mm；在0.65 μ m时，为16°/mm
线性磁光调制器结构示意图
实验表明，法拉第效应的旋光方向决定于外加磁场方 向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性，这 与具有可逆性的自然旋光效应不同。例如，线偏振光通过天 然右旋介质时，迎着光看去，振动面总是向右旋转，所以， 当从天然右旋介质出来的透射光沿原路返回时，振动面将回 到初始位置。但线偏振光通过磁光介质时，如果沿磁场方向
石英晶体的旋光色散
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对于具有旋光特性的溶液，光振动方向旋转的角度还与
溶液的浓度成正比，
θ =α cl
式中,α 称为溶液的比旋光率；c为溶液浓度。在实际应 用中,可以根据光振动方向转过的角度,确定该溶液的浓度。
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这种器件的结构示意图如图所示，让偏振 片P1与P2的透振方向成 45°角，调整磁感 应强度B，使从法拉第盒出来的光振动面相 对P1转过 45°，于是，刚好能通过P2 ；但 对于从后面光学系统(例如激光放大器 2 等)各界面反射回来的光，经P2和法拉第盒 后，其光矢量与P1垂直，因此被隔离而不能 返回到光源。
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法拉第光隔离器应用示意图
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天然旋光效应与磁光效应的本质区别 • 光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度 与正向入射时相反，因而往返通过介质的 总效果是偏转角为零； • 而磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光 的传播方向无关，因而光往返通过法拉第 旋光物质时，偏转角度增加一倍。 旋转角
后来，维尔德(Verdet)对法拉第效应进行了仔细的研