3.5直接调制概述
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2
1 V I I 0 [1 sin( )] 2 V
在调制信号比较强时
Vm Vm I 1 [1 2 J1 ( )sin mt 2 J 3 ( )sin 3mt ] I0 2 V V
含有高次谐波成分——为防此失真，消除高次谐波。
Vm
Vm Vm m 1 V 2 V
共15页 4
UP
DOWN
BACK
13
~
Ir Io Iw
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 硫化镉液晶光阀示意图：1.介质膜；2, 12.平板玻璃；3, 11.透明电极；4.,7.液 晶分子取向膜层； 5.液晶；6.隔圈； 8.多层介质膜反射镜； 9.隔光层； 10.光 导层； 13.电源
BACK
1.半导体激光器（LD Laser Diode ）直接调制的原理
半导体激光器是如何发光的？
多模（左）及单模（右）输出谱 UP DOWN BACK
共15页 14
输 出 功 5 率 (mW)
0
10
相 100 对 80 辐 60 射 强 40 度 20 (%)
50 100 It 150 驱动电流(mA)
A BCDEF
调制光输出 A B 导电膜 C 液晶层 D 介质反射镜
E 光阻挡层
F 光电导层
共15页 12
UP
DOWN
BACK
直接调制（内调制）
将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED
LD
电信号 输入
输入 接口
线路 编码
调制 电路
耦合 器
光信号输出
控制电路
共15页 13
UP
DOWN
共15页 5
UP
DOWN
BACK
第3章知识归纳
调制： 激光调制：利用要传递的信息作为调制讯号去改变激 光的某一参数，使其参数按调制信号的规律变化过程， 参数振幅、强度、相位、频率等。 强度调制 1.定义：利用调制信号去改变激光强度，使光强按调制信号的 规律变化。 I 2.方法： mp 1 I (t ) 0 (1 m p sin mt ) cos 2 c t 2 电光调制：利用晶体的电光效应和偏光的干涉原理使Ｉ — Ｖ变化
共15页 3
UP
DOWN
BACK
液晶空间光调制器
有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，这时，它 一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性(如光学、力学、热学的 各向异性)，这种过渡相态称之为“液晶”。 液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强 的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场(电、热、磁等)， 液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即改变液晶的 物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的 电光效应。
2
综合考虑以上因素， V 选在 ~ 之间 10 2 ＫＤＰ纵向运用 ＬＮ横向运用，ｙ（ｘ＇）加场——ｚ向通光
共15页 7
UP
DOWN
BACK
声光调制 调制信号 电功率 换能器 （注意逆压电效应 f s 和ｄ关系） f 2880 千赫 s d 2 驱动源 超声波 P k p s n( x, t) n n0 sin( ks x st) 行波 n( x, t) n n0 cos ks x sin st 驻波 声光介质 声光效应 弹性应变 ( x, t ) n( x, t ) 正弦相位光栅 2n0 L 衍射光强相应地变化（强度调制） 入射光 衍射光 V 喇曼——奈斯衍射—— I0 , I1 , I 1 多级光 平面相位光栅 2 i 2 sin m s Im J m ( ) l s i 布拉格衍射 2 i I I cos 0 i 2s 2
A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
x
共15页 2
UP
DOWN
BACK
或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是一种对光波的空 间分布进行调制的器件。它的英文名称是Spatial Light Modulator(SLM)。 空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成一维或二维阵列，每个 单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质 (透过率、反射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这些单元光 学性质的信号称为“写入信号”，写入信号可以是光信号也可以是电信号，射入 器件并被调制的光波称为“读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输 出光”。实时的二维并行处理。
UP DOWN BACK
共15页 1
3.7 空间光调制器
前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，而且对与光 传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果是相同的。空间光调制器可以形 成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率 A(x,y)＝A0T(x,y)
或者是形成随坐标变化的相位分布
y
共15页 18
UP
DOWN
BACK
3.半导体光源的模拟调制
+Ec
LED Ub Ic Pout
已调光波
t
Ico
I
(b)
(a) 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
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，
共15页 9
UP
DOWN BACK c , c m , c 2 m
电光调制器：电场控制 （克尔效应或泡克耳斯效应） 时间调制器 磁光调制器（磁光效应） 声光调制器：用超声信号驱动
幅度大而速度快的光强时间调制器可 作光开关 幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器
共15页 22
UP
DOWN
BACK
由于数字光通信的突出优点，具有很好应用的前景。 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； 最后，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。
