声光调制

Id(fm) 0
t Ps
fm(Is)
图3声光调制特性曲线
11
在声功率Ps(或声强Is)较小的情况下，衍 射效率s随声强度Is单调地增加(近似呈线性 关系)：
s
L
2 2
2 2
2 cos B
M2Is
式中的因子是考虑了布喇格角对声光作用的 影响。由此可见，若对声强加以调制，衍射 光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率 高，且调制带宽较宽，故多被采用。
x
TM TE TM y

z
图2 磁光波导模式转换调制器
28
在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇 形线路，当电流通过蛇形线路时，蛇形线路 中某一条通道中的电流沿 y 方向，则相邻通 道中的电流沿y方向，该电流可产生z、z 方向交替变化的磁场，磁性薄膜内便可出现 沿z、z方向交替饱和磁化。蛇形磁场变化 的周期为：
1 3 n n PS 2
P是声光晶体的弹光系数 ，S为声光晶体在声 场作用下的弹性应变幅 值，与超声驱动功率 Ps 有关。改变Ps，一级衍射光的强度将 改变， 可以实现对光强的调制 。
I1 s I i
5
布喇格衍射
产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声 光作用长度L较大，光束与声波波面间以 一定的角度斜入射，介质具有“体光栅” 的性质。
15
B i
2 i , nw0
(参见教材 88页图3 16)
B
nw0
调制带宽
2vs 1 (f ) m f s cos B 2 w0
16
由上述可知：声光调制器的带宽与 声波穿国光束的度越时间（w0/v0）成反 比，即与光束的直径成反比。用宽度小 的光束可以得到较大的带宽。但光束发 散角不能太大，否则，0级和1级衍射会 有部分重叠，降低调制的效果。
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Pout t I
U
b
图7 模拟信号驱动电路激光强度调制 (a) 驱动电路；(b) LED工作特性
LD : LED:
调制电流幅度 m 偏置电流 阈值电流 调制电流幅度 m 偏置电流
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数字调制是用二进制数字信号“1”和“0” 码对光源发出的光波进行调制。而数字信号大 都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号 通过“抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经 过“量化”和“编码”过程，形成一组等幅度、 等宽度的矩形脉冲作为“码元”，结果将连续 的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后， 再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制， 其调制特性曲线如图8所示。
根据调制信号的类型，直接调制又 可以分为模拟调制和数字调制两种。
31
一.半导体激光器（LD）直接调制的原理
图3为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器 的输出光功率与驱动电流的关系曲线。
输 出 10 功 率 (mW) 5 0 50 100 It 150 200 驱动电流(mA)
图3半导体激光器的输出特性
2
n7 P 2 2 f0：声中心频率，M 1 (nvs ) M 2 为表征声光 vs
材料的调制带宽特性的品质因数。M1值越大，
20
声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。
四. 声束和光束的匹配
为了充分利用声能和光能，认为声光调制 器比较合理的情况是工作于声束和光束的 i (光束发散角 ) 发散角比 1 ，
i
d
电声换能器
L
y切割LiNbO3衬底
图4 声光波喇格波导调制器
24
3.4 磁光调制
磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使 一束线偏振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 ：
VHL
式中V为韦尔德系数，H 为沿光束传播方向
的磁场强度，L为光在介质中的传播长度。
25
一. 磁光体调制器
0 100 200 300 400 I(mW) 图6 LED与LD 的Pout-I曲线比较
37
三.半导体光源的模拟调制
无论是使用 LD或LED作光源，都要施加偏置电流Ib， 使其工作点处于LD或LED的P－I特性曲线的直线段， 如图7所示。其调制线性好坏与调制深度m有关：
+Ec LE D Ic 已调 光波 Ico (a) (b)
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图4所示半导体激光器的光谱特性。
100
相 对 辐 射 强 度
(%)
80 60 40 20
高于阈值 低于阈值8509Fra bibliotek01050
波长(m)
图4 半导体激光器的光谱特性
33
图5所示的是半导体激光器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Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。
光电子技术学课件之九： ——光束的调制和扫描（2）
声光调制、磁光调制和直接调制
制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华
1
复习相关知识
声光晶体等价于一个相位光栅 声波在介质中传播时，使介质产生弹性形 变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布， 因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性 变化。这如同一个光学“相位光栅”，光栅常 数等于声波长s。当光波通过此介质时，会产 生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都 随着超声场的变化而变化。
二、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。图6示出了LED与LD的 P－I特性曲线的比较。
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Pout(mW)
16 14 12 10 8 6 4 2 LED1 LD2 LED2 LD1 LED3 LED4
C
L
直流偏置
LD
~ 调制信号 (a)
输 出 功 率 直流偏置 t
t 输出光强信号
t 调制信号
(b)
图5半导体激光器调制 (a) 电原理图；(b) 调制特性曲线
34
半导体激光器处于连续调制工作 状态时，无论有无调制信号，由于有 直流偏置，所以功耗较大，甚至引起 温升，会影响或破坏器件的正常工作。
35
7
3.3
声光调制
一. 声光调制器的工作原理
声光调制是利用声光效应将信息加载于光频 载波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声 换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为 变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于 声光作用，使光载波受到调制而成为“携带” 信息的强度调制波。
8
(声束发散角 )
1.5时性能最好。
对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望 衍射光尽量与0级光分开，要求衍射光中心和0级光 中心之间的夹角大于 2，即大于 8 / d 0 。 由 于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于 f s / vs 。
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可分离条件为 :
1、拉曼-纳斯型声光调制器
调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源 频率低于 10MHz。只限于低频工作，带宽较小。
入射光
衍射光
调制信号
图1 拉曼-纳斯型声光调制器
9
2、布喇格型声光调制器
布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。
入射光
衍射光
调制信号
图2 声光调制器布喇格型
10
布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制 相似，如图3所示。由图可以看出：衍射效率 s与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为了 使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使 其工作在线性较好的区域。
2 T Δ
：TE模和TM模传播常数之差。
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磁光波导调制器 可将输入TM模的 （=1.52m）52%的功率转换到TE模 上去。磁光波导模式转换调制器的输 出耦合器一般使用具有高双折射的金 红石棱镜，使输出的TE和TM模分成 两条光束。
30
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 或半导体发光二极管 LED ），从而 获得调制光信号。由于它是在光源内部 进行的，因此又称为内调制。
3
各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：
ks sin m m m ki s
各级衍射光的强度为：
(m 0, 1, 2,)
I m J (v),
2 m
v (n)ki L
2

