磁光调制,直接调制
直接调制和空间光调制
1.6.3 几种典型的空间光调制器
1、泡克尔斯读出光调制器（PROM） 为了满足实时处理的要求，陆续出现了多种结构
原理的器件，其中以硅酸铋（简写为BSO）晶体材 料制成的空间光调制器的倒了较快的发展。BSO不 但具有光电效应，而且还具有线性电光效应，半波 电压较低，BSO-PROM空间光调制器的结构示意图如 图：
4
1.5.2 半导体光源的模拟调制
无论是使用LD或LED作为光源，都要施加偏置电流Ib， 使工作点处于LD后LED的线性工作区。调制线性好坏与 调制深度m有关：
LD： m=
调制电流幅度
偏置电流-阈值电流
LED: m=
调制电流幅度 偏置电流
5
由这两个图可以看出，m大时，调制信号幅度大，但 线性差；m小时。线性好，但调制幅度小，因此要选 择合适的m值。
1.5.1 半导体激光器（LD）直接调制原理
由半导体的激光输出特性图可以看出：
半导体激光器有一个阈值电流It，到驱动电流小于It时，激 光器基本上不发光或只发出微弱的荧光；当驱动电流大于It 时，开始发射激光。
其光谱特性图如图：
输 出 功 率
高于阈值
相
对
强
低于阈值
度Leabharlann 驱动电流波长1
若把调制信号加到激光器上，就可以直接改变激光 器输出光信号的强度。 半导体激光器调制原理示意图：
13
（2）非相干光—相干光转换 在实时处理系统中，可以把写入的非相干光信号转换
成输出的相干光信号。因为实时处理系统的对象往往是 一个实际物体，一般的光学系统只能使它形成一个非相 干图像，但在处理中却要求一个相干图像，以便进行频 域处理或进行基于光干涉的处理等。
IW
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。
34磁光调制
例如：法拉第旋转器的应用
VHL
1. 磁光体调制器
z
入射光 YIG棒 起偏器 调制信号
Hdc
45 z
检偏器
磁光调制示意图
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。 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。
蛇形磁场变化的周期为
2 T Δ
：TE模和TM模传播常数之差。 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。
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。由电信号 于它是在光源内部进行的，因此又 输入 称为内调制。
H t 0 sin H L s 0 H dc
s：是单位长度饱和法拉第旋转角；
H t ：是调制磁场 0sin H
如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。
2. 磁光波导调制器
x
TM TE TM
y
z
磁光波导模式转换调制器
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。
半导体发光二极管是如何发光的？
16 14 12 Po 10 ut(mW) 8 6 4 2 0
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。
磁光调制实验
1．李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成
为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立
之势”。这说明该企业的创办
()
A．打破了外商对中国航运业的垄断
B．阻止了外国对中国的经济侵略
C．标志着中国近代化的起步
D．使李鸿章转变为民族资本家
解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家； 洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业 的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵 制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D 三项表述都有错误。 答案：A
11
主控单元后面板 注意：“调制输出”输出的是交流信号 “励磁输出”输出的是直流流信号 两接口不要接反，否则会烧坏线圈
12
实验内容及测试方法
调出磁光调制倍频现象 测出直流磁光调制θ∽I曲线
方法一：消光法：直接消光法测量。 方法二：交流倍频法 采用在交流磁光调制下出现的标准倍频现象 做为基准，通过示波器波形间接测量消光位 置。
交流磁光调制0siniit??t?sin0bb?t???sin0???????????tiiii???????sin2cos122cos12cos00020????????6??为起偏器pp与检偏器aa主截面之间的夹角ii00为光强的幅值当线圈通以交流电信号设调制线圈产生的磁场为则介质相应地会产生旋转角设起偏器与检偏器的夹角为??初始入射光强为则从检偏器输出的光强为
消光法：起、检偏器透光轴垂直时，消光；加直流磁光调 制，光偏转一角度，则消光现象消失；再转动检偏器出现 消光，此时，检偏器转过的角度就是磁光调制使光偏振面 旋转的角度。
交流倍频法测直流磁光调制：以交流磁光调制出现的标准 倍频现象做为基准，检偏器只有在直流调制消光位置时， 才出现倍频信号（此倍频信号可以通过示波器观察，灵敏 度高于光强），由此可用示波器上出现的倍频信号来精确 确定直流调制消光位置。通过调节检偏器，重复出现的标 准倍频现象来判断磁致旋转角变化角度。
磁光调制实验
实验七 磁光调制实验一、 实验背景介绍（一）概述磁光调制是利用某些晶体的磁光效应，对光信号进行调制，使光信号的幅度随着调制信号的变化而变化，实现把调制信号加载到光信号上。
磁光调制在光电检测，光通讯，光显示等领域有着广泛的应用。
（二）磁光效应原理 磁光效应置于外磁场中的物体，在光与外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象。
