[激光原理与应用-38]：《光电检测技术-5》- 光学测量基础 - 光调制

Posted 2022-12-16 文火冰糖的硅基工坊

目录

一、光调制概述

1.1 什么是光调制

1.2 激光的光调制方法

1.3 光调制的调制

二、直接调制法

三、腔内调制法

3.1 被动调制：

3.2 主动调制：

四、腔外调制法

五、新型光调制

5.1 基于强度调制

5.2 基于相位调制

5.3 基于偏振调制

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一、光调制概述

1.1 什么是光调制

光调制技术就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上的一种调制技术。

光调制能够使光波的某些参数（如振幅、频率、相位、偏振状态和持续时间）等按一定的规律发生变化。其中实现光调制的装置称为光调制器。

光调制过程本质上就是对极化方向上的单位矢量、振幅、载波频率和相位中的一种或多种参量进行调制。研究的主要调制方式有偏振位移调制键控（PoLSK）、幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。

1.2 激光的光调制方法

光调制的方法主要分为直接调制、腔内调制和腔外调制三种。

1.3 光调制的调制

（1）模拟调制

通过某种方式，用模拟量信号来控制光信号的某些参数（如幅度或强度）

（2）数字调制

通过某种方式，用数字量信号（0或1）来控制光信号的某些参数（如幅度或强度），用光信号的某些参数来标识0或1

（3）脉冲调制 (开关调制）

通过某种方式，来控制光信号的输出脉冲

二、直接调制法

外加调制信号直接控制激光器的泵浦源（如控制半导体激光器的注入电流上），通过控制泵浦源电流的变化，从而控制激光的某些参量变化，从而实现光调制。

三、腔内调制法

腔内调制是通过改变激光器的参数（如增益、谐振腔Q值或光程等）而实现的，

主要用于Q开关、腔测空、锁模等技术。

腔内调制又分为被动式与主动式两类。

3.1 被动调制：

此类调制利用某些吸收波长与激光波长一致的可饱和吸收体(如染料)的非线性吸收特性，把一个染料盒置于激光腔内可以构成一个被动式Q开关,开关时间一般为10～10秒。

这种方法比较简单、经济，但开关时间不能精确控制。此外，染料的寿命较短。

采用恢复吸收率的驰豫时间短的染料溶液可以实现激光器的锁模工作，获得10～10秒的超短脉冲。

3.2 主动调制：

包括机械调制、电光调制、声光调制和磁光调制等。

（1）机械调制：

通过机械变化，引起激光光强的变化，从而实现对激光的控制与调制。

• 旋转法

利用放在腔内的高速旋转体，如反射镜或全反射棱镜来控制光学谐振腔的Q值（光路损失）变化，可以实现Q调制。

这种调制方法简单，插入损耗低，有较高的抗破坏能力，但开关速度低（～0.1微秒）,需要使用高速马达。在腔外用高速旋转的开缝转盘很容易制成光斩波器，实现光强的低频调制。

• 微弯效应

微弯损耗强度调制器的原理如图。

当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。

（2）光电调制

利用某些晶体、液体或气体在外加电场（电压）作用下折射率发生变化的现象进行调制。

电光调制分为线性电光调制和平方电光调制两种。

（3）声光调制 （AOM)

利用光在声场中的衍射现象（发散、不聚合）进行调制。

当声波传入到介质中时，介质中存在着疏密波，介质的折射率也相应地发生周期性的变化，形成以声波波长值为常数的等效相位光栅。当光束以一定的角度入射到此介质中时，光束即发生衍射。衍射光的强度、频率和方向都随声场的变化而变化。这样，就可以实现光束的调制和偏转。声光衍射可分为喇曼-奈斯衍射和布喇格衍射两种。后者衍射效率高,常被采用。声光调制器通常由电声换能器、声光介质和吸声装置组成。

Q驱动器+晶体就是一种声光调制器。

声光调制具有驱动功率低、光损耗小、消光比高等优点。

（4）磁光调制

线偏振光通过具有法拉第效应的介质时在磁场作用下，其偏振面发生旋转。利用这种效应也可进行光调制。磁光调制所用材料有钇铁石榴石、掺镓钇铁石榴石和重火石玻璃等。由于材料透明波段的限制，磁光调制主要用于红外波段。

四、腔外调制法

只改变腔外光波参数，而不影响激光振荡本身的一种调制方法，

主要用于光偏转、扫描、隔离、调相、调幅和斩波等方面。

腔外调制一般都采用主动方式。

五、新型光调制

当前新型光调制格式可以按照其信息承载的对象分为三类：

（1）基于强度调制原理的OOK系列，

（2）基于相位调制原理的PSK系列，

（3）基于偏振调制原理的PoLSK系列。

此外，虽然也提出了光信号的频率调制技术，但由于光信号的频率极高，此调制方式仅限于短距离传输试验中。 

5.1 基于强度调制

此类光调制格式是通过调制器，将传输的信息调制在光信号的幅度A上，在接收端通过检测幅度A的变化解调出所传输的信息。二进制非归零开关键控调制（Non Return to Zero，简称NRZ）即属于这一类型，但由于NRZ本身固有的缺陷，使其不适合超长WDM传输系统。因此研究人员通过改变NRZ的调制波形、功率谱、啁啾或相位等方式，来提高调制信号的性能，使其适合超长WDM传输。

5.2 基于相位调制

此类光调制格式是通过调制器，将传输的信息调制在光信号的相位上，主要可分为两大类：一是接收是需要本地相干光源的相干PSK解调，另一类是接收时不需要相干光源的差分PSK调制。相干PSK调制格式在20世纪末被人们认为是一种很有潜力的调制格式，但由于技术和工艺限制，以及掺饵光纤放大器（EDFA）等光放大器的出现，相干PSK调制已经逐步退出了人们的视野。

5.3 基于偏振调制

此类光调制格式由于技术过于新颖，在国际上还没有太多的研究，它是通过调制器，将传输的信息调制在光信号的偏振态上。所提出的基于偏振调制的新型光调制格式主要有双二进制偏振位移键控调制格式和比特间插偏振调制格式两类。