光调制

光波的电场强度
1.1光辐射调制的实现
E(t ) Ac cos(ct c )
其中 Ac 振幅
c 角频率 c 相位角
光波具有振幅、频率、相位、强度和偏 振等参量，能够通过某种物理效应改变 这些参量，使其按照调制信号的规律变 化，光波受到信号的调制，形成调制光。
1.2光辐射调制的分类
主轴：晶体中电位移矢量D和电场强度E方向一 致的方向 nx， ny和nz为折射率椭球x，y，z方向的折射率， 称为主折射率。
x y z 2 2 1 2 nx ny nz
2
2
2
4.1.2 电光效应
在外加电场作用时，主轴坐标系中，导致折射 率椭球发生变形，成为以下形式：
1 2 1 2 1 2 1 1 1 x y z 2 yz 2 xz 2 2 2 2 2 2 2 xy 1 n 1 n 2 n 3 n 4 n 5 n 6
ms ms E (t ) Ac cos( c t c ) Ac cos[( c m )t c ] Ac cos[( c m )t c ] 2 2
载频分量 边频分量
不再是常量，而是与 调制信号成正比。
调幅波频谱
频率调制和相位调制使得光载波的频率和相位随着调制 信号的变化规律而改变，两种调制表现为总相角ψ(t)的 变化，统称为角度调制。 频率调制：
a(t ) Am cosmt
E(t ) Ac cos(ct m f sin mt c )
其中
mf
k f Am
m


m
称为调频系数，kf 称为比例系数
2.3相位调制
相位调制
相位调制就是相位角不再是常数，而是随调制信号的变化 规律而变化，调相波的总相角为：
(t ) c t c k a(t ) c t c k Am cos mt

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。
2.5强度调制
强度调制是使得光载波的强度随着调制信号的变化而改 变，由于接收器一般都直接感受接受的光信息强度的变 化，所以强度调制是采用的比较多的一种方式。

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。
三、数字调制方式
3.1脉冲调制
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。 先用模拟调制信号对一个电脉冲序列 的某个参数（幅度、宽度、频率、位 置等）进行电调制，形成已调电脉冲， 然后再利用已调的电脉冲序列对光载 波进行强度调制，形成光脉冲序列。
12 22 32 42 52 62
13 23 E 33 x E 43 y Ez 53 63
其中6X3矩阵称为电光张量。
电光晶体的相位延迟性质，外加电压的变化， 会引起晶体中两个偏振方向的光的相位差改变， 电矢量的空间振动方向随着变化，可以用来控 制光波的某些参数，实现电光调制。 电光效应可以实现强度调制和相位调制。
E(t ) Ac cos(ct c ) 设调制信号是一个时间的余弦函数 a ( t ) A cos t m m E(t ) A (1 m cos t ) cos( t )
c
ms Am / Ac 调幅系数
边频分量

m
c
c 当进行激光振幅调制 之后，激光振幅 Ac
4.2声光调制
4.2.1声光调制的物理基础
声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时，它使介质产生相
应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起
介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生 相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光 栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长s。当光波通过此介质时， vs 就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的 x 变化而变化。
3.1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。
调制信号 幅度调制 脉宽调制 频率调制
脉位调制
三、数字调制方式
3.2脉冲编码调制
脉冲编码调制是把模拟信号先变成电脉 冲序列，进而变成表示信息的二进制编 码，然后再对光载波进行强度调制，要 实现上述过程，必须进行三个过程。
cos cos 1 cos( ) cos( ) 2
J 1 (m) cos ( c m )t c J 2 (m) cos ( c 2 m )t