法拉第效应 1845年由M.法拉第发现。
当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度θ与磁感应强度B 和光穿越介质的长度l 的乘积成正比，即V B L θ=⋅⋅，比例系数V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关。
偏转方向取决于介质性质和磁场方向。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的表面时，偏振光的光强I 可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L 和右旋圆偏振光I R ，对应的电矢量为E L 和E R ，两者旋转方向相反。
在磁场作用下，处于磁场中的介质呈现各向异性，由于介质对两者具有不同的折射率n L 和n R ，E L 的传播速度与E R 不同，当它们穿过厚度为L 的介质后会产生相位差，E L 与E R 旋转角度为θL 与θR ，合成电矢量则旋转一个角度θ。
2L L n L πθλ= y=Acos(wt+θ) 初相位的改变 2R R n L πθλ=因θθθθ+=-R L1()()()22L R L R R L Ln n L n n cπωθθθλ=-=-=- （2）其中n R 为在磁场作用下，右旋圆偏振光通过介质的折射率，n L 为左旋圆偏振光通过介质的折射率，c 为真空中的光速。
如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得（1）式，并由θ值与测得的B 与L 求出维尔德常数V图2 入射光偏振面的旋转运动3 交流磁光调制二、磁光调制实验（一）实验要求1、了解磁光调制实验的原理和方法2、了解磁光调制器用于光通讯的基本原理3、掌握磁光调制器的主要参数的测试方法 （二）实验内容1、测定旋光角与激励电流的关系2、出来晶体的半波电压和工作电压3、观察输出光强极小时，产生的倍频信号4、电光调制实现光通讯演示5、测试电光晶体的消光比和透射率 （三）实验步骤1、实验前的准备（1）按图组成实验系统，首先在光具座上放置好激光器和电接受器（2）设置实验仪（3）光路校准（4）插入起偏器，调节起偏器的高度和转角，使激光束垂直入射镜面，旋转起偏器，使透射光强最大。
磁光调制实验报告
磁光调制实验报告课程：_____光电子实验_____**：：专业：信息工程大学工程管理学院磁光调制实验报告一、实验目的1 观察磁光调制现象2 测量调制深度与调制角幅度3测定旋光角与外加磁场的关系4 测量直流磁场对磁光介质的影响5 磁光调制与光通讯实验演示二、实验原理1 磁光效应当平面偏振光穿透*种介质时，假设在沿平行于光的传播方向施加一磁场，光波的偏振面会发生旋转，实验说明其旋转角θ正比于外加的磁场强度B，这种现象称为法拉第〔Faraday〕效应，也称磁致旋光效应，简称磁光效应，即：θ (1)=vlB式中l为光波在介质中的路径，ν为表征磁致旋光效应特征的比例系数，称为维尔德〔Verdet〕常数。
由于磁致旋光的偏振方向会使反射光引起的旋角加倍，而与光的传播方向无关，利用这一特性在激光技术中可制成具有光调制、光开关、光隔离、光偏转等功能性磁光器件，其中磁光调制为其最典型的一种。
图1 磁光效应示意图如图1所示，在磁光介质的外围加一个励磁线圈就构成根本的磁光调制器件。
2 直流磁光调制当线偏振光平行于外磁场入射磁光介质的外表时，偏振光的光强I可以分解成如图2所示的左旋圆偏振光I L和右旋圆偏振光I R〔两者旋转方向相反〕。
由于介质对两者具有不同的折射率n L和n R，当它们穿过厚度为l的介质后分别产生不同的相位差，表达在角位移上有：式中λ为光波波长 因θθθθ+=-R L()()l n n R L R L ⨯-=-=λπθθθ221( 2 ) 如折射率差()R L n n -正比于磁场强度B ，即可得〔1〕式，并由θ值与测得的B 与l 求出威德尔常数υ。
3 交流磁光调制用一交流电信号对励磁线圈进展鼓励，使其对介质产生一交变磁场，就组成了交流〔信号〕磁光调制器〔此时的励磁线圈称为调制线圈〕，在线圈未通电流并且不计光损耗的情况下，设起偏器P 的线偏振光振幅为A 0，则A 0可分解为A 0 cos α及A 0 sin α两垂直分量，其中只有平行于P 平面的A 0 cos α分量才能通过检偏器，故有输出光强αα2020cos )cos (I A I ==〔马吕斯定律〕其中200A I =为其振幅。
3.3-3.4 声光磁光调制3.31
2011-1126页 2011-11-22 共26页 8
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DOWN
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声光调制器的组成
声光调制器是由声光介质、 声换能器 吸声(或反射 声换能器、 或反射)装置 声光调制器是由声光介质、电-声换能器、吸声 或反射 装置 及驱动电源等所组成。 及驱动电源等所组成。 (1)声光介质，声光介质是声光互作用的 声光介质， 声光介质 场所。当一束光通过变化的超声场时， 场所。当一束光通过变化的超声场时， 由于光和超声场的互作用， 由于光和超声场的互作用，其出射光就 Laser out Laser in 具有随时间而变化的各级衍射光， 具有随时间而变化的各级衍射光，利用 衍射光的强度随超声波强度的变化而变 吸声装置 化的性质，就可以制成光强度调制器。 化的性质，就可以制成光强度调制器。 (2)电—声换能器 又称超声发生器 电 声换能器 又称超声发生器) 声换能器(又称超声发生器 (3)吸声 或反射 装置(放置在超声源的对面 。 吸声(或反射 放置在超声源的对面)。 吸声 或反射)装置 放置在超声源的对面 (4)驱动电源 它用以产生调制电信号施加于 驱动电源 声换能器的两端电极上， 电—声换能器的两端电极上，驱动声光调制 声换能器的两端电极上 器(换能器 工作。 换能器)工作。 换能器 工作
