雷射調制技術

1. 第5章 雷射調制技術 5.1 調制的基本概念 5.2 電光調制 5.3 聲光調制 5.4 磁光調制 5.5 直接調制 目錄

2. 用雷射作為訊息的載體，需要解決如何將訊息加載到雷射上的問題。用雷射傳遞語音信號，需要將語音訊息加載到雷射，由雷射“攜帶”訊息通過一定的傳輸通道（大氣、光纖等）送到光電接收器，由接收器提取加載的語音訊息，而完成通話目的。將訊息加載到雷射的過程稱之為調制，這一過程的裝置稱為調制器。其中，雷射稱為載波，所要傳遞的訊息稱為調制信號。用雷射作為訊息的載體，需要解決如何將訊息加載到雷射上的問題。用雷射傳遞語音信號，需要將語音訊息加載到雷射，由雷射“攜帶”訊息通過一定的傳輸通道（大氣、光纖等）送到光電接收器，由接收器提取加載的語音訊息，而完成通話目的。將訊息加載到雷射的過程稱之為調制，這一過程的裝置稱為調制器。其中，雷射稱為載波，所要傳遞的訊息稱為調制信號。

3. 雷射光波的電場強度是 • (5.1) • 式中，Ac為振幅， 為總相角，為角頻率， 為相位角。

4. 依照調制器的工作機制來分類，主要有電光調制、聲光調制、磁光調制和直接調制（可稱為電源調制）。內調制是指在雷射振盪過程中加載調制信號，即以調制信號去改變雷射器的振盪參數，而使輸出的雷射帶有要傳遞的訊息。依照調制器的工作機制來分類，主要有電光調制、聲光調制、磁光調制和直接調制（可稱為電源調制）。內調制是指在雷射振盪過程中加載調制信號，即以調制信號去改變雷射器的振盪參數，而使輸出的雷射帶有要傳遞的訊息。

6. 內調制具有小型化、集成度高的優點，主要用在光通訊的注入式半導體雷射中。外調制是指雷射形成之後，在雷射器外的光路上放置調制器，用調制信號改變調制器的物理特性，雷射通過調制器後，光波的某參數受到調制，而帶有要傳遞的訊息。內調制具有小型化、集成度高的優點，主要用在光通訊的注入式半導體雷射中。外調制是指雷射形成之後，在雷射器外的光路上放置調制器，用調制信號改變調制器的物理特性，雷射通過調制器後，光波的某參數受到調制，而帶有要傳遞的訊息。

7. 振幅調制就是使載波的振幅隨著信號的變化規律而變化，簡稱調幅。調制信號是一個時間的餘弦函數，即振幅調制就是使載波的振幅隨著信號的變化規律而變化，簡稱調幅。調制信號是一個時間的餘弦函數，即 • (5.2) • 式中，Am是調制信號的振幅，是調制信號的角頻率。雷射電場振幅Ac不再是常數，調幅波表達式為 • (5.3) • 式中，ma＝Am/Ac稱為調幅係數。

9. 5.1.2 頻率調制和相位調制 • 調頻或調相就是使光載波的頻率或相位，隨著調制信號的變化規律而改變。因為這兩種調制波都表現為總相角的變化統稱為角度調制。調頻波的總相角為

10. 式中， ，稱為調頻係數。 • 調相波的總相角 • (5.8) • 式中， 為比例係數。則調相波的表達式為 • (5.9) • 式中， ，稱為調相係數。

11. 由於調頻和調相實質上，都是調制總相角， • 式中，m為調制係數。

13. 強度調制是指光載波的強度（光強度）隨調制信號變化的調制，如圖5.4所示。雷射的光強度定義為光波電場的平方，表示式為強度調制是指光載波的強度（光強度）隨調制信號變化的調制，如圖5.4所示。雷射的光強度定義為光波電場的平方，表示式為 • (5.13) • 於是，強度調制的光強度表示式可寫為 • (5.14) • 式中，kp為比例係數。

14. 5.1.4 脈衝調制 • 在目前的光通訊中還廣泛採用一種在不連續狀態下，進行調制的脈衝調制和數字調制（也稱為脈衝編碼調制）。先進行電調制（模擬脈衝調制或數字脈衝調制），再對光載波進行光強度調制。

15. 脈衝調制是用一種間歇的週期性脈衝序列作為載波，載波的某一參數按調制信號規律變化的調制方法。脈衝調制是用一種間歇的週期性脈衝序列作為載波，載波的某一參數按調制信號規律變化的調制方法。

17. 5.1.5 脈衝編碼調制 • 這種調制是把模擬信號先變換成電脈衝序列，進而變成代表信號訊息的二進制編碼（PCM數字信號），再對光載波進行強度調制來傳遞訊息的。 • 要實現脈衝編碼調制，需要經過三個過程：抽樣、量化和編碼。 • 1.抽樣 • 抽樣就是把連續的信號波分割成不連續的脈衝波，用一定週期的脈衝序列來表示，且脈衝列（稱為樣值）的幅度是與信號波的幅度相對應的。

