7.5.1 7.5.1 激光调制的基本概念激光调制的基本概念激光调制：激光调制：将信息加载于激光的过程。将信息加载于激光的过程。 载波：载波：激光（高频）激光（高频） 调制信号：调制信号：起控制作用的低频信息起控制作用的低频信息 内调制（直接调制）内调制（直接调制） 加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号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。内调制主要用在光通信用的注入式半导体光源中。调制。内调制主要用在光通信用的注入式半导体光源中。 外调制外调制 激光形成以后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信激光形成以后，在激光器的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光通过调制器时，就会使号改变调制器的物理性能，当激光通过调制器时，就会使光波的某个参量受到调制。光波的某个参量受到调制。 7.5 7.5 激光调制技术激光调制技术激光调制与偏转调制光波的参量调制光波的参量调制光波的参量调制光波的参量振幅调制（强度调制）振幅调制（强度调制）相位调制（频率）相位调制（频率）偏振调制偏振调制调制形式调制形式调制形式调制形式模拟调制模拟调制数字调制数字调制脉冲调制脉冲调制电光效应电光效应声光效应声光效应磁光效应磁光效应物理效应物理效应物理效应物理效应其他其他 (如如:电吸收电吸收)利用利用KDPKDP晶体在电场作用下的双折射效应制作晶体在电场作用下的双折射效应制作电光调制器电光调制器；利用超声波作用下介质折射率周期性变化的声光效应可以利用超声波作用下介质折射率周期性变化的声光效应可以制作制作声光调制器声光调制器；利用法拉第效应可以制作利用法拉第效应可以制作磁光调制器磁光调制器与光隔离器。与光隔离器。2. 2. 主要物理效应主要物理效应激光调制与偏转1. 1. 振振 幅幅 调调 制制使载波的振幅随着信号的变化规律而变化使载波的振幅随着信号的变化规律而变化 激光的电场激光的电场 调制信号调制信号 调幅波的频谱公式调幅波的频谱公式 =激光调制与偏转2. 2. 频频 率率 调调 制制 和和 相相 位位 调调 制制光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变 频率调制频率调制 激光的电场强度激光的电场强度 相位调制相位调制 产产生生无无数数多多个个边边频频，当当m m很很小小时时，边边频频数数量量减少。减少。激光调制与偏转频率调制和相位调制都是调角度激光调制与偏转3. 3. 强强 度度 调调 制制光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化 设调制信号是单频余弦波，则调制强度为：设调制信号是单频余弦波，则调制强度为： 实际应用中，为了得到较强的抗干扰效果，往往利用二次实际应用中，为了得到较强的抗干扰效果，往往利用二次调制方式，即先用低频信号对一高频副载波进行频率调制，调制方式，即先用低频信号对一高频副载波进行频率调制，然后再利用这个已调频波进行强度调制（称为然后再利用这个已调频波进行强度调制（称为FM/IM调制）调制），使光的，使光的强度按副载波信号的规律变化。信号在调频波中，强度按副载波信号的规律变化。信号在调频波中，抗干扰能力强。抗干扰能力强。 激光调制与偏转4. 4. 脉脉 冲冲 调调 制制用一种间歇的周期性用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，脉冲序列作为载波，使载波的某一参量按使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制信号规律变化的调制方法。调制方法。 激光调制与偏转脉冲编码调制（采样、量化、编码）脉冲编码调制（采样、量化、编码）5. 脉冲编码调制（数字调制）激光调制与偏转1. 1. 光在晶体中的传播光在晶体中的传播（1 1） 晶体的极化率与介电系数晶体的极化率与介电系数 介质极化强度介质极化强度P P与入射光与入射光E E的关系：的关系：l极化率极化率 成为二阶张量，具有九个分量：成为二阶张量，具有九个分量：l于是于是各向异性晶体中各向异性晶体中P每一个分量都与每一个分量都与E的三个分量存在着线性的三个分量存在着线性关系，关系，P不再与不再与E同向。各向同性晶体有一一对应关系。同向。各向同性晶体有一一对应关系。7.5.2 7.5.2 电光调制电光调制激光调制与偏转由电磁场方程由电磁场方程得根据根据 ， ， 简化下标得简化下标得：激光调制与偏转选择坐标系为晶体的选择坐标系为晶体的主介电坐标系主介电坐标系，则张量非对角元素为零：，则张量非对角元素为零： 折射率折射率低低级级晶晶族族3 3个个分分量量不不相相等等，中中级级晶晶族族有有2 2个个相相等等，高高级级晶晶族族3 3个都相等个都相等激光调制与偏转确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度。