107532-光电子技术-5.光调制技术3
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《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap5
与 都是对称二阶张量， ij ji 、 ij ji
简化下标得：
1 6 5 6 2 4
5 4 3 在主介电坐标系中上式简化为：
1 0 0 0 2 0
0 0 3
直角坐标系中，直观表示为：
• 中级晶族
– 三个主折射率中有两个主折射率相等，晶体的波矢面由 一个球面和一个旋转椭球面组成，旋转椭球面的旋转轴 即为光轴；
• 高级晶族 – n1 =n2=n3 ，两个波阵面重合，晶体不再呈现双折射。
• 线性情况下，其特性与各向同性晶体一样， • 非线性情况下出现高阶介电张量，不同于各向同性晶体。
利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应 也可以制作电光调制器；
利用Pokels效应也可以制作电光调制器；
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。
利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行 超细光谱分析与激光稳频。
5.1晶体光学基础
波矢面图
2. 折射率椭球
——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
x2 n12
y2 n22
z2 n32
1
代表一个椭球，称折射率椭球，
是晶体各向异性的几何表示，有性质：
• 其中任一矢径的方向，表示光波电位移矢量D的一个振 动方向；其长度表示D沿矢径方向振动的光波的折射率。
x
0
0
y
0 0
0 0 z
晶体宏观对称性对应于张量分量个数和大小的制约关系，可使表达简化
低级晶族 对 称 性 不 中级晶族 同
光电子技术课件：第五章 光调制技术3
• 激光的调制分为：
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。Fra bibliotek4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。Fra bibliotek4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
光电子技术_王俊波_电光调制
2020/10/21 共29页 19
UP
DOWN
BACK
根据(3.2-37)式，当 时，半波电压为
其中括号内的就是纵向电光效应的半被电压，所以
可见，横向半波电压是纵向半波电压的d/L倍。减小d，增加 长度L可以降低半波电压。但是这种方法必须用两块晶体，所 以结构复杂，而且其尺寸加工要求极高。
UP
DOWN
BACK
其一，除了施加信号电压之外，再附加一个 Vλ/4 的固定偏压， 但会增加电路的复杂性，且工作点的稳定性也差。
其二，在光路上插入一个1／4波片(3.2-5图)其快慢轴与晶体主 轴x成45o 角，使E x’和E y’二分量间产生 /2 的固定相位差。 (3.2-30)式中的总相位差
x y
/4波片
P2 调制光 Io
检偏器
纵向电光强度调制
电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x’,y’。因此，沿z轴入射的光束经起偏 器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两 个分量，两个振幅(等于入射光振幅的2 1/ ）和相位都相等．分别为：
2020/10/21 共29页 20
UP
DOWN
BACK
二、电光相位调制
由起偏器和电光晶体组成。 起偏器的偏振方向平行于 晶体的感应主轴x’(或 y’)，此时入射晶体的线 偏振光不再分解成沿x’、 入射光 y’两个分量，而是沿着 x’(或y’)轴一个方向偏 振，故外电场不改变出射 光的偏振状态，仅改变其 相位，相位的变化为
另一种是施加在晶体上的电场在空间上有一定的分布， 形成电场图像，即随x和y坐标变化的强度透过率或相位分 布，但在时间上不变或者缓慢变化，从而对通过的光波进 行调制。
第5章 光的调制技术
a ( t ) A m cos m t
调频：
E ( t ) A c cos( c t c )
t t dt c [ c k f a t ] dt c c t
k a t dt
f
c
E ( t ) A c cos( c t m f sin m t c )
2 2 2
I ( t ) E ( t ) Ac cos ( c t c )
a ( t ) A m cos m t
I (t ) Ac 2
