光子学-第六章--光的调制课件.ppt

1、2022-8-11光子学第六章光子学第六章 光的调制光的调制 光的内调制技术：电信号直接调制到半导体发光管(LED)或半导体激光二极管(LD)的注入电流上 光的外调制技术：主要介绍利用晶体线性电光(Pockels)效应制成光的外调制技术2022-8-12光的内调制技术输 入输 出光发射机 光 纤 光接收机 信号处理 光通信系统主要由光发射机、传输介质-光纤和光 接收机。其原理图如下所示：发射机输入的电压波形是 。通过输入输出特性，我们就可以开始研究发射机子系统的设计。tvin2022-8-13光的内调制技术光的内调制技术 光内调制系统图光内调制系统图 LD激光器LD直流电源偏置 T电路驱动电路

2、电信号光输出RF DC LD L C R2022-8-14光的内调制技术 波形要求 在不同时钟速率下，用非归零的伪随机(NRZ)脉冲序列发生器的输出来激励发射机，并测试输出脉冲波形的相关效应。脉冲幅度随波形的变化不大于5；上升和下降时间(10-90）的变化小于5%；脉冲宽度随波形的变化不大于5（在半最大值的全宽）、脉冲的过冲量小于10；不产生寄生振荡；消光比超过10:1。寿命 在200C环境温度时，光源的平均寿命应超过10万小时；在600C环境温度时，平均寿命应超过1000小时。2022-8-15当前常用的LED也已有重大的提高工作电流一般在几十到一百多毫安。另外，也出现超辐射SLD和边辐射F

3、LED的发光二极管，注入单模光纤的光功率百微瓦。当前半导体激光源多用分布反馈的(DFB)，阈值电流可低至10mA左右，输出功率可达100mW，激光器的寿命可达100万小时。光的内调制技术2022-8-16LED发送机的电路 LED电路电路数字调制模拟调制IPPIbIbI2022-8-17带反馈控制的LED电路 LED 电 源 分束器光纤检波放大为了稳定LED输出功率的稳定性必须采取功率反馈稳定和半导体致冷温度稳定反馈控制。对于多模光纤输出 必须使进入光纤的光功率的模式与进入本机检波器的模式是相同，才能得到稳定有效的反馈控制。它取决于光束 分离器的特性。2022-8-18 LED发射的能量分布在

4、许多空间模中，因此，光分路 分到本机检波器的模式必须与输出光纤的模式一致。为了用反馈方法使LED线性化，就要使光分路或光束分离器所选择的模式分布与输出光纤中的模式相同。对线性化的要求愈高，就愈难以实现。LED反馈线性化的另一个问题是沿反馈环路的时延，它限制了反馈控制的模拟发送机的可用带宽。反馈线性化方法的推导请读者行推导之(见讲义)LED发送机的电路2022-8-19 激光器激光器LD与与LED的差别的差别LD存在阈值存在阈值 输出光功率 P与驱动电流 I存在的阈值特性。在 I 阈值 Ith时 激光器内产生粒子数反转，产生受激发射。因此，激光器谐振腔内的最低损耗模的幅度开始增长，直到这些模场饱

5、和为止。当电流继续上升，激光器可发射大量功率进入光纤，因为总输出的大部分功率只包含在少数几个空间模之内，与LED不同。激光器LD发送机的电路2022-8-11000C20406080LEDLD阈值随温度与时间变化斜率不随温度与时间变化LED与LD特性的差异PPII2022-8-111激光器发送机的电路sthsbiIiii05.1thIIsiIbIsi模拟调制数字调制PthI2022-8-112LD预偏置预偏置 为了使激光器，通常要求将该器件“预偏置”到接近于阈值电流 Ib=0.951.05Ith。预偏置的预偏置的优点优点可避免器件内部载流子密度 n(t)增加到与阈值电所需要的时延。在 Ith以

