光控器件的基础课件.ppt

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1、第一章 光控器件的基础,第一节 光的偏振第二节 晶体光学基础第三节 电光控器件的物理基础第四节 声光、磁光控制器件的物理基础第五节 激光信号调制的基本理论,第一节 光的偏振,光的偏振（Polarization of light）现象的发现,Found by Etienne Louis Malus(1775-1812)who is French army officer and engineer；One evening in 1808 while standing near a window in his home in Paris,Malus was looking through a cry

2、stal of Iceland spar(冰洲石）at the setting sun reflected in the windows across the street.As he turned the crystal about the line of sight,the two image of the sun seen through the crystal became alternately darker and brighter,changing every 90o of rotation.After this accidental observation Malus foll

3、owed it up quickly by more solid experimental work and concluded that the light by reflection on the glass,became polarized.（polarize：偏振、极化）,1-1 偏振光概述,一、偏振光与自然光（Polarized light and Natural light）,1、自然光：具有一切可能的振动方向的许多光波之和。特点：振动方向的无规则性。表示：可用两个振动方向垂直的、强度相等的、位相关系不确定的光矢量表示。沿各个方向振动的几率都相同。,自然光,Natural ligh

4、t,2、偏振光（Polarized light）：光矢量的方向和大小有规则变化的光 线偏振光（Linearly polarized light）：光矢量方向不变，其大小随位相变化。圆偏振光（Circularly polarized light）：光矢量大小不变，其方向绕传播方向均匀转动，且矢量末端轨迹为圆。椭圆偏振光（Elliptically polarized light）：光矢量大小和方向都在有规律地变化，且矢量末端轨迹为椭圆。,1-1 偏振光概述,偏振光方程,2 偏振光（Polarized light）的数学描述,振动平面：光矢量与传播方向组成的平面称为线偏振光的振动平面;,1）线偏振光

5、(Linearly polarized light),在 Ex-Ey 平面上,电矢量的轨迹为一直线:,2)圆偏振光(Circularly polarized light),右旋,迎着光的传播方向观察,左旋,3)椭圆偏振光(Elliptically polarized light),左旋右旋,电矢量端点轨迹的投影为椭圆。每一时刻的电矢量可分解为,仅当X,Y方向分量的相位相差/2时，才为正椭圆。,自然光在传播过程中，由于外界的作用造成振动方向上强度不等，使某一方向上的振动比其它方向上的振动占优势。,Partial polarized light,Natural light,3、部分偏振光(Part

6、ially polarized light),1-2 偏振光的矩阵表示,可以象一般矢量用21的列矩阵表示：,为琼斯矢量,称为归一化的琼斯矢量,若光矢量沿x轴，Ex0=1 Ey0=0=0，则：,1、线偏振光的归一化(Normalization)琼斯矢量,若光矢量沿y轴，Ex0=0 Ey0=1=0，则：,2、圆偏振光的归一化(Normalization)琼斯矢量,由于,或,而线偏振光可以分解为一左旋和右旋偏振光的合成：,1-3 偏振器件(Polarizing optics)的矩阵表示,解：光线的偏振状态为：,例1：,求透光轴(Transmission axis)与x轴成角的线偏振器的琼斯矩阵,由此

7、得线偏振器的琼斯矩阵为：,第二节 晶体光学基础,晶体光学是光学的一个分支，它从Maxwell方程和物质方程出发，利用多种数学工具，定量讨论晶体的各种光学性质以及光在晶体中的传播规律，从而解释与晶体有关的各种光学现象，并为利用晶体实现光的控制和进行光学测量奠定了基础。,本节介绍晶体光学的一些常用结论，一般不作论证和推导，目的是建立一些基本概念，为后续章节做准备。,2-1 晶体的空间点阵理论和晶系的划分,共同点:晶体结构具有周期性,通常可以用空间点阵的概念来描述.,一、一维点阵,由排列在一条直线上的无穷多个等距离的几何点所构成，这些点称为结点或阵点。全部点阵的集合称为直线点阵。由此一维点阵就是无限

