光束调制原理

E (t) Ac cos ct m sin m t c
利用 cos( ) cos cos sin sin
进一步得到：
E (t) Ac cos(ct c ) cos( m sin mt) sin(ct c ) sin( m sin mt)
《光电子技术》
Photoelectronic Technique
光束调制原理
主讲：周自刚 助教：范宗学
激光化 光源
传输 波导化
电子化 调制
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你是光电工程师会做什么?
1.1875年，英国Kerr发现电光效应Kerr效应，Kerr盒是可做成电电光光调调制器； 2.用KDP（磷酸二氢钾）晶体在电场作用双折射效应制电电光光调调制制器器； 3.用Pokels（泡克尔斯）效应制电电光光调调制制器器； 4.用超声波作用介质折射率周期变化声光效应制声光调制器； 5.用Faraday（法拉第效应）制磁磁光光调调制制器器。
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光发调制（内调制）
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一、基本概念
内调制
优 点：调制效率高。 缺 点：
a.由于调制器放在腔内，等于增加腔 内的损耗,降低了输出功率。
b.调制器带宽受到谐振腔通带的限制
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一、基本概念
外调制
指激光形成之后，在激光器外的光路 上放置调制器，用调制信号改变调制器 的物理特性，当激光通过调制器时，就 会使光波的某参量受到调制。
由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号等)通过一定的传 输通道(大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息 。这种将信息加载于激光的过程称之为调制。
解调?
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一、基本概念
完成这一过程的装置称为调制器(Modulator）。其中激光称为载波； 起控制作用的低频信息称为调制信号（需要调制的信息需转化为电信 号）。
知道调制系数m，就可从贝塞尔函数表查得各阶贝塞尔函数的值。
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三、角度调制
再利用三角函数关系式：
sin sin
1
2
cos( ) cos( )

可得：
cos
cos

1 2
cos(


)

cos(

)
E(t) AcJ0 (m)cos(ct c ) J1(m)cos[(c m)t c ]
kp ——比例系数
将其代入上式， 并令
mp k p Am
mp

I0(光强最大增量) I0 2(光强平均值)

Kp I0
A0 2
则
I (t )
A
2 c
2
1 m p cos m t
cos 2 ( c t c )
(强度调制系数)
频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频 m和直流分量。
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四、强度调制
当mp <1时，
I0 2
1 mp
sinmt

I0
波形不失真
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五、脉冲调制
以上几种调制形式所得到的调制波都是一种连续振荡的波, 称为模拟 式调制。另外, 在目前的光通信中还广泛采用一种在不连续状态下进行调制 的脉冲调制和数字式调制(也称为脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调 制（模拟脉冲调制或数字脉冲调制）, 再对光载波进行光强度调制。
ct mf sinmt c
mf

k f Am m
m
称为调频系数，kf 称为比例系数。
则调制波的表达式为： E (t ) Ac cos( c t m f sin m t c )
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三、角度调制
Ｂ、对于调相而言，
E c (t ) Ac cos( c t c )
c 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
(t) ct c ka(t) ct c k Am cosmt
则调相波的表达式为：
E(t) Ac cos(ct m cosmt c )
m k Am 称为调相系数。
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三、角度调制
由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此统一的形式
其调幅波的表达式为：
E(t) Ac 1 ma cosmtcos(ct c )
利用三角公式：
cos cos 1 cos( ) cos( )
2
得：
E (t)

Ac
cos( c t
c )
k 2
Ac
cos ( c
m )t
c
ωc 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：
(t) c (t) c k f a(t)
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三、角度调制
若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：
(t) (t)dt c c k f a(t) dt c
ct k f a(t)dt c ct k f (Am cosmt)dt c
A / D 变化
m(t) 抽样
量化 mq(t) 编码
信道
ms(t)
低通 滤波
译码
m(t)
mq(t)
干扰
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五、脉冲调制
脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)简称脉码调制 是一种将模拟信号转换为数字信号的编码形式； 1937年，法国工程师Alec Reeres最早提出； 1946年，美国Bell实验室第一台PCM数字电话终端机； 1962年，晶体管PCM用于市话网局间中继线，路数扩大24~30倍； 70年代后期，超大规模集成电路PCM编解码器，广泛用于光纤通信、数字微波 通信、卫星通信。

k 2
Ac
cos ( c
m )t
c
k A m A c 称为调幅比例系数。
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二、振幅调制 知识延展
调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。
振幅的最大值 Amax Ac kAm 振幅的最小值 Amin Ac kAm
振幅的最大增量 A Amax Ac Ac Amin
n1
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三、角度调制

E(t) AcJ0(m)cos( ct c) Ac Jn(m)[cos( c nm)t c (1)n cos(c nm)t c] n1
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 J n (m) , 各 边频幅度的大小 m由贝塞尔函数决定。
J1(m)cos[(c m)t c ] J2 (m)cos[(c 2m)t c ] J2(m)cos[(c 2m)t c ] }

