光电子复习参考第章.pptx
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1、 第三章第三章 光束的调制和扫描光束的调制和扫描 在光电子系统当中,不论具体结构如何,有一在光电子系统当中,不论具体结构如何,有一 个共同的特点个共同的特点利用光来传递信息。利用光来传递信息。光束的调制光束的调制就是将欲传递的信息加载到光波上就是将欲传递的信息加载到光波上 的过程。的过程。调制的对象调制的对象改变光波的振幅、强度、相位、频改变光波的振幅、强度、相位、频 率、偏振等,使其携带信息。率、偏振等,使其携带信息。Company Logo 内调制内调制:将欲传输的信号直接加载于光源上,改变将欲传输的信号直接加载于光源上,改变光源的输出特性实现调制,或在激光器的谐振光源的输出特性实现调制,
2、或在激光器的谐振腔内调制,改变光腔参数。腔内调制,改变光腔参数。外调制外调制:在光路上放置调制器,将欲传输的信号加在光路上放置调制器,将欲传输的信号加载于调制器上,使光的物理性质变化,实现信载于调制器上,使光的物理性质变化,实现信号的调制。号的调制。Company Logo2.请画出纵向电光调制的结构图,写出调制条件,并推导出纵向电光调制器的透过率。根据上面的推导结果,画出纵向电光调制特性曲线,据此可得到哪些结论?用什么方法可实现线形调制?1 1 电光强度调制电光强度调制 (1 1)纵向电光调制)纵向电光调制 纵向电光强度调制器的结构如下图所示:纵向电光强度调制器的结构如下图所示:Compan
3、y Logo 结构特点:结构特点:电光晶体(电光晶体(KDPKDP)置于两成正交的偏振器之间;)置于两成正交的偏振器之间;起偏器起偏器 的偏振方向平行与的偏振方向平行与KDP KDP 的的 x x 轴;轴;检片器检片器 平行于平行于KDPKDP的的 y y 轴;轴;插入插入/4/4波片;波片;沿晶体沿晶体 z z 轴方向施加电场;轴方向施加电场;晶体的感应主轴为晶体的感应主轴为x x和和y y,分别与,分别与x x轴、轴、y y轴轴的夹角为的夹角为4545o o。Company L 纵向电光调制过程纵向电光调制过程 沿沿z z轴入射的光束,经起偏器变为平行于轴入射的光束,经起偏器变为平行于x
4、x方方向的线偏振光;向的线偏振光;刚进入晶体时(刚进入晶体时(z=0z=0),),被分解为沿被分解为沿x x和和y y方向的两个分量。此时,其振幅和相位都相同。方向的两个分量。此时,其振幅和相位都相同。分别为:分别为:Company L用复数表示为:用复数表示为:光强正比于电场的平方,入射光强(光强正比于电场的平方,入射光强(z=0z=0)为)为:Company Logo 当光通过长度为当光通过长度为L L的晶体之后的晶体之后,由于电光效由于电光效应,应,和和 两分量之间产生了一个相位两分量之间产生了一个相位差,此时有:差,此时有:通过通过 后后,总电场强度是总电场强度是 和和 在在 y y
5、方向上的投影之和为:方向上的投影之和为:Company L Company Logo 输出光强为输出光强为:Company L利用三角函数关系式:利用三角函数关系式:光强为:光强为:Company L 调制器的透过率为:调制器的透过率为:纵向电光相位延迟的相位差为:纵向电光相位延迟的相位差为:由由 ,可以画出纵向电光强度,可以画出纵向电光强度调制特性曲线,调制特性曲线,Company LCompany L讨论:讨论:透过率透过率 T T 与外加电压与外加电压 V V 的关系是的关系是非线性非线性的;的;当当 时,时,T=100%,T=100%,透过光强最大;透过光强最大;时,时,T=50%,T