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拉曼-纳斯衍射 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， 产生拉曼 纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光 纳斯衍射的条件 波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时 较短时， 波平行于声波面入射，声光互作用长度 较短时，在 光波通过介质的时间内， 光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不 则声光介质可近似看作为相对静止的“ 计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相 位栅” 位栅”。 拉曼-纳斯衍射的特点 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， 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 多级衍射光。 布的多级衍射光。
光电子技术题库
1: 色温是指在规定的两波长处，具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。
1．自发跃迁是指处于高能级的一个原子自发的向低能级跃迁并发出一个光子的过程。
受激跃迁是指处于高能级态的一个原子在一定的辐射场的作用下，跃迁到低能级态并辐射出一个与入射光子相同的光子的过程。
2．按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为：拉曼纳斯衍射和布喇格衍射。
3．磁光效应是指外加磁场作用引起材料光学各向异性的现象。
法拉第磁光效应的规律：a:对于给定的介质，光振动面的旋转角与样品的长度外加的磁感应强度成正比。
B:光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右互换。
4．光束调制按其调制的性质可分为：调幅，调频，调相，强度调制。
要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样，量化，编码。
5．光热效应是指探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的变化，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件电学性质或其他物理性质发生变化。
6．本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测，非本征型光敏电阻通常在低温条件下工作，常用于中远红外辐射探测。
7．CCD的基本功能为电荷存储和电荷转移。
CCD按结构可分为线阵CCD和面阵CCD。
8．LCD可分为两大类：溶致液晶和热致液晶。
作为显示技术应用的LCD是热致液晶。
9．附加：光栅传感器反射的波长叫布喇格波长。
10．受激辐射下光谱宽度的类型分为均匀展宽和非均匀展宽，其中均匀展宽主要有自然展宽，碰撞展宽，热振动展宽，非均匀展宽有多普勒展宽，残余应力展宽。
11．常见的固体激光器有红宝石，钕，钛宝石，气体激光器主要有氦氖和CO2. 12．电致折射率变化是指晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电场后，将引起束缚电荷的重新分布并导致离子晶格的微小变形，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率的变化。
13．光纤色散的主要危害是使脉冲信号展宽，限制了光纤的带宽或传输容量。
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。
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。
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；
光调制
光调制光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。
调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。
承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。
光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。
一、光调制的方法（1）直接调制法：外加信号直接控制激光器的泵浦源，如控制半导体激光器的注入电流，从而使激光的某些参量得到调制。
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。
a 、半导体激光器（LD ）直接调制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。
b 、半导体发光二极管（LED ）的调制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。
c 、半导体光源的模拟调制无论是使用 LD 或LED 作光源，其调制线性好坏与调制深度m 有关：偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度=-=m m :L E D :LD d 、半导体光源的脉冲编码数字调制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。
（2）腔内调制：腔内调制是通过改变激光器的参数如增益、谐振腔Q 值或光程等实现的，主要用于Q开关、腔测空、锁模等技术。
腔内调制又分为被动式与主动式两类。
①被动调制这种调制利用某些吸收波长与激光波长一致的可饱和吸收体(如染料)的非线性吸收特性。
法拉第效应—磁光调制试验
法拉第效应—磁光调制实验汪能06300190058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年由法拉第首先发现的，故称为法拉第效应。