确定两个允许传输波的偏振方向及其相速度。 直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴分量表示为通式直角主介电坐标系中，两波面沿三主轴分量表示为通式 方程方程代表一个椭球，称代表一个椭球，称折射率椭球折射率椭球，晶体各向异性的几何表，晶体各向异性的几何表示。性质：示。性质：l其中任一矢径的方向，其长度表示沿该方向偏振的光波的折其中任一矢径的方向，其长度表示沿该方向偏振的光波的折射率。射率。l对对于于任任意意给给定定的的波波矢矢k，利利用用折折射射率率椭椭球球可可求求光光波波的的偏偏振振方方向向及及相相应应折折射射率率：通通过过原原点点作作k的的垂垂面面，与与折折射射率率椭椭球球相相交交得得一一椭椭圆圆截截面面，则则这这一一椭椭圆圆截截面面的的两两个个轴轴即即为为两两个个偏偏振振方方向向，两个轴长度两个轴长度 、 为相应折射率。为相应折射率。为沿三个轴的主折射率为沿三个轴的主折射率（2 2）折射率椭球）折射率椭球激光调制与偏转单轴晶体折射率椭球单轴晶体折射率椭球 取取光光轴轴为为z轴轴，沿沿x、y轴轴的的主主折折射射率率相相等等，说说明明xoy平平面面内内传传播播光光的的D、E方方向向一一致致，与与各各向向同同性性介介质质中中光光波波性性质质一一样样，称称寻寻常常光光，相相应应主主折折射射率率为为寻寻常常折折射射率率，记记为为no ，沿沿光光轴轴的的主折射率称非常折射率，记为主折射率称非常折射率，记为ne zyxzyxOO(a)正单轴晶体 (b) 负单轴晶体 单轴晶体折射率椭球单轴晶体折射率椭球激光调制与偏转单轴晶体折射率椭球特性单轴晶体折射率椭球特性（a a） xoy平面与平面与椭球截面是一个圆，椭球截面是一个圆，其半径为其半径为no 。表表明明当当光光波波沿沿着着z轴轴方方向向传传播播时时，即即ki平平行行于于光光轴轴时时，只只存存在在一一种种折折射射率率no，光光波波电电位位移移矢矢量量D可可取取垂垂直直于于Z轴轴的的任任何何方方向，于是，向，于是，不产生双折射不产生双折射。z轴即单轴晶体光轴。轴即单轴晶体光轴。（b）xoz、yoz平平面面，或或其其它它含含z轴轴的的椭椭球球截截面面为为一一椭椭圆圆，其其两两半轴长度分别为半轴长度分别为 、 。表表明明当当光光垂垂直直于于光光轴轴入入射射(ki垂垂直直于于光光轴轴，处处于于xoy平平面面内内)时时，可可允允许许两两个个彼彼此此正正交交的的线线偏偏振振光光传传播播，其其中中一一个个光光波波偏偏振振方方向向平平行行于于光光轴轴、折折射射率率为为 ，另另一一光光波波偏偏振振方方向向垂垂直直于于光光轴轴、折射率为折射率为 。 激光调制与偏转（c c）当）当k ki i 与光轴夹角为与光轴夹角为 时，通过原点时，通过原点O O垂直于垂直于k ki i 的平面与椭的平面与椭球的球的截面为一椭圆截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于两，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于两种本征光波：种本征光波：寻常光寻常光：偏振方向与：偏振方向与SOZSOZ平面垂直，折射率及相速与平面垂直，折射率及相速与 无关，无关，D D、E E方向一致，折射率方向一致，折射率n no o称寻常折射率称寻常折射率非常光非常光：偏振方向在：偏振方向在SOZSOZ平面内，平面内， 折射率折射率n ne e( ( ) ) 满足方程：满足方程：折射率与相速和角度折射率与相速和角度 有关，有关，D D与与E E方方向不一致向不一致。任意方向传播的双折射任意方向传播的双折射激光调制与偏转单轴晶体单轴晶体k-zk-z平面与折射率面的交线平面与折射率面的交线：表示折射率随传播方向的变化表示折射率随传播方向的变化 (a) (a) 正单轴晶体正单轴晶体 (b) (b) 负单轴晶体负单轴晶体zyOD( )knonene( )n0正负单轴晶体正负单轴晶体k-zk-z平面与折射率面的交线平面与折射率面的交线zynokD( )ne( )none寻常光的折射率面为球面；非常光的折射率面为椭球面寻常光的折射率面为球面；非常光的折射率面为椭球面激光调制与偏转2.电光效应电光效应l电光效应：电光效应：当介质的两端所加外电场较强时，介质内的电当介质的两端所加外电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化的现象。也各向异性地发生变化的现象。 