6、=50%,且在其附近有一线性关系;且在其附近有一线性关系;V=0 V=0 时,时,T=0T=0。Company L 得出重要结论:得出重要结论:调制器工作在非线性区,调制光强发生调制器工作在非线性区,调制光强发生畸变;畸变;在在 附近有一线性关系,可设法附近有一线性关系,可设法使调制器工作在线性区使调制器工作在线性区。使调制器的电压偏置在使调制器的电压偏置在 T=50 T=50 的工作点。的工作点。Company L实现线性调制的办法:实现线性调制的办法:在调制晶体上除了施加信号电压外,在调制晶体上除了施加信号电压外,再附再附 加一个加一个 的固定偏压。的固定偏压。但增加电路的复杂性,工作点的
7、稳定性差。但增加电路的复杂性,工作点的稳定性差。在调制器的光路上在调制器的光路上插入插入 波片波片,使,使 和和 两个分量间产生两个分量间产生 的固定相位差。的固定相位差。Company Logo证明:证明:经过晶体经过晶体 L L 后的相位差为后的相位差为 ,加入加入 波片后的总相位差为:波片后的总相位差为:透过率为:透过率为:利用:利用:Company L 利用:利用:得到:得到:当当 a a 较小时,较小时,sina=asina=a,因为:因为:所以所以:此时此时 T T 与与 V V 之间为线形关系,可实现之间为线形关系,可实现线性调制,且不失真。线性调制,且不失真。Company L
8、 纵向电光调制的优缺点:纵向电光调制的优缺点:优优 点:点:结构简单,工作稳定,不存在自然结构简单,工作稳定,不存在自然双折射的影响。双折射的影响。缺缺 点:点:半波电压太高,特别是调制频率较半波电压太高,特别是调制频率较高时,功率损耗大。高时,功率损耗大。Company Logo3.请画出横向电光调制器的结构图,给出调制条件。通过与纵向电光调制器的比较,说明横向电光调制的优缺点。采用什么方法可以克服横向电光调制中存在的问题?(2 2)横向电光调制)横向电光调制横向电光调制有两个明显的横向电光调制有两个明显的优点优点:可以避开电极对光波的影响;可以避开电极对光波的影响;可以通过增加晶体的长度降
9、低调制电可以通过增加晶体的长度降低调制电压,具重要的实用意义压,具重要的实用意义。Company Logo 典型结构分析典型结构分析 外加电场沿外加电场沿 z z 轴方向,轴方向,通光方向与通光方向与 z z 轴垂直,沿轴垂直,沿 y y 方向入射方向入射,入射光偏振方向与入射光偏振方向与 z z 轴成轴成4545o o角。角。Company L 横向电光调制特点:横向电光调制特点:当光线进入晶体后,将分解为沿当光线进入晶体后,将分解为沿x x和和z z方向振动的两个分量,其折射率分别为方向振动的两个分量,其折射率分别为 和和 .从晶体出射后,两光波的相位差为:从晶体出射后,两光波的相位差为:
10、Company LogoKDPKDP晶体的横向电光效应的相位延迟包括两项:晶体的横向电光效应的相位延迟包括两项:第一项:第一项:与外电场无关的晶体本身的自然双折射与外电场无关的晶体本身的自然双折射 引起的相位延迟,对调制器没有贡献,引起的相位延迟,对调制器没有贡献,应设法消除;应设法消除;第二项:第二项:外电场作用产生的相位延迟,与外电场作用产生的相位延迟,与 V V、L L、d d 有关,适当选择有关,适当选择 L L、d d,可降低半波电,可降低半波电 压。压。Company Logo 自然双折射的影响:自然双折射的影响:当晶体的温度引起折射率当晶体的温度引起折射率 n no o 和和 n
11、 ne e 变化时,变化时,两光波的相位差将发生漂移两光波的相位差将发生漂移。例如:例如:L=30L=30,=623.8nm,=623.8nm,,折射率随温度的变化率折射率随温度的变化率 :所以,要采取措施消除自然双折射的影响。所以,要采取措施消除自然双折射的影响。Company Logo 消除自然双折射的方法:消除自然双折射的方法:散热、恒温,以减少晶体的温度漂移散热、恒温,以减少晶体的温度漂移 采用采用“组合调制器组合调制器”的结构予以补偿的结构予以补偿 Company Logo4.请画出声光调制器的结构,并说明各部分的作用 3.3.3.3.声光调制声光调制 声光调制是基于声光效应。声光调
