3.2激光调制与偏转ppt课件

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1、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：将信息加载于激光的过程。激光调制：将信息加载于激光的过程。载波：激光高频）载波：激光高频）调制信号：起控制作用的低频信息调制信号：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

2、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电光调制器；晶体在电场作用下的双折射效应制作电光调制器；利用超声波作用下介质折射率周期

3、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声光调制器；制作声光调制器；利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器。利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器。2.2.主要物理效应主要物理效应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()cosmma tAt()cos()cccE tAt()(1cos)cos()cos()cos()2cos()2camccacccccmcaccmcE tAmttmAtAtmAt 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 =2.2.频频 率率

4、 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 ()cos()cccE tAt激光的电场强度激光的电场强度 ()()()ccfttk a t相位调制相位调制 ()cos(cos)ccmcE tAtmt)sincos()(cmfcctmAtE 产生无数多个边频，产生无数多个边频，当当m m很小时，边频数量很小时，边频数量减少。减少。频率调制和相位调制都是调角度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

5、强度为：设调制信号是单频余弦波，则调制强度为：22()1coscos()2cpmccAI tmtt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调调制），使光的强度按副载波信号的规律变化。信号在调频制），使光的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。波中，抗干扰能力强。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

6、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。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）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：333231232221131211EP0l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：jijiEP0l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

7、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。zyxzyxEEEPPP3332312322211312110 7.5.2 7.5.2 电光调制电光调制PEED0由电磁场方程由电磁场方程333231232221131211ijij10得根据根据 ，简化下标得：简化下标得：jiij jiij345426561 332211000000 选择坐标系为晶体的主介电坐标系，则张量非对角元素为零：选择坐标系为晶体的主介电坐标系，则张量非对角元素为零：3210000001111n2221n3331n折射率折射率低级晶族低级晶族3 3个分量不相等

8、，中个分量不相等，中级晶族有级晶族有2 2个相等，高级晶族个相等，高级晶族3 3个都相等个都相等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 1232222212nznynxInIIn 方程代表一个椭球，称折射率椭球，晶体各向异性的几何表示。性质：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。对于任意给定的波矢k，利用折射率椭球可求光波的偏振方向及相应折射率：通过原点作k的垂面，与折射率椭球相交得一椭圆截面，则这一椭圆截面的两个轴即为两个偏振方向，两个轴长度 、为相应折射率。为沿三个轴的主折射率为沿

9、三个轴的主折射率321,nnn（2 2折射率椭球折射率椭球单轴晶体折射率椭球单轴晶体折射率椭球 取光轴为取光轴为z轴，沿轴，沿x、y轴的主折射率相等，说明轴的主折射率相等，说明xoy平面内传平面内传播光的播光的D、E方向一致，与各向同性介质中光波性质一样，方向一致，与各向同性介质中光波性质一样，称寻常光，相应主折射率为寻常折射率，记为称寻常光，相应主折射率为寻常折射率，记为no，沿光轴，沿光轴的主折射率称非常折射率，记为的主折射率称非常折射率，记为ne 1222222eoonznynxzyxzyxOOoenn oenn(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特性

10、单轴晶体折射率椭球特性（a a）xoyxoy平面与椭球截面是一个圆，其半径为平面与椭球截面是一个圆，其半径为no no。表明当光波沿着表明当光波沿着z z轴方向传播时，即轴方向传播时，即kiki平行于光轴时，只存平行于光轴时，只存在一种折射率在一种折射率nono，光波电位移矢量，光波电位移矢量D D可取垂直于可取垂直于Z Z轴的任何方轴的任何方向，于是，不产生双折射。向，于是，不产生双折射。z z轴即单轴晶体光轴。轴即单轴晶体光轴。（b bxozxoz、yozyoz平面，或其它含平面，或其它含z z轴的椭球截面为一椭圆，其两轴的椭球截面为一椭圆，其两半轴长度分别为半轴长度分别为 、。表明当光垂

