光电子技术基础07.ppt

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1、Chapter 3 光调制技术光调制技术1.光束调制原理光束调制原理2.晶体光学基础晶体光学基础3.光在晶体中的传播光在晶体中的传播4.电光调制电光调制5.声光调制声光调制6.磁光调制磁光调制第一页，编辑于星期六：十六点 三十分。第二页，编辑于星期六：十六点 三十分。n光通信的优点n激光的调制：振幅，波长（频率），相位，方向等n内调制和外调制n外调制器：体调制器，波导调制器n光的传播与调制场作用晶体第三页，编辑于星期六：十六点 三十分。3.1 光束调制原理光束调制原理 由激光由激光“携带携带”的信息的信息(包括语言、文字、图像、符号等包括语言、文字、图像、符号等)通过一通过一定的传输通道定的传

2、输通道(大气、光纤等大气、光纤等)送到接收器，再由光接收器鉴别并还送到接收器，再由光接收器鉴别并还原成原来的信息。原成原来的信息。这种将信息加载于激光的过程称之为调制这种将信息加载于激光的过程称之为调制。完成这一过程的装置称为完成这一过程的装置称为调制器调制器(Modulator）。其中激光称为）。其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。激光激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来作为传递信息

3、的载波。的载波。第四页，编辑于星期六：十六点 三十分。解调（解调（demodulate)：调制的反过程，把调制信号还原成原：调制的反过程，把调制信号还原成原来的信息。来的信息。电视传像的基本过程电视传像的基本过程第五页，编辑于星期六：十六点 三十分。根据调制器和激光器的相对关系，可以分为根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内调制和外调制内调制和外调制例如：光发调制（内调制）激光光波的电场强度是：激光光波的电场强度是：内调制内调制：是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即是指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特以调制信号去改变激光器的

4、振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制性以实现调制。第六页，编辑于星期六：十六点 三十分。外外调调制制：是是指指激激光光形形成成之之后后，在在激激光光器器外外的的光光路路上上放放置置调调制制器器，用用调调制制信信号号改改变变调调制制器器的的物物理理特特性性，当当激激光光通通过过调调制制器器时时，就会使光波的某参量受到调制。就会使光波的某参量受到调制。例如：视频信号传输调制过程外外调调制制方方便便，且且比比内内调调的的调调制制速速率率高高（约约一一个个数数量量级级），调制带宽要宽得多，故倍受重视。调制带宽要宽得多，故倍受重视。激光调制按其调制的性质可以分为激光调制按其调制的性质可以分为调幅、调

5、频、调相及调强等调幅、调频、调相及调强等。第七页，编辑于星期六：十六点 三十分。Am 和和 m 分别是调制信号的分别是调制信号的振幅振幅和和角频率角频率.振振幅幅调调制制就就是是载载波波的的振振幅幅随随着着调调制制信信号号的的规规律律而而变变化化的的振振荡荡，简简称调幅称调幅。设激光载波的电场强度如：设激光载波的电场强度如：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：3.1.13.1.1振幅调制振幅调制 当进行激光振幅调制时，上式中的激光振幅当进行激光振幅调制时，上式中的激光振幅 Ac 不再是常量，而不再是常量，而是与是与调制信号成正比调制信号成正比。例如：调幅

6、波的调制过程第八页，编辑于星期六：十六点 三十分。其调幅波的表达式为：其调幅波的表达式为：利用三角公式：利用三角公式：得：得：(3.1-3)(3.1-4)称为调幅系数。称为调幅系数。第九页，编辑于星期六：十六点 三十分。调调幅幅波波频频谱谱调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。第一项是第一项是载频分量载频分量；第二、三项是因调制而产生的新分量，称为第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量边频分量。第十页，编辑于星期六：十六点 三十分。调调频频或或调调相相就就是是光光载载波波的的频频率率或或相相位位随随着着调调制制信信号号的的变变化化规规律律而而改改变变的

