第五章 光調(diào)制技術(shù)-光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載及控制 A 2013.11.8

第五章光調(diào)制技術(shù)----光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制5.1晶體光學(xué)基礎(chǔ)5.2光在晶體中的傳播5.3電光調(diào)制5.4聲光調(diào)制5.5磁光調(diào)制1序言

23

在無線通信中，需要傳送的由語言、音樂轉(zhuǎn)換來的屬于低頻的電信號(hào)，其頻率范圍從幾十赫到數(shù)千赫，不能直接從天線輻射出去；必須借助于高頻振蕩，由它將低頻信號(hào)“攜帶”到空間去，這就是所謂的“調(diào)制”方式。4為什么低頻信號(hào)不能直接從天線上輻射出去呢？電磁波的頻率越高，向外輻射能量的本領(lǐng)就越大；只有電磁波的頻率足夠高，即波長(zhǎng)足夠短，短到與天線的尺寸可以相比擬時(shí)，才會(huì)有足夠強(qiáng)的電磁能量輻射出去(?)。5上述的低頻信號(hào)，所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)從十幾公里到幾千公里，要制造如此龐大的天線，是不可能的；即使有可能把這種低頻信號(hào)發(fā)射出去，各個(gè)發(fā)射臺(tái)所發(fā)送的將是同樣的頻率范圍，互相干擾使接收機(jī)無法選擇所需的信號(hào)；低頻信號(hào)內(nèi)在的原因6低頻信號(hào)內(nèi)在的原因（續(xù)）由于發(fā)送端和接收端都采用天線調(diào)諧回路，只有當(dāng)天線回路的固有頻率與信號(hào)頻率相同，即“諧振”時(shí)，才能有效地發(fā)送與接收；上述的低頻信號(hào)頻率變化范圍較大，因此，要隨著頻率的變化而不斷地改變天線的長(zhǎng)短及振蕩回路的參數(shù)，實(shí)際上是不可能的。7

光輻射的控制，就是用信息信號(hào)對(duì)激光輻射進(jìn)行作用(調(diào)制)。與電子學(xué)中電子、電子束和空穴之類的帶電粒子不同，在電性能方面呈中性的光子不能用電場(chǎng)或磁場(chǎng)來直接控制。要想控制不帶電粒子的光子，就必須摒棄對(duì)帶電粒子進(jìn)行控制的概念，而采用新的控制原理與方法。78與無線電通信技術(shù)中利用無線電波作為傳遞語言、圖象信息的載波相似，激光也可以用來作為傳遞信息的載波。由于激光光束的發(fā)散角小(方向性好)，所以用激光傳遞信息具有保密性好，抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，激光可以用來作為傳遞信息的載體，是傳遞信息的理想光源。89

用光波傳遞信息的特點(diǎn)（帶寬、保密、抗干擾）調(diào)制的方法概述：①用電信號(hào)調(diào)制光源的驅(qū)動(dòng)電源；②直接對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制前者主要用于光通訊，后者主要用于控制激光器的工作狀態(tài)。主要介紹后一種方法。調(diào)制的基本概念光調(diào)制的意義所謂“調(diào)制”，是按著人類應(yīng)用的需求（以信息的形式出現(xiàn)）對(duì)光波進(jìn)行“調(diào)節(jié)”與“控制”，從而將信息加載到光波上去。激光調(diào)制就是把激光作為載波攜帶低頻信號(hào)，本質(zhì)上是無線電波向光頻段的拓展。調(diào)制的基本概念激光是一種頻率更高的電磁波，它具有很好相干性，因而象以往電磁波（收音機(jī)、電視等）一樣可以用來作為傳遞信息的載波。由激光“攜帶”的信息(包括語言、文字、圖像、符號(hào)等)通過一定的傳輸通道(大氣、光纖等)送到接收器，再由光接收器鑒別并還原成原來的信息。這種將信息加載于激光的過程稱之為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中激光稱為載波；起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號(hào)。11解調(diào)：調(diào)制的反過程，即把調(diào)制信號(hào)還原成原來的信息。1213激光光波的電場(chǎng)強(qiáng)度是：