8、等周期的直线点阵，周期矢量为a.,2-1 晶体的空间点阵理论和晶系的划分,二、二维点阵,2-1 晶体的空间点阵理论和晶系的划分,三、三维点阵,任意三个不共线质点决定一个晶面。晶面数无限。空间点阵可以由一个空间格子做三维周期性平移进行构造,构造方式无限。对称性最高，体积最小的空间格子称为晶胞。相应的平移矢量 用a,b,c表示。,四、晶胞和晶系,晶胞是构造晶体的最小重复单元，在最一般情况下由六个参数决定。,晶系的划分,立方晶系,简单立方 体心立方 面心立方,晶体特征由晶格常数 a 描述。,a,金刚石结构硅和锗,金刚石结构由完全相同的两套面心立方格子沿对角线方向平移1/4得到。晶胞和晶体结构如右图所

9、示。,闪锌矿结构InP,GaAs系化合物半导体,由不同原子构成的两套面心立方格子沿对角线方向平移1/4得到。,纤锌矿结构（六方晶系）GaN系化合物半导体,晶体特征由晶格常数 a 和 c 描述。,2-2 晶体(Crystal)的双折射(Birefringence)现象,一、双折射现象及其启示,CaCO3,1669年Bartholin发现双折射现象,双折射：一束入射到介质中的光经折射后变为两束光。,两点启示：入射光含有两种成分，光是横波（只有横波才有可能在确定的传播方向上有不同的振动方向），光束A、B、C有不同的振动方向，即偏振状态；方解石的光学性质与光振动的方向有关，因此它是“光学各向异性”，称

10、之为“（光学)各向异性媒质”。,两束光都是线偏振光，一束遵循折射定律，为寻常光（O光）,另一束不遵循折射定律，为非常光（e光）。,2-2 晶体(Crystal)的双折射(Birefringence)现象,双折射现象,光束在某些晶体中传播时，由于晶体对两个相互垂直振动矢量的光的折射率不同而产生两束折射光，这种现象称为双折射。,2-2 晶体(Crystal)的双折射(Birefringence)现象,偏振光的应用价值 光的偏振性质和传播中的各向异性过程，使光增加了一个可被控制的自由度，即偏振状态。通过适当的光路安排，可进一步将偏振状态的改变按一定的规律转换成传播方向、位相、频率以及光强的改变。这样

11、，在入射光的偏振状态、光路中的各向异性过程以及最后的输出光参量（最常见的是光强或光强分布）这三个因素之间，存在着可计算可预言的关系，知道其中的任意两个因素后即可求出第三个因素。利用设计的各向异性过程和测量得到的光强来确定入射光偏振态的例子有太阳磁场的测量，其中的磁场便是在确定了太阳光的偏振状态后，在根据塞曼效应计算而得到的。根据已知的入射光偏振态和指定的或测得的输出光参量，来推求光波经历的各向异性过程，有着广泛的应用。例如，在光通信中勇于加载信息的调制光路设计就可以是一项根据所要求的调制来推求应有的各向异性过程的工作。又如，通过分析光路中的各向异性过程，进而推算光学玻璃的不均匀性或机械结构模型

12、受力时的应力分布，也是这类应用的例子。至于根据已知的入射光偏振态和各向异性过程来计算输出光的各种参数，例子更是不胜枚举。,二、晶体特性,方解石晶体（Calcite-CaCO3）,顿隅,在双折射晶体中存在一个特殊的方向，当光束沿这个方向传播时不发生双折射，此方向称为晶体的光轴。,在光轴方向上，o 光和 e 光都遵守折射定律。而且：no=ne,1.光轴(Optical axis)：,2、主平面(Principal plane),主平面：光线和光轴所组成的平面。,o光主平面：o光和晶体光轴组成的面为o主平面。,o光振动方向垂直于o主平面。,e光主平面：e光和晶体光轴组成的面为e主平面。,e光振动方向

13、平行于e主平面。,3晶体的分类（Types of crystal）：,各向同性晶体（Isotropic crystal）：不产生双折射现象。如：NaCl,双折射晶体（Anisotropic crystal）：,单轴晶体（Uniaxial）：只有一个光轴方向的晶体。如：方解石(Calcite)、石英(Quartz)。,双轴晶体（Biaxial）：有两个光轴方向的晶体。如：云母(Mica)等。,4 晶体的光学各向异性及其描述,(1)物质方程,晶体的各向异性主要表现在对光波电场的作用上，重点讨论电场的情况。,介电系数张量：,晶体中原子的规则有序排列使介质极化与外场一般不同向，在最一般情况下：,介电系

