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。

把一个染料盒置于激光腔内可以构成一个被动式Q开关,开关时间一般为10～10秒。

这种方法比较简单、经济，但开关时间不能精确控制。

此外，染料的寿命较短。

采用恢复吸收率的驰豫时间短的染料溶液可以实现激光器的锁模工作，获得10～10秒的超短脉冲。

②主动调制
包括机械调制、电光调制、声光调制和磁光调制等。

a、机械调制
利用放在腔内的高速旋转体，如反射镜或全反射棱镜来控制光学谐振腔的Q值变化，可以实现Q调制。

这种调制方法简单，插入损耗低，有较高的抗破坏能力，但开关速度低（～0.1微秒）,需要使用高速马达。

在腔外用高速旋转的开缝转盘很容易制成光斩波器，实现光强的低频调制。

b、电光调制
利用某些晶体、液体或气体在外加电场作用下折射率发生变化的现象进行调制。

电光调制分为线性电光调制和平方电光调制两种。

①线性电光调制：所用介质折射率的变化与电场强度成线性关系（泡克耳斯效应）。

常见的线性电光调制又分纵向电光调制和横向电光调制两种。

纵向调制装置(图1)采用磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢铵(ADP)等晶体,使入射光的振动方向平行于晶轴x1或x2。

沿光轴x3方向加上电场,这时晶体呈双折射性，有一对与原晶轴(x1,x2)成45°的感应轴。

振动方向沿感应轴和垂直于感应轴的光的两个分量的相位差,随外加电压的变化而变化。

光束通过晶体后,其偏振状态受到调制。

再通过图中所示的检偏器，光的振幅受到调制。

用稍微不同一点的装置可以获得相位调制。

横向调制典型装置（图2）采用钽酸锂、砷化镓等晶体，入射光的振动方向与晶体x3轴成45°，晶体中外加电场方向垂直于光束方向。

这种调制方式的调制度与晶体的长宽比有关，可以用增加长宽比的方法来降低晶体上所需的电压。

②平方电光调制：所用介质感生的光学双折射是外加电场强度的二次函数（克尔效
应）。

这类介质有晶体（如钽铌酸钾）和液体（如硝基苯、溴化苯等）。

利用克尔效应进行调制的方法称为平方电光调制。

c、声光调制
利用光在声场中的衍射现象进行调制。

当声波传入到介质中时，介质中存在着疏密波，介质的折射率也相应地发生周期性的变化，形成以声波波长值为常数的等效相位光栅。

当光束以一定的角度入射到此介质中时，光束即发生衍射（图3）。

衍射光的强度、频率和方向都随声场的变化而变化。

这样，就可以实现光束的调制和偏转。

声光衍射可分为喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射两种。

后者衍射效率高,常被采用。

声光调制器通常由电声换能器、声光介质和吸声装置组成。

声光调制具有驱动功率低、光损耗小、消光比高等优点。

d、磁光调制
线偏振光通过具有法拉第效应的介质时在磁场作用下，其偏振面发生旋转。

利用这种效应也可进行光调制。

磁光调制所用材料有钇铁石榴石、掺镓钇铁石榴石和重火石玻璃等。

由于材料透明波段的限制，磁光调制主要用于红外波段。

电光调制是用电源使得些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。

声光调制是光波在介质中传播时，被超生波场衍射或散射的现象。

介质的折射率周期变化形成折射率光栅时，光波在介质中传播就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化；磁光调制器是改变线圈的电源来控制磁场的改变，以达到改变光信号的偏振方向。

（3）腔外调制：只改变腔外光波参数而不影响激光振荡本身的一种调制方法，主要用于光偏转、扫描、隔离、调相、调幅和斩波等方面。

腔外调制一般都采用主动方式。

由于数字光通信的突出优点，所以其有很好应用的前景。

首先因为数字光信号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；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；第三数字光通信设备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统。

此外，还可以利用电场、磁场或温度等参数的改变实现光波的频率调制。

二、光强度调制技术
（1）微弯效应光强度调制技术
利用光在微弯光纤中强度的衰减原理，将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯析构成的变形器中构成调制器。

从波导理论的观点来看，当光纤发生弯曲时，传输光会有一部分泄漏到包层中去，这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果，这些耦合模变为辐射模，造成传播光能量的损耗。

纤芯中的光向包层逸出的原因从几何光学来说是由于全反射条件的破坏造成的，从波导理论来说则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合，则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模。

（2）光强度的外调制技术
·上述微弯调制技术属于内调制，属于功能性调制技术，它是利用光纤本身特性的改变来实现光调制的。

所谓外调制技术，是指调制环节发生在光纤以前的部分，光纤本身的性质并不改变，它只起到传光的作用。

此时的光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，或发送光纤和接收光纤，由于接收光强与接收光纤的端面的法向方面有关，于是接收光纤的端面可以视为接收信号。

由输入光纤出射的光投射到反射面上，其反射光的一部分进入输出光纤，进入多少与反射面位置有关。

（3）遮光型光强外调制技术
·上面所言为反射式，除此之外还有遮光式，一种办法是将发射光纤和接取光纤对准，光强调制信号加在移动的遮光板上；另一种方法是直接移动接收光纤。

这两种方式都是使接收光纤只能收到发送光纤发出的部分光，从而实现光调制。

用这种办法可以测量位移、压力、温度等物理量，这些物理量的变化都可使光强减弱由于闸式要使两光纤距离大一些，因此光损耗较大，但它可固定两光纤，因而使用可靠。

（4）折射率光强度调制技术
反射系数与两介质的折射率有关，利用折射率的变化来改变反射系数，则可达到调制光强的目的，下图给出了一种典型装置：由光纤左端入射的光，一部分沿光路返回到探测器。

调制机理是：光纤左端有两个反射面，其中底面的为全反射面（镀膜而成），两反射面搭接，斜面反射面与折射率为的介质接触，调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上，则纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透射到的介质中去。

（5）波长调制技术
波长调制技术主要是利用传感探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。

此类传感器多为非功能型传感器。

在波长（颜色）调制探头中，光纤只是简单地作为导光用，即把入射光送往测量区，而将返回的调制光送往分析器。

常用的光调节方式分为电光晶体调节，声光调节和磁光调节和半导体激光器的电流直接调节。

其中电光晶体调节分为泡克耳斯效应和克尔效应原理;声光调节利用超声光栅的衍射原理；磁光调节利用磁光晶体的法拉第效应,激光器电流调器利用输入激光器的电子数控制粒子数翻转来控制激光光强。

电光调制可以对振幅调制，也可以对相位调制，但是其调制带宽易受外电路参数影响，且一个最高调制频率限制；声光调制和磁光调制都只能对振幅调制，但声光调制若应用布拉格衍射可获得较大的调制带宽和较高的调制频率，磁光调制原理简单，易于控制操作。

这几种光调制方式都只能用模拟信号调制，电流直接调制还可以用数字信号调制，且这种调制方式简单，能工作在高频，并能保持良好的线性工作区和带宽，但是半导体激光器功耗较大。