11、直于光轴入射表明当光垂直于光轴入射(ki(ki垂直于光轴，处于垂直于光轴，处于xoyxoy平面内平面内)时，可允许两个彼此正交的线偏振光传播，其中一个光波偏时，可允许两个彼此正交的线偏振光传播，其中一个光波偏振方向平行于光轴、折射率为振方向平行于光轴、折射率为 ，另一光波偏振方向垂直，另一光波偏振方向垂直于光轴、折射率为于光轴、折射率为 。onenenon（c c当当ki ki 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ki ki 的平面的平面与椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应与椭球的截面为一椭圆，其长、短轴为允许的偏振方向，对应于两种本征光波：于

12、两种本征光波：寻常光：偏振方向与寻常光：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nono称寻常折射率称寻常折射率非常光：偏振方向在非常光：偏振方向在SOZSOZ平面内，平面内，折射率折射率ne(ne()满足方程：满足方程：22222sincos)(1eoennn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方向不一致。方向不一致。任意方向传播的双折射任意方向传播的双折射单轴晶体单轴晶体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

13、的变化 (a)正单轴晶体 (b)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2.电光效应l电光效应：当介质的两端所加外电场较强时，介质内的电电光效应：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。l 电光效应弛豫时间很短，仅有电光效应弛豫时间很短

14、，仅有10-1110-11量级量级l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l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，因而方向一致，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：（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

15、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 200023EEnnnn320EEED0 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：2320EEdEdD220232EEnn220023EEEEknnnl 与外加电场的一次方成正比，称为泡克尔斯效应；ln与外加电场平方成正比，称为克尔效应。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（2）KDP晶体的线性电光效应 KDP晶体是人工生长的KH2PO4单轴晶体的简称。不加外场，折射率椭球为：

16、12)(23632141203202201xyExzEyzEzByBxB1)(2032201zByxB2011onB 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：外加电场引起了折射率椭球中的后三项，即“交叉项”，这意味着加上电场后，椭球的主轴不再是x、y、z轴，而是有所偏转。新主轴、的方向和大小与E的关系就确定了电场对光传播的影响。2031enB （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，那么，那么021 EE03 EE12363203202201xyEzByBxBzyxxyzyxyxc

17、ossinsincos1)()(203236302236301zByEBxEBzyx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：eyxnnEnnEnnz ，得得到到：3632023632021111 结论：(1)施加外场E3后，椭球的xoy截面由圆变为椭圆，折射率椭球由旋转椭球面变为一般椭球面，KDP由单轴晶体变为双轴晶体。xyxy(2)(2)沿沿 方向偏振的光传播相速度方向偏振的光传播相速度加大，而沿加大，而沿 方向偏振的光传播方向偏振的光传播速度减小，因而速度减小，因而 轴称为快轴，轴称为快轴，轴为慢轴。轴为慢轴。36332Ennnoox36332Ennn

18、ooyeznn，运运用用近近似似式式得得到到：由由于于20363/1 nE （b）外加电场垂直于光轴031 EE02 EE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 22222412222522oeeoeooxnnEnnnnnnoynn22222412225222eoeoeooznnEnnnnnn（1施加外场后，新折射率椭球的主轴是由旧主轴绕 y旋转角后形成的，与外加电场成正比，但是一个小值。（2施加外场后，折射率椭球由旋转椭球变为一般椭球，单轴晶体变为双轴晶体，双轴晶体的光轴方向之一仍为原 z 轴，另一光轴位于以 轴为对称轴且和 z 对称的方向上。z（3 3电光相位延迟

19、电光相位延迟 以外加电场平行于光轴以外加电场平行于光轴Z Z轴的轴的KDPKDP晶体为例，光波沿晶体为例，光波沿z z方向传播距离方向传播距离l 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 VnklEnkooooyx6333633lEV3的变化曲线及相应的光场矢量变化情形 xE、yE 当相位延迟当相位延迟时，光场为时，光场为x x方向偏振的线偏振光，当方向偏振的线偏振光，当/2/2时，光场为圆偏振光，当时，光场为圆偏振光，当时，光场又变成时，光场又变成沿沿y y方向偏振的线偏振光。方向偏振的线偏振光。与与对应的偏振光相对入射光旋转了对应的偏振光相对入射光旋转了9090，其相应的，其

