光电子学-第五章

光辐射的调制光调制概述光调制目的：使光波携带信息，达到传输信息的目的光调制的实现手段：使光波中的某种可测参量随着信号的变化而变化，当接收到被调制后的光波后，记录下被调制参量的变化就能获得光波所传递的信息用于光通信的光是相干光，相干光的可测参量包括光的强度（振幅）、频率、位相和偏振态。光调制概述根据被调制的参量将光调制分类：强度调制——用光电探测器接收频率调制——用外差接收系统接收相位调制——用外差接收系统接收偏振调制——在接收系统中设置偏振片检偏光调制的基本概念与分类振幅调制振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程调制前：0()cos()()cosccccmetAtatAt载波调制讯号0()(cos)cos()(1cos)cos()()cos()cmcccmccccetAKAttAmttAtt调制后：-10-5510t-1-0.50.51Null-10-5510t-1.5-1-0.50.511.5光调制的基本概念与分类振幅调制振幅调制：使载波光场的振幅按照调制讯号的规律变化的过程调幅波的频谱分析：()(1cos)cos()cos()cos[()]2cos[()]2cmccccccccmcmccetAmttmAtAtmAt光调制的基本概念与分类调制前：调制后：22200()cos()cos()()sincccccmItAtItatAt载波调制讯号20()()]cos()pccItIKatt[强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程强度调制-10-5510t0.20.40.60.811.21.4-10-5510t0.20.40.60.81Null光调制的基本概念与分类强度调制：使载波光场的光强按照调制信号的规律变化的过程强度调制考虑经过光强调制以后，不失真，则平均光强选在I0/2200000()(1sin)cos()2()2()2pmccppIItmttKAImII光强最大增量光强平均值001sin2pmImtI波形不失真要求mp1，即：-10-5510t0.20.40.60.811.21.4-10-5510t0.20.40.60.81Null光调制的基本概念与分类相位调制和频率调制(调相和调频)相位(频率)调制：使载波光场的相位(频率)按调制信号的规律变化的过程。()()cos()()()ccfcccctkatttkatc调频：常数e(t)=A调相：常数t（t）=总相位：调频和调相的相同点：是使总相位(t)变化——按调制信号的规律变化。光调制的基本概念与分类相位调制和频率调制(调相和调频)相位(频率)调制：使载波光场的相位(频率)按调制信号的规律变化的过程。00000()()coscossinsin()cos(sin)ttccfcmtcfmcfcmccfmcmccfmctkatdtatAttkAtdtkAtttmtetAtmt0总相位：（t）=（t）dt+如果：，则（t）=调频后的电场：调频过程：光调制的基本概念与分类调频和调相波的频谱调频和调相实质上都是调制总相角，可写成统一的形式：()cos[sin][cos()cos(sin)sin()sin(sin)]ccmccccmccmetAtmtAtmttmt02413cos(sin)()2()cos22()cos4sin(sin)2()sin2()sin3mmmmmmmtJmJmtJmtmtJmtJmt0()()cos()()cos()(1)cos()1cccncncmccmcetAJmtAJmntntn可以得到最终的调频场为：光调制的基本概念与分类调频和调相波的频谱调频和调相实质上都是调制总相角：0()()cos()()cos()(1)cos()1cccncncmccmcetAJmtAJmntntn频谱是由光载波频率与其两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频率间隔为调制信号频率m,各边频幅度的大小由贝塞尔函数Jn(m)决定。m6mc0(1)0.77J1(1)0.44J2(1)0.11J3(1)0.02Jm=1时的角度调制波的频谱光调制概述光调制按照调制机理分类：电光调制、声光调制、磁光调制光调制按照调制对象分类：内调制、外调制内调制：直接对光源进行调制-调制激光器的激励功率-调制激光器共振腔长度外调制：在光传输路径上设置某种介质做成的调制器，通过电光、声光、磁光调制手段，改变介质的传输特性，使得光通过该介质时某种光可变参量随信号变化，达到调制目的。光调制概述调制机理？？光通过介质时的传输特性外调制器的调制机理都是基于改变调制器介质的光学常数——折射率和介电张量，引起通过调制器的光波的参量发生变化，从而达到调制的目的。光波在单轴晶体中传播的解析描述光波在单轴晶体中的传播规律在单轴晶体中存在两种特许偏振方向的光波：o光和e光。对应于某一波法线方向k有两条光线：so和se.o光折射率不依赖于k的方向，Eo‖Do,so‖ke光折射率随k的方向改变，Ee与De一般不平行,但都在k与光轴所确定的平面内。