2
m p k p A m 1
强度调制系数
1 m
p
cos m t cos ( c c )
2
强度调制的频谱除了载波分量和 对称分布的边频之外，还有低频和直 流分量。 为了提高抗干扰能力，采用二次 调制方式，即采用副载波进行强度调 制。
编码以后，信号转化为相应的二进制码， 用这一系列的电脉冲加到一个强度调制 器上，控制激光器的输出。
信息与通信学院 陈 明
第5章
光的调制技术
光电技术与应用课程
5.2 电光调制
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
电光调制器
光电技术与应用课程
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
5.2.1 电光效应
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
光电技术与应用课程 数字调制方式：脉冲调制
调制信号 幅度调制 脉宽调制 频率调制 脉位调制
信息与通信学院 陈 明
调频：
E ( t ) A c cos( c t c )
t t dt c [ c k f a t ] dt c c t
k a t dt
f
c
E ( t ) A c cos( c t m f sin m t c )
2 2 2
I ( t ) E ( t ) Ac cos ( c t c )
a ( t ) A m cos m t
I (t ) Ac 2
2
m p k p A m 1
强度调制系数
1 m
p
cos m t cos ( c c )
2
强度调制的频谱除了载波分量和 对称分布的边频之外，还有低频和直 流分量。 为了提高抗干扰能力，采用二次 调制方式，即采用副载波进行强度调 制。
编码以后，信号转化为相应的二进制码， 用这一系列的电脉冲加到一个强度调制 器上，控制激光器的输出。
信息与通信学院 陈 明
第5章
光的调制技术
光电技术与应用课程
5.2 电光调制
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
电光调制器
光电技术与应用课程
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
陈
明
5.2.1 电光效应
第5章
光的调制技术
信息与通信学院
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明
光电技术与应用课程 数字调制方式：脉冲调制
调制信号 幅度调制 脉宽调制 频率调制 脉位调制
信息与通信学院 陈 明
第三章光电子技术-1光波电调制
V
34
3.3 电光调制的物理基础
3.3.1电光效应 电光效应——某些介质的折射率在外加电场的 作用下而发生变化的一种现象。
( 1 n
线性电光效应 (普克耳效应)
2
) aE bE
2
二次电光效应 (克尔效应) a、b为一次、二次电 光系数，其值由材料 的结构和对称性决定。
35
Kerr effect
22
3.2.2强度调制
强度调制是直接对光强进行操作。
调制前： 调制后：
I I0 I I 0 f (Q )
23
强度调制的特点
能够实现线性解调； 使用中极易实现（如对光源进行调制）。
24
振幅(强度)调制的干扰问题
振幅调制和强度调制有一个共同点—— 易受干扰，如光源的波动，光信道的漂移等 因素均可带来光强的变化，使信号受到干扰。 故强度调制一般用在精度要求不高的场合。
27
3.2.3频率及相位调制
调制前：
E ( z , t ) E ( z ) sin( c t 0 )
E ( z , t ) E ( z ) sin ( f ( Q )) t 0
频率调制：
相位调制：
c
E ( z , t ) E ( z ) sin[ c t 0 f ( Q )]
28
特点及其讨论
PM和FM均是对光载波的角度量进行调制，而 角度量的变化并不能直接从光强上表现出来，故必 须在到达光电接收器件以前将角度量的变化转化成 光强的变化，常见的方法是借助与参考光进行干
涉解调（相干探测），其原理将在后面详细介绍。
29
特点
抗干扰能力强（主要指抗振幅、光强的波动） 灵敏度高 动态范围大 整个系统的成本高，主要是由于灵敏度太高，光源自 身的相位抖动或波长漂移均不可忽略，故高质量的光 源必然带来高的成本。此外，环境因素极易引入错误 的信息。
光电子学-第五章
折射率椭球——迅速直观地描述光波在晶体中的双折射现象
折射率椭球方程：
x x x 1 n n n
折射率椭球的性质: (d,n)曲面
n1
2 1 2 1
2 2 2 2
2 3 2 3
n3
0
n2
x2
x1 折射率椭球的物理意义：表征了晶体折射率在晶体空
间的各个方向上全部取值分布的几何图形。