改变S0
I1 Ii sin
共15页 8
2
2
Ii sin (
2
2
L M 2 Ps ) H
UP
DOWN
BACK
I1 2 sin ( Ii 2
L M 2 Ps ) H
空间相位光栅 调制信号 Ps S0 n0 v I m s2 调制效率 l (3 ~ 4)
空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点而变化，
进行调制，可产生光强的某种空间分布。
共15页 10
UP
DOWN
BACK
空间调制器特点：增强输入图像，将非相干光 图像转换为相干光图像。
x
45°偏振片
反射镜 y
液晶显示原理
共15页 11
UP
DOWN
BACK
液晶光阀
读出光输入 写入光
偏振分光棱镜
(a)
输 出 功 率
直流偏置
输出光强信号
t
调制信号
t
(b)
半导体激光器调制 (a) 电原理图；(b) 调制特性曲线 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。
共15页 16
t
UP
DOWN
BACK
2.半导体发光二极管（LED Light Emitting Diode ）的调制特性
共15页 23
UP
DOWN
BACK
知识延伸
1、简述光纤通信中激光器直接调制的 定义、用途和特点。 答：直接调制：即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电 流的大小，改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。 传统的PDH和2.5Gbit／s速率以下的SDH系统使用的LED或LD光源基 本上采用的都是这种调制方式。 直接调制方式的特点是: 输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低
共15页 19
UP
DOWN
BACK
其调制线性好坏与调制深度m有关：
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
共15页 20
UP
DOWN
BACK
4.半导体光源的脉冲编码数字调制
Pout
Pout
O Ib ID t
t I
O
I
(a)
t
(b)
数字调制特性 (a) 加Ib后LD数字调制特性；(b) LED数字调制特性
线性矩形调制
共15页 21
UP
DOWN
BACK
调制器及波形
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
i
e(t ) Ac (cos ct m sin mt )
直接调制——半导体激光器中用 相位调制 激光相位按调制信号的规律变化。 电光相位调制 光通过晶体时得到一附加相位，根据电光效应，附加相位按调 制信号的规律变化—只能有一束偏振光通过晶体 ＫＤＰ纵向运用，ｚ向加电场，ｙ＇偏振，z方向通光 相位调制的结果，光的频谱发生变化，出现边频
共15页 25
UP
DOWN
BACK
4、三网融合的含义、有哪些融合、具备哪些技术？
答：“三网融合”又叫“三网合一”，意指电信网络、有线电视网 络和计算机网络的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统 一的信息通信网络，其中互联网是其核心部分。 三网融合，在概念上从不同角度和层次上分析，可以涉及到技术 融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。 具备技术：基础数字技术：使话音、数据和图像信号都通过统一 的数字信号编码进行传输和交换，为各种信息的传输、交换、选路 和处理奠定了基础。宽带技术：特别是光通信技术的发展为传送各 种业务信息提供了必要的带宽、传输质量和低成本。软件技术： 现 代通信设备已成为高度智能化和软件化的产品。
1 1 V I I 0 sin I 0 (1 cos ) I 0 (1 cos ) 2 2 2 V
2
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UP
DOWN
BACK
调制信号 V n I 变 实现光强调制
一般情况下，Ｉ和Ｖ不是线性关系。 1 只有在 V=V处近似线性，选择工作点，加 波片 4
答：LD和LED相比，其主要区别在于，前者发出的是激光，后者发出 的是荧光，因此，LED的谱线宽度较宽，调制效率低，与光纤的耦合效 率也较低；但它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，适用于 短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输 系统，在高速率的PDH和SDH设备上已被广泛采用。
SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列) PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字系列)
UP DOWN BACK
共15页 24
2、编码器可分为信源编码和（ 信道编码 ）两部分
3、阐述光源半导体激光器LD和半导体发光二极管LED的主要区 别和作用。
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。
直接调制
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。
半导体激光器（LD）直接调制 半导体发光二极管（LED）的调制
半导体发光二极管是如何发光的？
源自文库
共15页 17
UP
DOWN
BACK
16 14 12 Po 10 ut(mW) 8 6 4 2 0
0
LED1 LD1
LD2
LED2
LED3
LED4
100
200
I(mW)
300
400
LED与LD 的Pout-I曲线比较 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。
高于阈值 低于阈值
0
850 950 1050
波长(m)
半导体激光器的输出特性
半导体激光器的光谱特性
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。
UP DOWN BACK
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C
LD
L
直流偏置
~ 调制信号
1 V I I 0 [1 sin( )] 2 V
在调制信号比较强时
Vm Vm I 1 [1 2 J1 ( )sin mt 2 J 3 ( )sin 3mt ] I0 2 V V
含有高次谐波成分——为防此失真，消除高次谐波。
Vm
Vm Vm m 1 V 2 V
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13
