2014--光学微腔相位调制解调技术分析及实现

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2014--光学微腔相位调制解调技术分析及实现

０引言
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光学微腔相位调制解调系统中的纹波噪声

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光学微腔相位调制解调系统中的纹波噪声
张建辉，安盼龙，徐鹏飞，郑永秋，薛晨阳，张文栋，闫树斌

光通信中的相位调制与解调技术研究

光通信中的相位调制与解调技术研究在光通信中，相位调制技术是实现高速、高密度数据传输的一种关键技术。

而相位解调技术则是接收端将接收到的光信号转换为数字信号的重要手段。

本文将围绕这两个技术展开探讨。

一、相位调制技术相位调制技术是将数字信号转换为光信号的重要方式之一。

在光通信中，数据可以用微弱的光脉冲来表示，而信号调制则是通过改变光的相位来实现。

因此，相位调制技术能够通过改变光的相位来调制数据信号。

常见的相位调制技术有相位移键控（PSK）调制、正交振幅调制（QAM）和二进制相移键控（BPSK）调制等。

其中，最常用的是PSK调制和QAM调制。

PSK调制是将数字信号转换为不同相位的光脉冲，而QAM调制则是将数字信号转换为相位和振幅中不同的组合。

通常，QAM调制技术可以实现高速、高密度数据传输，而PSK调制则适用于长距离光纤通信。

二、相位解调技术相位解调技术是将接收到的光信号转换为数字信号的关键技术。

在光通信中，数据信号被调制在光信号的相位上，因此接收端需要解调这些信号来还原成数字信号。

常见的相位解调技术有相位差检测（PSD）和同步振荡（PLL）等。

其中，PSD技术是一种基于夹持型的相位解调技术，它可以通过比较接收光信号的两个分量的相位差来解调信号。

而PLL技术则是一种基于反馈型的相位解调技术，它通过采用反馈机制来控制接收光信号的相位，从而解调信号。

三、相位调制与解调技术的应用相位调制和解调技术在光通信中有着广泛的应用。

随着信息技术的快速发展，对数据传输速率的要求也愈发严格，相位调制和解调技术的应用也愈发广泛。

相位调制技术可以应用于光通信系统、光存储系统、光学传感系统等各种光电子学应用。

光通信系统应用最广，其主要应用在长距离光纤通信、无线光通信、光电路交换等方面。

在光存储系统中，相位调制和解调技术被用于构建高速、高精度的光存储器。

在光学传感系统中，相位调制技术可以实现测量物理量的变化，例如电场、压力、温度等。

光学通信系统中的调制解调技术分析

光学通信系统中的调制解调技术分析光通信是一种基于光信号传输的通信方式，具有高带宽、低损耗、抗干扰等优点，是现代通信领域中最重要的技术之一。

调制解调技术是光通信中的关键技术之一，负责将信息信号转换为适合光纤传输的光信号，并从接收端将光信号重新转换为信息信号。

本文将对光学通信系统中的调制解调技术进行详细分析。

一、调制技术调制技术用于将信息信号转换为光信号，主要有直接调制（IM）、外调制（EM）和间接调制三种。

1. 直接调制（IM）直接调制是将信息信号直接加载到光信号中，通常使用的是半导体激光器作为光源。

在直接调制中，信息信号通过改变光源的直流偏置电流来改变激光器的输出强度。

直接调制技术简单、高效，适用于较低速率的光通信系统，但其调制深度受限制。

2. 外调制（EM）外调制是通过将信息信号和光源进行耦合，利用外部器件对光信号进行调制。

其中，最常用的外调制技术是电光调制（Electro-Optic Modulation）和等效相位调制（Electro-Absorption Modulation）。