利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性
调制后：
-10 -5
0.5
5 -0.5
10
-1
e(t ) ( Ac KA0 cos m t ) cos(c t c ) Ac (1 m cos m t ) cos(c t c ) A(t ) cos( c t c )
-10 -5
1.5 1 0.5
5 -0.5 -1 -1.5
Null
I0 (1 m p sin m t ) cos2 (c t c ) 2 I 0 (光强最大增量) K p A0 mp I 0 2 (光强平均值) I0 2 I (t )
波形不失真要求mp<1，即：
-10 -5
1 0.8 0.6 0.4 0.2
5
1.4 1.2
2 2 2 折射率椭球主轴坐标系方程 x1 x2 x3 1 2 2 2
n1
n2
n3
对于单轴晶体有n1=n2=no,n3=ne,所以得到：
2 2 2 x1 x2 x3 2 1 旋转椭球 2 no ne
x3
" S k （ s）
取 : k (0,sin , cos )
ne DT n E
光电子技术 电光调制
§3第.2电三光章调制 光束的调制和扫描
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V
本章内容： §3.1光束调制原理 §3.3 声光调制 §3.5 直接调制
§3.2 电光调制 §3.4 磁光调制 §3.6 光束扫描技术
本章要求： 1 了解光调制的一般概念. 2 掌握各种调制与扫描的原理与特点.(重点与难
点)
§3.2电光调制
一、电光强度调制 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强 度调制。
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
§3.2电光调制
T
sin2
4
m
2
si n m t
1
cos(
2
m
2
si n m t )
1 [1 sin( sin t)]
2
m
m
(3 19)
可证（P79）, 若
m
Vm V
1rad
(3 - 22)
（3-19）式可表示成线性关系：
1 纵向电光调制器及其工作原理
x
P1
Ii
z
y
x y
L
起偏器
~
/4波片
V
图3-4 纵向电光强度调制
P2
调制光 Io
检偏器
§3.2电光调制
x
P1
Ii
z y
L
x y
起偏器
~
/4波片
V
设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex
刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y
方向的两个分量，其振幅和相位都相
同，分别为:
Ex (0)
L
调制光
~V
第5章 光调制技术
1. 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致） 通光方向与电场方向一致）
x P1 Ii 入射光 L Io 起偏器
~V
z y x′ y′
P2 调制光
λ/4波片 /4波片
检偏器
纵向电光强度调制
电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x’,y’ 。因此，沿z轴入射的光束经起偏器 变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两个分 量(双折射效应)，两个振幅(等于入射光振幅的1/ 2 ）和相位都相等．分别为：
一、电光强度调制 电光调制是基于线性电光效应（泡克耳斯效应） 电光调制是基于线性电光效应（泡克耳斯效应）即 光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。 光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。
当一束光通过晶体之后， 当一束光通过晶体之后，可以使一个随时间变化的电信号 转换成光信号， 光波的强度或相位变化来体现要传递的 转换成光信号，由光波的强度或相位变化来体现要传递的 信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。 信息，这种情况主要应用于光通信、光开关等领域。 根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不 同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方 可分为纵向调制和横向调制。 向平行，称为纵向电光调制； 向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂 纵向电光调制 直，称为横向电光调制。 称为横向电光调制。