电光效应弛豫时间很短，仅有电光效应弛豫时间很短，仅有1010-11-11量级量级外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成外场的施加或撤消导致的折射变化或恢复瞬间即可完成可用作高速调制器、高速开关等可用作高速调制器、高速开关等（a）外加电场相对光场为低频）外加电场相对光场为低频 （b）外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体，此时）外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体，此时D与与E的的方向一致方向一致，因而，因而D只随只随E的大小变化。的大小变化。为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件：为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件：激光调制与偏转（1）泡克尔斯）泡克尔斯(Pockels)效应效应 与克尔与克尔(Kerr)效应效应 当外加电场沿某一介电主轴作用于晶体时，电位移矢量为当外加电场沿某一介电主轴作用于晶体时，电位移矢量为 为不加电场时的介电常数，称线性介电常数。为不加电场时的介电常数，称线性介电常数。定义定义D(E)的斜率为加电场后的介电常数：的斜率为加电场后的介电常数： l 与外加电场的一次方成正比，称为与外加电场的一次方成正比，称为泡克尔斯效应；泡克尔斯效应；ln n与外加电场平方成正比，称为与外加电场平方成正比，称为克尔效应。克尔效应。n第一项大大于后面各项，作泰勒级数展开第一项大大于后面各项，作泰勒级数展开激光调制与偏转（2） KDP晶体的线性电光效应晶体的线性电光效应 KDP晶体是人工生长的晶体是人工生长的KH2PO4单轴晶体的简称。单轴晶体的简称。不加外场，折射率椭球为：不加外场，折射率椭球为：外加电场作用后，新的折射率椭球为：外加电场作用后，新的折射率椭球为： 外外加加电电场场引引起起了了折折射射率率椭椭球球中中的的后后三三项项，即即“交交叉叉项项” ” ，这这意意味味着着加加上上电电场场后后，椭椭球球的的主主轴轴不不再再是是x x、y y、z z轴轴，而而是有所偏转。是有所偏转。 新新主主轴轴、的的方方向向和和大大小小与与E E的的关关系系就就确确定了电场对光传播的影响。定了电场对光传播的影响。激光调制与偏转（a a） 外加电场平行于光轴（外加电场平行于光轴（Z Z轴）：轴）：设新主轴设新主轴 相对旧主轴相对旧主轴 旋转了角度旋转了角度 ，则，则在新主轴坐标系在新主轴坐标系 中，折射率椭球方程变为：中，折射率椭球方程变为： 激光调制与偏转 结论：结论：(1)施施加加外外场场E3后后，椭椭球球的的xoy截截面面由由圆圆变变为为椭椭圆圆，折折射射率率椭椭球球由由旋旋转转椭椭球球面面变变为为一一般般椭椭球球面面，KDP由单轴晶体变为双轴晶体。由单轴晶体变为双轴晶体。(2)(2)沿沿 方方向向偏偏振振的的光光传传播播相相速速度度加加大大，而而沿沿 方方向向偏偏振振的的光光传传播播速度减小，因此速度减小，因此 轴称为快轴，轴称为快轴， 轴为慢轴。轴为慢轴。 激光调制与偏转（b） 外加电场垂直于光轴外加电场垂直于光轴新主轴坐标系中三个主折射率近似为新主轴坐标系中三个主折射率近似为 （1）施施加加外外场场后后，新新折折射射率率椭椭球球的的主主轴轴是是由由旧旧主主轴轴绕绕 y旋旋转转 角后形成的，角后形成的， 与外加电场成正比，但是一个小值。与外加电场成正比，但是一个小值。（2）施施加加外外场场后后，折折射射率率椭椭球球由由旋旋转转椭椭球球变变为为一一般般椭椭球球，单单轴轴晶晶体体变变为为双双轴轴晶晶体体，双双轴轴晶晶体体的的光光轴轴方方向向之之一一仍仍为为原原 z 轴轴，另一光轴位于以另一光轴位于以 轴为对称轴且和轴为对称轴且和 z 对称的方向上。对称的方向上。激光调制与偏转（3 3）电光相位延迟）电光相位延迟 以外加以外加电场平行于光轴（电场平行于光轴（Z轴）轴）的的KDP晶体为例，光波沿晶体为例，光波沿z方向传播距离方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为后，两偏振光之间的相位差为 的变化曲线及相应的光场矢量变化情形 、激光调制与偏转当当相相位位延延迟迟时时，光光场场为为x x方方向向偏偏振振的的线线偏偏振振光光，当当/2/2时时，光光场场为为圆圆偏偏振振光光，当当时时，光光场场又又变变成成沿沿y y方向偏振的线偏振光。方向偏振的线偏振光。与与对对应应的的偏偏振振光光相相对对入入射射光光旋旋转转了了9090，其其相相应应的的电压称为电压称为半波电压半波电压 晶体的电光系数越大，相应半波电压越低晶体的电光系数越大，相应半波电压越低 . .通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。 激光调制与偏转部分晶体的部分晶体的 和和激光调制与偏转3. 