电光调制基于光电效应，通过在光信号上加电压来改变介质的折射率，从而改变光信号的相位或振幅。

电光调制具有调制深度大、带宽宽、适用于高速率的优点。

等效相位调制是一种基于半导体谐振腔的调制技术，通过改变安装在半导体材料上的电场来改变谐振腔中的损耗，从而改变光信号的相位。

等效相位调制器具有带宽宽、能耗低等优势。

3. 间接调制间接调制是通过先将信息信号调制成电信号，再经过光电转换将电信号转换为光信号。

间接调制技术主要有电调制、激光调制和电光调制等。

电调制是指先将信息信号调制到电信号上，然后使用激光二极管作为发射光源，通过改变激光二极管的电流来改变光信号的强度。

电调制技术适用于短距离传输和低速率通信。

激光调制是指通过输入电信号来改变激光二极管的输出光束，从而实现光信号的调制。

激光调制技术具有高速率和高频响应的特点，适用于高速率通信系统。

光学相位调制的原理和应用

光学相位调制的原理和应用
光学相位调制是一种控制光波相位的技术，它可以通过调制光波的相位来实现信号的调制和传输。

其原理基于光波的干涉现象，通过改变光的相位，可以改变光的干涉图样，进而实现信号的编码和解码。

光学相位调制的原理可以简述如下：当光波通过被调制的光栅、液晶、或者光电效应材料等介质时，介质中的折射率、吸收系数或者透明度会发生变化，从而改变了光波的相位。

通过对这些介质施加不同的电压或者传递不同的电流，可以精确地控制光波的相位调制。

光学相位调制在光通信、光存储和光计算等领域有着重要的应用。

它可以用于调制和解调光信号，实现高速光通信和高容量光存储。

此外，光学相位调制还可以用于光学成像和光学测量，例如在显微镜和干涉仪中的应用，可以实现高分辨率的图像获取和精确的测量结果。

光学相位调制还被广泛应用于激光器技术中。

通过调制光波的相位，可以实现激光器的频率调制、激光束的调制和激光脉冲的调制等功能。

这些应用对于光学通信、雷达、激光雷达、光学光谱、激光打印、光学标记和生物医学影像等领域具有重要意义。

总之，光学相位调制是一种重要的光学技术，它可以实现光信号的调制和传输，具有广泛的应用前景。

通过精细的相位调制，
可以实现高速、高容量的光通信和光存储系统，并在光学成像、光学测量和激光器技术等方面发挥重要作用。

光通信系统中的调制解调技术优化分析

光通信系统中的调制解调技术优化分析光通信技术已成为现代通信领域的主要支柱之一，其高速、高带宽和低损耗的特点使其成为实现大容量、长距离传输的理想选择。

而调制解调技术作为光通信系统中至关重要的环节，对系统的性能和效率起着决定性的作用。

本文将针对光通信系统中调制解调技术所面临的优化挑战进行分析和探讨，以期达到系统性能的最大化和优化。

首先，我们需要了解光通信系统中调制解调技术的基本原理和现状。

在光通信系统中，调制是指将电信号转化为光信号的过程，而解调则是将光信号转化为电信号的过程。

调制技术主要包括强度调制、频率调制和相位调制三种方式。

而解调技术则是对光信号进行解析和还原的过程。

当前光通信系统普遍采用的调制解调技术有幅度调制是强度调制、频率调制是外差调制、相位调制是二进制相移键控调制（BPSK）和四进制相移键控调制（QPSK）等。

这些技术满足了不同场景和需求下的数据传输要求，但仍面临一些优化挑战。

一方面，光信号的传输距离和带宽需求的增加使得光通信系统对调制解调技术的性能提出了更高的要求。

在长距离传输中，光信号容易受到光纤传输特性和光子能量损失的影响，导致信号衰减和噪声增加。

此外，多信道和高速率传输也对调制解调技术的抗噪声能力和误码率提出了更高的要求。

优化调制解调技术，提升其在高噪声环境下的性能，对于提高系统的传输距离和数据传输速率至关重要。

另一方面，光通信系统中多种调制解调技术的共存和互用也对系统的性能和效率提出了挑战。

由于不同调制解调技术的特点和性能各异，对信号的有效传输和接收有不同的要求。

因此，在实际应用中，如何优化光通信系统中的调制解调技术选择和切换，使其能够充分发挥各自的优势并实现最佳性能，是一个复杂而具有挑战性的问题。

在此背景下，通过深入研究优化调制解调技术的选择、切换和协同工作的方法，可以有效提高系统的灵活性和总体性能。

针对以上挑战，我们可以从以下几个方面对光通信系统中的调制解调技术进行优化。

光学通信系统中的调制技术研究