式中，，。根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對(duì)關(guān)系，可以分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制：是指加載調(diào)制信號(hào)是在激光振蕩過程中進(jìn)行的，即以調(diào)制信號(hào)去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光輸出特性以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。14例如，注入式半導(dǎo)體激光器，是用調(diào)制信號(hào)直接改變它的泵浦驅(qū)動(dòng)電流，使輸出的激光強(qiáng)度受到調(diào)制(也稱直接調(diào)制)。還有一種內(nèi)調(diào)制方式是在激光諧振腔內(nèi)放置調(diào)制元件，用調(diào)制信號(hào)控制元件的物理特性的變化，以改變諧振腔的參數(shù)，從而改變激光器輸出特性，以后介紹的調(diào)Q技術(shù)實(shí)際上就是屬于這種調(diào)制。1516外調(diào)制：是指激光形成之后，在激光器外的光路上放置調(diào)制器，用調(diào)制信號(hào)改變調(diào)制器的物理特性，當(dāng)激光通過調(diào)制器時(shí)，就會(huì)使光波的某參量受到調(diào)制。外調(diào)制方便，外調(diào)制方式不受激光器件工作速率的限制，比內(nèi)調(diào)的調(diào)制速率高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，調(diào)制帶寬要寬得多，故倍受重視。

17內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制18信號(hào)調(diào)制方式與分類正弦波一般可表示為（4-1）正弦波都有三個(gè)參數(shù)：幅度、頻率和相位所謂調(diào)制，就是將調(diào)制信號(hào)加載在三個(gè)參數(shù)中的某一個(gè)參數(shù)上，或幅值、或頻率、或相位隨調(diào)制信號(hào)大小成線性變化的過程19

信號(hào)調(diào)制方式與分類

有三種基本調(diào)制方法一種是把調(diào)制信號(hào)加載在載波信號(hào)的幅值上，稱為幅度調(diào)制，簡(jiǎn)稱AM（AmplitudeModulation）第二種是把調(diào)制信號(hào)裝載在載波的頻率上，稱為頻率調(diào)制，簡(jiǎn)稱FM（FrequencyModulation）第三種是把調(diào)制信號(hào)裝載在載波的相位上，稱為相位調(diào)制，簡(jiǎn)稱PM（PhaseModulation）20光調(diào)制通過改變光波的振幅、強(qiáng)度、相位、頻率或偏振等參數(shù)，使傳播的光波攜帶信息的過程。功能在光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換目的對(duì)所需處理的信號(hào)或被傳輸?shù)男畔⒆髂撤N形式的變換，使之便于理解、傳輸和檢測(cè)光調(diào)制器：利用光和物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的效應(yīng)來控制光波的強(qiáng)度或相位的器件

21二、光調(diào)制分類調(diào)制位置調(diào)制光波的參量?jī)?nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)外調(diào)制(間接調(diào)制)電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制振幅調(diào)制相位調(diào)制物理效應(yīng)調(diào)制形式模擬調(diào)制數(shù)字調(diào)制脈沖調(diào)制221875年，英國(guó)的Kerr發(fā)現(xiàn)了電光效應(yīng)中的Kerr效應(yīng)，利用這一效應(yīng)制作的Kerr盒是一種用途廣泛的電光調(diào)制器；利用KDP晶體(單軸)在電場(chǎng)作用下的雙折射效應(yīng)也可以制作電光調(diào)制器；利用Pokels效應(yīng)也可以制作電光調(diào)制器；利用超聲波作用下介質(zhì)折射率周期性變化的聲光效應(yīng)可以制作聲光調(diào)制器；利用法拉第效應(yīng)可以制作磁光調(diào)制器與光隔離器。利用強(qiáng)磁場(chǎng)中激光的Zeeman效應(yīng)可以進(jìn)行超細(xì)光譜分析與激光穩(wěn)頻。235.1晶體光學(xué)基礎(chǔ)

