声光调制器ppt课件.ppt

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1、1光电子技术学课件之九光电子技术学课件之九： 光束的调制和扫描（光束的调制和扫描（2） 声光调制、磁光调制和直接调制声光调制、磁光调制和直接调制 制作者：制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院：赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华王形华 2复习相关知识复习相关知识 声波在介质中传播时，使介质产生弹性形声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。这如同一个光学变化。这如同一个光学“相位光栅相位光栅”，光栅常，光栅常数等于声波长数等于声

2、波长 s s。当光波通过此介质时，会产。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。随着超声场的变化而变化。声光晶体等价于一个相位光栅声光晶体等价于一个相位光栅3 拉曼拉曼- -纳斯衍射纳斯衍射产生拉曼产生拉曼-纳斯衍射的条件：纳斯衍射的条件：当超声波频率较当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度度L较短时，在光波通过介质的时间内，折较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的

3、似看作为相对静止的“平面相位栅平面相位栅”。拉曼拉曼- -纳斯衍射的特点纳斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的入射方向对称分布的多级衍射光多级衍射光。4各级衍射的方位角为（最大值的位置）各级衍射的方位角为（最大值的位置） ：), 2, 1, 0(sinmmkkmsism各级衍射光的强度为：各级衍射光的强度为： nLLknvvJIimm2)(),(25衍射效率为：衍射效率为：)2(21sin21nLIIisPSnn321。可以实现对光强的调制改变，一级衍射光的强度将有关。改变值，与超声驱动

4、功率场作用下的弹性应变幅为声光晶体在声，是声光晶体的弹光系数ssPPSPisII16布喇格衍射布喇格衍射产生布喇格衍射条件：产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声声波频率较高，声光作用长度光作用长度L较大，光束与声波波面间以较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有一定的角度斜入射，介质具有“体光栅体光栅”的性质。的性质。 布喇格衍射的特点：布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现光将互相抵消，只出现0级和级和+1级（或级（或 1级）衍射光级）衍射光 。 7衍射效率为：衍射效率为：sisPMHLLII2212sin M M2 2为声光材料的品质因数，为声

5、光材料的品质因数，PsPs超声功率；超声功率；H H为换能器的宽度，为换能器的宽度，L L为换能器的长度。同样为换能器的长度。同样的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射的改变超声功率，也可以达到改变一级衍射光的强度。光的强度。 isII183.3 3.3 声光调制声光调制 一一. 声光调制器的工作原理声光调制器的工作原理 声光调制是利用声光效应将信息加载于光频声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。载波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号调制信号是以电信号(调辐调辐)形式作用于电形式作用于电-声声换能器上，电换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为声换能器将相应的电信号

6、转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为声光作用，使光载波受到调制而成为“携带携带”信息的强度调制波。信息的强度调制波。 91 1、拉曼、拉曼- -纳斯型声光调制器纳斯型声光调制器 调制器的工作原理如图1(a) 所示，工作声源频率低于 10MHz。只限于低频工作，带宽较小。 入射光 衍射光 调制信号图1 拉曼-纳斯型声光调制器10衍射光调制信号入射光图2 声光调制器布喇格型2 2、布喇格型声光调制器、布喇格型声光调制器 布喇格型声光调制器工作原理如图2所示。11tPsId(fm)fm(Is)0图3声光调制特性曲线 布

7、喇格声光调制特性曲线与电光强度调制布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图相似，如图3所示。由图可以看出：衍射效率所示。由图可以看出：衍射效率 s与超声功率与超声功率Ps是非线性调制曲线形式，为了是非线性调制曲线形式，为了使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使使调制波不发生畸变，则需要加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。其工作在线性较好的区域。 12sBsIML22222cos2式中的因子是考虑了布喇格角对声光作用的式中的因子是考虑了布喇格角对声光作用的影响。由此可见，若对声强加以调制，衍射影响。由此可见，若对声强加以调制，衍射光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率光强也就受到了调制

