第4章光束的调制和扫描4.1 光束调制原理4.2 直接调制4.3 光束扫描技术4.1 光束调制原理光波的电场强度为:【调制】如果能够应用某种物理方法改变光波的这些振幅、频率、相位、强度等参量之一，使其按照调制信号的规律变化，就称激光束就受到了信号的调制，即达到“运载”信息的目的。光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制等。1、振幅调制定义：振幅调制就是载波的振幅随调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。载波信号：调制信号：调幅波为：三角关系展开图4-1 调幅波频谱2、频率调制和相位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，统称为角度调制。定义：若调制信号仍为一余弦函数，则调频波的总相角为：【频率调制】则调制波的表达式为：其中 称为频率比例系数 称为调频系数相位调制就是载波中的相位角随调制信号的变化规律而变 化。【相位调制】调相波的总相角：则调相波的表达式为：3、强度调制光束强度定义为光波电场的平方，其表达式为：于是，强度调制的光强可表示为：仍设调制信号是单频余弦波，则：由于调频和调相写成统一的形式：按三角公式展开并应用：得到：由此可见，在单频余弦波调制时，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组成。4、脉冲调制脉冲调制和数字式调制(脉冲编码调制)在一种不连续状态下进行的调制。脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。6、脉冲编码调制这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样 、量化和编码。4.2 电光调制【基本要求】1、基本原理；2、电光调制器的结构1、电光强度调制纵向电光调制器及其工作原理图4-4 纵向电光强度调制1）即进入晶体后z=0处的两个分量：因此入射光强度为：2）当光通过长度为L的晶体之后由于电光效应两分量间产生一定的相位差。3）通过检偏器后的总电场强度：与之相应的输出光强为：于是得到调制器的透过率：图4-5 电光调制特性曲线为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的相位延迟：方法：一、附加一个的固定 偏压二、光路上插入一 波片以第二种办法为例：总相位差为：式中：是相应于外加调制信号电压 的相位差所以，透过率为：展开后得：输出的调制光中含有高次谐波分量，使调制光发生畸变。高次谐波与基频波成分的比值为：作为线性调制的判据。故为了获得线性调制，要求调制信号不宜过大(小信号调制)，那么输出光强调制波就是调制信号的线性复现。特点：纵向电光调制器具有结构简单、工作稳定、不存在自然双折射的影响等优点。其缺点是半波电压太高，特别是在调制频率较高时，功率损耗比较大。应用激光器中的电光调Q技术部分反射 激光工作物质 偏振片 KD*P 全反射图1 使用电光调制器的光通信线路横向电光强度调制横向电光效应的运用可以分为三种不同形式，这里以沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x轴或y轴成45度夹角(晶体为45度-z切割）为例。方向上的两偏振光在出射后的相位差为：KDP晶体横向电光调制的主要缺点是存在自然双折射引起的相位延迟。结果是晶体的折射率差随温度而变化。从而导致调制光发生畸变。常用的补偿方法有两种：1）是将两块尺寸、性能完全相同的晶体的光轴互成90度串联排列，即一块晶体的y和z轴分别与另一块晶体的z和y平行；2）另一种方法是，两块晶体的z轴和y轴互相反向平行排列，中间放置半波片。补偿原理1）当它们经过第一块晶体之后，两束光：即x方向偏振的和z方向偏振光的相位差为：2）经过半波片后，两束光的偏振方向各旋转90度，经过第二块晶体后，原来的e1光变成了o2光o1光 变成e2光，则它们经过第二块晶体后，其相位差：于是，通过两块晶体之后的总相位差为：优点：横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小 d，增家长度L可以降低半波电压。缺点：结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。所以 ，对KDP晶体而言，一般不用横向电光调制。横向电光调制的特点：2、电光相位调制图2 电光相位调制原理图电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化量为：相应的折射率为：若外加电场是：在晶体入射面(z=0)处的光场为：则输出光场(zL处)就变为：3、电光调制器的电学性能1）外电路对调制带宽的限制电光调制器的等效电路电光调制器的等效电路图作用到晶体上的实际电压为：调制器的并联谐振回路其最大可容许调制带宽为：当调制晶体的种类、尺寸、激光波长和所要求的相位延迟确定之后，其调制功率与调制带宽成正比关系。结论2）高频调制时渡越时间的影响当调制周期与光的渡越时间可以相比拟时，光波在晶体中各部位所受到的调制电场是不同的，相位延迟的积累受到破坏。总的相位延迟为：积分结果为：高频相位延迟缩减因子只有当 时，无缩减作用。光波在晶体内的渡越时间必须远小于调制信号的周期，才能使调制效果不受影响。这意味着对于电光调制器存在一个最高调制频率的限制。