20、相应的电压称为半波电压电压称为半波电压 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。633oonkV 部分晶体的部分晶体的 和和V633.3.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（1 1电光强度调制装置由两块交叉偏振片及其间放置的一块电光强度调制装置由两块交叉偏振片及其间放置的一块单轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与单轴电光晶体组成。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

21、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 x y20EV6320n2 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位相差方向的二线偏振光之间的位相差 x y通过振动方向与通过振动方向与 y y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别为为 ，则有：，则有：yxEyyE)(00e2e2 tiyytiyxEEEE ，VnIEEI 6330202202sin2sin 输输出出光光强强：)1(20 itiyeeEEE

22、 投影之和为：投影之和为：图图(4-22)I/I0-V曲线曲线（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，则输出光强，则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。tVV sin0)sinsin(1 21sin24sin2sin0002020tVVIItVVIII tVVII sin22100 63302 nV （3 3画出画出 曲线的一部分以及光强调制的情形。为曲线的一部分以及光强调制的情形。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

23、波片，使之产生9090度的相位差。度的相位差。4 VVII 01/0 VV应用应用应用应用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（2横向电光强度调制横向电光强度调制VVlnnkVndlklnnklnEnnkeoooeooeoooyxl)(2)()2(63303633ldnkVoo6332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/dl/d，恰当选，恰当选择长宽比，以

24、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。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。4 4 电光相位调制电光相位调制（1 1加电场后，振动方向与晶体的感应主轴相平行的光通过加电场后，振动方向与晶体的感应主轴相平行的光通过长度为长度为 的晶体，其位相增加为的晶体，其位

25、相增加为 l3006322znnEl（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 sinzmmEEtcosUAt入)sincos(22cos63300 ttAUlEnntAUmz出出出出式中，式中，为相位调制度为相位调制度 lEnm 6330 （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 5.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

26、。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。（1M-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(LiNbO3)(LiNbO3)，其中的光波导是在晶体，其中的光波导是在晶体上用钛扩散折射率提高技术制作的。上用钛扩散折射率提高技术制作的。电信号加到如图所示的电极上，来自激光器的连续光波输电信号加到如图所示的电极上，来自激光器

27、的连续光波输入到调制器的左端，然后被均匀地分配到光波导的两个臂入到调制器的左端，然后被均匀地分配到光波导的两个臂中，两光路长度相等。由于电光效应，其折射率及到达输中，两光路长度相等。由于电光效应，其折射率及到达输出端的光程差和位相随外加电压的变化而变化，在时间上出端的光程差和位相随外加电压的变化而变化，在时间上发生延迟。两束光到达输出端后，经发生延迟。两束光到达输出端后，经3 dB3 dB光耦合器耦合在光耦合器耦合在一起由一路光纤输出。一起由一路光纤输出。根据这一原理，即可完成光信号强度随电信号的变化而不根据这一原理，即可完成光信号强度随电信号的变化而不断改变的调制过程，即实现强度调制。图中，

28、沿方向切割断改变的调制过程，即实现强度调制。图中，沿方向切割LiNbO3LiNbO3晶体，光波沿晶体，光波沿z z方向传输，调制电场施加于方向传输，调制电场施加于y y方向。方向。设入射光场为设入射光场为 incos()EAtmmsin()yyEEt调制电压为调制电压为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。3oute33mmcossinyLEAtnEt 从调制臂输出的光场为 式中，为调制深度。此时，经过调制臂的光波相位已经受到调制，在输出端，此路调制光波与另外一路未调制光波在3 dB 耦合器上干涉，就可以得到强度调制

29、的光波信号输出。mcos(sin)Att3me33yLEn)2(cos2 iII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。DLVne /333(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。，为为偶偶数数时时，；当当，为为奇奇数数时时，当当设设计计使使为为两两支支路路长长度度差差为为光光波波导导传传播播常常数数，设设00,10202010 PPPNPPPNNLkLkii 当电调制信号为空号时，两支路正好满足N为偶数。当电调制信号为传号时，由于电场的加入，改变了波导的有效

30、折射率，因而改变传播常数k，使其正好满足180的附加相移，由交叉态变为直通态。cnk 7.5.3 声光调制 声波的应变场也能改变某些晶体的折射率，产生类似于光栅的光学结构，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（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，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、构时，就发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化。