光学通信系统中的调制技术研究光学通信一直以来都是人类通信活动中一个重要的组成部分，而光通信系统中对信息的传输涉及到了多种调制技术。

在当今信息高速发展的时代背景下，调制技术的不断革新和进步使得光学通信系统在数据传输、网络建设等方面变得更加高效和精密。

光通信系统的调制技术主要涉及到光的调制方式，包括幅度调制、相位调制、频率调制等。

在光学通信系统中广泛应用的调制技术是幅度调制和相位调制。

1. 幅度调制幅度调制是指用调制电压调节光强度的一种调制技术。

该技术能够调制光的强度，改变光的亮度，从而实现信息的传输。

幅度调制技术在光通信系统中得到广泛的应用，在数据传输、卫星通信、广播电视等方面具有重要的作用。

当前，人们对幅度调制技术的研究主要集中在提高调制带宽和传输速度等方面，促进光通信系统的实际应用。

有学者在研究幅度调制技术的基础上，提出了一种新型的幅度调制技术——RF 直观幅度调制技术。

该技术通过吸收外部射频信号，对光输出进行直观幅度调制，可以扩大单频调制带宽并提高光电探测器的灵敏度。

同时，该技术具有成本低、技术要求不高的优势，在工程应用中有着广泛的前景。

2. 相位调制相位调制技术是指调节光相位的一种调制技术，能够在高速传输中实现地址、节目号等信息的传输。

相位调制技术利用了光波本身的相位，采用不同的调制方式，实现对光波相位的调制，同时还能够充分利用光波的相位特性，提高光通信的能量效率。

现如今，随着信息处理速度的提高，新型的相位调制技术得到了广泛的研究。

例如，微波相位调制技术将微波和光波结合起来，通过微波电路中的相位调制元件来调制相位，实现对光波的调节。

该技术在高速率、远距离、光纤传输等方面具有广泛的应用前景。

总的来说，光学通信系统中的调制技术是重要的组成部分，它能够实现光波的调制、信息的传输、光电传输效率的提高等多种功能。

目前，随着信息技术的快速发展，人们对新型调制技术的研究也将越来越深入。

相信，未来在光学通信领域中的各种调制技术不断更新，也将会为人类通信活动发展带来前所未有的方便和便捷。

光通信系统中的调制与解调算法研究

光通信系统中的调制与解调算法研究光通信系统以其高速、大带宽和低能耗等优点成为现代通信领域的关键技术。

而光信号的调制与解调作为光通信系统中的关键环节，对信息传输的质量和速率有着重要的影响。

本文将围绕光通信系统中的调制与解调算法进行研究，讨论光信号的特性、调制方案、解调算法及其应用。

首先，我们来了解一下光信号的特性。

光信号是通过携带信息的光波进行传输的，其特点是波长短、频率高、传输速度快、传输距离远。

光信号可以通过控制其相位、振幅和频率等参数来携带信息，这就需要在光通信系统中对光信号进行调制与解调。

光信号调制是指将待传输的信息通过改变光信号的某些特性转化为调制信号。

在光通信系统中常用的调制方案包括强度调制、相位调制和频率调制。

强度调制是通过改变光信号的强度来携带信息，常用的调制方法有直接调制和外差调制等。

相位调制是通过控制光信号的相位来携带信息，常用的相位调制方法有折射率调制、电光调制和全息调制等。

频率调制是通过改变光信号的频率来携带信息，常用的频率调制方法有光学频移键控（OOK）和差频键控（FSK）等。

针对不同的调制方案，光通信系统中存在着多种解调算法。

解调算法是指将调制后的光信号转化为原始信息的过程。

针对强度调制，解调算法常用的有幅度调制解调、波长解调和时域解调等。

幅度调制解调可以通过光电探测器将光信号的强度转化为电信号，从而实现信号解调。

波长解调是利用光纤布拉格光栅（FBG）等组件将不同波长的光信号解析出来。

时域解调是通过对调制信号进行揭发分析，获取原始信息。

相位调制和频率调制的解调算法也各有不同，如光纤干涉仪、相移技术等被广泛应用于相位调制解调，而光电位移器和频率测量器等则适用于频率调制的解调。

除了在光通信系统中的调制与解调环节，光信号的调制与解调算法还广泛应用于光纤传感、光学成像和光学仪器等领域。

在光纤传感领域，光信号的调制与解调算法被用于温度、压力等参数的测量。

光学成像领域中，调制与解调算法可以实现对光学图像的编码和解码。

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《半导体光电》２０１４年２月第３５卷第１期
张建辉等：光学微腔相位调制解调技术分析及实现