结论4、电光波导调制器波导调制器是将具有电光特性的材料做成光波导，调制电场加在通光波导区，由于E3V/d，因而可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。波导调制器的单位带宽驱动功率比体调制器的低得多，因而调制效率要高得多。波导调制器除了通过感应折射率变化来改变光波相位实现调制外，还可以通过波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦合等特性来实现光的直接强度调制与开关等。调制原理平面波导的横截面举例干涉仪型电光波导强度调制器两输出光的相位差为：合成后输出干涉光强为：特点：用Ti扩散LiNbO3波导制成的MZ干涉型调制器，其调制深度可达80，半波电压约3.6V，功耗35uW/MHz左右，调制带宽可达17GHz。4.3 声光调制声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。而作为声光调制器来说，无论属于哪种类型（喇曼 奈斯型衍射或布喇格型衍射），调制器都有两种工作方式，一种是将零级光束作为输出；另一种是 将1级衍射光束作为输出。当声波振幅随着调制信号改变时，各级衍射光的强度也将随之发生相应变 化。若将某一级衍射光和为输出，利用光阑将其它衍射级遮拦，则从光阑孔出射的光束就是调制光。调制原理声光调制特性曲线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。拉曼-纳斯型衍射【原理】其各级衍射光强正比于【特点】拉曼-纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，当工作 频率较高时，声与作用区长度L太小，要求的声功率很高 ，因此拉曼-纳斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。布喇格型衍射【原理】其各级衍射光的衍射效率（声功率比较小时）【特点】拉曼-纳斯型衍射效率低，光能利用率也低，当工作 频率较高时，声与作用区长度L太小，要求的声功率很高 ，因此拉曼-纳斯型声光调制器只限于低频工作，只具有有限的带宽。【原理】0级和1级衍射光强分别为【特点】衍射效率与超声驱动功率的关系：布喇格衍射必须使光束以布则格角入射，同时在相对 于声波阵面对称方向接收衍射光束时，才能得到满意的结 果。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采 用。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，它受到布喇格带宽 的限制。结论声光调制器的带宽与声波穿过光束的渡越时间( )成反比，即与光束直径成反比，用宽度小的光束可得到大的调制带宽。但是光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射光束将有部分重叠，会降低调制器的效果。因此，一般要求 ，于是可得即最大的调制带宽近似等于声频率 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。声光调制器的衍射效率要得到100的调制所需要的声强度为：或是声功率为：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)；然而，作用长度L的增大虽然对提高衍射效率有利，但会导致调制带宽的减小。声光波导调制器举例：声光调Q技术4.4 磁光调制1、半导体激光器(LD)的调制特性4.5 直接调制【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。3.5 直接调制1、半导体激光器(LD)直接调制的原理补充： 【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。图 DH激光器工作原理(a) 双异质结构； (b) 能带； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 图 3 典型半导体激光器AlGaAs/GaAs的光功率特性【如何获得线性调制】a） 电路图b）调制特性曲线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)的调制特性图 4 两类发光二极管(LED)(a) 正面发光型； (b) 侧面发光型 3半导体光源的模拟调制a) 驱动电路b) 调制曲线4半导体光源的脉冲编码数字调制【调制深度m 】当m大，调制信号幅度大则线性较差；当m小，虽然线性好，但调制信号幅度小。数字调制是用二进制数字信号“l”码和“0”码对光源发出的光波进行调制。模拟信号抽样量化编码实现电-光的调制【调制过程】4.6 机械调制最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图所示 ，在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。4.7 光束扫描技术光束扫描技术是激光应均(如激光显示、传真和光存储等)的基本技术之一。1、机械扫描机械扫描装置示意图【特点】方法虽然原始，扫描速度慢但其扫描角度大而 且受温度影响小，光的损耗小，而且适用于各种光波长的 扫描。2 电光扫描电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向。双KDP楔形棱镜扫描器【特点】电光偏转角是很小的，很难达到实用的要求图1 多级棱镜扫描器【电光数字式扫描】