Ac J0 (m)cos(ct c ) Ac Jn (m)[cos(c nm)t c (1)n cos(c nm)t c ]
2、量化
就是把抽样后的脉幅调制波作 分级取“整”处理，用有限个数的 代表值取代抽样值的大小。使得变 成数字信号。
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五、脉冲调制
抽样、量化与编码三个过程
9
五、脉冲调制
1、抽样
就是把连续信号波分割成不连续的脉冲 波，用一定的脉冲列来表示，且脉冲列的幅 度与信号波的幅度相对应。使得原来的模拟 信号变成一脉幅调制信号。按照抽样定理， 只要取样频率比所传递信号的最高频率大两 倍以上，就能恢复原信号。
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五、脉冲调制
激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波电场强度有 效值的平方):
I (t)

E 2 (t)

A
2 c
cos
2 ( c t
c )
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四、强度调制
强度调制的光强表达式 :
I(t)
Ac2 2
1 k pa(t)
cos2 (ct c )
设调制信号是单频余弦波 a (t ) Am cos( m t )
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三、角度调制
例题：如m=1时，角度调制波的频谱
0.77
0.44 0.11 0.02
c
m
6 m
角度调制波的频谱图
mf 1
若调制信号不是单频正弦

波, 则其频谱将更加复杂。另 外，当角度调制系数较小（即
m<<1） 时 ， 其 频 谱 与 调 幅 波
有着相同的形式。
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四、强度调制
强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。 激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器)一般都是直 接地响应其所接收的光强度变化的缘故。
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二、振幅调制
知识延展
调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。
振幅的最大值 Amax Ac kAm 振幅的最小值 Amin Ac kAm
振幅的最大增量 A Amax Ac Ac Amin
m A Ac
A kAm
m kAm Ac
m主要由k，Am决定(振幅比例系数k和调制信号的振幅Am)
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一、基本概念
激光光波的电场强度是：
E c ( t ) A c cos( c t c )
Ac 振幅
c 角频率
c 相位角
调制器与激光器的相对关系可分为：内调制和外调制
一、基本概念
内调制
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。
设激光载波的电场强度如： E c (t ) Ac cos( c t c )
如果调制信号是一个时间的余弦函数，即： a (t ) Am cos m t
Am 和 ωm 分别是调制信号的振幅和角频率。 当进行光振幅调制时，激光振幅 Ac 不再是常量，而是与调制信号成正比。
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二、振幅调制
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五、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。
（1）先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量 (幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调 制信号规律变化，成为已调脉冲序列。
（2）再用已调电脉冲序列对光载波进行强度调制， 就可以得到相应变化的光脉冲序列。
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二、振幅调制
知识延展
调制系数：振幅的最大增量与振幅的平均值之比。
对调制系数m的要求： m<1，保证调制信号在传输过程中
不畸变。 m≥1时，使调制信号失真。
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二、振幅调制
E (t)

Ac
cos( ct
c )
ma 2
Ac
cos ( c
m )t
c

ma 2
Ac
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三、角度调制
将式中 cos( m sin m t )和 sin( m sin m t )
两项按贝塞尔函数展开：

cos( m sin m t ) J 0 (m ) 2 J 2 n (m ) cos( 2 n m t ) n 1
sin( m sin m t ) 2 J 2 n 1 ( m ) sin ( 2 n 1) m t n 1
Ac
调
ma Ac 2
m a Ac
幅
2
波
c m
c
c m
频
谱
2 m
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三、角度调制
调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的
振荡。因为这两种调制波都表现为总相角 (t) 的变化，因此统称为角度调制。
Ａ、对于调频而言
E c (t ) Ac cos( c t c )
电信号输入
激光源
调制器
驱动和控制
光纤 光信号输出
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一、基本概念
优 点：
外调制
a.使用方便，不影响激光器的输出功率；
b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制；
c.比内调的调制速率高（约一个数量级）。
缺 点：
调制效率低。
激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调频、调相及调强等。
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二、振幅调制
振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。
主要内容
一、基本概念 二、振幅调制 三、角度调制 四、强度调制 五、脉冲调制
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电极
P
P2
1
e
o
起偏器
l
克尔盒
基于克尔效应光开关/光调制器
检偏器
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一、基本概念
激光是一种频率更高的电磁波，它具有单色性好、 光发散角小、时间 和空间相干性好等优点，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以 用来作为传递信息的载波。
cos (ຫໍສະໝຸດ Baiduc
m )t
c
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二、振幅调制
E(t)

Ac
cos(ct
c )

ma 2
Ac
cos(c
m )t
c

ma 2
Ac
cos(c
m )t
c

调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。
第一项是载频分量；
第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量 。