6、上，信号电流使光功率迅速增长远大于LED。预偏置的预偏置的缺点：缺点：与从零电流驱动激光器的电路相比，增加了直流电源的 能量消耗。激光器发送机的电路2022-8-113在某些特殊应用中，光脉冲的宽度很窄（小于100ps)，重复速率也很低（几十千赫），这样的脉冲流也可以用某些大功率的注入激光器来产生，甚至在直流驱动条件下也能发射窄的脉冲。这种窄脉冲发射的发送机如下图所示：激光器发送机的电路2022-8-114内调制的缺点内调制的缺点1.DFB-LD的固有线宽的固有线宽()当前的分布反馈激光器 DFB-LB的光谱线宽因此 DFB-LD固有 的光谱线宽是极窄的。3.调频调频-啁啾现象啁啾现象(啁啾系

7、数为 )由于注入电流引起的光谱展宽为结论：克服结论：克服啁啾引起啁啾引起光谱展宽的方法是用外调制技术光谱展宽的方法是用外调制技术 LDmcMHz156826210810103)1055.1(1即mAGHzmAIImAMHzss10104.04.0520/251即则设mAMHz/2502022-8-115光的外调制技术 光外调制系统图光外调制系统图 外调制器种类外调制器种类1 晶体电光调制器2 半导体电吸收调制器 LD外调制器 直流电源 电信号 光纤光输出2022-8-116光的外调制技术张量性张量性 零阶张量零阶张量：只有大小变化没有方向之变化的物理量称为标量标量，也称零阶张量如质量、温度、体

8、积等。当由旧坐标系X1,X2,X3变换为新坐标系X1,X2,X3时,对于质量等标量 T,(不起任何少作用)可表示为：T=T (零阶张量)复数也属于零阶张量。2022-8-117一阶张量-矢量矢量 一阶张量一阶张量：电磁场 E、H等,在坐标系 Xi(i=1,2,3)中有三个分量，称为矢矢量或一阶张量。量或一阶张量。在坐标变换时,其变换规律表为：式中 是新旧坐标系统之间的变换矩阵-方向余弦(xixj)表示Xi轴与Xj轴之间的夹角 coscoscoscoscoscoscoscoscos)(332313322212312111xxxxxxxxxxxxxxxxxxaTaTaTijijijjiji略去求和

9、符号按照爱因斯坦习惯可省ija2022-8-118晶体的折射率椭球 二阶张量二阶张量：矢量与矢量之间的关系为二阶张量。例如电位移矢量与电场之间的关系 为二阶介电张量，以后我们将略去E,D等矢量上的箭头符号,对 等张量只要下面标有下标(i,j)等,也将略去上面的双向箭头。当坐标变换时，二阶张量的变换规律服从：(采用了爱因斯坦习惯）ijjijiED,0kljlikkljlikklijTaaTaaT3131,2022-8-119三阶张量与三阶张量与四四阶张量阶张量 三阶张量三阶张量的坐标变换关系为：四四阶张量阶张量的坐标变换关系为：mnoplpkojnimijkllmnknjnilijkTaaaaT

10、TaaaT2022-8-120晶体的折射率椭球式中ij为二阶张量,是矢量与矢量之间的关系；ijk为三阶张量,是一阶矢量与二并矢(二阶张量)之间的关系；ijkl为四阶张量是矢量与三并矢(三阶张量)之间 的关系。四阶张量也可能是二阶张量与二阶张 量之间的关系。高阶张量的例高阶张量的例 我们可用下式极化率矢量 P 来举例说明lkjijklkjijkjijiiEEEEEEPP00002022-8-121 晶体的双折射 光波在介质中传播规律取决于介质的折射率(二阶张量)，一般折射率为。对于光学介质=1脱化为标量,则有 。如果介质是各向同性体如玻璃、水等，介电常数和折射率 nij 脱化成一个分量-标量n。

11、但在光学中，大多数晶体折射率nij是各向异性的二阶张量，哪些分量等零，哪些分量不等于零决定于晶体的对称性。一般折射率张量可以用二次曲面表示为椭球面：2n22ijnn 1222),3,2,1(12121213231322232332322222211212XXnXXnXXnnXnXnXzyxorjiXXnjiij即、2022-8-122 为了简化,下标ij可用如下的缩标规则缩成一个标：ij i 11 1 22 2 33 3 32=23 4 31=13 5 21=12 6 则上式可写成存在交义项的二次式：晶体的双折射1222212613253224232322222121XXnXXnXXnnXnX