3. 电光强度调制电光强度调制（1 1）纵向电光强度调制）纵向电光强度调制激光调制与偏转（1 1）电电光光强强度度调调制制装装置置由由两两块块交交叉叉偏偏振振片片及及其其间间放放置置的的一一块块单单轴电光晶体组成。轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与偏振片的通振动方向分别与x x、y y轴平行。轴平行。 （2）设某时刻加在电光晶体上的电压为）设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在，入射到晶体的在x方向上的线偏振光电矢量振幅为方向上的线偏振光电矢量振幅为E0 进入晶体时沿快轴进入晶体时沿快轴 和慢轴和慢轴 的电矢量振幅都变为的电矢量振幅都变为 通过晶体后沿通过晶体后沿 和和 方向的二线偏振光之间的方向的二线偏振光之间的位相差位相差 通通过过振振动动方方向向与与 y y 轴轴平平行行的的偏偏振振片片检检偏偏后后产产生生的的光光振振幅幅分分别别为为 ， ，则有：，则有： 激光调制与偏转投影之和为投影之和为：图图(4-22) I/I0-V曲线曲线激光调制与偏转（4 4）如外加信号电压为正弦电压，）如外加信号电压为正弦电压， ，则，则输出光强输出光强近似为正弦形，实现无失真调制。近似为正弦形，实现无失真调制。 （3 3）画画出出 曲曲线线的的一一部部分分以以及及光光强强调调制制的的情情形形。为为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压 来完成，或者插入来完成，或者插入/4/4波片，使之产生波片，使之产生9090度的相位差。度的相位差。 应用应用应用应用激光调制与偏转使用电光调制器的光通信线路使用电光调制器的光通信线路 激光器输出为偏激光器输出为偏振光振光激光调制与偏转（2）横向电光强度调制）横向电光强度调制第一项表示天然双折射造成的相位差；第一项表示天然双折射造成的相位差；第二项由电光效应引起，为电光延迟。第二项由电光效应引起，为电光延迟。 由第一项确定工作点位置后，根据第二项正比于由第一项确定工作点位置后，根据第二项正比于l l/ /d d，恰当选，恰当选择长宽比，以实现有效的电光调制。择长宽比，以实现有效的电光调制。 消除天然双折射方法：两块晶体串接（消除天然双折射方法：两块晶体串接（Z轴垂直）轴垂直） 电压加在电压加在X X方向，入射光沿方向，入射光沿Z Z方向，方向，X X方向偏振；方向偏振；X X、Y Y、Z Z与与晶体边平行。晶体边平行。激光调制与偏转横向电光调制可降低半波电压，用两块晶体可消除自然双折横向电光调制可降低半波电压，用两块晶体可消除自然双折射，但结构较复杂。射，但结构较复杂。激光调制与偏转4 4 电光相位调制电光相位调制（1 1）加电场后，）加电场后，振动方向与晶体的感应主轴相平行的振动方向与晶体的感应主轴相平行的光通过长光通过长度为度为 的晶体，其位相增加为的晶体，其位相增加为 （2 2）晶体上所加的是正弦调制电场）晶体上所加的是正弦调制电场 晶体输入面处的光场是晶体输入面处的光场是 激光调制与偏转式中，式中， 为相位调制度为相位调制度 （3 3）则在晶体输出面处的光场可写成）则在晶体输出面处的光场可写成 激光调制与偏转5. 波导电光调制器波导电光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，可以在很低的外加电压下获得所需的调制加在通光波导区，可以在很低的外加电压下获得所需的调制场强。场强。 可以通过波导特性，如模式转换、模式耦合、定向耦合等特可以通过波导特性，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。性来实现光的直接强度调制与开关等。波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦波导调制器具有效率高、体积小、集成度高、易于与光纤耦合等优点。合等优点。 激光调制与偏转（1）M-Z干涉仪强度调制器晶体材料为铌酸锂晶体晶体材料为铌酸锂晶体(LiNbO(LiNbO3 3) )，其中的光波导是在晶体，其中的光波导是在晶体上用上用钛扩散钛扩散（折射率提高）技术制作的。（折射率提高）技术制作的。激光调制与偏转电电信信号号加加到到如如图图所所示示的的电电极极上上，来来自自激激光光器器的的连连续续光光波波输输入入到到调调制制器器的的左左端端，然然后后被被均均匀匀地地分分配配到到光光波波导导的的两两个个臂臂中中，两两光光路路长长度度相相等等。由由于于电电光光效效应应，其其折折射射率率及及到到达达输输出出端端的的光光程程差差和和位位相相随随外外加加电电压压的的变变化化而而变变化化，在在时时间间上上发发生生延延迟迟。两两束束光光到到达达输输出出端端后后，经经3 3 dBdB光光耦耦合合器器耦耦合合在在一起由一路光纤输出。