電光調制與聲光調制原理和應用領域

調制種類和各種調制原理

將傳輸的信息加載于激光輻射的過程稱為激光調制。光調制指的是使光信號的一個或幾個特征參量按被傳送信息的特征變化，以實現信息檢測傳送目的的方法。光調制可分為強度調制、相位調制、偏振調制、頻率和波長調制。下面將分別介紹各種調制的原理和方法。

光強度調制

光強度調制是以光的強度作為調制對象，利用外界因素使待測的直流或緩慢變化的光信號轉換成以某一較快頻率變化的光信號，這樣，就可采用交流選頻放大器放大，然后把待測的量連續測量出來。

光相位調制

利用外界因素改變光波的相位，通過檢測相位變化來測量物理量的原理稱為光相位調制。光波的相位由光傳播的物理長度、傳播介質的折射率及其分布等參數決定，也就是說改變上述參量即可產生光波相位的變化，實現相位調制。

光偏振調制

利用偏振光振動面旋轉，實現光調制最簡單的方法是用兩塊偏振器相對轉動，按馬呂斯定理，輸出光強為 I=I₀cos²α，式中I₀為兩偏振器主平面一致時所通過的光強；α為兩偏振器主平面間的夾角。

頻率和波長調制

利用外界因素改變光的頻率或光的波長，通過檢測光的頻率或光的波長的變化來測量外界的物理量的原理，稱為光的頻率和波長調制。

電光調制

利用電光效應實現的調制叫電光調制。電光調制的物理基礎是電光效應，即是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，其傳輸特性就受到影響而改變。調制晶體是電光調制器的核心部件，它按一定的方向加工成圓柱體或長方形體狀。

電光調制器利用電光效應工作的光調制器，將信息加載于激光的過程稱之為調制，完成這一過程的裝置稱為調制器，其中激光稱為載波；起控制作用的低頻信息稱為調制信號，電光調制屬于外調制，即在激光器外的光路中進行調制。目前光通訊領域所用的電光調制器大多是鈮酸鋰材料做得光波導強度調制器。

電光調制的分類

電光調制按其調制的性質可以分為調幅、調頻、調相及強度調制等。

• 振幅調制：就是使載波的振幅隨著調制信號的規律而變化的震蕩，簡稱調幅；
• 調頻和調相：頻率調制和相位調制，就是光載波的頻率或者相位隨著調制信號的變化規律而改變的震蕩，因為這兩種調制波都表現為總相角ψ(τ)的變化，因此統稱為角度調制。
• 強度調制：就是光載波的強度（光強）隨調制信號規律而變化的激光震蕩。

激光調制通常多采用強度調制形式，這是因為接收器（探測器）一般都是直接的響應其所接收的光強度變化的緣故。

圖1是典型的電光強度調制器示意圖，電光晶體(例如KDP晶體)放在一對正交偏振器之間，對晶體實行縱向運用，則加電場后的晶體感應主軸x1′、x2′方向，相對晶軸x1、x2方向旋轉45°，并與起偏器的偏振軸P1成45°夾角。

圖1縱向電光強度調制器示意圖（電光晶體KDP）

通過計算得到檢偏器輸出的光強I與通過起偏器輸入的光強I0之比為

當光路中未插入1/4波片時，上式的j即是電光晶體的電光延遲。且

所以

稱

為光強透過率(%)， 它隨外加電壓的變化如圖2所示 I0

圖2光強透過率隨外加電壓變化圖

如果外加電壓是正弦信號

則透過率為

該式說明，一般的輸出調制信號不是正弦信號，它們發生了畸變，如圖2中曲線 3所示。如果在光路中插入1/4波片，則光通過調制器后的總相位差是(π/2+φ)，因此有

工作點由O移到A點。在弱信號調制時，

，

上式可近似表示為

可見，當插入1/4波片后，一個小的正弦調制電壓將引起透射光強在50%透射點附近作正弦變化，如圖2中的曲線4所示。 從而實現了輸出調制信號相對于輸入信號的線性響應。

