第3章-光束的調制和掃描

第3章光束的調制和掃描光電子技術基礎厚德博學求實創(chuàng)新學習目標

通過本章學習，掌握光束調制的原理和方法，掌握電光調制、聲光調制、磁光調制等調制方法的原理、特性等知識。了解光束掃描技術、空間光調制器的原理和方法，為光束的調制和掃描及其器件的設計打下基礎。

第三章光束的調制和掃描

[教學目的]1、牢固掌握光束調制原理。2、牢固掌握電光調制、聲光調制的原理。3、了解光束掃描技術、空間光調制器。[教學重點與難點]重點：光束調制原理、電光調制、聲光調制的原理。難點：電致折射率變化，電光相位延時分析。3.1光束調制原理要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上去的問題。調制（將信息加載到激光的過程）調制器光波的電場為：式中Ac為振幅，wc為角頻率，jc為相位角。

既然光束具有振幅、頻率、相位、強度和偏振等參量，如果能夠應用某種物理方法改變光波的這些參量之一，使其按照調制信號的規(guī)律變化，那么激光束就受到了信號的調制，達到“運載”信息的目的。實現(xiàn)激光束調制的方法，根據(jù)調制器與激光器的關系可以分為：內調制(直接調制)和外調制內調制：指加載信號是在激光振蕩過程中進行的，以調制信號改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器輸出特性以實現(xiàn)調制。外調制：指激光形成之后，在激光器的光路上放置調制器，用調制信號改變調制器的物理性能，當激光束通過調制器時，使光波的某個參量受到調制。光束調制按其調制的性質可分為：調幅、調頻、調相及強度調制等。1、振幅調制若調制信號是一時間的余弦函數(shù)，即：調幅波的表達式為：調幅波的頻譜為：載頻分量邊頻分量2、頻率調制和相位調制<角度調制>調頻或調相就是光載波的頻率或相位隨著調制信號的變化規(guī)律而改變的振蕩。對頻率調制來說，就是式中的角頻率c隨調制信號變化：

調頻系數(shù)則調制波的表達式為:同樣，相位調制就是相位角c隨調制信號的變化規(guī)律而變化，則調相波的表達式為由于調頻和調相實質上最終都是調制總相角，因此可寫成統(tǒng)一的形式

調相系數(shù)3、強度調制光強隨調制信號規(guī)律變化的激光振蕩光束調制多采用強度調制形式，這是因為接收器一般都是直接響應其所接收的光強。光束強度定義為光波電場的平方于是，強度調制的光強可表示為：光強比例系數(shù)仍設調制信號是單頻余弦波，則強度調制系數(shù)以上幾種調制方式所得到的調制波都是一種連續(xù)振蕩波，統(tǒng)稱為模擬調制。I(t)t調制信號載波4、脈沖調制模擬調制：調制波是一種連續(xù)振蕩波。脈沖調制數(shù)字式調制脈沖調制：用間歇的周期性脈沖序列作為載波，并使載波的某一參量按調制信號規(guī)律變化的調制方法。不連續(xù)狀態(tài)下進行調制先電調制，再光強度調制(a)調制信號(b)脈沖幅度調制(c)脈沖寬度調制(d)脈沖頻率調制(e)脈沖位置調制

5、脈沖編碼調制三個過程：（1）抽樣：把連續(xù)信號波分割成不連續(xù)的脈沖波，用一定的脈沖列來表示。模擬信號變成脈幅調制信號（2）量化：分級取“整”變?yōu)閿?shù)字信號（3）編碼：把量化后的數(shù)字信號變換成相應的二進制碼的過程?！?”激光載波的極大值；“0”激光載波的零值。3.2電光調制利用電光效應可實現(xiàn)強度調制和相位調制。本節(jié)以KDP電光晶體為例討論。3.2.1.電光晶體基礎利用縱向電光效應和橫向電光效應均可實現(xiàn)電光強度調制。（1）電致折射率的變化外加電場的方向平行于z軸將x坐標和y坐標繞z軸旋轉45角（2）電光相位延遲縱向電光效應電場方向與光束在晶體中的傳播方向一致橫向電光效應電場與光束在晶體中的傳播方向垂直。