12、nX2022-8-123 主轴转换主轴转换 即将坐标轴转换到晶轴方向，则可以使交叉项等于零。有下列三种情况:双轴椭球晶体双轴椭球晶体 单轴椭球晶体单轴椭球晶体 各向同性介质各向同性介质-球面(体)nij=n(i=j),nij=0(ij)晶体的双折射1232322222121nXnXnX0,65422322221nnnnnnnneo122222eonZnYX12232221nXXX)(0333,222,111jinnnnnnnij2022-8-124 电光效应电光效应：当晶体的折射率 nij 成为电场的函数时，折射率 nij 将随电场的变化而变化。实际上用晶体的电感应折射率张量与不加电场的主轴折

13、射率张量之差B来表示晶体的折射率：晶体的电光效应（Pockels效应）222111iiijijijnnnB2022-8-125Bij 是受到外电场作用后新的折射率张量减去未受电场作用的晶体折射率之差，则电光效应可表示成(i=1-6，j=1,2,3)jijiErEEErrrrrrrrrrrrrrrrrrnnnnnnnnnB3216362615352514342413332312322211312112625242323222221210101011111112022-8-1262022-8-127电光材料及其特性电光材料及其特性 材料室温光电系数单位 10-12m/V折射率rn30单位 10-1

14、2m/V0(室温)点群对称KDP(KH2PO4)41r=8.663r=10.6on=1.51en=1.472934c/=20c=45m24KD2PO463r=23.6 1.5080c/50at24Com24ADP(NH4H2PO4)41r=2863r=8.5on=1.52en=1.489527c/=12m24GaAs at 10.6m41r=1.6on=3.345911.5m34ZnTe at 10.6mCdTe at 10.6m41r=3.941r=6.8on=2.79on=2.6851207.3m34m34 LiNbO333r30.813r8.622r3.442r2.8on=2.29en=

15、2.20333rne328223rno37)(13333321rnrnoe=112c=98c/=50m3GaP41r=0.97on=3.31413rno29m342022-8-128 晶体的电光效应例：磷酸二氢钾KDP,点群为 ,是一种有名的单轴电光晶体，查表得其电光系数张量为：321634141262524232322222121.EEErrrnnnnnnnnnBm242022-8-129晶体的电光效应 则在电场作用下,KDP晶体(新坐标轴下)的折射率为：363262412514124223222221ErnErnErnnnnnnneoo2022-8-130 因此其折射率张量（二阶矩阵）可以

16、写成：可见电光晶体在电场的作用下,已从单轴椭球体变成为一个双轴椭球体,且折射率大小将随电场的变化而变化。晶体的电光效应2141241141236324136322111eooijnErErErnErErErnn2022-8-131晶体的电光效应 为了直观地描述这个双轴椭球体，一般采用数学上二阶张量主轴化的方法，消除交叉项。0det00001000102332232132232112122132122112nnnnnnnnnxnijjijij的系数行列式本征值决定于本征方程其中本征方程为函数。分别求出本征值和本征求解过程是从本征方程2022-8-132求解方法求解方法解出三个本征值 根,再分别代

17、回本征方程，即可求出相应的本征矢 ,它就是新的折射率椭球的主轴。晶体的电光效应i2336322236322122363363221311111,010001010,21eoxoxeoonErnnErnnnnErErnEEEEzKDP率：即新的电感应主轴折射求得本征值则有方向电场施于晶体对例：jX2022-8-133求本征矢1111110021011210112123222363221363222322221332211XnXErnXErnnXnXXXXXeooeo电感应主轴方程轴方程于是得到从旧折射率主代回本征方程得将代回本征方程得将代回本征方程得将2022-8-134 晶体的电光效应交角成和