se与k亦不重合o光与e光的场振动矢量彼此垂直：Eo⊥Ee,Do⊥De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：2221232221231xxxnnn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。折射率椭球的性质:(d,n)曲面x1x20n2n1n3利用折射率椭球分析光在单轴晶体中的传播特性2221232221231xxxnnn22212322x1oexxnn折射率椭球主轴坐标系方程对于单轴晶体有n1=n2=no,n3=ne,所以得到：旋转椭球:k(0,sin,cos)取x2ox3截面图S3x2xETDonsk（）onen22222cossin1oennnT(0，n”cos,n”sin)点在椭球上，满足方程：222222sincosoeoennnnoen=，e光折射率在n与n之间X2X3X1KSDE在单轴晶体中，与给定单位波矢方向k对应的o光和e光诸矢量的关系如下图2222221sin22sincoseooenntgnn222222sincosoeeoennnnn()=理想单色平面波在晶体中的传播光波在单轴晶体中传播的解析描述22212322x1oexxnn电光调制晶体的电光效应电光效应是指晶体在低频外电场作用下，晶体光学特性（折射率）发生改变的效应。——利用电光效应可以方便地实现光调制线性电光效应（Pockels）：折射率的改变与外场电场强度的大小成正比二次电光效应（Kerr）：折射率的改变与外场电场强度的平方成正比电光效应分类电光调制晶体的电光效应如何描述电光效应？光在晶体中的传播规律遵从光的电磁理论。而折射率椭球描述了晶体的折射率在空间各个方向的取值分布。所以通过研究晶体折射率椭球的大小、形状和取向的变化，来研究外电场对晶体光学特性的影响。外加电场对晶体光学特性的影响，必然会通过折射率椭球的变化反映出来。电光调制晶体的电光效应22011,1,12,131ijijijijijijijnijijijxxxxxxixxjn令不加外场时折射率椭球加外场感生折射率椭球其中晶体的折射率椭球的一般形式为:电光调制折射率椭球的变化可以用系数变化ij描述，则外加电场后的感生折射率椭球可写为：晶体的电光效应0()1ijijijijijxxxx331,1ijijkkijklklkklEhEE线性电光效应，ijk是三阶张量二次电光效应，hijkl是四阶张量电光调制晶体的电光效应线性电光效应:011112131502122223240313233354636[]ij23123221311321333113112112212321121221311111211313221222223213331333332132232333323231ijkkkEEEE电光调制0ijijij23123221311321333113112112212321121221311111211313221222223213331333332132232333323231ijkkkEEEE11121321222313132332m4142433515253616263kkEEEE线性电光系数矩阵加电场后的椭球未加电场的折射率椭球电光系数矩阵，27个元外加电场电光系数矩阵，18个元各种晶体的电光系数矩阵[mk]可以从相应的手册上查出[mk]描述了外加电场对晶体光学特性的线性效应已知晶体系数矩阵和光场，则可以求得晶体的折射率变化晶体的线性电光系数矩阵1ijijjimijkjikmkij电光调制线性电光效应1230322022101xxx111213121222321331323324414243355152536616263EEE2221122334235316122221xxxxxxxxx求解感生折射率椭球:已知：未加电场时折射率椭球加电场后折射率椭球：000123126[],,mkE查出相应的从已知的、、及代入上式可求出加电场后的椭球方程系数：、、、电场导致介质折射率发生变化，将会改变光场在该介质中的传输特性电光调制KDP类晶体的线性电光效应KDP(KH2PO4,磷酸二氢钾)晶体是人工晶体，在0.2～1.5μm波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高。它的主要缺点是易潮解。222022023121123322000123221()111,oeoexxxxxxnnnn其中KDP型晶体外型图光轴方向为x3轴方向KDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。其主轴折射率分别为no，ne，无外加电场时，折射率椭球为旋转椭球：414163000000000000000mkKDP晶体的电光系数矩阵为：电光调制KDP类晶体的线性电光效应011102211033324414354156636000000000000000EEE011021033441154126