两个新主轴为
、
平面内x、 轴转过45°的方向上。对应的三个主折射率为： ，在z=0平面内 、y 轴转过 °的方向上。对应的三个主折射率为： 平面内
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• 激光பைடு நூலகம்调制分为：
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
P P
光源
t
t
V t
电信号输入
调制器
偏置控制
光信号输出
驱动器
50欧姆电阻
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 改变光的强度或者频率、偏振等特性的 技术统称为光调制技术。
• 改变光的传播方向也是一种调制技术， 在光的控制方面也有重要的应用。
• 本章讨论的光调制技术主要是通过调制， 将信息加载到光波上，达到传输的目的。
4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 随着激光、红外和光通信技术的发展，对各种光学 晶体元件的应用也越来越广泛，因此晶体光学也逐 步由专业学科向基础学科转变。晶体光学已成为一 门独立的基础课程。我们这里把晶体光学主要讲述 晶体光学的基本概念和调制应用。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 晶体是组成物质的微粒（原子、分子或者离子）或 者微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的 一种晶态固体。
– 晶体与非晶体的重要区别是晶体在不同的空间方向 上表现不同的光学特性，构成晶体的分子或原子按 一定方向排成周期性结构，如下面的长方体就是一 种结构。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 周期性排列、不断重复的微粒或者微粒群是 晶体的基本单元，称为基元。所有基元是相 同的，晶体中把这些基元用一些结点来表征， 于是，晶体内部结构就可以概括成为有一些 相同的结点在空间有规则的做周期性的分布。
中沿着每一个给定的波矢量方向，允许两个平面波传播，这两个
波有着不同的折射率（不同的相速）和不同的偏振态，这就是通
常所说的“双折射现象”。
4-52
5.2 光在晶体中的传播
• 上述的光在晶体中传输的特性可以用折射率椭球来描 述。
– 在直角主介电坐标系中，对于任给出的波矢量K传播的波面可 以由方程给出：
• 激光的外调制
– 在激光器谐振腔外的光路上放置光调制器件，将待 传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这 种调制器时，激光的某一参数（强度、位相、频率 等）发生改变，从而光波的特征上带有了被传输的 信号信息，实现了信号调制。
• 外调制方式不涉及激光器的内部结构，构成单独的一个 器 件，可采用各种性能优秀的激光器，因此被广泛使用。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。
第五章 光调制技术
北京航空航天大学
第五章 光调制技术
5.1 光信息系统的信号加载与控制 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制 5.6 光调制器件
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 光电技术对于光的研究主要内容是光的特 性、光的控制与光的应用。
• 光的应用
x2 n12
y2 n22
z2 n32
1
• 该椭球上任一矢径的方向表 示光波电位移矢量D的方向， 矢径的长度表示D沿矢量方向 振动的光波折射率。
• 对于任意给定的K波矢，利用 折射率椭球可求出光波D的偏 振方向和相应的折射率。
5.2 光在晶体中的传播 • 单轴晶体
– n1=n2≠n3，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体。
– 单轴晶体中，取Z轴为光轴 n1=n2=n0,, n3=ne
5.2 光在晶体中的传播
• 光在单轴晶体界面上的折射—双折射。
kzkxEx kzkyEy
k02n32
kx2
k
2 y
Ez 0
4-51
5.2 光在晶体中的传播
这一组齐次方程组有非零解的条件是其系数行列式为零
k02 n12
k
2 y
k
2 z
kykx
kzkx
kxky
k02 n22
k
2 x
k
2 z
kzky
kxkz
kykz
0
k02 n32
k
2 x
k
2 y