一起由一路光纤输出。根根据据这这一一原原理理，即即可可完完成成光光信信号号强强度度随随电电信信号号的的变变化化而而不不断断改改变变的的调调制制过过程程，即即实实现现强强度度调调制制。图图中中，沿沿方方向向切切割割LiNbO3LiNbO3晶晶体体，光光波波沿沿z z方方向向传传输输，调调制制电电场场施施加加于于y y方方向向。设设入射光场入射光场为为 调制电压为调制电压为激光调制与偏转外加电场作用下光波产生的相位变化为外加电场作用下光波产生的相位变化为 式中式中L L为调制区间长度。为调制区间长度。 从调制臂输出的光场为从调制臂输出的光场为 式式中中， 为为调调制制深深度度。此此时时，经经过过调调制制臂臂的的光光波波相相位位已已经经受受到到调调制制，在在输输出出端端，此此路路调调制制光光波波与与另另外外一一路路未未调调制制光光波波在在3 3 dB dB 耦耦合合器器上上干干涉涉，就就可可以以得得到到强强度度调调制制的的光波信号输出。光波信号输出。调制器输出光强为调制器输出光强为输出光强随信号电压输出光强随信号电压V V变化。变化。激光调制与偏转(2)定向耦合器型光波导调制器M-ZM-Z干涉仪由干涉仪由2 2个个3dB3dB耦合器和耦合器和1 1个移相器组成。个移相器组成。 当当电电调调制制信信号号为为空空号号时时，两两支支路路正正好好满满足足N N为为偶偶数数。当当电电调调制制信信号号为为传传号号时时，由由于于电电场场的的加加入入，改改变变了了波波导导的的有有效效折折射射率率，因因而而改改变变传传播播常常数数k k，使使其其正正好好满满足足180180的的附附加加相相移移，由由交交叉态变为直通态。叉态变为直通态。激光调制与偏转7.5.3 声光调制声光调制 声声波波的的应应变变场场也也能能改改变变某某些些晶晶体体的的折折射射率率，产产生生类类似似于于光光栅栅的的光光学学结结构构，从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。从而对入射的光波产生调制，这种调制称为声光调制。 1 声光衍射声光衍射（1 1）声光衍射的定性描述）声光衍射的定性描述 在晶体中传播的超声波产生弹光效应使晶体的介电常数发生变化，晶体中形成了周期性的有不同折射率的间隔层，当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。(a)超声行波 (b) 超声驻波 声波在介质中传播分为行波与驻波两 种，所以折射率变化也有两种形式：激光调制与偏转（2 2） 喇曼奈斯衍射喇曼奈斯衍射在在低低声声频频和和相相互互作作用用长长度度不不太太大大的的情情况况下下，入入射射光光在在相相互互作作用用区区内内部部的的传传播播方方向向仍仍保保持持直直线线方方向向，而而与与折折射射率率变变化化有有关关的的介介质质的的光光学学不不均均匀匀性性只只对对通通过过声声柱柱的的光光的的相相位位发发生生影影响响。衍衍射射遵遵循循普普通通相相位位光光栅栅的的衍衍射射定定律律。这这种种衍衍射射称称为为喇曼奈斯衍射。喇曼奈斯衍射。 喇曼奈斯声光衍射喇曼奈斯声光衍射（c c）衍射光产生多普勒频移：）衍射光产生多普勒频移： ，但可以忽略。，但可以忽略。（b b）各级衍射光强关于零级极值）各级衍射光强关于零级极值对称分布。对称分布。（a）只有满足）只有满足 光场取极大值光场取极大值激光调制与偏转（3） 声光布喇格衍射声光布喇格衍射若若声声波波频频率率较较高高，且且声声光光作作用用长长度度L L较较大大，声声扰扰动动介介质质形形成成“体体位位相相光光栅栅”。当当平平面面光光波波相相对对于于声声波波方方向向以以一一定定角角度度入入射射时时，介介质质内内的的各各级级衍衍射射光光将将互互相相干干涉涉，在在一一定定条条件件下下，各各高高级级衍衍射射光光将将互互相相抵抵消消，只只出出现现0 0级级和和级级( (或或级级) )衍射光，即产生布喇格衍射衍射光，即产生布喇格衍射。 布喇格衍射条件布喇格衍射条件 布喇格角布喇格角 衍射效率衍射效率激光调制与偏转2. 声光调制器声光调制器组成：声光晶体、压电换能器、吸声（反射）装置、驱动源。组成：声光晶体、压电换能器、吸声（反射）装置、驱动源。1.1.驱动源驱动源：产生高频信号，由电极加到压电换能器两侧。：产生高频信号，由电极加到压电换能器两侧。2.2.压压电电换换能能器器：将将电电功功率率信信号号转转换换成成超超声声波波，通通过过耦耦合合器器耦耦合合到到声声光光介介质质中中，使使介介质质折折射射率率发发生生变变化化，形形成成光光栅栅。压压电电换换能能器器通通常常由由石石英英晶晶片片或或铌铌酸酸锂锂晶晶片片来来实实现现。厚厚度度十十几几到到几几十微米，频率越高，厚度越薄。十微米，频率越高，厚度越薄。3.3.声声光光介介质质：声声场场和和光光场场相相互互作作用用的的场场所所。需需考考虑虑工工作作波波长长及及品品质质因因素素。