8、。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。高，且调制带宽较宽，故多被采用。 在声功率在声功率Ps(或声强或声强Is)较小的情况下，衍较小的情况下，衍射效率射效率 s随声强度随声强度Is单调地增加单调地增加(近似呈线性近似呈线性关系关系)：13二二. 调制带宽调制带宽 调制带宽调制带宽是声光调制器的一个重要参量，它是声光调制器的一个重要参量，它是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，是衡量能否无畸变地传输信息的一个重要指标，它受布喇格带宽的限制。它受布喇格带宽的限制。 对于给定入射角和波长的光波，只有一个对于给定入射角和波长的光波，只有一个确定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。确

9、定的频率和波矢的声波才能满足布拉格条件。当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有当采用有限的发散光束和声波场时，波束的有限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围限角将会扩展，因此，在一个有限的声频范围内才能产生布拉格衍射。内才能产生布拉格衍射。14 允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系为之间的关系为 ：BBssnvfcos215Dnwsi,20 设入射光束的发散角为设入射光束的发散角为i i，声波束的发散，声波束的发散角为角为，对于衍射受限制的波束，这些波束发，对于衍射受限制的波束，这些波束发散角与波长和束宽的关系分别近似为散角与波长和束宽的关系分

10、别近似为 w0：入射光束束腰半径；：入射光束束腰半径；n：为介质的折射为介质的折射率；率；D：声束宽度。：声束宽度。16)16388(页图参见教材iB00,2nwnwBi调制带宽调制带宽 Bssmwvffcos221)(017 由上述可知：声光调制器的带宽与由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿国光束的度越时间（声波穿国光束的度越时间（w0/v0）成反）成反比，即与光束的直径成反比。用宽度小比，即与光束的直径成反比。用宽度小的光束可以得到较大的带宽。但光束发的光束可以得到较大的带宽。但光束发散角不能太大，否则，散角不能太大，否则，0级和级和1级衍射会级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。有部分重叠

11、，降低调制的效果。1821)(ssmffffmf )(即最大的调制带宽即最大的调制带宽 近似等于声频率近似等于声频率fs的一的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。射才能得到。 19三三. 声光调制器的衍射效率声光调制器的衍射效率声光调制器的另一重要参量是衍射效率。，要得到100的调制所需要的声强度为 22222cosLMIBs所需的声功率所需的声功率 LHMHLIPBss2222cos20 可见，声光材料的品质因数可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获越大，欲获得得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而的衍射效率所需要的声功率越小。而

12、且电声换能器的截面应做得长（且电声换能器的截面应做得长（L大）而窄大）而窄（H小）。小）。 HPMffsBscos22321022271)(MnvvPnMssf0：声中心频率，：声中心频率， 为表征声光为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。材料的调制带宽特性的品质因数。M M1 1值越大，值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。21四四. 声束和光束的匹配声束和光束的匹配 为了充分利用声能和光能，认为声光调制器比较合理的情况是工作于声束和光束的发散角比 ，)()(声束发散角光束发散角i1对于声光调制器，为了提高衍射光的消光比，希望衍射光尽量

13、与0级光分开，要求衍射光中心和0级光中心之间的夹角大于 ，即大于 。 由于衍射光和0级光之间的夹角（即偏转角）等于 2。ssvf /0/8d时性能最好。5 . 122可分离条件为可分离条件为 :55. 2880dvfssd0：为高斯光束腰部直径，为高斯光束腰部直径，为声束穿越光束为声束穿越光束的度越时间。的度越时间。sssfvvd55.2023五五. 声束和光束的匹配声束和光束的匹配 声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图声光布喇格衍射型波导调制器结构示意图如图如图4所示。相对于声波波前以所示。相对于声波波前以 B 入射的波导入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成光波穿过输出棱镜时，得到