14、数张量,矩阵形式,可以证明是对称矩阵,，既有xy=yx,xz=zx，zy=yz,这样的9个分量只有6个是独立的。,晶体的与坐标的选择有关，可以证明任何对称矩阵，总可通过坐标变换，将其变成对角矩阵，只有位于对角矩阵上的3个分量不为零。这样的坐标系称为晶体主轴坐标系。,介电系数张量,此时的坐标轴称为晶体的介电主轴或偏振主轴,x、y、z称为晶体的三个主介电常数。,说明晶体中的光波的D，E关系与E的方向有关，一般情形下D不再与E同向。,(2)折射率椭球和晶体的分类,晶体中折射率n与D的方向有关，可以用几何曲面来描述这一关系，该几何曲面为一个椭球面，其方程为：,(2)折射率椭球和晶体的分类,方程为：,-

15、三个“主折射率,晶体主轴系中的折射率椭球,(2)折射率椭球和晶体的分类,根据三个主折射率之间的大小关系，晶体可分为三类：,1.nx=ny=nz,折射率椭球退化为一个球，其光学性质与D的方向无关，即为各向同性，称为各向同性晶体。,2.nx=nynz,其光学性质与D的方向有关是各向异性，称为单轴晶体。,3.nx nynz,其光学性质与D的方向有关是各向异性，称为双轴晶体。,光的双折射：晶体中沿某一方向传输的光存在两个特定的正交偏振方向，沿这两个方向偏振的光分别具有最快和最慢的传输速度(快轴和慢轴,折射率不同),且可保持其偏振态。,实例,对于单轴晶体,nx=nynz,折射率椭球：,其中,nx=ny=

16、no,nz=ne,当none时,称为正单轴晶体;反之,称为负单轴晶体.,正晶体：no ne，e光波面（椭球面）在o光波面（球面）之内。,负晶体：no ne，o光波面（球面）在e光波面（椭球面）之内。,考虑沿 y-z 平面内与 z 轴夹角为 的传播方向上所允许的两个正 交偏振态及相应的折射率。,两个正交偏振方向为OA和OB，相应的折射率为：,5 晶体偏振器件-波片（Wave plate,位相延迟器）,作用：,o光和e光通过波片时的光程差(Optical path difference)与位相差(Phase difference)：,其中，d是波片厚度。,使两个振动方向相互垂直的光产生位相(pha

17、se)延迟。（在已知的两个正交偏振方向上，为入社的偏振光引入特定的附加相位差。）,制作：用单轴透明晶体做成的平行平板，光轴与表面平行。,快轴(Fast axis)：称晶体中传播速度快的光矢量(Light vector)方向为快轴。,慢轴(Slow axis)：称晶体中传播速度慢的光矢量(Light vector)方向为慢轴。,快轴和慢轴,则称该波片是1/4波片，1/4波片的最小厚度：,若,当n0ne时，e光超前，波片的快轴为e 矢量方向。,1、/4波片(Quarter-wave plate),性质：,线偏振光入射时，出射光为椭圆偏振光；与快慢轴都成45度线偏振光入射，出射光为圆偏振光。,O光和

18、e光产生的光程差,称该晶片为二分之一波片。,2、/2波片(Half-wave plate),性质：,1）椭圆偏振光入射时，出射光仍为椭圆偏振光，只是旋向相反；2）线偏振光入射时，出射光仍为线偏振光。若入射的线偏振光与快（慢）轴夹角为，出射光的振动方向向着快（慢）轴转动了2。,线偏振光通过半波片后光矢量的转动,线偏振光通过半波片后光矢量的转动,3、全波片(Full-wave plate),称该晶片为全波片。,性质：,1）不改变入射光的偏振状态；2）只能增大光程差。,/4波片：,/2波片,波片的Jones矩阵,全波片,/8波片：,注意,波片是对特定的波长而言；自然光入射波片时，出射光仍然是自然光为