~
Ir Io Iw
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 硫化镉液晶光阀示意图：1.介质膜；2, 12.平板玻璃；3, 11.透明电极；4.,7.液 晶分子取向膜层； 5.液晶；6.隔圈； 8.多层介质膜反射镜； 9.隔光层； 10.光 导层； 13.电源
BACK
1.半导体激光器（LD Laser Diode ）直接调制的原理
半导体激光器是如何发光的？
多模（左）及单模（右）输出谱 UP DOWN BACK
共15页 14
输 出 功 5 率 (mW)
0
10
相 100 对 80 辐 60 射 强 40 度 20 (%)
50 100 It 150 驱动电流(mA)
A BCDEF
调制光输出 A B 导电膜 C 液晶层 D 介质反射镜
E 光阻挡层
F 光电导层
共15页 12
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BACK
直接调制（内调制）
将要传送的信息转变为电流信号注入LD或LED
LD
电信号 输入
输入 接口
线路 编码
调制 电路
耦合 器
光信号输出
控制电路
共15页 13
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共15页 5
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第3章知识归纳
调制： 激光调制：利用要传递的信息作为调制讯号去改变激 光的某一参数，使其参数按调制信号的规律变化过程， 参数振幅、强度、相位、频率等。 强度调制 1.定义：利用调制信号去改变激光强度，使光强按调制信号的 规律变化。 I 2.方法： mp 1 I (t ) 0 (1 m p sin mt ) cos 2 c t 2 电光调制：利用晶体的电光效应和偏光的干涉原理使Ｉ — Ｖ变化
共15页 3
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BACK
液晶空间光调制器
有些物质不是直接由固态变为液态，而是经过一个过渡相态，这时，它 一方面具有液体的流动性质，同时又有晶体的特性(如光学、力学、热学的 各向异性)，这种过渡相态称之为“液晶”。 液晶是一种有机化合物，一般由棒状柱形对称的分子构成，具有很强 的电偶极矩和容易极化的化学团。对这种物质施加外场(电、热、磁等)， 液晶分子的排列方向和液晶分子的流动位置就会发生变化，即改变液晶的 物理状态。如对液晶施加电场，它的光学性质就发生变化，这就是液晶的 电光效应。
2
综合考虑以上因素， V 选在 ~ 之间 10 2 ＫＤＰ纵向运用 ＬＮ横向运用，ｙ（ｘ＇）加场——ｚ向通光
共15页 7
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声光调制 调制信号 电功率 换能器 （注意逆压电效应 f s 和ｄ关系） f 2880 千赫 s d 2 驱动源 超声波 P k p s n( x, t) n n0 sin( ks x st) 行波 n( x, t) n n0 cos ks x sin st 驻波 声光介质 声光效应 弹性应变 ( x, t ) n( x, t ) 正弦相位光栅 2n0 L 衍射光强相应地变化（强度调制） 入射光 衍射光 V 喇曼——奈斯衍射—— I0 , I1 , I 1 多级光 平面相位光栅 2 i 2 sin m s Im J m ( ) l s i 布拉格衍射 2 i I I cos 0 i 2s 2
A(x,y)＝A0Texp[iθ(x,y)]
x
共15页 2
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或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。顾名思义，这是一种对光波的空 间分布进行调制的器件。它的英文名称是Spatial Light Modulator(SLM)。 空间光调制器含有许多独立单元，它们在空间排列成一维或二维阵列，每个 单元都可以独立地接受光信号或电信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质 (透过率、反射率、折射率等)，从而对通过它的光波进行调制；控制这些单元光 学性质的信号称为“写入信号”，写入信号可以是光信号也可以是电信号，射入 器件并被调制的光波称为“读出光”；经过空间光调制器后的输出光波称为“输 出光”。实时的二维并行处理。
UP DOWN BACK
共15页 1
3.7 空间光调制器
前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，而且对与光 传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果是相同的。空间光调制器可以形 成随xy坐标变化的振幅(或强度)透过率 A(x,y)＝A0T(x,y)
或者是形成随坐标变化的相位分布
y
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BACK
3.半导体光源的模拟调制
+Ec
LED Ub Ic Pout
已调光波
t
Ico
I
(b)
(a) 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
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，
共15页 9
UP
DOWN BACK c , c m , c 2 m
电光调制器：电场控制 （克尔效应或泡克耳斯效应） 时间调制器 磁光调制器（磁光效应） 声光调制器：用超声信号驱动
幅度大而速度快的光强时间调制器可 作光开关 幅度大而有规律的光方向时间调制器可作光扫描器
共15页 22
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BACK
由于数字光通信的突出优点，具有很好应用的前景。 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； 最后，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。
改变S0
I1 Ii sin
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2
2
Ii sin (
2
2
L M 2 Ps ) H
UP
DOWN
BACK
I1 2 sin ( Ii 2
L M 2 Ps ) H
空间相位光栅 调制信号 Ps S0 n0 v I m s2 调制效率 l (3 ~ 4)
空间调制器：光强、偏振态或相位等随空间各点而变化，
进行调制，可产生光强的某种空间分布。