这是关于( n2)的一个二次方程，它确定（n2）为k ( kX , ky ,kz) 的函数。可以证明这个方程一般存在两个不相等的实根，这两个 根分别用n12 和 n22 表示，它们就是与波矢量 k0 相应的两个折射 率。还可求出与之分别对应的两个偏振态。因此，在给定的晶体
– 结点的结合成为点阵。
– 点阵结构形成了许多的直线和平面簇，构成 一种格子结构，称为晶体的晶格。 结点就 是晶格的格点。
5.2 光在晶体中的传播
晶体中的波动方程
由于晶体不同方向性质不同，我们称为各向异性，在均匀介质中，物 质方程为E= ε D，而在各向异性介质中，不同方向的介电常数ε是不同
的。这指的是，由 E场引起介质的极化在不同的方向不一致，从而造 成的电位移矢量 D不再与 E平行。具体地说，在空间由场产生的
– 光通信---将各种信息加载到光波上，利用光 波进行传播。
– 光传感—外界物理量影响到光波的传播特性。
• 光调制是分析控制光的技术。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
将各种信息加载到光波上，利用光波进行 传播是控制光波的一项重要内容，同时也 是光波应用的内容。
• 应用光波作为信息传递的方式拥有悠久而 古老的历史：
nij
0
1 ij
5.2 光在晶体中的传播
得到晶体中的波动方程
2E(r;t)
1 c2
2 E(r ; t ) t 2
0
2 P(r ; t ) t 2
在直角坐标系中
k02n12
k
2 y
kz2
Ex kxkyEy kxkzEz 0
kykxEx k02n22 kx2 kz2 Ey kykzEz 0
D 场的每一个分量都由E 场的三个分量的不同加权的线性组合而来。
Dx xxEx xyEy xzEz
Dy yxEx yyEy yzEz
或
Dx
Dy
xx yx
xy yy
xz yz
E E
x y
Dz zx zy zz Ez
Dz zx Ex zy Ey zz Ez
– 内调制 – 外调制
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 激光的内调制
– 将传输的输入信号直接加载到激光器上，改变激光 器的出射特性进行的光波调制。
• 调制后的激光输出光束就包含了带传输的信息。例如半导 体激光器中直接将调制信号控制激光器的输入电流，从而 使其发出的光强度随要输的信号变化而变化，实现了信号 调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
P P
光源
t
t
V t
电信号输入
调制器
偏置控制
光信号输出
驱动器
50欧姆电阻
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 改变光的强度或者频率、偏振等特性的 技术统称为光调制技术。
• 改变光的传播方向也是一种调制技术， 在光的控制方面也有重要的应用。
• 本章讨论的光调制技术主要是通过调制， 将信息加载到光波上，达到传输的目的。
4-49
5.2 光在晶体中的传播
9个元素的二阶介电张量可简化为只含三个元素的对角张量
简写为 D [ ]E
x 0
[
]
0
y
0
rx 0
0
0
0
ry
0 0
0
n0x2
0
n
2 y
0
0
0 0 z
0 0 rz
0 0 nz2
0[ r ] 0[n2 ]
其中，
ij 0 1 ij
– 烽火台； – 航标灯的信号等。
• 现代光通信技术将光波的信息载体功能发 挥到极致。
• 采用激光器作为光源，光波导作为传输 介质有如下的好处：
– 光频率高，能够传输的信息容量大； – 激光的相干性好，易于信息的加载； – 方向性好，可直接用于空间传输； – 光波导的损耗小，传输不受环境的影响； – 光信息传输的保密性好。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 随着激光、红外和光通信技术的发展，对各种光学 晶体元件的应用也越来越广泛，因此晶体光学也逐 步由专业学科向基础学科转变。晶体光学已成为一 门独立的基础课程。我们这里把晶体光学主要讲述 晶体光学的基本概念和调制应用。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 晶体是组成物质的微粒（原子、分子或者离子）或 者微粒群在空间按照一定的规则周期性排列形成的 一种晶态固体。
– 晶体与非晶体的重要区别是晶体在不同的空间方向 上表现不同的光学特性，构成晶体的分子或原子按 一定方向排成周期性结构，如下面的长方体就是一 种结构。
5.2 光在晶体中的传播
• 晶体
– 周期性排列、不断重复的微粒或者微粒群是 晶体的基本单元，称为基元。所有基元是相 同的，晶体中把这些基元用一些结点来表征， 于是，晶体内部结构就可以概括成为有一些 相同的结点在空间有规则的做周期性的分布。