空間點(diǎn)陣學(xué)說與空間群理論結(jié)合，形成了近代關(guān)于晶體幾何結(jié)構(gòu)的完備理論。5.1.1晶體結(jié)構(gòu)與基本概念晶體組成物質(zhì)的微粒（原子、分子或離子）或微粒群在空間按照一定的規(guī)則周期性排列形成的一種晶態(tài)固體。基元構(gòu)成晶體的無限重復(fù)的微?；蛄Ｗ尤海蔷w的基本結(jié)構(gòu)單元，稱為基元。24點(diǎn)陣與結(jié)構(gòu)基元1一維圖案與直線點(diǎn)陣a點(diǎn)陣點(diǎn)聚乙烯25a點(diǎn)陣點(diǎn)Tm=ma(m=0，±1，…±∞)

經(jīng)過平移基矢ma的平移操作，點(diǎn)陣點(diǎn)可以完全不可分辨，因此點(diǎn)陣具有平移對(duì)稱性點(diǎn)陣點(diǎn)所代表的具體物質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)容稱為結(jié)構(gòu)基元（structuralmotil)晶體中規(guī)則排列的微粒抽象為幾何學(xué)中的點(diǎn)稱為點(diǎn)陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)點(diǎn)陣直線262二維圖案與平面點(diǎn)陣石墨27晶格點(diǎn)陣：基元用結(jié)點(diǎn)代替，則晶體可看成一些相同結(jié)點(diǎn)在空間有規(guī)則周期性無限分布形成的集合，稱點(diǎn)陣。晶格通過點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)可以做許多平行的直線簇和平行的平面簇，構(gòu)成一種格子結(jié)構(gòu)，稱為晶格，格點(diǎn)晶格中的結(jié)點(diǎn)就成為晶格中格點(diǎn)。28晶胞晶格中以一個(gè)格點(diǎn)為頂點(diǎn)、其上發(fā)出的三個(gè)基本平移矢量a、b、c為三個(gè)相鄰棱邊，形成一個(gè)平行六面體——晶體的基本重復(fù)單元：晶體學(xué)原胞，簡(jiǎn)稱晶胞平移矢量代表晶胞棱邊的長(zhǎng)與取向，晶棱長(zhǎng)即平移矢量應(yīng)為該取向上的最小重復(fù)長(zhǎng)度，稱為晶胞的周期。選擇原則所選擇的平行六面體應(yīng)該能夠反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性，以及平行六面體的對(duì)稱性應(yīng)與空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性一致。平行六面體上棱與棱之間的直角關(guān)系應(yīng)力求最多。平行六面體的體積應(yīng)最小c(z)b(y)a(x)1ki29晶胞常數(shù)用來描述晶體學(xué)原胞的三個(gè)棱長(zhǎng)a0、b0、c0以及它們之間的夾角、、這六個(gè)參數(shù)晶格常數(shù)與晶軸a0、b0、c0稱為晶體原胞的晶格常數(shù)，其方向代表晶軸方向。c(z)b(y)a(x)1ki30晶面

晶體點(diǎn)陣可從各個(gè)方向劃分成許多組平行且等距離的平行點(diǎn)陣，這些平行點(diǎn)陣所處的平面稱為晶面，晶面方向由密勒指數(shù)（hkl）標(biāo)記，h、k、l是互質(zhì)的整數(shù)，其比有關(guān)系：其中，、、為晶面與晶軸相交的截距。3132

通常用密勒指數(shù)來標(biāo)記不同的晶面。確定密勒指數(shù)的步驟：1）選任一結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，作、、的軸線。2）求出晶面族中離原點(diǎn)最近的第一個(gè)晶面在、、軸上的截距、、。3）將、、取倒數(shù)并化為互質(zhì)整數(shù)