19、改变偏振光的偏振态，入射光与波片快轴或慢轴成一定的夹角,例2：,自然光通过光轴夹角为45度的线偏振器后，又通过了1/4、1/2和1/8波片，波片快轴沿Y轴方向，试用琼斯矩阵计算透射光的偏振态。1/4波片:圆偏振光1/2波片：线偏振光 1/8波片：椭圆偏振光,Poincare(邦加或庞加莱)球,偏振态与邦加球上点的对应,在外界强电场的作用下，某些本来是各向同性的介质会产生双折射现象，而本来具有双折射现象的晶体，其双折射性质也会发生变化。,一、电光效应的基本概念,第三节 电光控器件的物理基础,电光效应：,外加电场引起折射率发生变化的现象，称之为电光效应。它是电光控器件工作的物理基础。,电光效应改变

20、了介质的介电常数，还可能使各向同性介质转变为各向异性，或导致原有的各向异性性质的变化，产生人工双折射现象。目前电光效应已在激光技术、光学信息处理和光通信领域具有广泛的应用。,一、电光效应的基本概念,当外加偏置电场为E0时，晶体的折射率n与E0的关系：,或,引起折射率变化与外加电场强度成正比，称为一次电光效应，或普克尔（Pockels)效应，即线性电光效应。,引起折射率变化与外加电场强度平方成正比，称二次电光效应或克尔（Kerr）效应,一、电光效应的基本概念,注意：和与外加电场的方向和通光方向有关。当外加偏置电场反方向时,引起折射率变化与外加电场强度成正比，称为一次电光效应，或普克尔（Pocke

21、ls)效应，即线性电光效应。,引起折射率变化与外加电场强度平方成正比，称二次电光效应或克尔（Kerr）效应,二、线性电光效应,折射率椭球的一般形式：,或,各类晶体的介电张量：,立方晶体,单轴晶体,双轴晶体,电光效应引起晶体折射率的改变，可视为折射率椭球面方程中各系数产生了微小的增量。,在外电场存在时的折射率椭球方程改写为：,在外电场存在时的折射率椭球方程,这里，当ij=11时用1代替，当ij=22时用2代替，当ij=33时用3代替，当ij=23，32时用4代替，当ij=13，31时用5代替，当ij=12，21时用6代替,线性电光效应的一般表述,在最一般情况下,晶体的线性电光效应可以表述为:,根

22、据晶体的对称性,在大多数情况下,线性电光系数矩阵只有少数不为零的独立矩阵元.,表示成矩阵形式为：,式中ij代表电光张量的分量，共有6318个元素。,二、线性电光效应,线性电光效应只存在于没有反演对称性的晶体中，而且通常只有若干个电光分量不为零。具有对称性的晶体不存在电光效应，即ik=0,几种常见晶体的电光系数矩阵,KDP(KH2PO4)和ADP(NH4H2PO4)晶体(四方晶系),InP,GaAs等-族化合物半导体材料(立方晶系),GaN,ZnO,CdS等化合物半导体材料(六方晶系),LiNbO3,LiTaO3和BaTaO3晶体(三方晶系),外场作用下晶体的折射率主轴,一般情形,外场作用下,晶

23、体折射率椭球的最一般形式为:,新的晶体折射率主轴:,及相应主折射率可通过求解 Bij 的本征值方程得到:,或写为矩阵形式:,在 z 方向外场 Ez 作用下,KDP晶体折射率椭球系数矩阵的非零矩阵元为:,求解:,得:,例：,在 z 方向加外场 Ez 时,轴z仍是主轴，但xy已经不是主轴了，在新的主轴系中的折射率椭球：,其中,另一种求在新的主轴系中的折射率椭球方程的方法,根据,得,坐标变换，新椭球的主轴必定为原x轴和y轴的角平分线。,（一）纵向电光效应,纵向电光效应：外加电场的方向与光的传播方向（平行于光轴即Z轴）一致。,则在感应主轴和方向振动的两束等振幅的线偏振光具有不同的传播速度，由此引起的相