31、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：)sin(),(KztntznKztntzncossin2),(（2 2）喇曼奈斯衍射喇曼奈斯衍射在低声频和相互作用长度不太大的情况下，入射光在相互在低声频和相互作用长度不太大的情况下，入射光在相互作用区内部的传播方向仍保持直线方向，而与折射率变化作用区内部的传播方向仍保持直线方向，而与折射率变化有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生有关的介质的光学不均匀性只对通过声柱的光的相位发生影响。衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。这种衍射称为影响。衍射遵循普通相位光栅的

32、衍射定律。这种衍射称为喇曼奈斯衍射。喇曼奈斯衍射。喇曼奈斯声光衍射喇曼奈斯声光衍射 m（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。mkKmmsin)2,1,0(m（a只有满足只有满足 光场取极大值光场取极大值（3）声光布喇格衍射若声波频率较高，且声光作用长度若声波频率较高，且声光作用长度L L较大，声扰动介质形成较大，声扰动介质形成“体位相光栅体位相光栅”。当平面光波相对于声波方向以一定角度。当平面光波相对于声波方向以一定角度入射时，介质内的各级衍射光将互相干涉，在一定条件下，入射时

33、，介质内的各级衍射光将互相干涉，在一定条件下，各高级衍射光将互相抵消，只出现各高级衍射光将互相抵消，只出现0 0级和级级和级(或级或级)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 Bsin2布喇格角布喇格角 diB是声光品质因素。是声光品质因素。是介质长度，是介质长度，是声强，是声强，MlIMIllnkIISsd)2(sin)2(sin2020 衍射效率衍射效率2.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：产生高频信号，由电极加到压电换能器两侧。驱动源：产生高频信号，由电极

34、加到压电换能器两侧。2.2.压电换能器：将电功率信号转换成超声波，通过耦合器耦压电换能器：将电功率信号转换成超声波，通过耦合器耦合到声光介质中，使介质折射率发生变化，形成光栅。压电合到声光介质中，使介质折射率发生变化，形成光栅。压电换能器通常由石英晶片或铌酸锂晶片来实现。厚度十几到几换能器通常由石英晶片或铌酸锂晶片来实现。厚度十几到几十微米，频率越高，厚度越薄。十微米，频率越高，厚度越薄。3.3.声光介质：声场和光场相互作声光介质：声场和光场相互作用的场所。需考虑工作波长及用的场所。需考虑工作波长及品质因素。常用的有：铌酸锂品质因素。常用的有：铌酸锂0.5-4.5um0.5-4.5um透光）、

35、钼酸铅透光）、钼酸铅（0.4-5.5um0.4-5.5um透光）透光）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。（2 2布喇格型布喇格型 2222cosMlIBsSMIL2222 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。

36、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：ShlIP 3.声光波导调制器声光布拉格衍射型波导调制器由平面波导和交叉电极换声光布拉格衍射型波导调制器由平面波导和交叉电极换能器组成。波导材料一般采用压电材料如能器组成。波导材料一般采用压电材料如ZnOZnO），衬底采），衬底采用铌酸锂压电材料，波导为用铌酸锂压电材料，波导为TiTi扩散。用光刻法在表面做成交扩散。用光刻法在表面做成交叉电极的电声换能器，波导光与电极板条间的夹角为布拉格叉电极的电声换能器，波导光与电极板条间的夹角为布拉格角。当

37、入射光耦合通过波导时，换能器产生的超声波引起波角。当入射光耦合通过波导时，换能器产生的超声波引起波导和衬底折射率的周期变化，对光产生衍射，得到导和衬底折射率的周期变化，对光产生衍射，得到1 1级衍射级衍射光，其光强为光，其光强为相相关关的的系系数数。是是与与有有效效折折射射率率是是相相位位延延迟迟，effiinBBVIII sin)2(sin21 衍射光强随电压V的变化而变化。例如当波长为632.8nm，V=9V时，得到100%的强度调制。7.5.4 磁光调制1 1 磁光效应磁光效应 当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，偏振面旋转当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，偏振面旋转的现象称为