聲光調制

聲光調制的物理基礎是聲光效應，聲光效應是指光波在介質中傳播時，被超生波場衍射或散射的現象。介質的折射率周期變化形成折射率光柵時，光波在介質中傳播就會發生衍射現象，衍射光的強度、頻率和方向等將隨著超生場的變化而變化。聲光調制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程，調制信號是以電信號（調幅）形式作用于電-聲換能器上，將相應的電信號轉化成超聲場，當光波通過聲光介質時，由于聲光作用，使光載波受到調制而成為“攜帶”信息的強度調制波。聲光調制器是由聲光介質，電-聲換能器，吸聲（或反射）裝置及驅動電源等組成。

超聲波是一種彈性波，當它通過介質時，介質中的各點將出現隨時間和空間周期性變化的彈性應變。由于彈光效應，介質中各點的折射率也會產生相應的疏密周期性變化。這樣聲光介質在超聲波的作用下，就變成了一個等效的相位光柵，當光通過有超聲波作用的介質時，相位就要受到調制，其結果如同它通過一個衍射光柵，光柵間距等于聲波波長，光束通過這個光柵時就要產生衍射，這就是聲光效應。衍射光的強度、頻率和方向將隨超聲波而變化。聲光調制器就是利用這一原理而實現光束調制或偏轉的。

聲波在介質中傳播分為行波和駐波兩種形式，行波所形成的聲光柵其柵面是在空間移動的。介質折射率的增大和減小是交替變化的，并且以超聲波的速度向前推進。介質中折射率的變化如圖3所示，在聲光介質中，兩列相向而行的超聲波（其波長、相位和振幅均相同）產生疊加，在空間將形成超聲駐波。聲駐波形成的聲光柵在空間是固定的。聲波在一個周期T內，介質將兩次出現疏密層，且在波節處密度保持不變，因而折射率每隔半個周期（T/2）在波腹處變化一次，即由極大值變為極小值，或由極小值變為極大值，在兩次變化的某一瞬間介質各部分折射率相同，相當于一個不受超聲場作用的均勻介質。

圖3介質中折射率隨超聲波的變化圖

按照超聲波頻率的高低和介質中聲光相互作用長度的不同，由聲光效應產生的衍射有兩種常用的極端情況：拉曼—奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格衍射。衡量這兩類衍射的參量是

式中，L是聲光相互作用長度；λ是通過聲光介質的光波長； λs是超聲波長。當Q≤0.3時，為拉曼—奈斯衍射。當Q≥4π時，為布拉格衍射。而在0.3<Q<4π的中間區內，衍射現象較為復雜，通常的聲光器件均不工作在這個范圍內。

1.拉曼－奈斯衍射

在超聲波頻率較低，且聲光介質的厚度L又比較小的情況下，當激光垂直于超聲場的傳播方向入射到聲光介質中時，將產生明顯的拉曼－奈斯聲光衍射現象，如圖4所示。在這種情況下，超聲光柵類似于平面光柵，當光通過時，將產生多級衍射，而且各級衍射的極大值對稱分布在零級條紋的兩側，其強度依次遞減。

圖4拉曼－奈斯衍射圖

假設頻率為Ω的超聲波是沿x1方向傳播的平面縱波，波矢為Ks，則如圖4所示，在介質中將引起正弦形式的彈性應變 相應地將引起折射率橢球的變化，聲光介質在超聲波作用下，折射率沿x1方向出現了正弦形式的增量，因而聲光介質沿x1方向的折射率分布為

如果光通過這種折射率發生了變化的介質， 就會產生衍射。 根據理論分析，各級衍射光的衍射角θ滿足如下關系：

相應于第m級衍射的極值光強為

式中，I_i是入射光強，

V=2Π(?n)Mλ表示光通過聲光介質后， 由于折射率變化引起的附加相移，Jm(V)

是第m階貝塞爾函數， 由于

所以，在零級透射光兩邊，同級衍射光強相等，這種各級衍射光強的對稱分布是拉曼－奈斯型衍射的主要特征之一。相應各級衍射光的頻率為ω+mΩ，即衍射光相對入射光有一個多普勒頻移。 超聲駐波的情況