常常用用的的有有：铌铌酸酸锂锂（0.5-4.5um0.5-4.5um透透光光）、钼钼酸酸铅铅（ 0.4-5.5um0.4-5.5um透光）透光）激光调制与偏转激光调制与偏转3. 3. 声光调制声光调制声光调制声光调制拉曼型拉曼型布拉格型布拉格型调制特性曲线调制特性曲线 如果声波是载有信息的信号，则衍射光也会受到相同信号如果声波是载有信息的信号，则衍射光也会受到相同信号的调制。的调制。激光调制与偏转（2 2）布喇格型）布喇格型 衍射效率衍射效率 （1 1）拉曼）拉曼纳斯型纳斯型 若取一级衍射作为输出，需用光阑将其它级得衍射光遮若取一级衍射作为输出，需用光阑将其它级得衍射光遮挡，透射光就是随信号电压变化的调制光。挡，透射光就是随信号电压变化的调制光。 利用率低，低频工作，带宽很有限。利用率低，低频工作，带宽很有限。如果入射光如果入射光100%100%转移到衍射光，则所需要的声强度转移到衍射光，则所需要的声强度超声波功率超声波功率：激光调制与偏转3.声光波导调制器声声光光布布拉拉格格衍衍射射型型波波导导调调制制器器由由平平面面波波导导和和交交叉叉电电极极换换能能器器组组成成。波波导导材材料料一一般般采采用用压压电电材材料料（如如ZnOZnO），衬衬底底采采用用铌铌酸酸锂锂压压电电材材料料，波波导导为为TiTi扩扩散散。用用光光刻刻法法在在表表面面做做成成交交叉叉电电极极的的电电声声换换能能器器，波波导导光光与与电电极极板板条条间间的的夹夹角角为为布布拉拉格格角角。当当入入射射光光耦耦合合通通过过波波导导时时，换换能能器器产产生生的的超超声声波波引引起起波波导导和和衬衬底底折折射射率率的的周周期期变变化化，对对光光产产生生衍衍射射，得得到到1 1级级衍衍射射光光，其光强为其光强为 衍衍射射光光强强随随电电压压V V的的变变化化而而变变化化。例例如如当当波波长长为为632.8nm632.8nm，V=9VV=9V时，得到时，得到100%100%的强度调制。的强度调制。激光调制与偏转7.5.4 磁光调制磁光调制1 1 磁光效应磁光效应 当当线线偏偏振振光光沿沿光光轴轴方方向向通通过过某某些些天天然然介介质质时时，偏偏振振面面旋旋转转的的现现象象称称为为天天然然旋旋光光，简简称称旋旋光光现现象象。不不同同介介质质对对光光振振动动矢矢量量的的旋旋转转方方向向可可能能不不同同，分分为为左左旋旋和和右右旋旋。对对着着光光线线观观察察，矢矢量量顺顺时时针针旋旋转转成成右右旋旋，逆逆时时针针称称左左旋旋。葡葡萄萄糖糖溶溶液液是是右右旋旋介质，果糖是左旋介质。介质，果糖是左旋介质。（1 1）旋光效应）旋光效应激光调制与偏转（2 2）法拉第效应）法拉第效应 法法拉拉第第在在18451845年年发发现现：当当一一束束平平面面偏偏振振光光通通过过磁磁场场作作用用下下的的某某些些物物质质时时，其其偏偏振振面面受受到到正正比比于于外外加加磁磁场场平平行行于于传传播播方方向向分量的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。分量的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。法拉第效应法拉第效应时的时的V值值 激光调制与偏转天然旋光效应与法拉第磁光效应的本质区别：天然旋光效应与法拉第磁光效应的本质区别： 光光束束返返回回通通过过天天然然旋旋光光介介质质时时，旋旋转转角角度度与与正正向向入入射射时时相相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；而而磁磁致致旋旋光光方方向向与与磁磁场场方方向向有有关关，而而与与光光的的传传播播方方向向无无关关，因因而而光光往往返返通通过过法法拉拉第第旋旋光光物物质质时时，偏偏转转角角度度增增加加一一倍倍。可应用于光隔离器。可应用于光隔离器。激光调制与偏转2 2 磁光调制磁光调制 将将磁磁光光介介质质（如如YIGYIG棒棒）置置于于恒恒磁磁场场H Hd d（与与光光传传输输方方向向垂垂直直）中中，棒棒上上饶饶有有射射频频激激励励线线圈圈，以以便便在在介介质质内内建建立立时时变变调调制制磁磁场。由于加了恒磁场，光通过介质后旋转角度为场。由于加了恒磁场，光通过介质后旋转角度为如果令其通过检偏器，则旋转角的调制转换为光强调制。如果令其通过检偏器，则旋转角的调制转换为光强调制。激光调制与偏转7.5.5 7.5.5 直接调制直接调制把要传递的信息转变为电流信号调制激光器驱动电源，从而把要传递的信息转变为电流信号调制激光器驱动电源，从而使输出激光带有信息。使输出激光带有信息。 是目前光纤通信系统普遍使用的实用化调制方法。是目前光纤通信系统普遍使用的实用化调制方法。 直接调制直接调制模拟调制：模拟调制： 数字调制：数字调制：用连续的模拟信号（如电视、话音等用连续的模拟信号（如电视、话音等信号）直接对光源进行光强度调制信号）直接对光源进行光强度调制 用脉冲编码调制（用脉冲编码调制（PCMPCM）的数字信号）的数字信号对光源进行强度调制对光源进行强度调制 激光调制与偏转1. 