18. 2.量化 • 量化就是把抽樣之後的脈幅調制波做分級取“整”處理，用有限個數的代表值取代抽樣值的大小，這個過程就是“量化”。 • 3.編碼 • 編碼是把量化後的數字信號變換成對應的二進制代碼的過程。

19. 5.2 電光調制 • 電光調制的物理基礎是電光效應，即某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發生變化，當光波通過此介質時，其傳播特性就受到影響而改變，這種現象稱為電光效應。 • 5.2.1 電光調制的物理基礎 • 介質的介電常數與晶體中的電荷分佈有關，當晶體上施加電場之後，將引起束縛電荷的重新分佈，並可能導致離子晶格的微小形變，引起介電常數的變化，最終導致晶體折射率的變化，所以折射率成為外加電場E的函數，

20. 即 • (5.16) • (5.17)

21. 式中，a和b為常數，n0為未加電場時的折射率。在式(5.17)中，aE是一次項，由該項引起的折射率變化，稱為線性電光效應或Pockels效應；由二次項bE2引起的折射率變化，稱為二次電光效應或克爾Kerr效應。一次電光效應要比二次電光效應顯著，可以略去二次項 。

22. 1.電致折射率變化 • 在晶體未加外電場時，主軸坐標系中，折射率橢球由如下方程描述： • (5.18) • 式中，x、y、z為介質的主軸方向，也就是說在晶體內沿著這些方向的電位移D和電場強度E是互相平行的；n1、n2、n3分別為折射率橢球x、y和z方向的折射率，稱為主折射率。該方程可以描述光波在晶體中的傳播特性。

23. 2.電光相位延遲 • 在實際應用中，電光晶體總是沿著相對光軸的某些特殊方向切割而成的，而且外電場也是沿著某一主軸方向加到晶體上，常用的有兩種方式：一種是電場方向與通光方向一致，稱為縱向電光效應；另一種是電場方向與通光方向垂直，稱為橫向光電效應。

24. 當一束線偏振光沿著z軸方向入射晶體，且E向量沿x方向，進入晶體（z=0）後即分解為沿 和 方向的兩個垂直偏振分量 和 。由於二者的折射率不同，則沿 方向振動的光傳播速度快，而沿 方向振動的光傳播速度慢，當它們經過長度L後，所走的光程分別為 和 ，這樣，兩偏振分量的相位延遲分別為

25. 因此，這兩個光波穿過晶體後產生一個相位差 (5.27)

26. 相位延遲完全是由電光效應造成的雙折射引起的，稱為電光相位延遲。式中的V＝EZL是沿z軸加的電壓；當電光晶體和通光波長確定後，相位差的變化只取決於外加電壓，即只要改變電壓，就能使相位成比例地變化。相位延遲完全是由電光效應造成的雙折射引起的，稱為電光相位延遲。式中的V＝EZL是沿z軸加的電壓；當電光晶體和通光波長確定後，相位差的變化只取決於外加電壓，即只要改變電壓，就能使相位成比例地變化。

27. 3.光偏振態的變化 • 兩個偏振分量間的相速度的差異，會使一個分量相對於另一個分量有一個相位差，而這個相位差作用就會改變出射光束的偏振態。 “波片”可作為光波偏振態的變換器，它對入射光偏振態的改變，是由波片厚度決定的。

29. 5.2.2 電光強度調制 • 利用泡克耳斯效應實現電光調制，可以分為兩種情況：一種是施加在晶體上的電場，在空間上基本是均勻的，但在時間上是變化的，當一束光通過晶體之後，可以使一個隨時間變化的電信號轉換成光信號，由光波的強度或相位變化來表現要傳遞的訊息，這種情況主要應用於光通訊、光開關等領域。另一種是施加在晶體上的電場，在空間上有一定的分佈，形成電場圖像，即隨x和y坐標變化的強度透過率或相位分佈，在時間上不變或者緩慢變化，從而對通過的光波進行調制。

30. 1.縱向電光調制

32. 常用的辦法有兩種：一種是在調制晶體上除了施加信號電壓之外，再附加一個 的固定偏壓，但此法增加了電路的複雜性，而且工作點的穩定性也差。其二，在調制器的光路上插入一個1/4波片，其快慢軸與晶體主軸x成450角，而使 分量間產生π/2的固定相位差，設調制電壓為正弦信號， 則

33. 縱向電光調制器具有結構簡單、工作穩定、不存在自然折射的影響等優點。其缺點是半波電壓太高，特別是在調制頻率較高時，功率損耗比較大。縱向電光調制器具有結構簡單、工作穩定、不存在自然折射的影響等優點。其缺點是半波電壓太高，特別是在調制頻率較高時，功率損耗比較大。

34. 2.橫向電光調制 • 橫向電光效應有三種不同方式： • (1)沿z軸方向加電場，通光方向垂直於z軸，並與x 或y軸成夾450角（晶體為450 －z切割）。 • (2)沿x方向加電場（即電場方向垂直於z軸），通光 方向垂直於x軸，並與z軸成夾角（晶體為450 －x 切割）。 • (3)沿y軸方向加電場，通光方向垂直於y軸，並與z 軸成450夾角（晶體為450 －y切割）。