24、位差：,KDP纵向电光效应（泡克耳斯效应）,（一）纵向电光效应,则在感应主轴和振动方向的两束等振幅的线偏振光具有不同的传播速度，由此引起的相位差：,纵向电光效应产生的相位延迟与光在晶体中通过的长度l无关，仅由晶体的性质和外加电压V决定.,出射光强：,一般情况，l为cm量级。,当光波的两个垂直分量的光程差为半个波长时（即相应的相位差为），所需要加的电压为半波电压，一般以V/2或V表示。,半波电压,半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，越小越好，特别在宽带高频率的情况下，半波电压要小。,（一）纵向电光效应,优点:结构简单;工作稳定;无自然双折射的影响，不需进行补偿。缺点:半波电压太高，功率损耗

25、较大.,（一）纵向电光效应,（二）横向电光效应,横向电光效应：外加电场的方向与光的传播方向垂直，光在调制器中穿过的距离l大于电极之间的距离。,（二）横向电光效应,相位差：,与外加电压成正比；与晶体的长度和厚度有关，通过增加纵横比l/h,使半波电压比纵向应用时大为降低。,劣势：,相位差与晶体的自然双折射有关，对环境温度敏感，导致已调波发生畸形;,例：长30mmKDP晶体，,温度变化10C,相位差变化。,（二）横向电光效应,解决方案：,采用“组合调制器”来进行补偿,采用光学长度严格相等、光轴方向互相垂直的两块晶体串联，前一块的o光和e光在后一块的e光和o光，以消除自然双折射的影响，即消除了温度变化

26、的影响，而电光相位延迟的影响可以累积相加。,三、二次电光效应克尔（Kerr)效应,在一些各向同性媒质，特别是某些液体，内加电场，可以使其呈现单轴晶体的各向异性，光轴与电场方向平行。这种效应成为克尔效应。同时由于产生的折射率差与电场的平方成正比，又成为二次电光效应。,引入位相差：,出射光强：,三、二次电光效应克尔（Kerr)效应,两个垂直振动方向的折射率差：,三、二次电光效应克尔（Kerr)效应,优点：响应时间短,第四节 声光、磁光控制器件的物理基础,4.1 声光控制器件的物理基础,声波在媒质中传播时，由于应变缘故，使介质折射率随空间和时间发生周期性变化。光通过这种媒质时会发生衍射现象，称为声光

27、效应。,由于外力作用导致介质的弹性形变，进而引起介质折射率变化的现象称为弹光效应。,弹光效应,声光效应,一、弹光效应与声光效应,第四节 声光、磁光控制器件的物理基础,4.1 声光控制器件的物理基础,折射率随空间和时间发生周期性变化,二、声光相互作用,声波,媒质,等效成一组条纹光栅，栅距为声波的波长，且光栅也将以声波的波速前进。,折射率可以表示为：,s、ks为声波的角频率和波数,n取决于声光介质特性及超声波场的强弱,三、声光效应分类根据声波波长、光波波长和声光作用长度分两种：布拉格声光衍射喇曼纳斯声光衍射,4.1 声光控制器件的物理基础,（一）布拉格声光衍射,当声波频率较高，声光作用长度较长，光

28、线与超声波波面有一定角度斜入射，会产生布拉格声光衍射,布拉格衍射,O,A,B,O,i,B,布拉格条件,衍射光最强,此时，衍射光是不对称，只有正一级或负一级，衍射效率高,偏转角：,结论：偏转角正比于声波的频率。改变声波的频率即可改变光束的出射方向。这就是声光偏转器的原理,衍射光波的强度：,M2声光的品质因素,Ia声波的强度,（二）喇曼(Raman)-奈斯声光衍射,i近似为0，声波频率较低，作用长度较短。,类似与普通的光学条纹光栅，频率为的平行光通过时，将产生多级衍射，而各级衍射光极值对称地分布在零级极值的两侧，其强度递减。,第m级衍射光的极值光强为：,光通过声光介质时的附加相移：,各级衍射光的频

29、率：ms,1、固有旋光现象,旋光：当一束线偏振光通过某种物质时，光矢量的方向会随着传播距离而逐渐转动。,一、旋光(Optical activity)和旋光效应,Optical axis,Quartz crystal,4.2 磁光控制器件的物理基础,旋光现象的规律：,旋光色散：旋光本领随波长而改变的现象。,旋光方向：左旋(levorotatory)、右旋(dextrorotatory)之分。方向的规定：使光矢量顺时针方向旋转的物质为右旋物质，逆时针方向旋转的物质为左旋物质。,2、旋光现象的物理解释（1825年,菲涅尔）,1）将入射线偏光看成是左旋、右旋圆偏光的合成,2）左旋、右旋圆偏光在物质内部

