光调制电路

A. 激光器为什么要加调制，什么是激光器的调制，TTL/模拟调制各自是什么含义，有什么区别

类似通信系统中的调制，将激光器调制后输出模拟信号，如果将有效信号加载到模拟信号中，在信号提取时受到的干扰会很小，比如有效信号是直流，在提取时要加滤波器，一般干扰信号为动态变化的信号，这样干扰信号和调制模拟信号就都被滤掉了。

TTL调制就是调制成0v、5v数字信号，模拟调制就是调制成模拟信号，区别就是一个数字一个模拟。

(1)光调制电路扩展阅读

半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。

半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的一类激光器，由于物质结构上的差异，产生激光的具体过程比较特殊。

半导体激光器使用注意事项：

1、激光器工作时，要佩戴合适的防护器具（防护服、手套、防护镜等），避免激光直射眼睛和皮肤，并注意被照射物体的反射、散射光可能对人造成的伤害。

2、在使用、贮存、运输过程中要采取防静电措施。操作人员、工作台、烙铁等一定要接地良好。

3、必须保证激光器的驱动电源在开、关、调节、工作等过程中不产生尖峰脉冲、浪涌，并能够屏蔽电网和空间电磁感应引入的浪涌。

4、应在额定电流、额定功率下使用，若超额定电流或功率使用，会加速激光器退化或导致激光器的失效。

5、必须在指定的温度范围内工作，保证良好的散热或制冷。

6、需要在规定的温、湿度条件下使用、存储、运输，并保证环境的洁净度。避免各种由于环境和操作原因对激光器造成的污染。

7、光纤输出的半导体激光器，在使用前必须对光纤连接头端面进行清洁处理，保证端面无污染；光纤如需弯折，弯曲直径要大于300倍光纤芯径，以避免光纤的损坏。

B. 请问光纤通信外调制技术和内调制技术各自的优点

实现光束调制的方法,根据调制器与光源的关系可以分为内调制和外调制两种。内调制是指加载信号是在光源产生的过程中进行,如在激光振荡过程中进行,以调制信号改变激光器的振荡参数,从而改变激光器输出特性以实现调制。内调制又称为直接调制,它是在辐射源供电源上,施加交变或脉冲的激励电压而实现的调制方法,在许多情况下比起在电路中加入调制器的方式更为简单和有效。外调制是在光电检测系统的光路上放置调制器,用调制信号改变调制器的物理性能,当光束通过调制器时,使光波的某个参量受到调制。目前常用的外调制器有电折射调制器、电吸收MQW调制器、M-Z型调制器等。内调制优点：简单、经济、容易实现；缺点：随着传输速率的不断提高，直接强度调制带来了输出光脉冲的相位抖动即啁啾效应，使得光纤的色散增加，限制了容量的提高。外调制优点：可以减小啁啾；缺点：比较复杂，成本较大

C. 光调制解调器的工作原理

基带调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设备。 光调制解调器是一种类似于基带调制解调器的设备，和基带调制解调器不同的是接入的是光纤专线，是光信号。

D. 光调制器的M-Z干涉仪式调制器原理介绍

电光调制器(EOM)是利用某些电光晶体，如铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓(GaAs)和钽酸锂(LiTaO3)的电光效应而制成的。电光调制是基于线性电光效应(普尔克效应)即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动，从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。但由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型调制器可以调制光的强度。
M-Z干涉仪式调制器结构如图1所示。输入光波经过一段光路后在一个Y分支处被分成相等的两束，分别通过两光波导传输，光波导是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号分别到达第2个Y分指出产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此通过控制电压就能对光信号进行调制。
对于各种类型的高速调制器，主要应考虑高频信号的频率限制问题，为此可将高频调制信号以行波形式输入，以确保电光调制器中光波和调制电场具有相同的速度。目前高速长距离系统中，所用调制器大多数是以M-Z干涉仪为基础的行波电极电光调制器。这种调制器具有如下优点：
(1) 采用行波电极，可获得很高的工作速度；
(2) 以铌酸锂(LiNbO3)材料为衬底制作的M-Z调制器与DFB激光器(分布式反馈激光器)组合，使调制信号的频率啁啾非常小；
(3) 性能的波长依赖性很小。
对未来的光网络来说，集成化是必然的发展趋势，对器件的尺寸的要求越来越苛刻。有机聚合物是当今公认的最具挑战意义的一种新型非线性光学材料，并且由于其自身的优点，正成为人们关注的焦点。使用聚合物电光材料制成的有机物电光调制器将在未来的光通信、光信息处理领域发挥越来越重要的作用。

