光电子技术课件：第五章 光调制技术3
合集下载
光电子技术第5章
画出了 I I 0 V 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，插入λ/4 波片，使之产生 90 度的 相位差。
激光器输出为偏振光
采用电光调制器的光通信线路
3 横向电光强度调制 电压加在X方向，入射光沿Z方向，X方向偏振；X、Y、Z与 晶体边平行。
3 no kl 3 l x y k o (no 63 E3 ) ne l k o (no ne )l 0 no 63V 2 2d 2 d V V k o (no ne )l 3 k o no 63 l V
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。 由第一项确定工作点位置后，根据第二项正比于l/d，恰当选 择长宽比，以实现有效的电光调制。 自然双折射容易受温度影响，必须对晶体进行温控。
采用光轴方向垂直的两 块晶体串接可消除自然 双折射． 横向电光调制可降低半波电压，通过晶体长度选择可以 控制相位延迟大小和工作点；采用两块晶体可消除自然双折 射，但结构较复杂。
2 5 no ne
2 2 2 2 E 2 n n 41 2 o e 2
（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
（4）脉冲调制与脉冲编码调制
脉冲调制： 用一种间歇的周 期性脉冲序列作 为载波，使载波 的某一参量按调 制信号规律变化 的调制方法。 调幅度 调宽度 调频率 调位置
脉冲编码调制（采样、量化、编码）
第五章——光调制技术教材
2 折射率椭球方程为： x
n
2
+
y2 n
0
2
+
z2 ne
2
= 1
第三部分 二、晶体光学的 基础知识
布喇菲点阵
立方
abc
三角
abc 90 120
90
正交（斜方）
abc
90
正方
abc
六角 abc
90
120 三斜
abc
90
单斜 abc
90
晶体的基本性质 自限性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力 晶面角守恒：同一品种的晶体，两个对应棱间的夹角恒定不变
均匀性：晶体在不同位置上具有相同的物理性质
各向异性
对称性
最小内能性
第三部分 二、晶体光学的 基础知识
每式各9项
P2 211 E1 E1 222 E2 E2 P3 311 E1 E1 322 E2 E2
分量表达式
Pi o ijk E j Ek ，其中，i, j, k = 1, 2, 3 j, k 从 1-3求和
• 两个矢量 EE 并列，可以相同，也可以不同，不是相乘，也不是 点积，两个矢量分别经过 χ ( 2) 与 P 发生关系，称作“并矢”；
2 2 (k02 n12 k y k z ) Ex k x k y E y k x k z Ez 0 2 2 2 2 k y k x Ex (k0 n2 k x k z ) E y k y k z Ez 0 2 2 2 2 k k E k k E ( k n k k ) E 0 z x x z y y 0 3 x y z
n
2
+
y2 n
0
2
+
z2 ne
2
= 1
第三部分 二、晶体光学的 基础知识
布喇菲点阵
立方
abc
三角
abc 90 120
90
正交（斜方）
abc
90
正方
abc
六角 abc
90
120 三斜
abc
90
单斜 abc
90
晶体的基本性质 自限性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力 晶面角守恒：同一品种的晶体，两个对应棱间的夹角恒定不变
均匀性：晶体在不同位置上具有相同的物理性质
各向异性
对称性
最小内能性
第三部分 二、晶体光学的 基础知识
每式各9项
P2 211 E1 E1 222 E2 E2 P3 311 E1 E1 322 E2 E2
分量表达式
Pi o ijk E j Ek ，其中，i, j, k = 1, 2, 3 j, k 从 1-3求和
• 两个矢量 EE 并列，可以相同，也可以不同，不是相乘，也不是 点积，两个矢量分别经过 χ ( 2) 与 P 发生关系，称作“并矢”；
2 2 (k02 n12 k y k z ) Ex k x k y E y k x k z Ez 0 2 2 2 2 k y k x Ex (k0 n2 k x k z ) E y k y k z Ez 0 2 2 2 2 k k E k k E ( k n k k ) E 0 z x x z y y 0 3 x y z
第五章(全)--光电子技术
工作原理：常作成长条形，如图所示。当光点沿长条方向扫过时， 外加电场驱使光生载流子沿光点扫描方向迁移，并保证光点扫描速 度等于载流子迁移速度，光场在元件上产生的载流子被外加电场扫 在一起，最后堆积到元件末端的两电极之间，从而改变该区域的光 电导，在外回路得到光信号电流。在光电扫描与载流子迁移过程中， 信号经累积(积分)输出，而噪声由于其不相关特性，不会像信号— 样累积，从而大大提高了器件的灵敏度，比通常的8-14um波段的红 外探测器背景限提高了几倍。
I
•光电导的驰豫特性限制了器件对 较高调制频率的光功率的响应。
63 37 0 1 0 1
பைடு நூலகம்t/τ
图5.7、光电导的驰豫特性
ξ5.3 实用光电导探测器
5.3.1 单晶光电导探测器
(一)本征型: (1)碲镉汞 (HgCdTe)（2）锑化铟(InSb)（3）碲锡铅(PbSnTe) (二)杂质型： (1)锗掺汞 (Ge:Hg)(2)锗掺镓 (Ge:Ga)(3)硅掺砷（Si:As）
i
2 N
2 iN f i2 Ng r
i
2 NJ
1kHz
1MHz
图5.2、光电导探测器的噪声分布
二、光电导探测器的性能参数 A. 响应率
IS 电流响应率： RI P
前面的推导我们已经得到 可以得到响应率为：
VS 电压响应率： RV P
e IP GP hv
e RI G hv e RV GRd hv
P( x)
hv P( x) wLhv
：在x处单位时间吸收的光子数
n( x )
:在x方向上单位长度体积内的被吸收的光子数 密度,由于α 包含了量子效率在里面，因此也 等于单位时间、单位体积产生的光电子数。
光电子技术王俊波电光调制.ppt
L (c / n)
激光通过长度为L的晶体所需时间。
对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的 调制带宽。