模拟调制 为为了了获获得得线线性性调调制制，使使工工作作点点处处于于输输出出特特性性曲曲线线的的直直线线部部分分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流IbIb。（1 1）调制信号源与直流偏置电流必须隔离。）调制信号源与直流偏置电流必须隔离。（2 2）偏置电流略大于）偏置电流略大于LDLD的阈值电流。的阈值电流。（3 3）直直接接调调制制会会使使激激光光器器主主模模的的强强度度降降低低，而而次次模模的的强强度度相相对对增加，从而使谱宽增加。增加，从而使谱宽增加。调制深度：调制深度： 激光调制与偏转2. 数字式调制 下图为光载波直接光强调制的基本原理。下图为光载波直接光强调制的基本原理。Ib为直流偏置电流，为直流偏置电流，Im为代表信息数据的驱动电流，为代表信息数据的驱动电流，Ib+Im成为成为LD的工作电流。数的工作电流。数据据1对应于激光发射，数据对应于激光发射，数据0对应于无光发射。对应于无光发射。LD数字调制原理图激光调制与偏转光发送机框图LD实用驱动电路 实际的数字信号经过交换、复接过程，其波形不是矩形脉实际的数字信号经过交换、复接过程，其波形不是矩形脉冲，在调制冲，在调制LDLD之前需进行波形整理，并由电压转换成电流，完之前需进行波形整理，并由电压转换成电流，完成这一功能的是输入整形电路和驱动电路。成这一功能的是输入整形电路和驱动电路。LDLD的输出功率和波的输出功率和波长受温度影响，所以必须有温度自动控制长受温度影响，所以必须有温度自动控制ATCATC和功率自动控制和功率自动控制APCAPC。激光调制与偏转（1 1）预预失失真真处处理理。为为抑抑制制频频率率啁啁啾啾影影响响，需需采采用用整整形形电电路路对对标标准准二二元元电电信信号号做做预预失失真真处处理理。输输入入数数据据的的一一路路到到右右管管的的基基极极，另另一一路路经经过过延延迟迟线线再再到到左左管管的的基基极极，两两管管导导通通的的时时延延差差取取决决于于延延迟迟线线的的长长度度。整整形形后后的的二二元元信信号号是是两两个个先先后后脉脉冲冲电电平平的的叠叠加加，它它们们的的重重叠叠部部分分构构成成了了整整形形信信号号的的顶顶部部，无无重重叠叠部部分分构构成成了了整整形形信信号号的的两两个个肩肩。调调整整延延迟迟线线的的长长度度可可调调整整顶顶部位置，调整电阻部位置，调整电阻W W可改变肩部的高度。可改变肩部的高度。预整形波形标准二元信号整形后的二元信号脉冲预整形电路激光调制与偏转 整整形形电电路路的的作作用用是是使使数数据据的的顶顶部部预预失失真真变变窄窄，一一方方面面可可以以降降低低注注入入载载流流子子的的变变化化速速率率，另另一一方方面面较较窄窄的的调调制制脉脉冲冲可可以以补补偿偿啁啁啾啾效效应应造造成成的的光光脉脉冲冲的的动动态态展展宽宽，有有利利于于高高速速率率下下的的应用。应用。(a)标准二元电信号(c)整形后发送的光脉冲(d)接收的光脉冲(b)整形后电脉冲激光调制与偏转LD的开通延迟码间图案相关效应（2 2）偏置电流的影响）偏置电流的影响。很多现象与偏置电流有关。很多现象与偏置电流有关。 当当 时时，会会出出现现开开通通延延迟迟现现象象。光光脉脉冲冲的的出出现现较较电电脉冲滞后，且顶部有振荡。脉冲滞后，且顶部有振荡。 当当 时时，有有利利于于使使用用较较小小的的驱驱动动电电流流获获得得较较大大光光功功率率输输出出，而而且且有有利利于于提提高高电电- -光光响响应应速速度度。但但是是，过过高高的的直直流流偏偏置置受受两两方方面面的的限限制制：一一是是容容易易出出现现码码间间图图案案相相关关效效应应；二二是导致接收灵敏度的降低。是导致接收灵敏度的降低。激光调制与偏转 码码间间图图案案相相关关效效应应：第第一一个个1 1码码过过去去后后，虽虽然然驱驱动动电电流流已已为为0 0，但但LDLD有有源源区区内内的的注注入入载载流流子子并并未未完完全全消消失失，接接着着再再来来一一个个1 1码码，相相当当于于在在残残存存的的非非平平衡衡载载流流子子之之上上叠叠加加新新的的载载流流子子，造造成成第第二二个个脉脉冲冲的的宽宽度度和和幅幅度度都都大大于于前前一一个个光光脉脉冲冲。输输入入脉脉冲冲为为连连0 0后后，光光脉脉冲冲才才能能恢恢复复正正常常波波形形。这这种种效效应应在在非非平平衡衡载载流流子寿命接近调制脉冲系列的时隙宽度时更加明显。子寿命接近调制脉冲系列的时隙宽度时更加明显。 因此，偏置电流一定要加得适当。因此，偏置电流一定要加得适当。（3 3）频率啁啾效应）频率啁啾效应 对对应应于于直直接接调调制制信信号号的的上上升升沿沿和和下下降降沿沿，LDLD有有源源区区内内注注入入载载流流子子密密度度的的变变化化引引起起折折射射率率变变化化，进进而而引引起起LDLD发发送送端端光光信信号号波长的漂移。