E. 电吸收光调制的工作原理是什么

当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间，可以在高速摄影中用做快门或在光速测量中用做光束斩波器等。

F. 光电调制的原理

当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象称为电光效应。电光效应在工程技术和科学研究中有许多重要应用，它有很短的响应时间，可以在高速摄影中用做快门或在光速测量中用做光束斩波器等。在激光出现以后，电光效应的研究和应用得到迅速发展，电光器件被广泛应用在激光通信、激光测距、激光显示和光学数据处理等方面。本文提出的电光调制系统就是基于晶体的电光效应验证电光调制原理。

1 电光调制原理

电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同，可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方向平行，称为纵向电光调制；电场方向与光的传播方向垂直，称为横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小，应用较为广泛。本电光调制系统是以铌酸锂晶体的横向调制为例。图1是一种横向电光调制的示意图。

沿z方向加电场，通光方向沿感应主轴y′方向，经起偏器后光的振动方向与z轴的夹角为45°。光进入晶体后，将分解为沿x′和z方向振动的两个分量，两者之间的折射率之差为。假定通光方向上晶体长度为l，厚度为d(即两极间的距离)，则外加电压为V=Ezd时，从晶体出射的两束光的相位差为：

由式(1)可以看出，只要晶体和通光波长λ确定之后，相位差△φ的大小取决于外加电压V，改变外加电压V就能使相位差△φ随电压V成比例变化。通常使用的电光晶体的主要特性之一是采用半波电压米表征(当两光波间的相位差△φ为π弧度时所需要的外加电压称为半波电压)。

2 电光调制系统总体设计

基于电光调制原理设计出此电光调制系统，用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通信与物理的实验研究。电光调制系统结构见图2。

2.1 工作原理

激光器电源供给激光器正常工作的电压，确保激光器稳定工作。由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。线偏振光通过电光晶体的同时，给电光晶体外加一个电压，此电压就是需要调制的信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，线偏振光变成了椭圆偏振光。为了选择合适的调制工作点，在电光晶体之后插入一个λ／4波片，使通过电光晶体的两束光线的相位延迟π／2，使调制器工作在线性部分，通过检偏器检测输出光的偏振方向，最后用光电探测器检测调制后的光信号，并将其转换为电信号用示波器观察。

2.2 激光器和激光器电源

此系统中，激光器使用氦氖激光器。氦氖激光管是一种特殊的气体放电光源，与其他光源相比，它具有极好的单色性、高度的相干性和很强的方向性(发散角很小)，激光器电源首先将220 V输入电压通过变压器升到1 000 V，再将该电压通过倍压电路提升到约5 000 V，然后通过限流电阻直接给激光管供电。当电源开关刚打开时，激光管中气体还没有电离，内阻相当于无穷大，此时电源输出约5 000 V高压，这就是激光管的点火电压，使得激光管中的气体电离，激光管开始工作，这时激光管的电阻将会大大下降。也就是说，负载电流上升，激光器的电源输出电压也会下降。

2.3 锂酸铌电光晶体

铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。本系统中采用LN电光晶体。LN晶体是三方晶体，n1=n2=no，n3=ne。

没有加电场之前，LN的折射率椭球为：

本系统中采用y轴通光、z轴加电场，也就是说，E1=E2=0，E3=E。那么，加上电场后折射率椭球为：

式(4)表明，LN晶体沿z轴方向加电场后，可以产生横向电光效应，但是不能产生纵向电光效应。

经过晶体后，o光和e光产生的相位差为：

2.4 信号源

信号源系统结构如图3所示。信号源是为了给电光晶体提供调制电压以及使系统能够接入音频信号。电源部分可以同时输出几路直流稳压电源给信号源的各个模块同时供电；信号发生模块产生频率和幅度都连续可调的正弦波与方波；功率放大模块将输入的正弦波与方波以及音频信号放大到几十伏，然后加到电光晶体上调制通过电光晶体的激光；解调模块对从探测器输入的微弱信号进行解调放大，对输入的微弱音频信号驱动放大后通过音箱把声音放出来；偏置高压模块产生幅度连续可调的直流高压，以代替λ／4波片作为调制晶体的半波电压。