前面对电光调制的分析，均认为调制信号频率远远低于光波频
率(也就是调制信号波长远远大于光波波长)，并且入远大于晶体的
长度L，因而在光波通过晶体L的渡越时间 d
L (c / n)
内，调制信号
由此可见，输出的调制光中含有高次诣波分量，使 调制光发生畸变。为了获得线性调制，必须将高次
2019/10/15 共29页 9
UP
DOWN
BACK
谐波控制在允许的范围内。设基频波和高次谐波的幅 值分别为I1和I2n+1, 则高次谐波与基频波成分的比值为
(3.2-33)
若取 ＝1rad， 则J1 (1)=0.44, J3(1)=0.02, 所以I3 /I 1
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
UP
DOWN
BACK
1．外电路对调制带宽的限制
调制带宽：调制信号占据的频带的宽度。
调制信号频率高时大部分电压降在电源内阻上，致使晶体无法 工作。若要调制信号在较高频状况下工作时（实现阻抗匹配必须在 晶体两端并联一电感和分流电阻）其频带宽度就要受到约束：
当调制频率与谐振频率相同时电压全降在晶体上。
于是，通过两块晶体之后的总相位差
(3.2-37) 因此，若两块晶体的尺寸、性能及受外界影响完全相同，则自 然双折射的影响即可得到补偿。
光电子技术基础ppt精选课件
编辑版pppt
15
类 调谐光源 型
可调谐染料激 光器
混 可调谐半导体 合 激光器
型 环形腔掺铒激 光器
半导体光纤环 形腔激光器
本
征
F-P腔掺铒光 纤激光器
型
环形腔掺铒光 纤激光器
工作参数及优缺点
仅从原理上验证了频域光学双稳态 的可行性。由于体积庞大、调谐困 难而不实用。 结构紧凑，但波长调谐范围小，调 谐精度不高（易受温度影响）。开 关速度较快，在微秒量级。 体积小，波长调谐范围较宽，调谐 精度高。开关速度较慢，在毫秒量 级。 体积小，开关速度快，皮秒量级。
通过本课程的学习，要求掌握的主要内容：
描述光场的麦克斯韦方程、波动方程、光波的表示与传 播特性、高斯光束的特性等；
激光产生的基本条件、激光器的基本结构和输出特性； 平面介质波导中的光传播特性、光波导的物理光学分析、 光纤基本知识； 光通信无源与有源器件，包括半导体激光器、光纤连接 器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤激光器 以及光纤放大器等； 光调制技术，包括晶体光学基础、光在晶体中的传播、 电光以及声光调制器等； 光电探测技术，包括光探测器性能参数、探测方式、物 理效应以及光电探测器的种类。
ppt精选版光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件光盘光驱光盘塔调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光波导光纤ppt精选版光电子技术应用光纤通信传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输光学双稳态1969年szoke首先提出光学双稳态
光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
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
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
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 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。
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。
– 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：
– 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
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
• 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
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。
– 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。
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
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
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
– 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。
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。
– 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：
– 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
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
• 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
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。
– 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。
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
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
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