声光调制课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电子技术学课件之九,：,光束的调制和扫描（2）,声光调制、磁光调制和直接调制,制作者：,赣南师范学院物理与电子信息学院：,王形华,1,光电子技术学课件之九：光束的调制和扫描（,复习相关知识,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，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“,相位光栅,”，光栅常数等于声波长,s,。当光波通过此介质时，会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,声光晶体等价于一个相位光栅,2,复习相关知识 声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，,拉曼-纳斯衍射,产生拉曼-纳斯衍射的条件：,当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L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，则声光介质可近似看作为相对静止的“,平面相位栅,”。,拉曼-纳斯衍射的特点,：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的,多级衍射光,。,3,拉曼-纳斯衍射产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，,各级衍射的方位角为（最大值的位置）：,各级衍射光的强度为：,4,各级衍射的方位角为（最大值的位置）：各级衍射光的强度为：,衍射效率为：,5,衍射效率为：5,布喇格衍射,产生布喇格衍射条件：,声波频率较高，声光作用长度,L,较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“,体光栅,”的性质。,布喇格衍射的特点：,衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或,1级）衍射光。,6,布喇格衍射产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作用长度L较,衍射效率为：,M,2,为声光材料的品质因数，Ps超声功率；H为换能器的宽度，L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光的强度。,7,衍射效率为：M2为声光材料的品质因数，Ps超声功率；,3.3 声光调制,一,.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载波上的一种物理过程。,调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，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“携带”信息的强度调制波。,8,3.3 声光调制 一.声光调制器的工作原理,1、拉曼-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,9,1、拉曼-纳斯型声光调制器 调制器的工作原理如图1,衍射光,调制信号,入射光,图2 声光调制器布喇格型,2、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。,10,衍射光调制信号入射光图2 声光调制器布喇格型2、布喇格型声光,t,P,s,I,d,(,f,m,),f,m,(,I,s,),0,图,3声光调制特性曲线,布喇格声光调制特性曲线与电光强度调制相似，如图3所示。由图可以看出：衍射效率,s,与超声功率,P,s,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，使其工作在线性较好的区域。,11,tPsId(fm)fm(Is)0图3声光调制特性曲线,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，衍射光强也就受到了调制。布喇格衍射由于效率高，且调制带宽较宽，故多被采用。,在声功率,P,s,(或声强,I,s,)较小的情况下，衍射效率,s,随声强度,I,s,单调地增加(近似呈线性关系)：,12,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,二,.调制带宽,调制带宽,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，它受布喇格带宽的限制。,对于给定入射角和波长的光波，只有一个确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。,13,二.调制带宽 调制带宽是声光调制器的一个,允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系为：,14,允许的声频带宽与布喇格角的可能变化量之间的关系,设入射光束的发散角为,i,，声波束的发散角为,，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,w,0,：入射光束束腰半径；,n：,为介质的折射率；D：声束宽度。,15,设入射光束的发散角为i，声波束的发散角为,调制带宽,16,调制带宽 16,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（,w,0,/v,0,）成反比，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。但光束发散角不能太大，否则，0级和1级衍射会有部分重叠，降低调制的效果。,17,由上述可知：声光调制器的带宽与声波穿国光束的,即最大的调制带宽 近似等于声频率,f,s,的一半。因此，大的调制带宽要采用高频布喇格衍射才能得到。,18,即最大的调制带宽 近似等于声频率fs的一半,三,.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,所需的声功率,19,三.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,可见，声光材料的品质因数,M,2,越大，欲获得100%的衍射效率所需要的声功率越小。而且电声换能器的截面应做得长（,L,大）而窄（,H,小）。,f,0,：声中心频率，为表征声光材料的调制带宽特性的品质因数。,M,1,值越大，声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。