3 电光调制在光通信中的应用

本系统是用光波传递声音信息，由激光器产生的激光经起偏器后成为线偏振光，再经过λ／4波片变成圆偏振光，使得2个偏振分量(o光和e光)在进入电光晶体之前产生π／2的相位差，使调制器工作在近似线性区域。在激光通过电光晶体的同时，给电光晶体加一个外加电压，此电压是需要传输的声音信号。当给电光晶体加上电压后，晶体的折射率及其他光学性能发生变化，改变了光波的偏振状态，因此，圆偏振光变成椭圆偏振光，再经检偏器又成为线偏振光，光强被调制。此时的光波载有声音信息并在自由空间传播，在接收地用光电探测器接收被调制的光信号，然后进行电路转换，将光信号转换成电信号，用解调器将声音信号还原，最终完成声音信号的光传输。外加电压为被传输的声音信号，此信号可以是收录机的输出或磁带机输出，实际上就是一个随时间变化的电压信号。

4 结束语

通过以上电光调制系统验证电光调制技术进行激光通信是可行的，而且此种通信方法传输速度快，抗干扰能力强，保密性好，结构简单，成本低廉，易于实现。

G. 激光调制原理

激光调制分为内调制和外调制两类。内调制是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。例如通过直接控制激光泵浦源来调制输出激光的强度。内调制也可在激光谐振腔内放置调制元件，用信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激光输出特性实现调制。

外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是改变已经输出的激光的参数（强度、频率等）。外调制是当前人们较重视的一种调制方法。

激光调制与无线电波调制相类似，激光振荡的瞬时电场也可表示为：

ec(t)=Accos(wct+ψc) （20－28）

式中Ac为激光振荡的振幅，wc为振荡的角频率，ψc为振荡的相位角。式（20－28）中，如果振幅、频率和相位均为常数，则ec(t)表示一个未调制的正弦振荡即载波。如果上述三个参数之一受到外加信号控制而发生变化，则ec(t)就成为已调制振荡。按照调制波控制参数（Ac、wc或ψc）的不同，激光调制可分为调幅、调频和调相等类型。按载波的振荡输出方式不同又可分为连续调制、脉冲调制和脉冲编码调制等。

脉冲调制主要分为脉冲调幅（PAM）、脉冲强度调制（PIM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）及脉冲调宽（PWM）等类型。

脉冲编码调制（PCM）是先将连续的模拟信号通过抽样、量化和编码，转换成一组二进制脉冲代码，用幅度和宽度相等的矩形脉冲的有、无来表示，再将这一系列反映数字信号规律的电脉冲加在一个调制器上以控制激光的输出。这种调制形式也称为数字强度调制（PCM／IM）。

激光调制的方法由调制器依据的原理不同常分为电光调制、声光调制、磁光调制、干涉调制、直接调制等。

H. 光纤收发器和光调制器有什么区别

收发器相当于信箱和投递员。而调制器相当于写信。工作不同，技术含量也不同，所以技术含量也不同。

I. 光调制器有什么作用光调制器主要用于什么系统

电光调制器(EOM)是利用某些电光晶体，如铌酸锂(LiNbO3)、砷化镓(GaAs)和钽酸锂(LiTaO3)的电光效应而制成的。电光调制是基于线性电光效应(普尔克效应)即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动，从而实现相位调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。但由包含两个相位调制器和两个Y分支波导构成的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪型调制器可以调制光的强度。
M-Z干涉仪式调制器结构如图1所示。输入光波经过一段光路后在一个Y分支处被分成相等的两束，分别通过两光波导传输，光波导是由电光材料制成的，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号分别到达第2个Y分指出产生相位差。若两束光的光程差是波长的整数倍，两束光相干抵消，调制器输出很小。因此通过控制电压就能对光信号进行调制。
对于各种类型的高速调制器，主要应考虑高频信号的频率限制问题，为此可将高频调制信号以行波形式输入，以确保电光调制器中光波和调制电场具有相同的速度。目前高速长距离系统中，所用调制器大多数是以M-Z干涉仪为基础的行波电极电光调制器。这种调制器具有如下优点：
(1) 采用行波电极，可获得很高的工作速度；
(2) 以铌酸锂(LiNbO3)材料为衬底制作的M-Z调制器与DFB激光器(分布式反馈激光器)组合，使调制信号的频率啁啾非常小；
(3) 性能的波长依赖性很小。
对未来的光网络来说，集成化是必然的发展趋势，对器件的尺寸的要求越来越苛刻。有机聚合物是当今公认的最具挑战意义的一种新型非线性光学材料，并且由于其自身的优点，正成为人们关注的焦点。使用聚合物电光材料制成的有机物电光调制器将在未来的光通信、光信息处理领域发挥越来越重要的作用。

