光电子技术(第四章1)3浅析.ppt

第四章 光波的调制 第1项光通讯专利是贝尔1880年的“光话机”，用光束实现了几百米的可见光传送语音。他写到：“我听到光线的笑声、咳嗽和歌唱声”，预言“在科学世界里，将远比电话、留声机和麦克风更有意义” 光纤之父——高锟 1966年，高锟发表了论文《光频率的介质纤维表面波导》，因此获2009年诺贝尔物理学奖。1933年生于上海，父亲律师；15岁移居香港，中学后到伦敦大学，直到获电子工程博士学位。在英国国际电话电报公司期间，先后任工程师、研究员和实验室主管，发表了关于光纤的论文。1987年任香港中文大学校长，直到1996年退休。 通信技术的进步主要是：数字化、微处理器程控交换技术、光纤传输技术、LAN、ISDN、蜂窝移动无线通信、ATM等方面。 今天，三大关键技术是：微电子技术、软件控制技术和光通信技术。 用光波传递信息时，首先需要把信号调制到光波上再传递 光调制 将信号加载到光波上，或改变光强、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。 4.1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 一、调制的分类 1. 按调制与光源的关系分：直接调制、外调制。 A. 内调制：信号直接作用在光源上，以改变光源的输出特性（光强或频率），输出光包含待传信息。 如：a. 信号控制半导体激光器的偏置电流，使光强随信号变化； b.调制元件放在激光谐振腔内，用信号控制调制元件以改变谐振腔，从而改变光频。 优点：简单； 不足：调制速率受载流子寿命及高速率下的性能退化的限制（如频率啁啾等）。 光源内调制 用于半导体激光器或半导体发光二极管。 模拟信号的内调制 直接用语音或图像等模拟量控制LED的注入电流，使LED输出光功率跟随模拟信号变化。 为使调制光信号减少失真，应适当选择偏置电流在线性区。 内调制电路 三极管提供LED注入电流。 信号从A输入，三极管集电极电流随模拟量而变，LED的注入电流随模拟信号变化，输出光功率就随模拟量变化，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 光通信所传信号是“0”、“1”数字信号。 用LED调制时，可按下图1不设置偏置电流；用LD调制，则应按图2来偏置电流。 数字内调制电路 简单的LED数字信号调制电路: 一级共发射极晶体管调制电路。信号由A接入，晶体管做饱和开关，集电极电流就是LED注入电流。 B. 外调制: 光源输出恒定光波，在谐振腔外的光路上放置调制器，将信号加载到调制器上：信号→外场微扰→材料光学参数变化→光强、偏振、频率、方向、位相变化→实现光调制。 该法不涉及光源内部结构，可用优良的光源和调制器，应用广泛；又称间接调制。 优点：调制性能好，适合高速率； 不足：需要调制器，结构复杂。 内调制的不足：在高码速下光源的性能变坏，如光源动态谱线展宽，色散增，限制了传输容量。因此，高码速时常用外调制。 激光外调制器 光波导调制器 a）LiNbO3光波导调制器 光通信的调制器主要是LiNbO3光波导调制器：用电光效应对相位、强度或偏振态进行调制，常见的是Mach-Zehnder干涉型行波电极强度调制器。 特点：速度高，频率啁啾小。 b) 硅基光波导调制器 用硅晶体的电光效应对光信号进行调制。但硅的电光效应十分微弱，下图是硅绝缘体（SOI）电光调制器结构图。 2. 按调制光波的参数分 调幅和调频的组合 4.2.1振幅调制 调制前： 调制后： 光强： 4.2.2强度调制 调制前： 调制后： 振幅调制的特点： 振幅是线性调制，光强是二次调制函数。 如果调制信号f(Q)有周期性(常如此)，振幅调制后的解调信号含谐波成分，有干扰和失真 强度调制的特点 能够实现线性解调； 使用中极易实现（如对光源进行调制）。 振幅、强度调制的不足： 易受干扰，如光源波动、光信道的漂移等。 强度调制一般用在精度不高的场合。 抗干扰措施 参考通道法: 从参考通道提取光干扰信息，再从主信道中扣除 二次调制法: 将信号调制成与振幅无关的形式，如频率、脉宽等；再用经调频的电信号对光波强度调制；解调时通过限幅放大，当光强干扰不超限时，干扰的影响较小。 4.2.3频率及相位调制 调制前： 频率调制： 相位调制： 讨论 PM和FM均是对光载波的相位进行调制，不能直接反映在光强上。须将相位变化转化成光强变化，主要是与参考光干涉解调（相干探测，见第五章）。 特点： 抗干扰强（抗振幅、光强波动） 灵敏度高 动态范围大 不足：系统成本高，需要高质量的光源（相位抖动或波长漂移小），环境因素会引入错误信息。 实现调制的物理基础 A、