7、的振振荡荡。因因为为这这两两种种调调制制波波都都表表现现为为总总相相角角 (t)的的变变化化，因因此此统称为统称为角度调制角度调制。c 不再是常数，而是随调制信号而变化，即：不再是常数，而是随调制信号而变化，即：、对于调频而言，就是、对于调频而言，就是(3.1-1)式式3.1.2 3.1.2 频率调制和相位调制频率调制和相位调制调频和调相调频和调相例如：光纤通信中相位调制第十一页，编辑于星期六：十六点 三十分。若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：若调制信号是余弦函数，则调频波总相角为：其中其中 称为调频系数，称为调频系数，kf 称为比例系数。称为比例系数。则调制波的表达式为：则调制波的表达

8、式为：第十二页，编辑于星期六：十六点 三十分。式中，式中，称为调相系数。称为调相系数。(3.1.8)则调相波的表达式为：则调相波的表达式为：(3.1.9)、对于调相而言，、对于调相而言，不再是常数不再是常数，而是随调制信号而变化，即：，而是随调制信号而变化，即：第十三页，编辑于星期六：十六点 三十分。由由于于调调频频和和调调相相实实质质上上最最终终都都是是调调制制总总相相角角，因因此此可可写写成成统统一一的的形式形式 利用利用（3.1.10）(3.1.11)三角公式展开三角公式展开(3.1-10)式，得：式，得：第十四页，编辑于星期六：十六点 三十分。将式中将式中知知道道了了调调制制系系数数m

9、，就就可可从从贝贝塞塞尔尔函函数数表表查查得得各各阶阶贝贝塞塞尔尔函函数数的值。的值。两项按贝塞尔函数展开：两项按贝塞尔函数展开：第十五页，编辑于星期六：十六点 三十分。将以上两式代入将以上两式代入(3.1-11)式利用三角函数关系式：式利用三角函数关系式：(3.1.12)可得：可得：第十六页，编辑于星期六：十六点 三十分。可可见见，在在单单频频正正弦弦波波调调制制时时，其其角角度度调调制制波波的的频频谱谱是是由由光光载载频频与与在在它它两两边边对对称称分分布布的的无无穷穷多多对对边边频频所所组组成成的的。各各边边频频之之间间的的频率间隔是频率间隔是 ,各边频幅度的大小各边频幅度的大小 由贝塞

10、尔函数决定。由贝塞尔函数决定。第十七页，编辑于星期六：十六点 三十分。0.770.440.110.02角度调制波的频谱图角度调制波的频谱图 例题：如下图是例题：如下图是m=1时的角度调制波的频谱。时的角度调制波的频谱。若若调调制制信信号号不不是是单单频频正正弦弦波波,则则其其频频谱谱将将更更加加复复杂杂。另另外外，当当角角度度调调制制系系数数较较小小（即即m1）时时，其其频频谱谱与与调调幅幅波波有有着着相相同同的的形形式。式。第十八页，编辑于星期六：十六点 三十分。强度调制是光载波的强度强度调制是光载波的强度(光强光强)随调制信号规律而变化的随调制信号规律而变化的激光振荡激光振荡。激光调制通常

11、多采用强度调制形式，这是因为接收器激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为激光的光强度定义为光波电场的平方，其表达式为(光波电场光波电场强度有效值的平方强度有效值的平方):3.1-33.1-3强度调制强度调制线性调制第十九页，编辑于星期六：十六点 三十分。将其代入上式将其代入上式,并令并令 于是，强度调制的光强表达式可写为于是，强度调制的光强表达式可写为:(3.1.14)比例系数比例系数设调制信号是单频余弦波设调制信号是单频余弦波光强调制

12、波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与光强调制波的频谱可用前面所述类似的方法求得，但其结果与调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两调幅波的频谱略有不同，其频谱分布除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频边频之外，还有低频 和直流分量。和直流分量。(3.1.15)(称为强度调制系数称为强度调制系数)则则第二十页，编辑于星期六：十六点 三十分。I(t)t调制信号载波 强度调制第二十一页，编辑于星期六：十六点 三十分。3.1-43.1-4脉冲调制脉冲调制 以以上上几几种种调调制制形形式式所所得得到到的的调调制制波波都都是是一一种种连连续续振振荡荡的的波波,称称为为模模拟拟式式