J. 声光调制器驱动电源的作用

声波是一种纵向机械应力波(弹性波).若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化,使介质的折射率也发生相应的周期性变化,这样声光介质在超声场的作用下,就变成了一个等效的相位光栅,如果激光作用在该光栅上,就会产生衍射.衍射光的强度,频率和方向将随超声场而变化 激光具有极好的时间相干性和空间相干性,它与无线电波相似,易于调制,且光波的频率极高,能传递信息的容量很大.加之激光束发散角小,光能高度集中,既能传输较远距离,又易于保密.因而为光信息传递提供了一种理想的光源.
我们把欲传输的信息加载于激光副射的过程称为激光调制
光调制分为内调制和外调制两类外调制是指加载调制信号在激光形成以后进行的,即调制器置于激光谐振腔外,在调制器上加调制信号电压,使调制器的某些物理特性发生相的变化,当激光通过它时即得到调制.所以外调制不是改变激光器参数,而是改变已经输出的激光的参数(强度,频率等).
什么是声光调制
声波是一种纵向机械应力波(弹性波).若把这种应力波作用到声光介质中时会引起介质密度呈疏密周期性变化,使介质的折射率也发生相应的周期性变化,这样声光介质在超声场的作用下,就变成了一个等效的相位光栅,如果激光作用在该光栅上,就会产生衍射.衍射光的强度,频率和方向将随超声场而变化.所谓"声光调制器"就是利用这一原理而实现光束调制或偏转的.
声光调制的原理
1 超声波在声光介质中的作用
2 声光作用
①喇曼-奈斯衍射
②布喇格衍射
3 声光调制器
1 超声波在声光介质中的作用
声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式
行波所形成的声光栅其栅面是在空间移动的.介质折射率的增大和减小是交替变化的,并且以超声波的速度Vs向前推进
在声光介质中,两列相向而行的超声波(其波长,相位和振幅均相同)产生叠加,在空间将形成超声驻波.声驻波形成的声光栅在空间是固定的,其相位变化与时间成正弦关系
合成声波方程为:
a(z,t)=a1(z,t)+a2(z,t)=2Acos2πz/λs·sin2πt/Ts
介质中折射率的变化如图1所示,声波在一个周期T内,介质将两次出现疏密层,且在波节处密度保持不变,因而折射率每隔半个周期(T/2)在波腹处变化一次,即由极大值变为极小值,或由极小值变为极大值,在两次变化的某一瞬间介质各部分折射率相同,相当于一个不受超声场作用的均匀介质.
若超声频率(即加在调制器上的信号频率)为fs时,则声光栅出现或消失的次数为2fs,因而调制光的频率为2fs(为超声频率的二倍).