在光電子技術的實際應用中，聲光介質中的超聲波可能是一個聲駐波，在這種情況下，介質中沿x1方向的折射率分布為 n(x1,t)=n0+(Δn)MsinΩtsin Ksx1 光通過這種聲光介質時，其衍射極大的方位角θ仍滿足

λssinθ=mλ m=0, ±1, …

各級衍射光強將隨時間變化，正比于J2m(VsinΩt)，以2Ω的頻率被調制。這一點是容易理解的:因為聲駐波使得聲光介質內各點折射率增量在半個聲波周期內均要同步地由“+”變到“-”， 或由“-”變到“+”一次， 故在其越過零點的一瞬間， 各點的折射率增量均為零，此時各點的折射率相等， 介質變為無聲場作用情況， 相應的非零級衍射光強必為零。此外，理論分析指出，在聲駐波的情況下，零級和偶數級衍射光束中， 同時有頻率為ω,ω±2Ω，ω±4Ω，… 的頻率成分;在奇數級衍射光束中，則同時有頻率為ω±Ω,ω±3Ω，… 的頻

率成分。

2．布拉格衍射

在實際應用的聲光器件中，經常采用布拉格衍射方式工作。 布拉格衍射是在超聲波頻率較高，聲光作用區較長，光線與超聲波波面有一定角度斜入射時發生的。 這種衍射工作方式的顯著特點是衍射光強分布不對稱，而且只有零級和+1或-1級衍射光，如果恰當地選擇參量，并且超聲功率足夠強，可以使入射光的能量幾乎全部轉移到零級或1級衍射極值方向上。 因此， 利用這種衍射方式制作的聲光器件，工作效率很高。

圖5布拉格衍射圖

布拉格衍射光強

由光的電磁理論可以證明，對于頻率為ω的入射光， 其布拉格衍射的±1級衍射光的頻率為ω±Ω， 相應的零級和1級衍射光強分別為

式中，V是光通過聲光介質后，由折射率變化引起的附加相移。 可見，當V/2=π／2I0=0,I1=Ii。這表明，通過適當地控制入射超聲功率可以將入射光功率全部轉變為1級衍射光功率。根據這一突出特點，可以制作出轉換效率很高的聲光器件。

電光調制器EOM種類

電光調制器有很多種，根據不同的標準可以分成不同的類別：

? 根據電極結構不同，EOM可以分為集總參數調制器和行波調制器；

? 根據波導結構不同，EOM可以分為Mach-Zehnder干涉式強度調制器和定向耦合式強度調制器；

? 根據通光方向與電場方向的關系，EOM可以分為縱向調制器和橫向調制器。縱向電光調制器具有結構簡單、工作穩定（與偏振無關），不存在自然雙折射的影響等優點，其缺點是半波電壓太高，特別在調制頻率較高時，功率損耗比較大；KDP晶體橫向電光調制的主要缺點是存在自然雙折射引起的相位延遲，可采用“組合調制器”的結構予以補償。

LN電光波導相位調制器結構示意圖

M-Z干涉儀波導調制器結構示意圖

定向耦合式強度調制器結構示意圖

聲光與電光技術的應用

一、聲光技術的應用

1、聲光技術在信號處理中的應用

隨著微電子技術的發展，要求信號處理系統具有實時并行處理的能力。數字信號處理技術雖然發展迅速，但在實現并行處理方面也受到一定的局限性。而唯有光學系統具有高度的并行處理能力和特有的寬帶性能。因此本質上就具有并行處理能力的光學和具有高效率換能器的結合——聲光器件就顯示出了巨大的優勢，聲光器件能夠在高密度的信號環境中實現多通道瞬時并行快速處理，并越來越多地應用的軍事領域，如敵方信號的無源攔截與分析，雷達信號處理，擴頻通信和數據傳輸等領域。