38、天然旋光，简称旋光现象。不同介质对光振动矢的现象称为天然旋光，简称旋光现象。不同介质对光振动矢量的旋转方向可能不同，分为左旋和右旋。对着光线观察，量的旋转方向可能不同，分为左旋和右旋。对着光线观察，矢量顺时针旋转成右旋，逆时针称左旋。葡萄糖溶液是右旋矢量顺时针旋转成右旋，逆时针称左旋。葡萄糖溶液是右旋介质，果糖是左旋介质。介质，果糖是左旋介质。./16.650;/49.40:00mmmmmmll为为时时，波波长长为为时时，波波长长石石英英为为旋旋光光率率。为为通通光光长长度度，旋旋转转角角度度：（1 1旋光效应旋光效应（2 2法拉第效应法拉第效应 法拉第在法拉第在18451845年发现：当一束

39、平面偏振光通过磁场作用下年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方的某些物质时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转。这种现象称为法拉第效应。向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为为长长度度。为为磁磁感感应应强强度度，性性质质有有关关，为为维维尔尔德德常常数数，与与物物质质旋旋转转角角度度：LBVLBV nm3.589时的时的V值值 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：光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相光束返回通过天然旋光介质时，旋

40、转角度与正向入射时相反，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；而磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，而磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。可应用于光隔离器。可应用于光隔离器。2 2 磁光调制磁光调制 将磁光介质如YIG棒置于恒磁场Hd与光传输方向垂直中，棒上饶有射频激励线圈，以便在介质内建立时变调制磁场。由于加了恒磁场，光通过介质后旋转角度为场场。为为加加在在介介质质上上的的调调制制磁磁，tHtHlHtadas sinsin)

41、(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。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

42、数字信号对光源进行强度调制对光源进行强度调制 1.模拟调制 为了获得线性调制，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。（1调制信号源与直流偏置电流必须隔离。（2偏置电流略大于LD的阈值电流。（3 3直接调制会使激光器主模直接调制会使激光器主模的强度降低，而次模的强度相对的强度降低，而次模的强度相对增加，从而使谱宽增加。增加，从而使谱宽增加。m 调制电流幅度偏置电流阈值电流调制深度：调制深度：2.数字式调制 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，Im为代表信息数据的驱动电流，Ib+Im成为LD的工作电流。数据1对应于激光发射，数据0

43、对应于无光发射。LD数字调制原理图光发送机框图LD实用驱动电路 实际的数字信号经过交换、复接过程，其波形不是矩形脉冲，在调制LD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。LD的输出功率和波长受温度影响，所以必须有温度自动控制ATC和功率自动控制APC。（1 1预失真处理。为抑制频率啁啾影响，需采用整形电路对预失真处理。为抑制频率啁啾影响，需采用整形电路对标准二元电信号做预失真处理。输入数据的一路到右管的基标准二元电信号做预失真处理。输入数据的一路到右管的基极，另一路经过延迟线再到左管的基极，两管导通的时延差极，另一路经过延迟线再到左管的基极，两管导通的时延

44、差取决于延迟线的长度。整形后的二元信号是两个先后脉冲电取决于延迟线的长度。整形后的二元信号是两个先后脉冲电平的叠加，它们的重叠部分构成了整形信号的顶部，无重叠平的叠加，它们的重叠部分构成了整形信号的顶部，无重叠部分构成了整形信号的两个肩。调整延迟线的长度可调整顶部分构成了整形信号的两个肩。调整延迟线的长度可调整顶部位置，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 整形电路的作用是使数据的顶部预失真变窄，一方面可整形电路的作用是使数据的顶部预失真变窄，一方面可以降低注入载流子的变化速率，另一方面较窄的调制脉冲可以降低注入

45、载流子的变化速率，另一方面较窄的调制脉冲可以补偿啁啾效应造成的光脉冲的动态展宽，有利于高速率下以补偿啁啾效应造成的光脉冲的动态展宽，有利于高速率下的应用。的应用。(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LD的开通延迟码间图案相关效应（2 2偏置电流的影响。很多现象与偏置电流有关。偏置电流的影响。很多现象与偏置电流有关。当当 时，会出现开通延迟现象。光脉冲的出现较电时，会出现开通延迟现象。光脉冲的出现较电脉冲滞后，且顶部有振荡。脉冲滞后，且顶部有振荡。thbII 当 时，有利于使用较小的驱动电流获得较大光功率输出，而且有利于提高电-光响应速度。但是，过高的