30、的折射率不同，因而从物质中出射时获得的位相差不等。,3）合成复振幅(Complex amplitude),引入：,4）讨论：若左旋圆偏振光传播速度快，nL0，光矢量向逆时针方向转动；若右旋圆偏振光传播速度快，nLnR，0，光矢量向顺时针方向转动。,磁光效应：在强磁场的作用下，物质的光学性质发生变化。磁致旋光效应（法拉第效应Faraday effect）：在强磁场的作用下，本来不具有旋光效应的物质产生了旋光性质。,二、磁致旋光效应,常见的磁光效应：法拉第（Faraday）旋转效应克尔效应磁致双折射效应,(一)法拉第效应 当一束线偏振光通过某些非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向加一外磁场，则

31、光通过介质后，光的偏振面将转过一角度F，称为法拉第旋转效应或磁致旋光效应。,二、磁致旋光效应,1.顺磁介质和抗磁介质,二、磁致旋光效应,Vd费尔德常数（A/m),偏转方向规定：振动面的旋转方向与磁场方向满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其Vd 0;振动面的旋转方向与磁场方向满足左手螺旋关系的称为“左旋”介质，其Vd 0.,2.铁磁介质和亚铁磁介质,磁光系数M-磁化强度,二、磁致旋光效应,注意：对于给定的介质，光偏振面的旋转方向仅由磁场H的方向决定，而与光的传播方向与H同向或反向无关，光在介质中的往返次数增加，旋转角将加大。,可以设计光隔离器、环形器等不可逆器件,入射光：z方向传播；偏振方向/

32、x轴，电矢量在进入磁场时沿x正方向。,出射光：z方向传播；偏振方向/y轴，电矢量在离开磁场时沿y正方向。,二、磁致旋光效应,入射光：传播方向-z；偏振方向/y轴，电矢量在进入磁场时沿y正方向。介质中：旋转方向不变出射光：传播方向-z；偏振方向/x轴，电矢量在离开磁场时沿-x方向,若反向通光：,光隔离器：克服两段光学系统之间的反馈干扰。若上述介质长度或磁场长度减半，则偏转角为45。此时若输出端（右端）有一反射面，则反射光通过介质后偏振方向与原偏振方向垂直，不能返回光源。,(二)磁光的克尔效应,1876年，克尔发现一束线偏振光入射在磁化了的介质表面时，反射光一般是椭圆偏振光。,如以椭圆长轴来标志反

33、射光的“偏转方向”，相对于入射光的偏振方向，反射光会旋转一定的角度，转角与介质的磁化有关。这就是磁光的克尔效应。,改变外磁场就可以通过介质的磁化来引起反射光偏振状态的变化。,第五节 激光信号调制的基本理论,激光用于信息传递的优势：,激光是一种光频电磁波，具有良好的相干性，可以作为信息传送的载波；激光具有很高的频率（最高可达1015Hz)，频带宽，传递的信息容量大；激光传递信息具有保密性好、抗干扰能力强等特点。,激光是传递信息的理想光源，但激光只是载波，信息如何驮载到激光信号上？,5.1 概述,5.1 概述,调制,信息加载到激光上的过程，称之为调制，而实现调制的装置称为调制器。,调制信号,起控制

34、作用的低频信息称为调制信号。,激光光波的电场强度可以表示为：,激光具有振幅、频率、相位、强度、偏振等参量，如果能够利用某种物理方法改变光波的某一参量，使起按调制信号的规律变化，就实现了对激光信号的调制。,5.1 概述,根据调制器与激光器的相对关系分为：,内调制：,按受调参数分为：（1）调幅（AM）：受调参数是载波的幅度。（2）调频（FM）：受调参数是载波的频率。（3）调相（PM）：受调参数是载波的相位。（4）强度调制：受调参数是载波的强度。,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，从而改变激光器的输出特性来实现调制。,主要应用：在光通信的注入式半导体激光源中。