36. 常用的方法有兩種：一種方法是將兩塊幾何尺寸幾乎完全相同的晶體的光軸，互成900串接排列，即一塊晶體的y´和z軸分別與另一塊晶體的z軸和y´軸平行[見圖5.12(a)]；另一種方法是，兩塊晶體的z軸和y´軸互相反向平行排列，中間放置一塊1/2波片[見圖5.12(b)]。這兩種方法的補償原理是相同的。外電場沿z軸（光軸）方向，但在兩塊晶體中電場相對於光軸反向，當線偏振光沿y´軸方向入射到第一塊晶體時，電向量分解為沿z方向的e1光和沿方向的o1光兩個分量，當它們經過第一塊晶體之後，兩束光的相位差常用的方法有兩種：一種方法是將兩塊幾何尺寸幾乎完全相同的晶體的光軸，互成900串接排列，即一塊晶體的y´和z軸分別與另一塊晶體的z軸和y´軸平行[見圖5.12(a)]；另一種方法是，兩塊晶體的z軸和y´軸互相反向平行排列，中間放置一塊1/2波片[見圖5.12(b)]。這兩種方法的補償原理是相同的。外電場沿z軸（光軸）方向，但在兩塊晶體中電場相對於光軸反向，當線偏振光沿y´軸方向入射到第一塊晶體時，電向量分解為沿z方向的e1光和沿方向的o1光兩個分量，當它們經過第一塊晶體之後，兩束光的相位差

38. 經過1/2波片後，兩束光的偏振方向各旋轉900 ，經過第二塊晶體後，原來的e1光變成了o2光、o1光變成e2光，則它們經過第二塊晶體後，其相位差 • 於是，通過兩塊晶體之後的總相位差 • (5.39)

39. 5.2.3 電光相位調制 • 圖5.13所示的是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於晶體的感應主軸x´（或y´ ），此時入射晶體的線偏振光不再分解成沿x´和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態，僅改變其相位，相位的變化為 • (5.40)

40. 若外加電場是 ，晶體入射面（z＝0）處的光場 ，則輸出光場（z＝L處）就變為 • ，稱為相位調制係數。 (5.41)

41. 5.2.4 電光調制器的電學性能 • 對電光調制器來說，總是希望獲得高的調制效率及滿足要求的調制頻寬。集總參數調制器的頻率特性主要受外電路參數的影響。 • 1.外電路對調制頻寬的限制 • 調制頻寬是光調制器的一個重要參數，對於電光調制器來說，晶體的電光效應本身不會限制調制器的頻率特性，因為晶格的共振頻率可以達1THz(1012 Hz)，電光調制器的等效電路，如圖5.14所示。其中，Vs和Rs分別表示調制電壓和調制電源內阻，C0為調制器的等效電容，Re和R分別為導線電阻和晶體的直流電阻。

42. 實現阻抗匹配的辦法是在晶體兩端並聯一電感L，構成一個並聯回路，其共振頻率為，另外還並聯一個分流電阻RL，其等效電路如圖5.15所示。欲使調制波不發生畸變，其最大可容許調制頻寬（即調制信號佔據的頻頻寬度）必須小於實現阻抗匹配的辦法是在晶體兩端並聯一電感L，構成一個並聯回路，其共振頻率為，另外還並聯一個分流電阻RL，其等效電路如圖5.15所示。欲使調制波不發生畸變，其最大可容許調制頻寬（即調制信號佔據的頻頻寬度）必須小於 • (5.42) • 當調制晶體的種類、尺寸、雷射波長和所要求的相位延遲確定之後，其調制功率與調制頻寬成正比關係。

45. 2.高頻調制時渡越時間的影響 • 設外加電場是單頻正弦信號，即， • 是當 時的峰值相位延遲，因子 (5.44) (5.45)

46. 稱為高頻相位延遲縮減因子，表徵因渡越時間引起的峰值相位延遲的減小程度。這意謂著對於電光調制器，存在一個最高調制頻率的限制。若取 • ＝0.9為調制限度，對應 ，則調制頻率的上限為 • (5.46)

47. 3.行波調制器 • 為了能工作在更高的調制頻率並且克服渡越時間的影響，可採用一種稱為行波調制器的結構形式，如圖5.16所示。其原理是調制信號以行波的形式加到晶體上，使高頻調制場以行波形式與光波場相互作用，並使光波與調制信號在晶體內始終具有相同的相速度。

49. 5.2.5 設計電光調制器應考慮的問題 • 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頻寬，以高效率無畸變 地傳輸訊息。 • 2.調制器消耗的電功率小。 • 3.調制特性曲線的線性範圍大。 • 4.工作穩定性好。

50. 1.電光晶體材料的選擇 • 考慮以下幾個方面的因素：首先是光學性能好，對調制光波透明度高，吸收和散射損耗小，並且晶體的折射率均勻，其折射率的變化應滿足/cm；其次是電光係數要大，因為調制器的半波電壓及所耗功率分別與1/和1/成正比。