13、调调制制。另另外外,在在目目前前的的光光通通信信中中还还广广泛泛采采用用一一种种在在不不连连续续状状态态下下进进行行调调制制的的脉脉冲冲调调制制和和数数字字式式调调制制(也也称称为为脉脉冲冲编编码码调调制制)。它它们们一一般般是是先先进进行行电电调调制制（模模拟拟脉脉冲冲调调制制或或数数字字脉脉冲冲调调制制）,再对光载波进行光强度调制。再对光载波进行光强度调制。第二十二页，编辑于星期六：十六点 三十分。脉脉冲冲调调制制是是用用一一种种间间歇歇的的周周期期性性脉脉冲冲序序列列作作为为载载波波，这这种种载载波波的的某某一一参参量量按按调调制制信信号号规规律变化的调制方法。律变化的调制方法。先先用用

14、模模拟拟调调制制信信号号对对一一电电脉脉冲冲序序列列的的某某参参量量(幅幅度度、宽宽度度、频频率率、位位置置等等)进进行行电电调调制制，使使之之按按调调制制信信号号规规律律变变化化，成成为为已已调调脉脉冲冲序序列列，再再用用已已调调电电脉脉冲冲序序列列对对光光载载波波进进行行强强度度调调制制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。就可以得到相应变化的光脉冲序列。周期脉冲序列载波周期脉冲序列载波线性矩形调制第二十三页，编辑于星期六：十六点 三十分。矩形调制矩形调制调制器及波形调制器及波形(a)(a)调制信号调制信号(b)(b)脉冲幅度调制脉冲幅度调制(c)(c)脉冲宽度调制脉冲宽度调制(d)(d)脉冲

15、频率调制脉冲频率调制(e)(e)脉冲位置调制脉冲位置调制图图3 3 脉冲调制形式脉冲调制形式第二十四页，编辑于星期六：十六点 三十分。数字式调制数字式调制(脉冲编码调制脉冲编码调制):抽样、量化和编码。抽样、量化和编码。每隔每隔1ms抽样一次抽样一次 这这儿儿使使用用的的是是3位位数数字字二二进进制制，实实际际上上需需要要用用8位位或或更更多多位位的的二二进进制制数数来来表表示示，以以提提高高取取样样值值的的量化精度。量化精度。利用模利用模/数转换：数转换：t=0 4V100t=1ms 6V 110t=2ms 3V 011t=3ms 1V 001t=4ms 4V 100图图8 数字调制数字调制

16、 100(4)011(3)001(1)100(4)1 1111数数字字信信号号电电压压/V(b)1100000 000110(6)0 1 2 3 4 t/ms 模模拟拟信信号号电电压压/V 8 6 4 2t/ms(a)0 1 2 3 4 t/ms 第二十五页，编辑于星期六：十六点 三十分。3.2 3.2 晶体光学基础晶体光学基础n晶体材料：激光晶体、半导体晶体、非线性晶体材料：激光晶体、半导体晶体、非线性光学晶体、调制晶体（电光晶体、磁光晶光学晶体、调制晶体（电光晶体、磁光晶体、弹光晶体、声光晶体）。体、弹光晶体、声光晶体）。n晶体是原子晶体是原子(包括离子，原子团包括离子，原子团)在在三维空

17、间三维空间中周期性排列形成中周期性排列形成的固体物质的固体物质。第二十六页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶格第二十七页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶体点阵与晶体对称性晶体点阵与晶体对称性n在每个重复周期都选取一个代表点，就可以用三维空间点阵来描述晶体的平移对称性。而平移对称性是晶体最为基本的对称性平移对称性是晶体最为基本的对称性。整个点阵沿平移矢量 t=ua+vb+wc (u、v，w为任意整数)平移，得到的新空间点阵与平移前一样，称沿矢量沿矢量t t的平移为的平移为平移平移对称操作对称操作。第二十八页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶体点阵与晶体对称性晶体点阵与晶体对称性n点阵是一组无限

18、的点，连接其中任意两点可以得到一个矢点阵是一组无限的点，连接其中任意两点可以得到一个矢量，点阵按此矢量平移后都能复原。三维空间点阵是在三量，点阵按此矢量平移后都能复原。三维空间点阵是在三维空间中点的无限阵列，其中所有的点都有相同的环境。维空间中点的无限阵列，其中所有的点都有相同的环境。选任意一个阵点作为原点，三个不共面的矢量选任意一个阵点作为原点，三个不共面的矢量a a，bb和和c c作为作为坐标轴的基矢，这三个矢量得以确定一个平行六面体如下：坐标轴的基矢，这三个矢量得以确定一个平行六面体如下：此平行六面体称为晶胞。此平行六面体称为晶胞。第二十九页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶胞晶胞n如上