nL
4
衍射效率为：
I1 2 1 2 s sin ( nL) Ii 2
12
二. 调制带宽
调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它 是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标， 它受布喇格带宽的限制。 对于给定入射角和波长的光波，只有一个 确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。 当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有 限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围 内才能产生布拉格衍射。
8vs 8 2.55 fs d 0
2.55vs d 0 vs fs
d0：为高斯光束腰部直径，τ为声束穿越光束 的度越时间。
22
五. 声束和光束的匹配
声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图 如图4所示。相对于声波波前以B 入射的波导 光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成2B 角的1级衍射光。其光强为
磁光体调制器的组成如图1所示。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。
z
入射光 YIG棒
Hdc
45 z
起偏器
调制信号
检偏器
图1 磁光调制示意图
YIG:钇铁石榴石
26
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，旋转角正比于磁场强度H。
布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射 光将互相抵消，只出现0级和+1级（或1 级）衍射光 。
6
衍射效率为：
L I1 2 s sin Ii 2 L M 2 Ps H
I1 s I i
M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率； H为换能器的宽度，L为换能器的长度。同样 的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射 光的强度。
2
拉曼-纳斯衍射
产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较 低，光波平行于声波面入射，声光互作用长 度L较短时，在光波通过介质的时间内，折 射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近 似看作为相对静止的“平面相位栅”。 拉曼-纳斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各 子波源发出的次波将发生相干作用，形成与 入射方向对称分布的多级衍射光。
H 0 sin H t s L0 H dc
H 0 sin H t 是 s：是单位长度饱和法拉第旋转角；
调制磁场。如果再通过检偏器，就可以获得一 定强度变化的调制光。 27
二. 磁光波导调制器
以磁光波导模式转换调制器为例讨论磁光波导 调制器的原理。 图2所示为磁光波导模式转换调制器的结构，圆 盘形的钆镓石榴石（Gd3Ga5O12-GGG）衬底上，外 延生长掺Ga、Se的钇铁石榴石（YIG）磁性膜作为波 导层。
Δ I1 I i sin I i sin BV 2 ：在电场作用下导波光通过长度为L距离的 相位延迟；B是一比例系数，它取决于波导的 有效折射率neff等因素。
2
23
上式表明，衍射光强I1随电压V的变化而变化，
从而可实现对波导光的调制。
ks
入射光 衍射光
声 表 面 波 波导层
2 2
所需的声功率
Ps HLI s
2 cos2 B H
2M 2 L
19
可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获 得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而 且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄 （H小）。
2 Ps 2 s f 0 f M 1 3 cos B H
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(f ) m f 1 fs fs 2
即最大的调制带宽(f ) m 近似等于声频率fs的一 半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍 射才能得到。
18
三. 声光调制器的衍射效率
声光调制器的另一重要参量是衍射效率。， 要得到100％的调制所需要的声强度为
cos B Is 2 M 2 L2
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允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量 之间的关系为 ：
f s
2nv s cos B

B
14
设入射光束的发散角为i，声波束的发散 角为，对于衍射受限制的波束，这些波束发 散角与波长和束宽的关系分别近似为
2 i , nw0

s
D
w0：入射光束束腰半径；n：为介质的折射 率；D：声束宽度。