72激光调制与偏转.ppt

7.5.1 激光调制的基本概念,激光调制：将信息加载于激光的过程。,载波：激光（高频）,调制信号：起控制作用的低频信息,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。,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。,7.5 激光调制技术,利用KDP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。,2.主要物理效应,1.振 幅 调 制,使载波的振幅随着信号的变化规律而变化,2.频 率 调 制 和 相 位 调 制,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,激光的电场强度,相位调制,产生无数多个边频，当m很小时，边频数量减少。,频率调制和相位调制都是调角度,3.强 度 调 制,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：,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，然后再利用这个已调频波进行强度调制（称为FM/IM调制），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。,4.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。,脉冲编码调制（采样、量化、编码）,5.脉冲编码调制（数字调制）,1.光在晶体中的传播,（1）晶体的极化率与介电系数 介质极化强度P与入射光E的关系：,极化率 成为二阶张量，具有九个分量：,于是,各向异性晶体中P每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系，P不再与E同向。各向同性晶体有一一对应关系。,7.5.2 电光调制,由电磁场方程,得,根据，简化下标得：,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：,折射率,低级晶族3个分量不相等，中级晶族有2个相等，高级晶族3个都相等,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,（2）折射率椭球,单轴晶体折射率椭球,取光轴为z轴，沿x、y轴的主折射率相等，说明xoy平面内传播光的D、E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no，沿光轴的主折射率称非常折射率，记为ne,(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,（a）xoy平面与椭球截面是一个圆，其半径为no。表明当光波沿着z轴方向传播时，即ki平行于光轴时，只存在一种折射率no，光波电位移矢量D可取垂直于Z轴的任何方向，于是，不产生双折射。z轴即单轴晶体光轴。（b）xoz、yoz平面，或其它含z轴的椭球截面为一椭圆，其两半轴长度分别为、。表明当光垂直于光轴入射(ki垂直于光轴，处于xoy平面内)时，可允许两个彼此正交的线偏振光传播，其中一个光波偏振方向平行于光轴、折射率为，另一光波偏振方向垂直于光轴、折射率为。,（c）当ki 与光轴夹角为 时，通过原点O垂直于ki 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，对应于两种本征光波：寻常光：偏振方向与SOZ平面垂直，折射率及相速与 无关，D、E方向一致，折射率no称寻常折射率非常光：偏振方向在SOZ平面内，折射率ne()满足方程：,折射率与相速和角度 有关，D与E方向不一致。,任意方向传播的双折射,单轴晶体k-z平面与折射率面的交线：表示折射率随传播方向的变化,(a)正单轴晶体(b)负单轴晶体,正负单轴晶体k-z平面与折射率面的交线,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,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10-11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（b）外加电场沿着某一介电主轴作用于晶体，此时D与E的方向一致，因而D只随E的大小变化。,为突出物理思路、简化推导，讨论基于以下条件：,（1）泡克尔斯(Pockels)效应 与克尔(Kerr)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,为不加电场时的介电常数，称线性介电常数。,定义D(E)的斜率为加电场后的介电常数：,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：,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。,（a）外加电场平行于光轴（Z轴）：,设新主轴 相对旧主轴 旋转了角度，则,在新主轴坐标系 中，折射率椭球方程变为：,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。,(2)沿 方向偏振的光传播相速度加大，而沿 方向偏振的光传播速度减小，因此 轴称为快轴，轴为慢轴。,（b）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,（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。,（3）电光相位延迟 以外加电场平行于光轴（Z轴）的KDP晶体为例，光波沿z方向传播距离l后，两偏振光之间的相位差为,当相位延迟时，光场为x方向偏振的线偏振光，当/2时，光场为圆偏振光，当时，光场又变成沿y方向偏振的线偏振光。与对应的偏振光相对入射光旋转了90，其相应的电压称为半波电压 晶体的电光系数越大，相应半波电压越低.通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。,部分晶体的 和,3.电光强度调制,（1）纵向电光强度调制,（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单轴电光晶体组成。偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行。,（2）设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在x方向上的线偏振光电矢量振幅为E0,进入晶体时沿快轴 和慢轴 的电矢量振幅都变为,通过晶体后沿 和 方向的二线偏振光之间的位相差,通过振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别为，则有：,投影之和为：,图(4-22)I/I0-V曲线,（4）如外加信号电压为正弦电压，则输出光强近似为正弦形，实现无失真调制。,（3）画出 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 来完成，或者插入/4波片，使之产生90度的相位差。,应用,应用,使用电光调制器的光通信线路,激光器输出为偏振光,（2）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。,消除天然双折射方法：两块晶体串接（Z轴垂直）,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。,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。,4 电光相位调制,（1）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 的晶体，其位相增加为,（2）晶体上所加的是正弦调制电场 晶体输入面处的光场是,式中，为相位调制度,（3）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。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。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。