聲光信號在信號處理中的應用分為兩大類，即在頻域和時域中的應用。聲光信號處理在頻域領域通過頻譜分析和傅立葉變換來實現。在時域里通過信號的卷積和相關來實現。

2、聲光技術在光計算領域的應用

早在上一世紀60年代，人們就開展了光計算的探索研究。由于受到科學技術發展水平的制約，在研究光計算元器件方面并沒有明顯的進展。隨著模擬聲光信號處理的成功，以及聲光器件本身的并行處理能力，同時還具有大的時間帶寬積等特點，因此利用聲光器件就有可能實現對信號的并行快速處理能力。因此適合用于各種聲光代數處理器，以及各種新型聲光邏輯元件。

由于聲光布拉格衍射光的強度為輸入光強度與衍射效率之積，因此可以利用聲光器件實現乘法運算。把其中的一個乘數的電信號加入到聲光壓電換能器上，于是在聲光介質中就會產生一個可動的聲學衍射光柵，其衍射效率正比于驅動信號強度，而代表另一乘數的電信號則用來調制光源，則光源輸出光強度正比于該乘數。當光束按布拉格角入射到聲光池時，就與聲光發生互作用，產生衍射光。此衍射光的強度正比于入射光強度與衍射效率之積，因此它代表了了個乘數之積。若采用多路聲光器件和多路激光輸入，則可同時完成多路乘法，因此，利用聲光布拉格池作為信號處理器，在本質上具有并行處理和流水線的特點，具有高速并行處理能力。其缺點是輸出的可分辨點數受到聲光布拉格池的時間帶寬積的限制。

利用聲光布拉格池可以實現矩陣-矢量乘法，矩陣-矩陣乘法，三重矩陣積，求矩陣本征值等基本代數運算。可以用來求解線性方程組和微分方程等。人們已經提出了各種不同的代數處理器，如：

• 單換能器聲光矩陣乘法器
• 多換能器聲光矩陣乘法器
• 數字聲光精密矩陣乘法器
• 系數聲光乘法器
• 用于求解線性代數方程組的并行聲光脈動處理器
• 用于求解三角線性代數方程組的并行聲光脈動處理器

3、聲光技術在軍事領域的應用

聲光器件在軍事上也有廣泛應用，利用聲光技術制作的雷達波譜分析器，可以使外來的雷達信號與本機內半導體激光器產生的振蕩信號經混頻，放大后，驅動聲光調制器，產生超聲波，當外來信號變化時，超聲波長也變化，衍射光的角度也變化，反映在二極管列陣上，從而識別敵方雷達信號。同時，各種新型結構的聲光器件，如時間積分以及混合時間、空間、頻率多路復用的聲光相關器的出現，大大拓展了聲光相關器的能力及靈活性。

4、聲光技術在其他領域的應用

隨著激光技術、光通信技術、光學傳感等利用激光技術進行測量技術的飛速發展，聲光器件在上述領域的應用越來越廣泛。

聲光器件在激光領域的應用主要是利用聲光作用對激光束的調制和偏轉控制來實現激光束的快掃描。聲光器件具有無機械振動，高速和壽命長的特點，缺點是沒有電光器件調制速度快。但聲光器件具有溫度穩定性高，消光比大等優點。因此聲光器件廣泛應用于激光記錄，測量和顯示等領域。如激光大屏幕顯示，激光傳真，激光打印等，此外在激光技術中還利用聲光器件調Q，鎖模作用來實現激光的調Q及鎖模，以獲得高功率的超短脈沖。

在光通訊和光纖傳感技術中，主要利用聲光器件的移頻作用實現相干光通訊和干涉性光纖傳感，是光線陀螺等高靈敏度，高精度光纖傳感器中的關鍵器件。其突出的優點是把聲光互作用和光纖相結合，做成光纖聲光器件。

近年來，聲光器件以其性能優越、品種繁多，逐步形成是具有突出特點的新型光電子器件。其中，聲光調制器、Q開關、鎖模器、移頻器、偏轉器、可調濾光器、超聲流量計等在不同領域得到快速發展和廣泛應用。其中根據報道，利用聲光技術的新型激光精密照排機，使照排速度更快，照排精度更高，操作功能更強，在印刷排版業有良好的應用前景。