14、与入射光束成2 B 角的角的1级衍射光。其光强为级衍射光。其光强为BVIIIiisin2sin21 ：在电场作用下导波光通过长度为：在电场作用下导波光通过长度为L距离的距离的相位延迟；相位延迟；B是一比例系数，它取决于波导的是一比例系数，它取决于波导的有效折射率有效折射率neff等因素。等因素。 24上式表明，衍射光强上式表明，衍射光强I I1 1随电压随电压V V的变化而变化，的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。从而可实现对波导光的调制。 idks入射光衍射光L声表面波电声换能器波导层y切割LiNbO3衬底图4 声光波喇格波导调制器253.4 3.4 磁光调制磁光调制 磁光调制主要是应用

15、法拉第旋转效应，使磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转时，其偏振方向发生旋转 ：VHL式中式中V为韦尔德系数，为韦尔德系数，H 为沿光束传播方向为沿光束传播方向的磁场强度，的磁场强度，L为光在介质中的传播长度。为光在介质中的传播长度。26一一. . 磁光体调制器磁光体调制器 磁光体调制器的组成如图磁光体调制器的组成如图1所示。为了获所示。为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。，其强度足以使晶体饱和磁化

16、。 z zHdc45入射光起偏器调制信号检偏器 YIG棒图图1 磁光调制示意图磁光调制示意图YIG:钇铁石榴石钇铁石榴石27 工作时，高频信号电流通过线圈就会感工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度偏振面发生旋转，旋转角正比于磁场强度H。 00sinLHtHdcHs s：是单位长度饱和法拉第旋转角；：是单位长度饱和法拉第旋转角； 是是调制磁场。如果再通过检偏器，就可以获得一调制磁场。如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化

17、的调制光。定强度变化的调制光。 tHHsin028二二. 磁光波导调制器磁光波导调制器 以磁光波导模式转换调制器为例讨论磁光波导以磁光波导模式转换调制器为例讨论磁光波导调制器的原理。调制器的原理。 图图2所示为磁光波导模式转换调制器的结构，圆所示为磁光波导模式转换调制器的结构，圆盘形的钆镓石榴石（盘形的钆镓石榴石（Gd3Ga5O12-GGG）衬底上，外）衬底上，外延生长掺延生长掺Ga、Se的钇铁石榴石（的钇铁石榴石（YIG）磁性膜作为波）磁性膜作为波导层。导层。 TMTETM x zy图图2 磁光波导模式转换调制器磁光波导模式转换调制器29 在磁性膜表面用光刻方法制作一条金属蛇形线路，当电流通

18、过蛇形线路时，蛇形线路中某一条通道中的电流沿y方向，则相邻通道中的电流沿y方向，该电流可产生z、z方向交替变化的磁场，磁性薄膜内便可出现沿z、z方向交替饱和磁化。蛇形磁场变化的周期为：2T ：TE模和模和TM模传播常数之差。模传播常数之差。 30 磁光波导调制器磁光波导调制器 可将输入可将输入TM模的模的（ =1.52 m）52%的功率转换到的功率转换到TE模模上去。磁光波导模式转换调制器的输上去。磁光波导模式转换调制器的输出耦合器一般使用具有高双折射的金出耦合器一般使用具有高双折射的金红石棱镜，使输出的红石棱镜，使输出的TE和和TM模分成模分成两条光束。两条光束。 313.5 直接调制直接调

19、制 直接调制是把要传递的信息转变为电直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管或半导体发光二极管LED），从而），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。进行的，因此又称为内调制。 根据调制信号的类型，直接调制又根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。可以分为模拟调制和数字调制两种。 32一一.半导体激光器（半导体激光器（LD）直接调制的原理）直接调制的原理 图图3为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光

20、功率与驱动电流的关系曲线。的输出光功率与驱动电流的关系曲线。1050 50 100 It 150 200驱动电流(mA)输出功率(mW)图图3半导体激光器的输出特性半导体激光器的输出特性3310080604020850 950 1050 波长(m)相对辐射强度(%)高于阈值高于阈值低于阈值低于阈值图图4 半导体激光器的光谱特性半导体激光器的光谱特性图图4所示半导体激光器的光谱特性。所示半导体激光器的光谱特性。 34 图图5所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率与调所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出制信号的关系曲线。为了获得线性