通过法拉第效应—慈光调制实验可以研究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（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经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满足以下公式：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。
法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。
如用于光纤通讯中的磁光隔离器，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间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、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，可以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，它是通过测量光束经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、工业和医疗中有广泛的用途，在生物和化学领域以及新兴的生命科学领域中也是重要的测量手段。
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以及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。
2.费德尔常量的测量实验中，直接利用公式：φ＝VBD作φ～B曲线求斜率得到费德尔常量。
光电子技术第2章 光辐射的调制
一、电光效应
线性电光效应 （Pockels）
nE
介质原本是单轴晶体。
2
nE 二次电光效应 （Kerr） 介质原本是各向同性晶体。
电光调制基于线性电光效应。
1. 63的纵向电光效应
KDP负单轴晶体
Z切
光传播方向与 电场方向一致
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。
3 0 63 3 0 63
半波电压 U / 2 :造成光程差 / 2 U2
3 2n0 63
2. 63 的横向电光效应
光传播方向与 电场方向垂直
对KDP晶体采用45°-Z切。强电场E//Z轴,KDP 变为双轴晶体。入射光沿X轴方向进入晶体， 其偏振方向与Z、Y成45°，在晶体中分解为Z、 Y方向两个振幅相同的线偏振光。
3.电光晶体材料
用于线性电光效应的电光晶体，除要求电光 效应强以外，还需综合考虑： 对使用的波段要有较高的透过率；光学均匀 性好、耐压高；对光波和调制波的损耗小； 折射率随温度的变化较小； 化学性质稳定，易于获得大尺寸晶体等。
、
在可见和近红外区主要有KDP类晶体、 LiTaO3、LiNbO3、KTN等。 在中红外区有GaAs、Cucl、CdTe等。
2
则通过P2的光强： 二者有固定相位差π+δ，
I 2 A A 2 Az 2 Ay 2 cos( ) 2 A 2 A cos
2 z2 2 y2 2 y2 2 y2
A 2 (1 cos ) I1 sin 2 2
2 1
式中，
2
U
I 2 / I1 ~ U
第二章 光辐射的调制
第4讲 声光磁光及其它调制
3.3.2 声光相互作用的两种类型
按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光 互作用可以分为拉曼—纳斯(Raman—Nath)衍射和布拉格(Bragg) 衍射两种类型。
n(x) n0 n sin(ks x)
垂直入射情况
式中no为平均折射率； n为声致折射率变化。由于介质折
射率发生了周期性的变化，所以会对入射光波的相位进行调
制。如果考察的是一平面光波垂直入射的情况，它在声光介
质的前表面y＝-L／2处入射，入射光波为
Ein A exp(ict)
则在 y＝L／2处出射的光波不再是单色平面波，而是一个被调 制了的光波，其等相面是由函数n(x)决定的折皱曲面，该出射 波阵面可分成若干个子波源，则在很远的P点处总的衍射光场 强是所有子波源贡献的求和
1 拉曼-纳斯衍射
声
当超声波频率较低，光波平行于声波面入射
波x
(即垂直于声场传播方向)，声光互作用长度L较短
时，产生拉曼—纳斯衍射。由于声速比光速小很多，
故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而 且声波长λs比光波长λ大得多，当光波平行通过介
入射 光
质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制， 面 光
G 4 (为布拉格衍射区） G （为拉曼 纳斯衍射区）
3.3.3 声光体调制器
1．声光体调制器的组成
声光体调制器是由声光介质、电—声换能器、吸声(或反射) 装置及驱动电源等所组成，如图所示。
(1)声光介质，声光介质是声光互作用的 场所。当一束光通过变化的超声场时， 由于光和超声场的互作用，其出射光就 具有随时间而变化的各级衍射光，利用 衍射光的强度随超声波强度的变化而变 化的性质，就可以制成光强度调制器。
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•
图5-16
• 半导体激光器有一个阈值电流It，当驱动电流密度小
于It时，激光器基本上不发光或只发很弱的、谱线宽度 很宽、方向性较差的荧光；当驱动电流密度大于It时， 则开始发射激光，此时谱线宽度、辐射方向明显变窄， 强度显著增大，而且随着电流的增加呈现线性增长，如 图5-17所示。
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
Hdc
45 z
YIG棒
调制信号
检偏器
图5-14 磁光调制示意图
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。