與外加電場無關，是由晶體本身自然雙折射引起的電光效應相位延遲3.2.2電光強度調制和電光相位調制1.電光強度調制外加電場使得晶體的折射率發(fā)生變化，這便是電光調制的物理基礎。加電場通常有兩種方式：一是電場沿晶體主軸軸（光軸方向），電場與光束傳播方向平行，即產生縱向電光效應；二是電場沿晶體的任一主軸軸，而光束的傳播方向與電場方向垂直，即產生橫向電光效應。這兩種效應均可實現(xiàn)電光強度調制。⑴縱向電光調制器及其工作原理縱向電光強度調制起的結構如圖所示入射光P1IixyzxyP2Io調制光~VL起偏器/4波片檢偏器進入晶體后被分解為沿x和y方向的兩個分量，其振幅和相位都相同，分別為：入射光強度為通過長度為L的晶體之后，和兩個分量之間產生了一相位差，則有，。，

或

那么，通過檢偏器后的總電場強度是和在y方向的投影之和，即與之相應的輸出光強為：調制器的透過率

50100透過率(%)0透射光強時間電壓調制電壓VV/2可見，在一般情況下，調制器的輸出特性與外加電壓的關系是非線性的。調制光強發(fā)生畸變1、附加一個的固定偏壓

會增加電路的復雜性，而且工作點的穩(wěn)定性也差。2、在調制器的光路上插入一/4波片，解決辦法和兩個分量之間產生/2的固定相位差

于是總相位差為調制的透過率可表示為線性調制的判據(jù)：

優(yōu)點：

具有結構簡單；工作穩(wěn)定；不存在自然雙折射的影響等。缺點：

半波電壓太高，特別在調制頻率較高時；功率損耗比較大。⑵橫向電光調制在此僅以KDP晶體的第一類運用方式為代表進行分析沿z軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與x軸或y軸成45夾角(晶體為45-z切割)。-x從晶體出射兩光波的相位差為:

可見，KDP晶體的橫向電光效應使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項：第一項:是與外電場無關的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲;

第二項:是外電場作用產生的相位延遲下圖所示的是一電光相位調制的原理圖，它由起偏器和電光晶體組成。起偏器的偏振方向平行于晶體的感應主軸x’(或y’)，此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿x’、y’兩個分量，而是沿著x’(或y’)軸一個方向偏振，故外電場不改變出射光的偏振狀態(tài)，僅改變其相位，相位的變化為2

電光相位調制這里的因為光波只沿x’方向偏振，相應的折射率為。若外加電場是,在晶體入射面(z＝0)處的光場，則輸出光場(z＝L處)就變?yōu)槁匀ナ街邢嘟堑某?shù)項，因為它對調制效果沒有影響，則上式可寫成

式中稱為相位調制系數(shù)。一個高質量的電光調制器主要應滿足以下幾個方面的要求：(1).調制器應有足夠寬的調制帶寬，以滿足高效率無畸變地傳輸信息。(2).調制器消耗的電功率小。(3).調制特性曲線的線性范圍大。(4).工作穩(wěn)定性好。設計電光調制器應考慮的問題3.3聲光調制光波在聲光晶體中的傳播聲波是彈性波，在介質中傳播時，會使介質的彈性形變或者介質的密度發(fā)生周期性的疏密變化，從而引起介質中光折射率的相應變化，影響光在介質中的傳播特性。這種效應使得聲光介質形成一位相光柵，光柵常數(shù)為聲波波長。出射光發(fā)生多級衍射，使得光束在傳播方向，頻率和強度分布等都發(fā)生規(guī)律性變化，這種現(xiàn)象稱為聲光效應。

1

聲光效應彈光效應：由于外力作用而引起光學性質變化的現(xiàn)象。聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時，會造成介質密度的疏密變化，使得介質的折射率分布也隨之改變。聲光效應：由于聲波作用而引起光學性質變化的現(xiàn)象，聲光效應是彈光效應的一種。

(1)拉曼-納斯衍射產生拉曼-納斯衍射的條件：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L較短時，在光波通過介質的時間內，折射率的變化可以忽略不計，則聲光介質可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。拉曼-納斯衍射的特點：由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向對稱分布的多級衍射光。sLxy聲波陣面聲波光波陣面拉曼-納斯衍射圖各級衍射的方位角為（最大值的位置）：各級衍射光的強度為：3210-1-2-3衍射效率為：(2)布喇格衍射產生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質具有“體光柵”的性質。布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級（或1級）衍射光。s入射光i衍射光i+s2非衍射光圖5布喇格聲光衍射聲波衍射效率為：

M2為聲光材料的品質因數(shù)，Ps超聲功率；H為換能器的寬度，L為換能器的長度。同樣的改變超聲功率，也可以達到改變一級衍射光的強度。

聲光效應與電光效應對比相似之處：晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學性質的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。區(qū)別：