光电技术应用
光学微腔相位调制解调技术分析及实现
张建辉，徐鹏飞，李小枫，薛晨阳，张文栋，闫树斌
］２。光学微腔的相位调制解调的好坏直接影响陀化［
螺性能。光学陀螺的核心部件是光学微腔，在其确定之后，调制原理及其实现方法很大程度上决定了
［］因此对微腔的相位调ＲＯＧ的检测范围和灵敏度３，
制技术进行研究和分析是很有必要的。本文从相位调制的基本原理出发，理论上分析了锁相放大器的解调原理。利用多光束干涉原理针对微腔的谐振特性进行了分析并对其及环形谐振腔进行了相位调制解调仿真分析。提出并搭建了基于光学谐振腔的相位调制解调系统。利用构建的光学
犃狀犪犾狊犻狊犪狀犱犐犿犾犲犿犲狀狋犪狋犻狅狀狅犳犘犺犪狊犲犕狅犱狌犾犪狋犻狅狀犪狀犱狔狆犇犲犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀犜犲犮犺狀狅犾狅狅狉犗狋犻犮犕犻犮狉狅犆犪狏犻狋犵狔犳狆狔
收稿日期：２０１３－０６－０８．基金项目：国家自然科学基金资助项目（９１１２３０３６，；山西省自然科学基金项目６１１７８０５８，６１２７５１６６）（）；山西省教育厅优秀青年学术带头人项目．２０１００１１００３２
∞
狀（［（）（犃犑０（犿）ｃｏｓ狋＋φ）犿）ｃｏｓ狋＋φ ＋（ｃｏｓ狋＋φ］＋犃∑犑－１ ω ω ＋狀 ω犿） ω －狀 ω犿）狀（狀＝１
（）７
相位调制后的光波通过以上展开式可以看到，频谱是由光频率及其两侧的无穷多对边频组成。每个边频之间的频率间隔是 ω犿，对应的幅度由贝塞尔函数犑决定。当调制系数不为１时，调制后各犿）狀（频率分量的功率大小将会有所不同。对调制后的光信号进行解调处理的方法有很多种，这里采用锁相放大器对信号进行解调处理。使用锁相放大器进行信号检测需要有两个输入信号，一个是包含噪声及所需信号的待测信号，另一个为参考信号。其中，参考信号是一种与待测信号频率相同的任意波形的周期信号，它为锁相放大器进行微弱信号检测提供频率参考。待测信号在信号通道中经过前置放大和滤波处理后与参考信号一同进入相敏检测器。相敏检测器是锁相放大器的核心部件，它的输出主要由待测信号的幅度以及待测信号与参考信号间的相位差共同决定。锁相放大器正是利用相敏检测器来实现信号解调的。针对一般的待测信号与参考信号均为正弦波的情况，锁相放大器的解调过程如下：设待测信号为）＝犞ｓ（狓（狋ｃｏｓ狋＋θ ω ｓｓ）参考信号为
，，，，，ＺＨＡＮＧＪｉａｎｈｕｉＸＵＰｅｎｆｅｉＬＩＸｉａｏｆｅｎＸＵＥＣｈｅｎａｎＺＨＡＮＧＷｅｎｄｏｎＹＡＮＳｈｕｂｉｎｇｇｙｇｇ
（，犓犲犪犫．犐狀狊狋狉狌犿犲狀狋犪狋犻狅狀犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犇狀犪犿犻犮犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋狅犳狋犺犲犕犻狀犻狊狋狉犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀犛犮犻犲狀犮犲狔犔狔狔狅，，犖狅狉狋犺犝狀犻狏犲狉狊犻狋犳犆犺犻狀犪犜犪犻狌犪狀０３００５１，犆犎犖）犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅狀犈犾犲犮狋狉狅狀犻犮犜犲狊狋牔犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋犔犪犫．狔狅狔犵狔狅
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∞
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狀＝１
（）６
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（）＝犃｛（（犲狋ｃｏｓ狋＋φ）ｃｏｓ犓ｓｉｎ狋）－ ω ω犿（）（）｝ｓｉｎω 狋＋φ ｓｉｎ犓ｓｉｎ狋 ω犿犮