共15页 10
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DOWN
BACK
空间调制器特点：增强输入图像，将非相干光 图像转换为相干光图像。
x
45°偏振片
反射镜 y
液晶显示原理
共15页 11
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DOWN
BACK
液晶光阀
读出光输入 写入光
偏振分光棱镜
(a)
输 出 功 率
直流偏置
输出光强信号
t
调制信号
t
(b)
半导体激光器调制 (a) 电原理图；(b) 调制特性曲线 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。
共15页 16
t
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BACK
2.半导体发光二极管（LED Light Emitting Diode ）的调制特性
共15页 23
UP
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BACK
知识延伸
1、简述光纤通信中激光器直接调制的 定义、用途和特点。 答：直接调制：即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电 流的大小，改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。 传统的PDH和2.5Gbit／s速率以下的SDH系统使用的LED或LD光源基 本上采用的都是这种调制方式。 直接调制方式的特点是: 输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低
共15页 19
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DOWN
BACK
其调制线性好坏与调制深度m有关：
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
共15页 20
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4.半导体光源的脉冲编码数字调制
Pout
Pout
O Ib ID t
t I
O
I
(a)
t
(b)
数字调制特性 (a) 加Ib后LD数字调制特性；(b) LED数字调制特性
线性矩形调制
共15页 21
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DOWN
BACK
调制器及波形
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
i
e(t ) Ac (cos ct m sin mt )
直接调制——半导体激光器中用 相位调制 激光相位按调制信号的规律变化。 电光相位调制 光通过晶体时得到一附加相位，根据电光效应，附加相位按调 制信号的规律变化—只能有一束偏振光通过晶体 ＫＤＰ纵向运用，ｚ向加电场，ｙ＇偏振，z方向通光 相位调制的结果，光的频谱发生变化，出现边频
共15页 25
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BACK
4、三网融合的含义、有哪些融合、具备哪些技术？
答：“三网融合”又叫“三网合一”，意指电信网络、有线电视网 络和计算机网络的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统 一的信息通信网络，其中互联网是其核心部分。 三网融合，在概念上从不同角度和层次上分析，可以涉及到技术 融合、业务融合、行业融合、终端融合及网络融合。 具备技术：基础数字技术：使话音、数据和图像信号都通过统一 的数字信号编码进行传输和交换，为各种信息的传输、交换、选路 和处理奠定了基础。宽带技术：特别是光通信技术的发展为传送各 种业务信息提供了必要的带宽、传输质量和低成本。软件技术： 现 代通信设备已成为高度智能化和软件化的产品。
1 1 V I I 0 sin I 0 (1 cos ) I 0 (1 cos ) 2 2 2 V
2
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调制信号 V n I 变 实现光强调制
一般情况下，Ｉ和Ｖ不是线性关系。 1 只有在 V=V处近似线性，选择工作点，加 波片 4
答：LD和LED相比，其主要区别在于，前者发出的是激光，后者发出 的是荧光，因此，LED的谱线宽度较宽，调制效率低，与光纤的耦合效 率也较低；但它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，适用于 短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输 系统，在高速率的PDH和SDH设备上已被广泛采用。
SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列) PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy，准同步数字系列)
UP DOWN BACK
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2、编码器可分为信源编码和（ 信道编码 ）两部分
3、阐述光源半导体激光器LD和半导体发光二极管LED的主要区 别和作用。
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。
直接调制
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。
半导体激光器（LD）直接调制 半导体发光二极管（LED）的调制
半导体发光二极管是如何发光的？
源自文库
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16 14 12 Po 10 ut(mW) 8 6 4 2 0
0
LED1 LD1
LD2
LED2
LED3
LED4
100
200
I(mW)
300
400
LED与LD 的Pout-I曲线比较 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。
高于阈值 低于阈值
0
850 950 1050
波长(m)
半导体激光器的输出特性
半导体激光器的光谱特性
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。
UP DOWN BACK
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C
LD
L
直流偏置
~ 调制信号