中沿着每一个给定的波矢量方向，允许两个平面波传播，这两个
波有着不同的折射率（不同的相速）和不同的偏振态，这就是通
常所说的“双折射现象”。
4-52
5.2 光在晶体中的传播
• 上述的光在晶体中传输的特性可以用折射率椭球来描 述。
– 在直角主介电坐标系中，对于任给出的波矢量K传播的波面可 以由方程给出：
• 激光的外调制
– 在激光器谐振腔外的光路上放置光调制器件，将待 传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这 种调制器时，激光的某一参数（强度、位相、频率 等）发生改变，从而光波的特征上带有了被传输的 信号信息，实现了信号调制。
• 外调制方式不涉及激光器的内部结构，构成单独的一个 器 件，可采用各种性能优秀的激光器，因此被广泛使用。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 如何将光波带上要传输的信息呢？ ➢光调制
– 将激光作为信息的载体，通过改变激光的振 幅、波长（频率）、相位、偏振参数、方向 等各参量，使光波携带信息的过程，
称为光的调制。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 与电子学中的载流子如电子、空穴等带 电粒子不同，光波（光子）是中性的， 不能够用外界电场直接的调制，要通过 改变发光的结构或者用外电场改变材料 的光学性质来间接地实现对光波的调制。
第五章 光调制技术
北京航空航天大学
第五章 光调制技术
5.1 光信息系统的信号加载与控制 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制 5.6 光调制器件
5.1 光信息系统的信号加载与控制
• 光电技术对于光的研究主要内容是光的特 性、光的控制与光的应用。
• 光的应用
x2 n12
y2 n22
z2 n32
1
• 该椭球上任一矢径的方向表 示光波电位移矢量D的方向， 矢径的长度表示D沿矢量方向 振动的光波折射率。
• 对于任意给定的K波矢，利用 折射率椭球可求出光波D的偏 振方向和相应的折射率。
5.2 光在晶体中的传播 • 单轴晶体
– n1=n2≠n3，这种晶体仅有一条光轴，称为单轴晶体。
– 单轴晶体中，取Z轴为光轴 n1=n2=n0,, n3=ne
5.2 光在晶体中的传播
• 光在单轴晶体界面上的折射—双折射。
kzkxEx kzkyEy
k02n32
kx2
k
2 y
Ez 0
4-51
5.2 光在晶体中的传播
这一组齐次方程组有非零解的条件是其系数行列式为零
k02 n12
k
2 y
k
2 z
kykx
kzkx
kxky
k02 n22
k
2 x
k
2 z
kzky
kxkz
kykz
0
k02 n32
k
2 x
k
2 y
这是关于( n2)的一个二次方程，它确定（n2）为k ( kX , ky ,kz) 的函数。可以证明这个方程一般存在两个不相等的实根，这两个 根分别用n12 和 n22 表示，它们就是与波矢量 k0 相应的两个折射 率。还可求出与之分别对应的两个偏振态。因此，在给定的晶体
– 结点的结合成为点阵。
– 点阵结构形成了许多的直线和平面簇，构成 一种格子结构，称为晶体的晶格。 结点就 是晶格的格点。
5.2 光在晶体中的传播
晶体中的波动方程
由于晶体不同方向性质不同，我们称为各向异性，在均匀介质中，物 质方程为E= ε D，而在各向异性介质中，不同方向的介电常数ε是不同
的。这指的是，由 E场引起介质的极化在不同的方向不一致，从而造 成的电位移矢量 D不再与 E平行。具体地说，在空间由场产生的
– 光通信---将各种信息加载到光波上，利用光 波进行传播。
– 光传感—外界物理量影响到光波的传播特性。
• 光调制是分析控制光的技术。
5.1 光信息系统的信号加载与控制
将各种信息加载到光波上，利用光波进行 传播是控制光波的一项重要内容，同时也 是光波应用的内容。
• 应用光波作为信息传递的方式拥有悠久而 古老的历史：
nij
0
1 ij
5.2 光在晶体中的传播
得到晶体中的波动方程
2E(r;t)
1 c2
2 E(r ; t ) t 2
0
2 P(r ; t ) t 2
在直角坐标系中
k02n12
k
2 y
kz2
Ex kxkyEy kxkzEz 0
kykxEx k02n22 kx2 kz2 Ey kykzEz 0
D 场的每一个分量都由E 场的三个分量的不同加权的线性组合而来。
Dx xxEx xyEy xzEz
Dy yxEx yyEy yzEz
或
Dx
Dy
xx yx
xy yy
xz yz
E E
x y
Dz zx zy zz Ez
Dz zx Ex zy Ey zz Ez