第三章光电子技术-1光波电调制.ppt

第三章 光波的调制 第一部分:—电光调制 概述 用光波传递信息的特点（带宽、必威体育官网网址、抗干扰） 光波的表达式 调制方法（AM、IM、PM、FM、PLM） 调制手段（电光、声光、磁光、弹光） 逆向应用 光波的特征参量 3.1、调制的分类 按调制方式与光源的关系来分，有直接调制和外调制两种。 前者指直接用电调制信号来控制半导体光源的振荡参数（光强、频率等），得到光频的调幅波或调频波，这种调制又称内调制； 后者是让光源输出的幅度与频率等恒定的光载波透过光调制器，光信号透过调制器实现对光载波的幅度、频率及相位等进行调制，光源直接调制的优点是简单，但调制速率受到载流子寿命及高速率下的性能退化的限制（如频率啁啾等）。外调制方式需要调制器，结构复杂，但可获得优良的调制性能，尤其适合于高速率下运用。 3.1.1光源的调制 光源的内调制 将信号直接作用在光源（激光器）上，以改变激光器的输出特性来进行调制，于是激光器输出的激光束就包含了待传输的信息，如半导体激光器就常用调制信号直接控制激光器的偏置电源，从而使其所发出的激光强度随待传输信号发生变化，以实现信号调制；还可以把调制元件放在激光器的谐振腔内，用待传输的信号控制调制元件的物理性能变化，改变光学谐振腔参数，从而改变激光的输出特性，实现调制过程。故又称之为直接调制。 光源的外调制 在谐振腔以外的光路上放置调制器，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光器通过这种调制器时，激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。这种调制方法由于不涉及激光器的内部结构，可以采用现成的性能优良的激光器，因而成为目前广泛应用的调制类型。又称之为间接调制。 光源的内调制 用于半导体激光器或半导体发光二极管。 内调制的基本原理 在呈直线的部位加入调制信号（即加入跟随输入信号变化的注入电流），则输出的光功率P就跟随输入信号变化。于是，信号就调制到光波上了。 模拟信号的内调制 直接让LED的注入电流跟随反映语音或图像等模拟量变化，从而使LED管输出的光功率跟随模拟信号变化，由图可见，为了使已调制的光波信号减少非线性失真，应适当选择直流偏置注入电流的位置。 内调制电路 图中三极管是提供LED管注入电流的，当信号从A点输入后，三极管集电极电流就跟随模拟量而变，亦即发光二极管LED的注入电流跟随模拟信号变化。于是LED的输出光功率就跟随模拟量变化，就这样实现了对光源的内调制。 音频信号直接光强调制光纤传输系统 数字信号的内调制 如果光纤通信系统所传的信号是“0”，“1”这种数字信号，如果采用发光二极管进行调制，则可按下图来选择偏置电流；若采用半导体激光器进行数字信号内调制，则应按图2来选择偏置电流。 数字信号内调制原理图 数字信号内调制电路 一种简单的LED数字信号调制电路。只有一级共发射极的晶体管调制电路，晶体管用做饱和开关，晶体管的集电极电流就是LED的注入电流，信号由A点接入。 优点：电路简单容易实现。 缺点：若在高码速下采用这种调制方法时，将使光源的性能变坏。 例如，使光源动态谱线展宽，造成在传输 时色散增加，从而使光纤中所传脉冲波形 展宽，结果限制了光纤的传输容量。 3.2 激光外调制 光波导调制器 a）LiNbO3光波导调制器 光纤通信系统的调制器主要是LiNbO3光波导调制器。LiNbO3光波导调制器是利用电光效应对光波的相位、强度或偏振态进行调制的器件。对高速系统而言，最常见的LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder（马赫-泽德）干涉仪（MZI）型行波电极强度光调制器，图2是其结构示意图。这种调制器采用了MZI的波导结构和行波电极结构，不仅可获得很高的工作速度，而且调制信号的频率啁啾非常小。 b) 硅基光波导调制器 硅基光波导调制器是借助硅晶体的电光效应对光信号进行调制的半导体电光调制器。然而，硅的电光效应十分微弱。增大电光效应的最佳办法是借助于载流子注入来实现折射率和/或光吸收率变化（⊿n和/或⊿α）。下图是一种硅绝缘体电光调制器结构示意图，这是一种基于大截面单模凸条光波导的光强调制器，其工作原理建立在自由载流子等离子弥散和波导消失效应的基础上。凸条光波导由SOI上的硅光波导层构成。 2 外场作用下光与物质的相互作用。 其共同的物理本质： 外场微扰引起材料的非线性变化→光学各项异性。 非线性相互作用→光强、偏振、频率、方向、位相变化→实现激光的调制。 改变光强或光频率的技术称为光调制。 改变光束指向的技术称为光偏转。 按调制光波的参数分 调