、、，則即為密勒指數(shù)。33例：立方晶系的幾個(gè)晶面3435(111)(201)36七大晶系、十四種布拉菲格子、三大晶族

七大晶系根據(jù)晶胞常數(shù)的特點(diǎn)，可將晶體分為七種類型（三斜、單斜正交（斜方）三方四方六方立方）布拉菲格子每一晶系由可以按照節(jié)點(diǎn)在其中的分布規(guī)律再細(xì)分成四種可能形式的晶格(原始底心面心體心)。布拉菲證明這28種形式中，只能有14種獨(dú)立的空間格子低級(jí)晶族：無高次旋轉(zhuǎn)軸的晶體中級(jí)晶族：有一個(gè)高次旋轉(zhuǎn)軸的晶體高級(jí)晶族：有一個(gè)以上高次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的晶體37七大晶系38根據(jù)點(diǎn)陣點(diǎn)在平行六面體單位中分布的數(shù)目和位置不同，可分為四種情況

初基(簡(jiǎn)單)點(diǎn)陣P

一個(gè)陣點(diǎn)

底心點(diǎn)陣C,A或B

兩個(gè)陣點(diǎn)

體心點(diǎn)陣I

兩個(gè)陣點(diǎn)(4)面心點(diǎn)陣F

四個(gè)陣點(diǎn)3940晶系原始格子（P）底心格子（C）體心格子（I）面心格子（F）三斜C=II=FF=P單斜I=FF=P正交四方C=IF=P14種Bravais格子41晶系原始格子（P）底心格子（C）體心格子（I）面心格子（F）六方與本晶系對(duì)稱不符I=FF=P菱形與本晶系對(duì)稱不符I=FF=P立方與本晶系對(duì)稱不符42配位數(shù)：晶格點(diǎn)陣中某一格點(diǎn)相鄰的格點(diǎn)數(shù)。面心立方格子配位數(shù)12，體心立方格子為14。原子致密度：晶體內(nèi)原子所占體積和晶胞總體積之比。面心立方格子致密度0.74，體心立方格子0.68。435.1.2晶體的基本性質(zhì)

自限性指晶體自發(fā)形成封閉凸幾何多面體的能力。晶面、晶棱、頂點(diǎn)間關(guān)系：晶面數(shù)+頂點(diǎn)數(shù)=晶棱數(shù)+2晶面角守恒

同一品種晶體不論其外形如何，晶面間交角總是確定的均勻性

指晶體在不同位置上具有相同的宏觀物理性質(zhì)。晶格中所有格點(diǎn)都在三維空間以原胞為單位周期性排列

——每個(gè)原胞周圍的格點(diǎn)情況均一樣——均勻性44晶面角守恒定律石英晶體的各種外形∠ab=141°47′∠bc=120°00′∠ac=113°08′晶面角守恒定律：在不同條件條件下生長(zhǎng)的同一成分的同種晶體之間，其對(duì)應(yīng)晶面間的夾角恒等。

宏觀晶體的典型外貌特征是一組面平棱直的晶面所圍成的凸多面體454、各向異性是指晶體的宏觀性質(zhì)隨觀察方向的不同而不同。這一性質(zhì)的本質(zhì)是晶體沿不同晶軸方向晶格常量不同，也就是由晶格中各個(gè)方向格點(diǎn)的排列方式不同而引起的。晶體的解理與雙折射是晶體各向異性的典型體現(xiàn)。晶體光學(xué)基礎(chǔ)5、晶體的對(duì)稱性是指晶體的幾何形態(tài)由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在著有規(guī)則的重復(fù)性，從而體現(xiàn)出的在一些不同方向上自相重合現(xiàn)象的特性。

6、最小內(nèi)能性：在相同的熱力學(xué)條件下，晶體的內(nèi)能是最小的。光調(diào)制中最為關(guān)心的是晶體的各向異性和對(duì)稱性晶體光學(xué)基礎(chǔ)5、晶體的對(duì)稱性是指晶體的幾何形態(tài)由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在著有規(guī)則的重復(fù)性，從而體現(xiàn)出的在一些不同方向上自相重合現(xiàn)象的特性。

6、最小內(nèi)能性：在相同的熱力學(xué)條件下，晶體的內(nèi)能是最小的。光調(diào)制中最為