图5-18 （b）
图5-20（b）
LD :
调制电流幅度 m 偏置电流阈值电流
调制电流幅度 LED : m 偏置电流
5.1.4.3 半导体光源的PCM数字调制
• 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。
5.1.4 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（LD或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。
• 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。
5.1.4.1 半导体激光器直接调制的原理
• 半导体激光器（LD）是电子与光子相互作用并进行能量
• 另外，偏置电流直接影响LD的调制性能，通
常应选择Ib在阈值附近且略低于It，以使LD获得 较高的调制速率。但若Ib选得太大，又会使激光 器的消光比变差，所以在选择偏置电流时，要综 合考虑其影响。
• 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Ib，所以功耗 较大，从而引起温升，会影响或破坏器件的正常 工作。双异质结激光器的出现，使激光器的阈值 电流密度比同质结大为降低，可在室温下以连续 调制方式工作。
蛇形磁场变化的周期为：
T
2 Δ
• ：TE模和TM模传播常数之差。
• 由于薄膜与衬底之间晶格常数和热膨胀的失配，以磁化方向处
在薄膜平面，薄膜平面内的退磁化因子为0，故用小的磁化场就
可使磁化强度M在薄膜平面内自由转动。若激光（λ=1.152μm）
有两个棱镜耦合器输入和输出，入射的是TM模，由于法拉第磁
图5-17
C L直流偏置
输 出
LD~ 调制信号
功 率
输出光强信
号t
(a)
直流
调制信 号
t
偏置 (bt) 图5-18 半导体激光器调制原理示意图
(a) 电原理图；(b) 调制特性曲线
图5-18所示为半导体激光器调制原理以及输出功率与调制信 号的关系曲线。
为了获得线性调制，使工作点位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。但是，应把直流偏置源与调制信号源 相隔离，避免直流偏置源对调制信号源产生影响。当频率较低时， 可用电容和电感线圈串接来实现；当频率较高（大于50MHz）时， 则应采用高通滤波电路。
光旋转效应，随着光波在波导薄膜中沿z方向（磁化方向）传输，
原来处于薄膜平面内的电场矢量（x方向），即TM模转换成TE模。
由于磁光效应与磁化强度M在传播方向z上的分量MZ成正比，故
在z轴和y轴间45°方向上加一直流磁场Hdc后，改变输入蛇形线
路中的电流，就可以改变Mz，从而改变其转换效率。
• 当输入的电流大到使M沿z方向饱和时，则转换效率达到
LED1 LD2
Pout( 12
LD1
mW) 10
8
6
4Байду номын сангаас
2 0 100 200 300 400
0
I(mW)
图5-19 LED与LD 的Pout-I曲线比较
5.1.4.3 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5-18（b）和图5-20 （b）所示。其调制线性好坏与调制深度m有关：
5.1.3.3 磁光波导调制器
x
T
M
TTE y
•
z
M
图5-15 磁光波导模式转 换调制器
• 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。
最大。若器件的T=2.5μm，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=1.152μm）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
蛇形线路的电流频率为0~80MHz，均可观察到两个模式 的光强度被调制的情况。
5.1.3 磁光调制 5.1.4 直接调制
5.1.3 磁光调制
5.1.3.1磁光效应 定义：若沿物体的某一方向施加一外磁场，物体内各
磁畴的磁矩就会向磁场方向偏转，对外呈现磁性，从而引 起物质的光学各向异性，这种现象称为磁光效应。光通过 磁化的物体时，其传播特性发生变化。
磁光调制主要是应用法拉第旋光效应，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，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
• 要使半导体激光器在高频调制下不产生调制失真，
最基本的要求是：输出功率应与阈值以上的电流呈良好 的线性关系；
• 另外，为了克服弛豫振荡，应采用条宽较窄的激光
器结构。直接调制会使激光器主模强度下降，而次模强 度相对增大，从而使激光器谱线加宽；而调制所产生的 脉冲宽度△t与谱线宽度△v之间相互制约。因此，直接调 制半导体激光器的调制能量受到△t△v乘积的限制。
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YIG晶体时，由于法拉 第旋光效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强
度H。
s
H 0 sin H t
H dc
L0
VHL
s：是单位长度饱和法拉第旋转角； ：是调制磁场。
如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制 光。
• 故在高频调制下宜采用量子阱结构或其他外调制器。
5.1.4.2 半导体发光二极管的调制特性
• 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5-19示出 了LED与LD的P－I特性曲线的比较。
16
14
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。
• 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。