35、,5.1 概述,外调制：,在激光形成之后，在激光器的外光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。,优势：调整方便，对激光器没有影响调制速率高调制带宽宽,将在未来的高速率、大容量的光通信及光信息处理有广泛的应用前景,5.2 振幅调制,载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，称振幅调制，简称调幅。,一、概念,二、调幅波波形和表示式：,调制信号为：,载波信号为：,5.2 振幅调制,其中kA为比例系数，ma=kAAm/Aj1，称调幅系数或调幅度，一般用%表示。ma：表示载波受调制信号控制的程度,ma越大，控制作用越大。当ma=1时称全调;当ma

36、=0时，称无调;注意：ma不能大于1，否则会出现过调失真。,三、调幅波的频谱及谱宽,三、调幅波的频谱及谱宽,频谱宽度：B=2m,调幅波的频谱由载波分量和两个边频带组成，而调幅过程实际上是一种频率的搬移过程.,5.3 角度调制,振幅调制是以调制信号去控制载波振幅，反映到频谱上是频率搬移，其频谱结构不变，所以属于线性调制；角度调制是以调制信号去控制载波的频率或相位，反映到频谱上是一种复杂的变换（增加了许多组合频率），属于非线性调制；调角的优点：抗干扰能力强。,5.3 角度调制,以调制信号去控制载波的频率或相位，使载波的频率或相位随调制信号的规律变化，这样得到的已调波称调频波或调相波，由于这良种调制

37、波都表现为总相角的变化，故统称角度调制。,（一）调频波表示式,设ac(t)=Amcosmt，载波ej(t)=Ajcos(jt+0)，据调频定义,FM波的瞬时频率：(t)=j+kfac(t)=j+kfAmcosmt=j+fcosmt,其中,j-载波的中心频率 kf-比例系数，单位调制信号强度度引起的频率变化，表明控制能力的大小 f-最大频偏，即FM瞬时频率偏离j的最大值,（一）调频波表示式,(t)=j+kfAmcosmt=j+fcosmt,FM波的瞬时相位：,（一）调频波表示式,其中:mf称调频指数，是载波相位上附加的最大相移，表明调制深度。,（二）调相波的表示式,-调相指数,请同学自行推导出调

38、相波的表达式！,（三）调频和调相波的频谱,由于调频和调相实质上最终都是调制总相角，因此可以写成统一的形式：,（三）调频和调相波的频谱,在单频正弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与它两边对称分布的无穷多对边频所组成；各边频之间的间隔为m；各边频的幅度大小Jn(m)由贝塞尔函数决定。,例：m=1，,n=0,J0(m)=0.77;,n=1,J1(m)=0.44,n=2,J2(m)=0.11;,n=3,J3(m)=0.01,5.4 强度调制,强度调制是光载波的强度随调制信号规律而变化。,激光光强定义为光波电场的平方，可表示为：,强度调制的光强：,5.4 强度调制,强度调制的光强：,a(t)=Am

39、cosmt,调制信号：,一般调制系数mq1,同理可推得，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频外，还有低频m和直流分量。,5.5 脉冲调制,脉冲调制,脉冲幅度调制（PAM),脉冲宽度调制（PWM),脉冲频率调制（PFM),脉冲相位调制（PPM),脉冲强度调制（PIM),调制实现方法：,首先进行电调制，再对光载波进行光强度调制。,脉冲幅度调制（PAM),脉冲宽度调制（PWM),脉冲频率调制（PFM),脉冲位置调制（PPM),调制信号,5.6 数字调制,数字式调制也称脉冲编码调制，把模拟信号先变换成电脉冲序列，进而变成代表信号信息得二进制编码，再对光载波进行调制。,实现脉冲编码调制过程：,抽样,量化,编码,1.光在晶体中传播与光在各向同性介质中的传播规律有什么差别？有什么特点？光轴是一条线吗？为什么？2.简要阐述晶体的概念。单轴晶体与双轴晶体的主要区别何在？3.什么是电光效应、声光效应、磁光效应？各有什么特点4.简述KDP晶体纵向电光效应和横向电光效应。5.法拉第旋转效应中光线的传播方向与磁化强度方向之间有何关系？6.偏振器件的矩阵表示7.KDP晶体在外场作用下，折射率变化的矩阵式的推导。8.激光信号的幅度调制和角度调制的基本原理。,