n J ( m ) cos( n ) t ( 1 ) cos( c n m )t c n c m c n1
在外电场的作用下，折射率椭球各个系数随之 发生线性变化，变化量可定义为：
3 1 2 i , j E j ; (i 1,2, 6) n i j 1
γi,j
4.1.2 电光效应 为线性电光系数；i=1,2,…,6;j=1,2,3。
1 n 2 1 1 2 n 2 11 1 21 n 2 3 31 1 41 2 51 n 4 1 2 61 n 5 1 2 n 6
1.2光辐射调制的分类
按照调制器和激光器的关系：
外调制：在激光谐振腔以外的光路上放置调制 器，用调制信号改变调制器件的物理性质，当 光通过调制器件时，光波的某个参数发生变化。 外调制不改变激光器的参数，不涉及激光器的 内部结构，是目前应用广泛的一种调制方式； 内调制具有小型化、集成度高的特点，主要应 用在光通信的半导体激光器中，提高系统的集 成度。
抽样 量化 编码 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。
四、外调制
4.1电光调制
4.1.1电光调制的物理基础 光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而 折射率的分布又与其介电常量（电容率）密切相关。晶体折射率 可用施加电场E的幂级数表示，即
其中深色部分表示介质受到压缩，密度增 大，相应的折射率也增大，而白色部分表 示介质密度减小，对应的折射率也减小。 在行波声场作用下，介质折射率的增大或 减小交替变化
s
n
n n 0 图 超声行波在介质中的传播
4.2.2声光效应
介质的折射率不仅可以通过外加电场改变，外力作用亦可改变。由 于外力作用引起的介质光学性质的变化成为弹光效应。 声波在介质中传播时，引起介质的密度沿着声波传播的方向从呈现 周期分布，折射率也呈现周期分布，这种由于声波的作用引起的介 质光学性质的变化称之为声光效应。 介质中的声波分为行波和驻波两种形式。
激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为
I (t ) E 2 (t ) Ac2 cos2 (ct c )
a(t ) Am cosmt
2 c
mp k p Am 1
强度调制系数
2 A 2 c A 2 I ( t ) 1 k a ( t ) cos ( c t c 1 m p cosmt cos (c c ) I (t ) p 2 2
n n n0 E bE
2
式中， γE 是一次项，由该项引起的折射率变化，称为线性 电光效应或泡克耳斯(Pockels)效应；由二次项 bE2 引起的 折射率变化，称为二次电光效应或克尔（Kerr ）效应。对于 大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著
4.1.2 电光效应
2.2频率调制
E(t ) Ac cos(ct c )
角频率ωc 不再是常数，而是随调制信号而变化
t c t c k f at
若调制信号仍是一个余弦函数，则调频波的总相角为
t t dt c [c k f at ]dt c c t k f at dt c
电光调制是基于电光效应，某些晶体在外加电场 的作用下，折射率发生变化，使得在其中传播的 光信号的传播特性受到影响，称为电光效应。
电光效应被广泛使用来实现对光波（相位、频率、 偏振和强度）的控制，已经做成调制器、偏振控 制器和滤波器件等等。
4.1.2 电光效应
电致折射率变化（折射率椭球方法） 在未外加电场时，主轴坐标系中，折射率椭球由 以下方程：
三角公式展开，得：
e(t ) Ac cos( c t c ) cos(m sin m t )
将式中
sin( t ) sin(m sin t ) 两项按贝塞尔函数展开： c c m cos(m sin t )和sin(m sin t )
m m
sin(m sin m t ) 2 J 2 n 1 (m) sin(2n 1) m t
按照调制器和激光器的关系：
内调制：是指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。 调制信号改变激光器的泵浦驱动电流，使得输 出的激光强度受到调制（称为直接调制或者电 源调制） 在谐振腔内加入调制元件，用调制信号控制元 件的物理特性的变化，以改变谐振腔的参数， 从而改变激光器输出特性
1.2光辐射调制的分类 按照调制的性质：
幅度调制； 频率调制；
相位调制；
强度调制；

模拟调制
1.2光辐射调制的分类：
按照调制器的工作机理：
电光调制； 声光调制； 磁光调制； 直接调制（电源调制）

外调制
二、模拟调制 2.1振幅调制 幅度调制是使光载波的振幅随着调制信号的变化规律而 变化，简称调幅。
n 1
cos(m sin mt ) J 0 (m) 2 J 2 n (m) cos(2nmt ) n1

2.4频率调制和相位调制
将以上两式代入利用三角函数关系式：
sin sin 1 cos( ) cos( ) 2

可得
e(t ) Ac J 0 (m) cos( c t c ) J 1 (m) cos ( c m )t c c J 2 (m) cos ( c 2 m )t c Ac J 0 (m) cos( c t c ) Ac
E(t ) Ac cos(ct m cosmt c )
m k Am 调相系数
2.4频率调制和相位调制
频率调制和相位调制都是调制总相角，可以写成统一形 式，m 的调制系数。
利用
cos( ) cos cos sin sin
E(t ) Ac cos(ct m sin mt c )
光的调制技术
主要内容
一、光辐射的调制 二、模拟调制 三、数字调制方式 四、外调制
一、光辐射的调制 光辐射的调制：是指改变光波的振幅、强 度、频率、相位和偏振等参量使之载携信 息的技术过程。
可以完成将传输的信息加载到激光上的装 置称为调制器，承载信息的激光称为光载 波；传输的信息称为调制信号，加载信号 后的激光称为调制光。