46、直流偏置受两方面的限制：一是容易出现码间图案相关效应；二是导致接收灵敏度的降低。thbII 码间图案相关效应：第一个1码过去后，虽然驱动电流已为0，但LD有源区内的注入载流子并未完全消失，接着再来一个1码，相当于在残存的非平衡载流子之上叠加新的载流子，造成第二个脉冲的宽度和幅度都大于前一个光脉冲。输入脉冲为连0后，光脉冲才能恢复正常波形。这种效应在非平衡载流子寿命接近调制脉冲系列的时隙宽度时更加明显。因而，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 对应于直接调制信号的上升沿和下降沿，对应于直接调制信号的上升沿和下降沿，LDLD有源区内注有源区内注入载流子密度的变化引起折射率变化

47、，进而引起入载流子密度的变化引起折射率变化，进而引起LDLD发送端光发送端光信号波长的漂移。啁啾效应使信号波长的漂移。啁啾效应使LDLD输出频谱动态展宽。输出频谱动态展宽。单纵模单纵模LDLD在直流偏置小于阈值时表现为显著啁啾效应；而在直流偏置小于阈值时表现为显著啁啾效应；而直流偏置远大于阈值时啁啾效应较为微弱，而且在脉冲下降直流偏置远大于阈值时啁啾效应较为微弱，而且在脉冲下降沿没有观察到波长的明显蓝移。沿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thbII/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

48、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 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：光楔就是利用介质几何光楔偏转：光楔就是利用介质几何形状引起光偏转的，其偏转角为形状引起光偏转的，其偏转角为 dnldln17.6 激光偏转技术激光偏转技术 利用泡克耳斯效应，在电光晶体利用泡克耳斯效应，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

49、偏转器是由两偏转。实际的电光晶体偏转器是由两个个z z轴相反的晶体棱镜轴相反的晶体棱镜(如如KDPKDP棱镜棱镜)所所组成。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图所示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，由折射定律可得的下面的直角棱镜上，由折射定律可得出射光的偏转角为出射光的偏转角为 （1 1模拟式电光偏转模拟式电光偏转 nn 为两个棱镜的折射率之差。7.6.2 7.6.2 电光偏转电光偏转施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为 镜镜慢慢轴轴镜镜快快轴轴；方方向向为为BAx 36332Ennn

50、ooA)(23633EnnnooB36332EnnoodVndlEndnloo6333633 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。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。m6330 dVn （1数字式偏转数字式偏转122202220)sincos)(11(2sin21 eennnntg 现代光存储器都是采用二进制的数字式偏转器，右图是由电光晶体和现代光存储器都是采用二进制的数字式偏转器，右图是由电光晶体和双折射晶体组合的数字式偏转器。双折射晶

51、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，将分成垂直分量O光和平行分量e光二束，分离角为eennnn 00009000，但但，；当当，当当 为为入入射射光光与与光光轴轴夹夹角角 电光数字式偏转器电光数字式偏转器 当电光晶体不加电压时，当电光晶体不加电压时，O O光入射，偏振方向不变，再通过双光入射，偏振方向不变，再通过双折射晶体时，传输方向不变；当电光晶体加电压时，折射晶体时，传输方向不变；当电光晶体加电压时，O O光入射，光入射，偏振方向变化成为偏振方向变化成为e e光，再通过双折射晶体时，传输方向变化。光，再通过双折射晶体时，传输方向变化。上述就是一个一级数字偏

52、转器，入射的线偏振光随电光晶体上述就是一个一级数字偏转器，入射的线偏振光随电光晶体加和不加电压而分别占据两个地址之一，即加和不加电压而分别占据两个地址之一，即0 0和和1 1。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 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 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nVnVBi24sin221dnVd2求微分得求微分得 可见光束偏转角 与声频的变化 成正比。因而，改变声频就可以改变光束方向。dd激光宽行打字机原理框图激光宽行打字机原理框图