（［（）ｓｉｎ犓ｓｉｎ狋）＝２∑犑犿）ｓｉｎ２狀－１狋］ ω犿 ω犿２ｃ效应的谐振式光学陀螺ｇ（，是用来测量旋转角ＲｅｓｏｎａｔｏｒＯｔｉｃＧｒｏＲＯＧ）ｐｙ］１速度的一种新型光学传感器［。Ｓａｎａｃ效应是一ｇ种非常微弱的光学效应，需要通过相应的调制解调技术才能检测出反映陀螺转动角速度的物理量变
·１５４·
）＝犞ｒ（（）狉（狋ｃｏｓ狋＋θ ９ ω ｒｒ）其中， ω ω ｓ、ｒ分别为待测信号和参考信号的角频率， θ θ ｒ、ｓ为其初相位。当上述两个信号进入相敏检测得到的输出结果为器后，）＝狓（））＝犞ｓ（ · · 狌狋狋狉（狋ｃｏｓ狋＋θ ω ｓｓ）ｐ（１（犞ｓ犞ｒ［ｃｏｓ狋＋θ ω ｓｓ－２（］（）狋－θ ｏｓ狋＋θ 狋＋θ １０ ω ω ＋ｃｒｒ）ｓｓ＋ω ｒｒ）在相敏检测器的输出结果中由上式可以看出，（犞ｒｃｏｓ狋＋θ ω ＝ｒｒ）存在着待测信号与参考信号的差频分量以及和频分要求参考信号频率量。由于在锁相放大器工作时，故有与待测信号频率相同，（）１１
·１５３·
犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犗犘犜犗犈犔犈犆犜犚犗犖犐犆犛狅犾．３５犖狅．１犞
犉犲犫．２０１４
谐振腔相位调制解调系统采用正弦波对微腔进行了调制解调测试。同时，使用光纤环形谐振腔验证了调制解调系统及调制方法的可行性。则经过相位调制器调制后，光波的表达式为（）＝犃（犲狋ｃｏｓ狋＋φ ＋犽犕）＝ ω （犃ｃｏｓ狋＋φ ＋犽犃犿ｓｉｎ狋）＝ ω ω犿（（）犃ｃｏｓ狋＋φ ＋犓ｓｉｎ狋）３ ω ω犿式中，用三角公式犓＝犽犃犿为调制系数。对式（３）展开可以得到：（）４式中，（和ｓ（可以展开为如ｃｏｓ犓ｓｉｎ狋）ｉｎ犓ｓｉｎω犿狋） ω犿下形式：
：犃犫狊狋狉犪犮狋ｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｓｉｓｏｆｔｈｅｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｌｅｓｏｆｔｈｅＴｙｐｌｏｃｋｉｎａｍｌｉｆｉｅｒｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｎｄｔｈｅｐｈａｓｅｐｙａｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｎａｌｚｅｄｂｓｉｎｕｌｔｉｂｅａｍｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅｙｙｕｇｍｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｓｔｅｍｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｏｔｉｃａｌｃａｖｉｔａｓｄｅｓｉｎｅｄ．Ｔｈｅｔｅｓｔｐｙｐｙｗｇｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｆｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｓｔｅｍ．Ａｎｄｔｈｅｌｏｗｆｒｅｕｅｎｃｙｔｙｏｙｑｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｉｎａｌａｎｄｔｈｅｓｉｄｅｂａｎｄｓｉｎａｌｏｆｔｈｅｏｔｉｃａｌｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｅｒｅｇｇｐｙｗｏｂｔａｉｎｅｄ．：；ｏ；ｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；犓犲狅狉犱狊ｉｂｅｒｏｔｉｃｓｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｆｐｐ狔狑；ｒｅｓｏｎａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｎｓｉｎｅｃｈｎｏｌｏｇｔｇｙ