啁啾效应使波长的漂移。啁啾效应使LDLD输出频谱动态展宽。输出频谱动态展宽。激光调制与偏转 单单纵纵模模LDLD在在直直流流偏偏置置小小于于阈阈值值时时表表现现为为显显著著啁啁啾啾效效应应；而而直直流流偏偏置置远远大大于于阈阈值值时时啁啁啾啾效效应应较较为为微微弱弱，而而且且在在脉脉冲冲下下降降沿沿没有观察到波长的明显蓝移。没有观察到波长的明显蓝移。谱宽扩展（左）和啁啾时间（右）与谱宽扩展（左）和啁啾时间（右）与 的关系的关系激光调制与偏转7.6.1 7.6.1 机械偏转机械偏转利用反射镜或多面反射棱镜的旋转，或者利用反射镜或多面反射棱镜的旋转，或者利用反射镜的振动实现光束扫描。利用反射镜的振动实现光束扫描。 多面体反射镜偏转器多面体反射镜偏转器 7.6 激光偏转技术激光偏转技术 激光调制与偏转7.6.17.6.1机械偏转机械偏转利用反射镜或多面反射棱镜的旋转，或者利用反射镜的振动实现光束扫描。 多面体反射镜偏转器多面体反射镜偏转器 光楔偏转：光楔偏转：光楔就是利用介质几何形状引起光偏转的，其偏转角为 7.6 激光偏转技术激光偏转技术 激光调制与偏转 利用泡克耳斯效应，在电光晶体上施加电场改变晶体的折射率使光束偏转。实际的电光晶体偏转器是由两个z轴相反的晶体棱镜(如KDP棱镜)所组成。 实际的电光晶体偏转器实际的电光晶体偏转器 如果激光垂直一个直角面射到如果激光垂直一个直角面射到图所示的下面的直角棱镜上，由图所示的下面的直角棱镜上，由折射定律可得出射光的偏转角为折射定律可得出射光的偏转角为 （1 1）模拟式电光偏转）模拟式电光偏转为两个棱镜的折射率之差。7.6.2 7.6.2 电光偏转电光偏转激光调制与偏转施加电压后，施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为上、下层棱镜中传播时光的折射率为 与外加电压与外加电压V V成线性比例关系，成线性比例关系， 通过调节通过调节V V可使光束发生连续偏转。可使光束发生连续偏转。 激光调制与偏转 为了增大偏转角度，采用多块晶体棱镜串联，头尾2块为直角棱镜，中间位等腰三角形棱镜，总的偏转角为单级的m倍。激光调制与偏转（1）数字式偏转）数字式偏转 现现代代光光存存储储器器都都是是采采用用二二进进制制的的数数字字式式偏偏转转器器，右右图图是是由由电光晶体和双折射晶体组合的数字式偏转器。电光晶体和双折射晶体组合的数字式偏转器。 双折射原理：沿与光轴成某一角度的非偏振光入射时，将双折射原理：沿与光轴成某一角度的非偏振光入射时，将分成垂直分量（分成垂直分量（O O光）和平行分量（光）和平行分量（e e光）二束，分离角为光）二束，分离角为电光数字式偏转器电光数字式偏转器 激光调制与偏转当当电电光光晶晶体体不不加加电电压压时时，O O光光入入射射，偏偏振振方方向向不不变变，再再通通过过双双折折射射晶晶体体时时，传传输输方方向向不不变变；当当电电光光晶晶体体加加电电压压时时，O O光光入入射射，偏偏振振方方向向变变化化成成为为e e光光，再再通通过过双双折折射射晶晶体体时时，传传输输方方向向变变化化。上上述述就就是是一一个个一一级级数数字字偏偏转转器器，入入射射的的线线偏偏振振光光随随电电光光晶晶体体加加和不加电压而分别占据两个地址之一，即和不加电压而分别占据两个地址之一，即0 0和和1 1。激光调制与偏转 若把n个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n级数字偏转。如三级数字偏转器，入射光就分离8个偏转点；如4级串接，就有24=16个偏转点。如果二维组合，就可以偏转到平面不同位置。 000代表三个电光晶体都不加电压；110代表S1、S2加电压，S3不加电压，以此类推。 三级数字式偏转器三级数字式偏转器 激光调制与偏转7.6.3 7.6.3 声光偏转声光偏转声光偏转器的结构与声光调制器基本相同，所不同之处声光偏转器的结构与声光调制器基本相同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度，而偏转器则是利用改在于调制器是改变衍射光的强度，而偏转器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向，使之发生偏转，既可变声波频率来改变衍射光的方向，使之发生偏转，既可以使光束连续偏转，也可以使分离的光点扫描偏转。以使光束连续偏转，也可以使分离的光点扫描偏转。 声光器件结构示意图声光器件结构示意图 激光调制与偏转在满足布喇格衍射时，衍射光与入射光束之间的夹角在满足布喇格衍射时，衍射光与入射光束之间的夹角求微分得求微分得 可见光束偏转角可见光束偏转角 与声频的变化与声频的变化 成正比。因而，改成正比。因而，改变声频就可以改变光束方向。变声频就可以改变光束方向。激光调制与偏转激光宽行打字机原理框图激光宽行打字机原理框图 激光调制与偏转