18、与旧的晶体主轴和新的电感应主轴如右图示同理得近似为展开将新主轴折射率作级数时当45,21121111,11,212136323632363222363222363332111xxxxnnnErnnnErnnnErnnnorErnnnErexxooxooxooxoxo2022-8-135电光振幅调制 下面讨论晶体双折射引起相位滞后导致偏振态变化的问题。选取垂直于Z轴的KDP z切晶片,并沿厚(X3=Z轴)施加纵向电场E3，并且让光束也沿X3轴传播,其偏振方向沿 X1，则光场在电感应轴X1和X2分解成二个分量：zErnnktiAzEzErnnktiAzEznktiAzEznktiAzExxxxxx

19、36330003633000002exp2expexpexp212211将电感应折射率代入2022-8-136电光振幅调制 z 切 KDP 晶片 电场施于 z 方向 光束沿 z 方向传播 电场与光束沿同方向的称纵向调制 光束(光频电场)的偏振方向为X1,再分解到电感应主轴X1和X2使其折射率受E3 影响。x2X1x1-x22022-8-137关于光的偏振特性122221122221122211121sincos2coscos其中得消去其中可表示为、在直角坐标系光场aEaEaEaErktaEaEEyExEYXE2022-8-138Fig.1 E1 E2 之间的相位差之间的相位差 =0 or 时，

20、其合矢量为时，其合矢量为 45的的线偏振光线偏振光2022-8-139Fig.2 E1、E2 之间的相之间的相位差位差 =/2 时，时，其合矢量为左、右其合矢量为左、右旋的圆偏振光。旋的圆偏振光。E1、E2 之间的相之间的相位差位差 为任意值时，为任意值时，其合矢量为左、右其合矢量为左、右旋的椭圆偏振光。旋的椭圆偏振光。当当0 or 时椭时椭圆越扁平，圆越扁平，当当 /2 时椭圆时椭圆越接近圆形。越接近圆形。2022-8-140偏振态的偏振态的 (方位角方位角)(椭圆率角椭圆率角)表示表示 YXaba2a1E椭圆偏振光场abaaabaababEaEEEEEEEEEEEEtansinsincos

21、)2,(cossinsincos,212221220000212121进一步得及展开得可消去演算时作主轴转换表为、关系为、它与、也可表为2022-8-141偏振光的Poincare球面表示 Poincace球面表示偏振态球面表示偏振态P(,)其中其中 2 表示经度，表示经度，2 表示纬度表示纬度。赤道表示所有的线偏振光赤道表示所有的线偏振光 等经度线等经度线(大圆大圆)表示等方位角表示等方位角 的偏振光。的偏振光。等纬度线等纬度线(大圆大圆),表示等椭圆率表示等椭圆率角角 的偏振光。的偏振光。上半球表示右旋上半球表示右旋椭椭圆偏振光极圆偏振光极点表示右旋圆偏振光。点表示右旋圆偏振光。下半球表示

22、左旋下半球表示左旋椭椭圆偏振光圆偏振光 极点表示左旋圆偏振光。极点表示左旋圆偏振光。2sin2sin2cos2cos2cos22222ZYX球面直角坐标(Stokes 参量)P2022-8-142偏振光的Poincare球面表示赤道表示所有线偏振光上半球表示所有右旋椭圆偏振光 0下半球表示所有左旋椭圆偏振光=45 插入损耗(dB)0.5 反射损耗(dB)60 偏振相关损耗(dB)0.15 偏振模色散(ps)0.05 最大承受功率(mW)300 工作温度0-70C2022-8-179磁光隔离器应用举例磁光隔离器应用举例 带有隔离器的DFB-LDDFB-LD 在光放大器EDFA中作隔离 PUMPPUMP2022-8-180光环行器 光环形器如下图所示。它也是利用磁光的非互易特性制成，并具有如下特性：在磁场B的作用下由口输入的信号只传到口发射出去，从口回来的接收信号则只能传到口输出，并接到接收机的输入端口。2022-8-181光环行器原理图光环行器原理图1234双折射晶体FR 45玻璃片 1/2波片oeeoPA2022-8-182光纤环行器的应用举例光纤环行器的应用举例 用于光纤通信的RAMAN放大器发射机接收机PUMPPUMP OUT