,20,可见，声光材料的品质因数M2越大，欲获得100%的,四,.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 ，,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,21,四.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,可分离条件为,:,d,0：,为高斯光束腰部直径，,为声束穿越光束的度越时间。,22,可分离条件为:d0：为高斯光束腰部直径，为声束穿越光束的,五,.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如图4所示。相对于声波波前以,B,入射的波导光波穿过输出棱镜时，得到与入射光束成2,B,角的1级衍射光。其光强为,：在电场作用下导波光通过长度为,L,距离的相位延迟；,B,是一比例系数，它取决于波导的有效折射率,n,eff,等因素。,23,五.声束和光束的匹配 声光布喇格衍射型波导调制器结,上式表明，衍射光强,I,1,随电压,V,的变化而变化，从而可实现对波导光的调制。,i,d,k,s,入射光,衍射光,L,声表面波,电声换能器,波导层,y,切割LiNbO,3,衬底,图4 声光波喇格波导调制器,24,上式表明，衍射光强I1随电压V的变化而变化，从而可实现对波导,3.4 磁光调制,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时，其偏振方向发生旋转,：,式中,V为韦尔德系数，H 为沿光束传播方向的磁场强度，L为光在介质中的传播长度。,25,3.4 磁光调制 磁光调制主要是应用法拉第旋转,一.磁光体调制器,磁光体调制器的组成如图1所示。为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场,H,dc,，其强度足以使晶体饱和磁化。,z,z,H,dc,45,入射光,起偏器,调制信号,检偏器,YIG棒,图1 磁光调制示意图,YIG:钇铁石榴石,26,一.磁光体调制器 磁光体调制器的组成如图1所,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，入射光通过YIG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,H,。,s,：是单位长度饱和法拉第旋转角；是调制磁场。如果再通过检偏器，就可以获得一定强度变化的调制光。,27,工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光,二,.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调制器的原理。,图2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（Gd,3,Ga,5,O,12,-GGG）衬底上，外延生长掺Ga、Se的钇铁石榴石（YIG）磁性膜作为波导层。,TM,TE,TM,x,z,y,图2 磁光波导模式转换调制器,28,二.磁光波导调制器 以磁光波导模式转换调制器为,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：,：TE模和TM模传播常数之差。,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,磁光波导调制器,可将输入TM模的（,=1.52,m）52%的功率转换到TE模上去。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红石棱镜，使输出的TE和TM模分成两条光束。,30,磁光波导调制器 可将输入TM模的（=1.52,3.5 直接调制,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LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。,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。,31,3.5 直接调制 直接调制是把要传递的信息转变为电,一,.半导体激光器（LD）直接调制的原理,图3为砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。,10,5,0 50 100,I,t,150 200,驱动电流(mA),输出功率,(mW),图3半导体激光器的输出特性,32,一.半导体激光器（LD）直接调制的原理 图3,100,80,60,40,20,850 950 1050,波长(,m),相对辐射强度,(%),高于阈值,低于阈值,图4 半导体激光器的光谱特性,图4所示半导体激光器的光谱特性。,33,100850 950 1050,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制信号的关系曲线。为了获得线性调制，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当的偏置电流,I,b,，这样就可以使输出的光信号不失真。,输出功率,直流偏置,调制信号,输出光强信号,t,t,t,(b),C,L,LD,调制信号,直流偏置,(a),图5半导体激光器调制(a)电原理图；(b)调制特性曲线,34,图5所示的是半导体激光器调制原理以及输出光功率,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。,35,半导体激光器处于连续调制工作状态时，无论有无调,二、,半导体发光二极管,（LED）的调制特性,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电流的变化而发生突变，因此，LED的,PI,特性曲线的线性比较好。图6示出了LED与LD的,PI,特性曲线的比较。,36,二、半导体发光二极管 半导体发光二极管由于不是阈值器,LD,2,LD,1,LED,1,LED,2,LED,3,LED,4,I,(mW),P,out,(mW),16,14,12,10,8,6,4,2,0 100 200 300 400,图6 LED与LD 的,P,out,-I,曲线比较,37,LD2LD1LED1LED2LED3LED4I(mW)Pou,三,.半导体光源的模拟调制,无论是使用 LD或LED作光源，都要施加偏置电流,I,b,，使其工作点处于LD或LED的,PI,特性曲线的直线段，如图7所示。其调制线性好坏与调制深度,m,有关：,LED,U,b,+,E,c,I,c,已调,光波,(a),P,out,I,t,I,co,(b),图7