電光效應中，外加電場的加入是起因。聲光效應中，造成折射率變化的因素是應變或應力。聲波傳播方向入射波透射波衍射波布拉格方式（透射）入射波透射波反射波聲波傳播方向布拉格方式（反射）聲波傳播方向入射波0級1級1級2級2級拉曼－納斯方式聲波傳播方向入射波衍射波聚焦布拉格方式（聚焦）3.3.2聲光調制的工作原理

聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。

聲光調制器的組成：（1）聲光介質、（2）電-聲換能器、（3）吸聲（或反射）裝置、（4）驅動電源。（1）聲光介質聲光相互作用的區(qū)域（2）電-聲換能器超聲發(fā)生器

壓電晶體或壓電半導體的反壓電效應將電功率轉換成聲功率

（3）吸聲（或反射）裝置避免返回介質產生的干擾（4）驅動電源

工作原理：調制信號是以電信號(調輻)形式作用于電-聲換能器上，電-聲換能器將相應的電信號轉化為變化的超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。

特性曲線衍射效率s與超聲功率Ps是非線性調制曲線形式，為了使調制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。tPsId(fm)fm(Is)0Ps圖1聲光調制特性曲線1、拉曼-納斯型聲光調制器

調制器的工作原理如圖2(a)所示，工作聲源頻率低于10MHz。只限于低頻工作，帶寬較小。入射光

衍射光

調制信號圖2拉曼-納斯型聲光調制器若取某一級的衍射光作為輸出，可利用光闌將其他各級的衍射光遮擋，則從光闌孔出射的光束就是一個隨相位延遲因子變化的調制光。當工作頻率較高時，聲光作用區(qū)長度太小，要求的聲功率很高，所以該聲光調制器只限于低頻工作，只具有有限的帶寬。

效率低，光能利用率低。衍射光調制信號入射光圖3聲光調制器布喇格型2、布喇格型聲光調制器

布喇格型聲光調制器工作原理如圖3所示。tPsId(fm)fm(Is)0圖3聲光調制特性曲線

布喇格聲光調制特性曲線與電光強度調制相似，如圖3所示。由圖可以看出：衍射效率s與超聲功率Ps是非線性調制曲線形式，為了使調制波不發(fā)生畸變，則需要加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。

由此可見，若對聲強加以調制，衍射光強也就受到了調制。

布喇格衍射由于效率高，且調制帶寬較寬，故多被采用。

在聲功率Ps(或聲強Is)較小的情況下，衍射效率s隨聲強度Is單調地增加(近似呈線性關系)：相對于聲波波前以B

入射的波導光波穿過輸出棱鏡時，得到與入射光束成2B

角的1級衍射光。其光強為

：在電場作用下導波光通過長度為L距離的相位延遲；B:是一比例系數(shù)，它取決于波導的有效折射率neff等因素。上式表明，衍射光強I1隨電壓V的變化而變化，從而可實現(xiàn)對波導光的調制。

3.4磁光調制磁光調制主要是基于磁光效應中的法拉第旋轉效應，使得一束在外磁場的作用下的介質中傳播的線偏振光發(fā)生偏轉，其旋轉角度與沿光束方向的磁場強度H和光在介質中傳播的長度L之積成正比，即

式中V為韋爾德（Verdet）常數(shù)，表示單位磁場強度下通過單位長度的磁光介質后偏振方向旋轉的角度。3.5直接調制

直接調制是把要傳遞的信息轉變?yōu)殡娏餍盘栕⑷氚雽w光源（激光二極管LD或半導體發(fā)光二極管LED），從而獲得調制光信號。由于它是在光源內部進行的，因此又稱為內調制。分類：模擬調制數(shù)字調制一.半導體激光器（LD）直接調制的原理

LD是電子與光子相互作用并進行能量直接轉換的器件。圖3-20為砷鎵鋁雙異質結注入式半導體激光器的輸出光功率與驅動電流的關系曲線。105050100It

150200驅動電流(mA)輸出功率(mW)圖3-20半導體激光器的輸出特性閾值電流100806040208509501050波長(m)相對輻射強度(%)高于閾值（發(fā)射激光）低于閾值（基本不發(fā)光）圖3-21半導體激光器的光譜特性圖3-21所示半導體激光器的光譜特性。

由上可知，發(fā)射激光的強弱直接與驅動電流的大小有關。若把調制信號加到激光器電源上，就可直接改變激光器輸出光信號的強度。

廣泛應用于光纖通信、光盤和光復印等。

圖5所示的是半導體激光器調制原理以及輸出光功率與調制信號的關系曲線。為了獲得線性調制，使工作點處于輸出特性曲線的直線部分，必須在加調制信號電流的同時加一適當?shù)钠秒娏鱅b，這樣就可以使輸出的光信號不失真。