二、電光技術的應用

利用電光效應對光束進行調制的過程稱為電光調制，電光調制技術的在二十世紀六十年代，人們已經利用電光效應進行光束調制和偏轉，現以在光掃描、光存儲、光顯示等領域中有廣泛的應用。

1、電光調制在光通信中的應用

通信系統是將用戶的信息(例如語言、圖像和數據等)?利用電光調制到載送信息的載波上，然后經傳播介質將載有信息的載波傳送到接收方，接收方再用解調的手段，從載有信息的載波中將接收方所需的用戶信息取出。光通信是以光作為載波，以大氣或光纖作為傳輸介質，通過調制使用戶信息加載于光波上，接收方由光接收器鑒別并還原成原來的信息。同聲光調制一樣，電光調制屬于外調制。

激光器發射出去的光束是一種不載有任何信息的連續光波，這種光波經過電光調制器，可以使一個隨時間變化的電信號轉換成光信號，經大氣或光纖傳至光接收機。由于外調制方法不需要使用半導體器件組成的驅動電路，其調制速率不受器件工作速率的限制，因此，調制速率比內調制的調制速率要高出一個數量級，對光源的影響也小。而且采用外調制方法有利于使用集成光路技術制造集成光發射機，在未來的高速率、大容量的光纖通信中具有廣闊的發展前景。

電光調制方法的優點

在于：時間響應快，反應靈敏，可做高速電光開關；除光源和電源外，其它部分可集中裝在一個小盒里，尺寸較小。但工作電壓過大，對器件性能參數要求較高，在一定程度上限制了它的應用范圍。

2、電光調制在激光調Q中的應用

激光調Q是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發射，從而使光源的峰值功率可提高幾個量級。這種強的相干輻射光與物質相互作用，會產生一系列具有重大意義的新現象和新技術，是進行科學研究以及激光測距、激光雷達、高速全息照相等應用技術的重要光源。

利用晶體的電光效應，可以做成電光Q開關調制器，其工作過程為：YAG晶體在氙燈的光泵下發射自然光，通過偏振器后，變成沿X方向的線偏振光，若電光晶體上未加調制電壓，光沿軸線方向(光軸)?通過晶體，其偏振狀態不發生變化，經全反射鏡反射后，再次通過調制晶體和偏振器。電光Q開關處于“打開”狀態。如果在調制晶體上施加π/4電壓，由于電光效應，沿X方向的線偏振光通過調制晶體后，兩分量之間便產生π/2的相位差，經全反射鏡反射再次通過調制晶體，又會產生π/2的相位差，往返一次共產生π相位差，合成后得到沿Y方向的線偏振光，無法通過偏振器，電光Q關處于“關閉”狀態。因此，如果在氙燈剛開始點燃時，事先在調制晶體上加上λ/?4?電壓，使諧振腔處于“關閉”的低Q值狀態，阻斷激光振蕩的形成。等到激光上能級反轉的粒子數累積到最大值時，突然撤掉晶體上的λ/4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態，產生雪崩式的激光振蕩，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。電光調Q具有開關時間短(約10-9s)，效率高，調Q時刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄(10～20?ns)?，峰值功率高(幾十MW以上)等優點，是目前應用較廣的一種調Q技術。

3、電光調制在激光測距中的應用

常用的激光測距可分為連續波激光測距和脈沖激光測距兩種。He-Ne激光器發出的連續光，經過電光調制器，其光強度受到調制，它的兩個峰值之間的間隔，正好是電振蕩的半個波長。調制光射向設置有反射鏡的目標，反射回來的光被專門的接收器所接收，測出在此路程中有多少個半波長及其余數，即可得出目標的距離。脈沖激光測距則是利用經過電光調Q的激光器對目標發射一個或一系列很窄的光脈沖，測量光脈沖到達目標再由目標返回接收機的時間，由此計算出目標的距離。連續波激光測距發射功率低，測距大多數用于合作目標。脈沖激光測距發射功率高，測距能力強，精度高，目前軍用的大部分都是脈沖激光測距儀。主要用于地形測量、戰場前沿測距，坦克及火炮的測距，測量云層、飛機、導彈以及人造衛星的高度等。