19、确定的六面体称为晶胞，由矢量如上确定的六面体称为晶胞，由矢量a，b和和c确定的方向称为晶确定的方向称为晶体学的晶轴体学的晶轴 X，Y，Z。n晶胞的大小和形状可以用晶胞参数来表示，即用晶胞的三个边的晶胞的大小和形状可以用晶胞参数来表示，即用晶胞的三个边的长度长度a，b，c三个边之间的夹角三个边之间的夹角a a，b b，g g表示。表示。n晶胞包含描述晶体结构所需的最基本结构信息。如果知道了晶胞包含描述晶体结构所需的最基本结构信息。如果知道了晶胞中全部原子的坐标，就有了晶体结构的全部信息。晶胞中全部原子的坐标，就有了晶体结构的全部信息。第三十页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶胞的选取晶胞的选取n

20、晶胞的选取可以有多种方式，但在实际确定晶胞时，要尽晶胞的选取可以有多种方式，但在实际确定晶胞时，要尽可能选取对称性高的初基单胞，还要兼顾尽可能反映晶体可能选取对称性高的初基单胞，还要兼顾尽可能反映晶体内部结构的对称性，所以有时使用对称性较高的非初基胞内部结构的对称性，所以有时使用对称性较高的非初基胞-惯用晶胞。惯用晶胞。（1 1）符合整个空间点阵的对称性。）符合整个空间点阵的对称性。（2 2）晶轴之间相交成的直角最多。）晶轴之间相交成的直角最多。（3 3）体积最小。）体积最小。（4 4）晶轴交角不为直角时，选最短的晶轴，且交角接近直角。）晶轴交角不为直角时，选最短的晶轴，且交角接近直角。第三十

21、一页，编辑于星期六：十六点 三十分。点阵、结构点阵、结构和单胞和单胞1.1.点阵：点阵：晶体的周期性，忽略填充空间的实际结构晶体的周期性，忽略填充空间的实际结构(分子分子)。2.2.点阵矢量：点阵矢量：由点阵矢量移动晶体到一个等效位置的平移。由点阵矢量移动晶体到一个等效位置的平移。3.3.初基点阵矢量：初基点阵矢量：可选择的最小点阵矢量。可选择的最小点阵矢量。4.4.初基晶胞初基晶胞：初基点阵矢量定义的平行六面体，仅包含一个初基点阵矢量定义的平行六面体，仅包含一个点阵点。点阵点。5.5.晶体结构：晶体结构：原子在晶体中的周期性排列。原子在晶体中的周期性排列。它可以通过在每点阵它可以通过在每点阵

22、点安放一个称为基元（或型主）的一组原子来描述。点安放一个称为基元（或型主）的一组原子来描述。第三十二页，编辑于星期六：十六点 三十分。三维晶胞的原子计数n在晶胞不同位置的原子由不同数目的晶胞分享：1.顶角原子顶角原子 1/82.棱上原子棱上原子 1/43.面上原子面上原子 1/24.晶胞内部晶胞内部 1第三十三页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶体学中的对称操作元素晶体学中的对称操作元素 n分子和晶体都是对称图像，是由若干个相等的部分或单元分子和晶体都是对称图像，是由若干个相等的部分或单元按照一定的方式组成的。对称图像是一个能经过不改变其按照一定的方式组成的。对称图像是一个能经过不改变其中任何

23、两点间距离的操作后复原的图像。这样的操作称为中任何两点间距离的操作后复原的图像。这样的操作称为对称操作。对称操作。n在操作中保持空间中至少一个点不动的对称操作称为在操作中保持空间中至少一个点不动的对称操作称为点对点对称操作称操作，如简单旋转和镜像转动，如简单旋转和镜像转动(反映和倒反反映和倒反)是是点式操作点式操作;使使空间中所有点都运动的对称操作称为空间中所有点都运动的对称操作称为非点式操作非点式操作，如平移，如平移，螺旋转动和滑移反映。螺旋转动和滑移反映。第三十四页，编辑于星期六：十六点 三十分。对称操作和对称元素对称操作和对称元素n对称操作：对称操作：一个物体运动或变换，使得变换后的物体