图1
2 声光作用
按照超声波频率和声光介质厚度的不同,将声光作用可以分为两种类型,即喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射.
①喇曼-奈斯衍射
在超声波频率较低,且声光介质的厚度L又比较小的情况下,当激光垂直于超声场的传播方向入射到声光介质中时,将产生明显的喇曼-奈斯声光衍射现象,如图2所示.在这种情况下,超声光栅类似于平面光栅,当光通过时,将产生多级衍射,而且各级衍射的极大值对称分布在零级条纹的两侧,其强度依次递减.
图2 图3
设超声波波长为λs,波矢量Ks指向x正方向,而入射光波矢量Ki指向y轴正方向,两者呈正交(如图3所示).
当应变较小时,并暂时略去时间t的依赖关系,则折射率随空间位置x的变化关系为:
n(x)=n0-ΔnsinKsx
由于介质的折射率发生周期性变化,所以会对入射光束的相位进行调制.出射的光波已不再是平
面波,其等相面是一个由n(x)决定的皱折曲面.其各级极大值的衍射角θ应满足公式:
λssinθ=±mλ
式中λs为超声波波长;λ为入射光波长.
其各级衍射的光强值为:
Im=Jm2(v) v=2π/λΔnL
上式中Jm2(v)为m阶贝塞尔函数;v表示由于折射率变化Δn而引起的被调制光束的相位变化.
②布喇格衍射
当超声波频率较高,且声光介质较厚时,入射光线以一定角度(θi)入射,则产生布喇格声光衍射(如图4所示).布喇格声光衍射的衍射光不是对称分布的,当光以某一特定角度入射时,较高阶衍射可以忽略,只出现零级和+1级或-1级(视入射光方向而定)衍射光.若能合理选择参数,超声波足够强,可使入射光能量较集中地转移到零级和+1级(或-1级)衍射极大值上.因而光束能量可以得到充分的利用,获得较高的效率.
图4

当光束以入射角θi射入声光介质中时,由镜面产生反射,而衍射光干涉,极大值应满足条件:
Δ=mλ(m=0,±1,±2……).

2λssinθB=λ 式中θB称为布喇格角.
只有入射角θi满足上式的入射光波,才能在θi=θd方向上得到衍射极大值.这个式子通常称为布喇格衍射公式.
可以证明,当入射光强为Ii时.布喇格衍射的零级与1级的衍射光强可分别表示为:
I0=Iicos2v/2 I1=Iisin2v/2
式中 v=2π/λΔnL
是光波穿过厚度为L的超声场所产生的相位延迟.
3 声光调制器
声光调制器是由声光介质,电声换能器,吸声(或反射)装置及驱动电源等组成.
而作为声光调制器来说,无论属于哪种类型(喇曼-奈斯型衍射或布喇格型衍射),调制器都有两种工作方式,一种是将零级光束作为输出;另一种是将1级衍射光束作为输出.当声波振幅随着调制信号改变时,各级衍射光的强度也将随之发生相应变化.若将某一级衍射光和为输出,利用光阑将其它衍射级遮拦,则从光阑孔出射的光束就是调制光.所以,如果用频率为f的信号电压加在电声换能器上,由此在声光介质中形成超声场的频率为fs,当光波通过该调制器时,将产生一个频率为2fs的调制光.
声光调制的应用
气体激光,特别是氩离子激光,由于离子跃迁的特殊性,频域参量几乎完全随即变化,表现为各模式幅度的剧烈起伏和随机消失,给锁模技术带来一定困难,采用调制作用较强的铌酸锂石英,声光调制系统,能够实现氩离子激光锁模,获得亚毫微秒超短激光脉冲.这种锁模氩离子激光已用于同步泵浦环形染料激光器.
_声光锁模器实质上是频率非常稳定的超声驻波与激光束相互作用的一种声光调制器.如果声光锁模器的调制频率与激光腔的纵模频率间隔完全相等,这样激光腔的各个纵横便受到周期性的调制并保持相同的相位.经过不断耦合,激光器的输出就是一系列脉宽极窄的规则脉冲序列.
声光调制的发展
随着激光技术的发展,声光调制的应用越来越多的拓展到各个行业当中.
预(光)刻伺服磁道技术的研究,利用激光微斑记录特性使磁盘存储器的道密度得到大幅提高,而在预(光)刻伺服录写装置中,一个重要的任务就是对激光束进行光强调制集光脉冲调制.而通常采用的既是声光调制.
激光印刷机中,激光束的偏转调制器就是应用声光调制布拉格衍射原理实现的.利用高频驱动电路可以产生高频电振荡,通过超声转换能器形成超声波,通过快速控制超声波,实现声光器件调制激光束的目的.
在军事上,它也有广泛应用.例如一种新式探测器:雷达波谱分析器.空军飞行员可以利用它分析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方跟踪.外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频,放大后,驱动声光调制器,产生超声波,当外来信号变化时,超声波长也变化,衍射光的角度也变化,反映在二极管列阵上,我们可以很容易的识别敌方雷达信号