12、制是基于声光效应。1 1 结构:结构:激光激光(光源光源)声光介质声光介质 电电-声转换器声转换器 吸声吸声(反射反射)装置装置 驱动电源驱动电源 Company Logo 声光介质声光介质 声光相互作用的区域声光相互作用的区域。利用衍射光的强度随超声波强度的变化而利用衍射光的强度随超声波强度的变化而 变化的性质,制成光强度调制器。变化的性质,制成光强度调制器。电电-声换能器声换能器(超声波发生器)(超声波发生器)将调制的电功率转换成声功率将调制的电功率转换成声功率。利用某些压电晶体(石英、利用某些压电晶体(石英、L Li iN Nd dO O3 3等)或等)或 压电半导体(压电半导体(C C
13、d dS S、Z Zn nO O等)的反压电效应,在外等)的反压电效应,在外 加电场作用下产生机械振动,形成超声波。加电场作用下产生机械振动,形成超声波。Company Logo 吸声(反射)装置吸声(反射)装置 确定超声波工作状态。确定超声波工作状态。吸声装置吸声装置 通过吸收介质的声波使工作于通过吸收介质的声波使工作于 行波态行波态 反射装置反射装置 反射声波,使超声场为反射声波,使超声场为驻波状态驻波状态。Company Logo5.何为直接调制?请说明半导体激光器直接调制的原理,并说明如何实现直接调制?3.4 3.4 直接调制直接调制直接调制直接调制-把要传递的信息转变为电流信号注入半
14、把要传递的信息转变为电流信号注入半 导体光源导体光源(LED(LED或或LD)LD),获得调制信号。,获得调制信号。直接调制是在光源内部进行的,又称为直接调制是在光源内部进行的,又称为内调内调 制制。是目前光纤通信系统普遍采用的调制方法。是目前光纤通信系统普遍采用的调制方法。直接调制分为两种类型:直接调制分为两种类型:模拟调制模拟调制:用连续的模拟信号用连续的模拟信号(如视频、音频等信如视频、音频等信 号号)对光源进行强度调制。对光源进行强度调制。数字调制数字调制:用脉冲编码调制的数值信号对光源进行用脉冲编码调制的数值信号对光源进行 强度调制。强度调制。Company Logo 半导体激光器(
15、半导体激光器(LDLD)直接调制原理)直接调制原理 半导体激光器是电子与光子相互作用并半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。进行能量直接转换的器件。下图给出了砷镓铝双异质结注入式半导下图给出了砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。曲线。Company Logo结论结论 当驱动电流密度当驱动电流密度 IIIt t 时时,开始发射激光,谱线宽度、开始发射激光,谱线宽度、辐射方向显著变窄,强度大幅度增加,而且随电流的增辐射方向显著变窄,强度大幅度增加,而且随电流的增 加呈线性增长。加呈线性增长。由于发射激光的强弱直接
16、与驱动电流的大小有关,由于发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关,可以直接把调制信号加到激光器电源上,改变输出光信可以直接把调制信号加到激光器电源上,改变输出光信 号的强度。号的强度。优点优点:方式简单,能在高频工作,良好的线性、带宽。:方式简单,能在高频工作,良好的线性、带宽。广泛应用于光纤通信、光盘和光复印等方面广泛应用于光纤通信、光盘和光复印等方面。Company Logo 下图给出了半导体激光器输出光功率与调制下图给出了半导体激光器输出光功率与调制信号的关系曲线。用下述办法可实现信号调制:信号的关系曲线。用下述办法可实现信号调制:为获得线性调制,必须在施加调制信号电流为获得线性调制,必
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