1 激光调制

第一章 激光调制
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 §1.6 调制的基本概念与分类 电光调制 声光调制 磁光调制 直接调制 空间光调制
§1.1 调制的基本概念与分类
回顾一下激光的几个基本概念：
1）激光特点？ 2）激光频率范围？激光是电磁波吗？ 3）电磁波谱如何排列？激光是可以被调制的吗？
外调制：用调制信号改变调制器的物理特性，使光波的某参量受到调制。
内调制特点：
优点： 调制效率高； 缺点：因腔内损耗增加，
降低了输出功率，
调制带宽受限。
外调制特点： 优点：输出功率不变； 调制带宽大； 缺点：调制效率低。
激光调制按其调制的性质可以分为振幅、强度、频率、位相调制等。
§1.1.1 振幅调制 振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。 设激光载波的电场强为：
强度调制, 就可以得到相应变化的光脉冲序列。
周期脉冲序列载波
脉冲编码调制（一般了解）
先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（如何进行 抽样、量化和编码，课后看书）。
c

c
m
c

利用 cos( ) cos cos sin sin 三角公式展开(1.1-10)式，得：
e(t ) Ac cos( c t c ) cos(m sin m t ) sin( c t c ) sin(m sin m t )
强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。 （强度调制形式最为常用，因为探测器一般都是直接地响应光强度变化。 光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波电场强度有效值的平方):
I (t ) e2 (t ) Ac2 cos2 (ct c )
（ .1 13) 1
考虑经过光强调制以后不失真，则平均光强应选在 I0/2 。 则:
则调相波的表达式为：
(1.1-8)
e(t ) Ac cos(c t m cos mt c )
式中，m
(1.1-9)
k Am
称为调相系数。
调频/调相波的频谱：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： （1.1-10) e(t ) A cos t m sin t
是常数，而是随调制信号而变化, 即:
(t ) c (t ) c k f a(t )
若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为：
(1.1 5)
(t ) (t )dt c c k f a(t ) dt c
c t k f a(t )dt c c t k f ( Am cos mt )dt c c t m f sin mt c (1.1 6) k f Am 其中： m f 称为调频系数，kf 称为比例系数。
1)激光特点：三好一高（四性）。 a) 单色性好：激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。而
普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。 b) 相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作 用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（而 由自发辐射产生的普通光则是非相干光）。 c)方向性好：激光束的发散角很小，几乎可以视为平行的光线，激光照射到月 球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，即便是最 好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。 d) 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1000倍，是目前最亮的光源，强激光 甚至可产生上亿度的高温。 2)激光是电磁波(10-100THz)的一种 ，如果把每个波段的频率由低至高依次排 列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线。 3） 因而激光和电磁波一样可以用来作为传递信息的载波，这种将信息加载于激光 的过程称之为调制。

(1.1-11)
(1.1-11) 将式中 cos(m sin mt )和sin(m sin m t ) 两项按贝塞尔函数展开：

cos(m sin m t ) J 0 (m) 2 J 2 n (m) cos(2n m t ) n1
sin(m sin m t ) 2 J 2 n 1 (m) sin(2n 1) m t
2 Ac I (t ) 1 k p a(t ) 2

cos2 ( c t c )
(1.1-14)
k 式中， p 为比例系数。设调制信号是单频余弦波 a(t ) Am cos( mt ) ,
将其代入上式, 并令 k p Am mp (称为强度调制系数)，则（当mp << 1时)
制和数字式调制(也称为脉冲编码调制)。它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, 如下图所示, 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
优点：在传输过程中，尽管大气抖动等干扰波会直接叠加到光信号波上，
但经解调后，其信息是包含在调频的副载波中，故其信息不会受到干扰， 可以无失真的再现出原来的信息。
1.1.4 脉冲调制 （了解）
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。而在目前的光通信中广泛采用一种在不连续状态下进行调制的脉冲调
m
m
则调制波的表达式为：
e(t ) Ac cos( ct m f sin mt c )
(1.1 7)
同样地，相位调制就是(1.1-1)式中的相位角c 号的变化规律而变化，调相波的总相角为：
也不再是常数，而是随调制信
(t ) ct c k a(t ) ct c k Am cosmt

cos2 ( c t c )
对mp的要求：mp＜1，这样就要求：
I0 1 m p sin mt I 0 波形不失真 2
§1.1.3
频率调制和相位调制━━简称调频和调相
使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。 对于调频，就是(1.1-1)式 e (t ) A cos( t ) c c c c 中的角频率ωc 不再
式中：ma = Am / Ac 称为调幅系数。可见，调幅波的频谱是由三个频率成分组成 的，其中，第1项是载频分量，第2、3项是因调制而产生的新分量，称为边频分 量(见下图1.1所示)。 若令：m
对m的要求：
A Ac
m＜1,保证调制信号在传输过程中不畸变。 m≥1时，使调制信号失真。
§1.1-2 强度调制
可得： sin sin 1 cos( ) cos( )

J1 (m) cos (c m )t c J 2 (m) cos (c 2m )t c J 2 (m) cos (c 2m )t c
2 Ac I (t ) 1 m p cos m t 2

cos2 ( c t c )
(1.1-15)
光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有 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。
2 Ac I (t ) 1 m p cos m t 2
尽管激光调制有各种不同的各分类，但其调制的工作机理主要都是基于
电光、声光、磁光等各种物理效应。（下一节论述）
当 m=1时，角度调制波的频谱 如右图1.1-2所示：
显然, 若调制信号不是单频正弦 波, 则其频谱将更加复杂。 另外，当角度调制系数较小 （m<<1）时，其频谱与调幅波 有着相同的形式。
0.77
0.44
0.11 0.02
mf 1
c
6 mm源自图1.1-2角度调制波的频谱
强度调制的实际应用中的FM / IM调制：即为了得到较强的抗干扰效果， 经常利用二次调制方式，即：先将低频信号对一高频副载波进行频率调制， 然后再利用这个已调制频波对光载波进行强度调制，使光的强度按副载波 信号的变化而变化。
n 1
（调制系数m可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数的值。） 将以上两式代入(1.1-11) 式并利用三角函数关系式:
cos cos 1 cos( ) cos( ) 2 2 e(t ) Ac J 0 (m) cos(ct c ) J1 (m) cos ( c m )t c
激光光波的电场强度是：
ec (t ) Ac cos( c t c )
式中：Ac 振幅， c 角频率 ， c 相位角 。
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。
内调制：加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激 光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制。 例如：1）注入式半导体激光器(也称直接调制)。2）调Q技术

Ac J 0 (m) cos(ct c ) Ac J n (m) cos(c nm )t c (1) n cos(c nm )t c n1
(1.1-12)

可见，在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在它两边对 称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔是 m , 各边频幅度 的大小 J n (m) 由贝塞尔函数决定。