24、与变换一个物体运动或变换，使得变换后的物体与变换前不可区分（复原，重合）。前不可区分（复原，重合）。n对称元素：在对称操作中保持不变的几何图型：点、轴或面。对称元素：在对称操作中保持不变的几何图型：点、轴或面。第三十五页，编辑于星期六：十六点 三十分。对晶体实行某种适当的操作，晶体保持不变对晶体实行某种适当的操作，晶体保持不变n恒等操作（恒等操作（E）：绕任何轴旋转）：绕任何轴旋转0或或2 角度角度nn次旋转（次旋转（Cn）：绕某轴转）：绕某轴转n次后回到原位次后回到原位如：某晶体，绕某周转如：某晶体，绕某周转120120后与原来重合，可转三次，该轴后与原来重合，可转三次，该轴称为称为3 3次

25、旋转轴，次旋转轴，n=3n=3，n n可取可取1 1，2 2，3 3，4 4，6 6n中心反演（中心反演（I）：绕某个中心点，把坐标为）：绕某个中心点，把坐标为r的点换的点换 到到-r上上n镜象反演（镜象反演（）：以某个面为对称面）：以某个面为对称面nn次旋转反演（次旋转反演（Sn）：进行）：进行 n 次旋转后，绕旋转轴的次旋转后，绕旋转轴的某个点再进行中心反演某个点再进行中心反演晶体的对称操作：晶体的对称操作：第三十六页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶系(The seven crystal systems)晶系晶系：按照晶胞的特征按照晶胞的特征对称元素可以分成对称元素可以分成7个个不同类型

26、，称为晶系。不同类型，称为晶系。晶系晶系特征对称元素特征对称元素三斜三斜无或反演中心无或反演中心单斜单斜唯一的唯一的2次轴或镜面次轴或镜面正交正交三个相互垂直的三个相互垂直的2次旋转次旋转轴或反轴。轴或反轴。三方三方唯一的唯一的3次旋转轴或反轴。次旋转轴或反轴。四方四方唯一的唯一的4次旋转轴或反轴。次旋转轴或反轴。六方六方唯一的唯一的6次旋转轴或反轴。次旋转轴或反轴。立方立方沿晶胞体对角线的四个沿晶胞体对角线的四个3次旋转轴或反轴次旋转轴或反轴第三十七页，编辑于星期六：十六点 三十分。布喇菲点阵布喇菲点阵立方正交（斜方）正方单斜三斜六角三角第三十八页，编辑于星期六：十六点 三十分。晶体结构及其

27、对称性总结晶体结构及其对称性总结晶体结构晶体结构：n晶体：原子按一定规则周期性重复排列晶体：原子按一定规则周期性重复排列n点阵：重复排列的原子用点阵：重复排列的原子用“点点”表示表示n晶胞：周期重复的最小基本（结构）单位晶胞：周期重复的最小基本（结构）单位n布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有布喇菲点阵：根据空间对称性，可以有14种点阵，称布喇菲点阵，或种点阵，称布喇菲点阵，或称称14种晶胞种晶胞n14种晶胞共分种晶胞共分7个晶系：个晶系：三斜、单斜、正交（斜方）、正方（四角）、三斜、单斜、正交（斜方）、正方（四角）、立方、三角、六角立方、三角、六角n布喇菲点阵布喇菲点阵 第三十九页，编辑于星期

28、六：十六点 三十分。1.1.自限性：自限性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力。晶体的外表为（面）晶面、（线）晶棱以及（点）晶顶等要素所包围，其关系为：晶面数 晶顶数 晶棱数 22.2.均匀性和各项异性：均匀性和各项异性：晶体的均匀性均匀性是指晶体在不同部位上具有相同的物理性质。晶体的各项异性各项异性是指晶体的宏观性质因观察方向不同而有差异。3.3.对称性：对称性：晶体在几个特定方向上可以出现异向同性的现象，这种相同性质，在不同方向上有规律地重复出现，称为对称性。4.4.最小内能性：最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体的内能最小。晶体的基本性质：晶体的基本性质：第四十页，编辑于星期六：十六点 三十分。