,（1）M-Z干涉仪强度调制器,晶体材料为铌酸锂晶体(LiNbO3)，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。,电信号加到如图所示的电极上，来自激光器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，在时间上发生延迟。两束光到达输出端后，经3 dB光耦合器耦合在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断改变的调制过程，即实现强度调制。图中，沿方向切割LiNbO3晶体，光波沿z方向传输，调制电场施加于y方向。设入射光场为,调制电压为,外加电场作用下光波产生的相位变化为 式中L为调制区间长度。,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的光波信号输出。,调制器输出光强为,输出光强随信号电压V变化。,(2)定向耦合器型光波导调制器,M-Z干涉仪由2个3dB耦合器和1个移相器组成。,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。,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）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：,（2）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影响。衍射遵循普通相位光栅的衍射定律。这种衍射称为喇曼奈斯衍射。,喇曼奈斯声光衍射,（c）衍射光产生多普勒频移：，但可以忽略。,（b）各级衍射光强关于零级极值对称分布。,（a）只有满足 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L较大，声扰动介质形成“体位相光栅”。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，各高级衍射光将互相抵消，只出现0级和级(或级)衍射光，即产生布喇格衍射。,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。,1.驱动源：产生高频信号，由电极加到压电换能器两侧。2.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。,3.声光介质：声场和光场相互作用的场所。需考虑工作波长及品质因素。常用的有：铌酸锂（0.5-4.5um透光）、钼酸铅（0.4-5.5um透光）,3.声光调制,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的调制。,（2）布喇格型,衍射效率,（1）拉曼纳斯型 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。,如果入射光100%转移到衍射光，则所需要的声强度,超声波功率：,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能器组成。波导材料一般采用压电材料（如ZnO），衬底采用铌酸锂压电材料，波导为Ti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1级衍射光，其光强为,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 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，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。,（1）旋光效应,（2）法拉第效应 法拉第在1845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,时的V值,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，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。,2 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,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 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。,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）直接调制会使激光器主模的强度降低，而次模的强度相对增加，从而使谱宽增加。,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）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极，另一路经过延迟线再到左管的基极，两管导通的时延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位置，调整电阻W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。,LD的开通延迟,码间图案相关效应,（2）偏置电流的影响。很多现象与偏置电流有关。当 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。,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。,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。因此，偏置电流一定要加得适当。,（3）频率啁啾效应 对应于直接调制信号的上升沿和下降沿，LD有源区内注入载流子密度的变化引起折射率变化，进而引起LD发送端光信号波长的漂移。啁啾效应使LD输出频谱动态展宽。,单纵模LD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 的关系,7.6.1 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,7.6 激光偏转技术,7.6.1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,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,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,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，由折射定律可得出射光的偏转角为,（1）模拟式电光偏转,为两个棱镜的折射率之差。,7.6.2 电光偏转,施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为,与外加电压V成线性比例关系，通过调节V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。,（1）数字式偏转,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,电光数字式偏转器,当电光晶体不加电压时，O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，O光入射，偏振方向变化成为e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0和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,7.6.3 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,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,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。,激光宽行打字机原理框图,