21、调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。，这样就可以使输出的光信号不失真。 输出功率直流偏置直流偏置调制信号调制信号输出光强信号输出光强信号ttt(b)CLLD调制信号调制信号直流偏置直流偏置(a)图图5半导体激光器调制半导体激光器调制 (a) 电原理图；电原理图；(b) 调制特性曲线调制特性曲线35 半导体激光器处于连续调制工作半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调制信号，由于有状态时，无论有无调制信号，由于有直流偏置，所以功耗较大，甚至

22、引起直流偏置，所以功耗较大，甚至引起温升，会影响或破坏器件的正常工作。温升，会影响或破坏器件的正常工作。 36二、二、半导体发光二极管半导体发光二极管（LED）的调制特性）的调制特性 半导体发光二极管由于不是阈值器件，它半导体发光二极管由于不是阈值器件，它的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入的输出光功率不像半导体激光器那样会随注入电流的变化而发生突变，因此，电流的变化而发生突变，因此，LED的的PI特特性曲线的线性比较好。图性曲线的线性比较好。图6示出了示出了LED与与LD的的PI特性曲线的比较。特性曲线的比较。 37LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pout(mW)1

23、614121086420 100 200 300 400图6 LED与LD 的Pout-I曲线比较38三三.半导体光源的模拟调制半导体光源的模拟调制 无论是使用无论是使用 LD或或LED作光源，都要施加偏置电流作光源，都要施加偏置电流Ib，使其工作点处于使其工作点处于LD或或LED的的PI特性曲线的直线段，特性曲线的直线段，如图如图7所示。其调制线性好坏与调制深度所示。其调制线性好坏与调制深度m有关：有关： L EDUb+EcIc已调光波(a)PoutItIco(b)图图7 模拟信号驱动电路激光强度调制模拟信号驱动电路激光强度调制 (a) 驱动电路；驱动电路；(b) LED工作特性工作特性39

24、偏置电流调制电流幅度阈值电流偏置电流调制电流幅度mm:LED:LD40四四.半导体光源的脉冲编码数字调半导体光源的脉冲编码数字调制制 数字调制是用二进制数字信号数字调制是用二进制数字信号“1”和和“0”码对光源发出的光波进行调制。而数字信号大码对光源发出的光波进行调制。而数字信号大都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号都采用脉冲编码调制，即先将连续的模拟信号通过通过“抽样抽样”变成一组调幅的脉冲序列，再经变成一组调幅的脉冲序列，再经过过“量化量化”和和“编码编码”过程，形成一组等幅度、过程，形成一组等幅度、等宽度的矩形脉冲作为等宽度的矩形脉冲作为“码元码元”，结果将连续，结果将连续的模拟信号

25、变成了脉冲编码数字信号。然后，的模拟信号变成了脉冲编码数字信号。然后，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，再用脉冲编码数字信号对光源进行强度调制，其调制特性曲线如图其调制特性曲线如图8所示。所示。 41PoutIbID ttI(a)OPoutIO t(b)图8 数字调制特性 (a) 加Ib后LD数字调制特性 (b) LED数字调制特性42 由于数字光通信的突出优点，所以其有很由于数字光通信的突出优点，所以其有很好应用的前景。首先因为数字光信号在信道上好应用的前景。首先因为数字光信号在信道上传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中传输过程中引进的噪声和失真，可采用间接中继器的方式去掉，故抗干扰能力强；其次对数继器的方式去掉，故抗干扰能力强；其次对数字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用字光纤通信系统的线性要求不高，可充分利用光源（光源（LD）的发光功率；第三数字光通信设）的发光功率；第三数字光通信设备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩备便于和脉冲编码电话终端、脉冲编码数字彩色电视终端、电子计算机终端相连接，从而组色电视终端、电子计算机终端相连接，从而组成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机成既能传输电话、彩色电视，又能传输计算机数据的多媒体综合通信系统。数据的多媒体综合通信系统。