輸出功率直流偏置調制信號輸出光強信號ttt(b)CL~LD調制信號直流偏置(a)圖3-22半導體激光器調制(a)電原理圖；(b)調制特性曲線半導體激光器處于連續(xù)調制工作狀態(tài)時，無論有無調制信號，由于有直流偏置，所以功耗較大，甚至引起溫升，會影響或破壞器件的正常工作。

二、半導體發(fā)光二極管調制特性

半導體發(fā)光二極管由于不是閾值器件，它的輸出光功率不像半導體激光器那樣會隨注入電流的變化而發(fā)生突變，因此，LED的P－I特性曲線的線性比較好。圖3-23示出了LED與LD的P－I特性曲線的比較。LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)1614121086420100200300400圖3-23LED與LD的Pout-I曲線比較三.半導體光源的模擬調制

無論是使用LD或LED作光源，都要施加偏置電流Ib，使其工作點處于LD或LED的P－I特性曲線的直線段，如圖7所示。其調制線性好壞與調制深度m有關：LEDUb+EcIc已調光波(a)PoutItIco(b)圖3-24模擬信號驅動電路激光強度調制(a)驅動電路；(b)LED工作特性四.半導體光源的脈沖編碼數(shù)字調制

數(shù)字調制是用二進制數(shù)字信號“1”和“0”碼對光源發(fā)出的光波進行調制。

而數(shù)字信號大都采用脈沖編碼調制：1、先將連續(xù)的模擬信號通過“抽樣”變成一組調幅的脈沖序列；2、“量化”和“編碼”過程，形成一組等幅度、等寬度的矩形脈沖作為“碼元”，結果將連續(xù)的模擬信號變成了脈沖編碼數(shù)字信號。3、然后，再用脈沖編碼數(shù)字信號對光源進行強度調制，其調制特性曲線如下圖所示。PoutIbID

ttI(a)OPoutIO

t(b)數(shù)字調制特性(a)加Ib后LD數(shù)字調制特性

(b)LED數(shù)字調制特性由于數(shù)字光通信的突出優(yōu)點，所以其有很好應用的前景。3.6光束掃描技術

應用目的分類：模擬式掃描：光的偏轉角是連續(xù)變化的，它能描述光束的連續(xù)位移；

主要用于各種顯示數(shù)字掃描：光的偏轉角是不連續(xù)的，在選定空間的某些特定位置上使光束的空間位置“跳變”。

主要用于光存儲

1.機械掃描

定義：利用反射鏡或棱鏡等光學元件的旋轉或振動實現(xiàn)光束掃描。機械掃描技術是目前最成熟的一種掃描方法。如果只需要改變光束的方向，即可采用機械掃描方法。

下圖所示為一簡單的機械掃描原理裝置，激光束入射到一可轉動的平面反射鏡上，當平面鏡轉動時，平面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達到光束掃描的目的。

入射光束掃描光束

反射鏡

機械掃描裝置示意圖缺點：掃描速度慢優(yōu)點：掃描角度大；受溫度影響??；光的損耗?。贿m用于各種光波長的掃描。因此，機械掃描方法在目前仍是一種常用的光束掃描方法。它不僅可以用在各種顯示技術中，而且還可用在微型圖案的激光加工裝置中。機械掃描技術是利用反射鏡或棱鏡等光學元件的旋轉或振動實現(xiàn)光束掃描。見右圖。發(fā)送端光機掃描：激光束入射到一可轉動的多棱反射鏡上，當多面鏡轉動時，多面鏡反射的激光束的方向就會發(fā)生改變，達到光束掃描的目的。接收端的光束掃描：擺動平面反射鏡，使探測器依次接收到來自不同空間方向的輻射。2.電光掃描

電光掃描是利用電光效應來改變光束在空間的傳播方向，其原理如下圖所示。L

dBAy

xBA光束的偏轉方向電光掃描原理圖

光束沿y方向入射到長度為L，厚度為d的電光晶體，如果晶體的折射率是坐標x的線性函數(shù)，即用折射率的線性變化代替，偏轉角

可根據(jù)折射定律求得

式中的負號是由坐標系引進的，即

由y轉向x為負。下圖所示的是根據(jù)這種原理作成的雙KDP楔形棱鏡掃描器。它由兩塊KDP直角棱鏡組成，棱鏡的三個邊分別沿x、y