空間光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)空間光調(diào)制發(fā)射技術(shù)第四章通信與導(dǎo)航專業(yè)系列教材01空間光信號的產(chǎn)生及傳輸特性光通信對光源的要求現(xiàn)有系統(tǒng)一般對于光束的要求為小于10μrad,所以高功率的光源必須以衍射極限光束為輸出。典型激光器發(fā)射功率如表4-1所示。激光(LASER)一詞是“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的首字母縮寫，是以激光形成的主要物理過程，即受激輻射光放大來命名的。激光是繼原子能和半導(dǎo)體之后，在20世紀(jì)60年代初期迅速發(fā)展起來的又一項(xiàng)重大的新技術(shù)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著人類對光波(光子)的掌握和利用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。激光的發(fā)光原理玻爾假說1913年，玻爾(Bohr)

以下述兩個(gè)基本假設(shè)為基礎(chǔ)，提出了一個(gè)解釋氫原子光譜的理論—玻爾理論。該理論開創(chuàng)了原子現(xiàn)象研究的先河，為原子結(jié)構(gòu)的量子理論奠定了基礎(chǔ)。(1)定態(tài)假設(shè)。原子中存在具有確定能量的定態(tài)，在這些定態(tài)中，電子繞核運(yùn)動不輻射也不吸收電磁能量。原子定態(tài)的能量是不連續(xù)的，是量子化的，只能取某些允許的分立數(shù)值E,

E?,

…,E。(2)躍遷假設(shè)。只有當(dāng)原子從具有較高能量En的定態(tài)躍遷到較低能量Em的定態(tài)時(shí)，才能發(fā)射一個(gè)能量為hv的光波。物質(zhì)是由原子、分子和離子等微觀粒子組成的，我們把這些微觀粒子通稱為原子。根據(jù)量子力學(xué)的結(jié)論，每個(gè)原子都處于一定的能量狀態(tài)之中，原子只能占據(jù)一些分立的能級。前面所說的原子能級，是指原子可能具有的能級。在某一時(shí)刻，一個(gè)原子只能處于某一能級。但是，物質(zhì)中含有的原子數(shù)是相當(dāng)?shù)摹ＡＷ訑?shù)正常分布在普朗克于1900年用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律，以及玻爾于1913年提出了原子中電子運(yùn)動狀態(tài)量子化假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦從光量子概念出發(fā)，于1917年重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式，并在《關(guān)于輻射的量子理論》論文中，首次提出了兩個(gè)極為重要的概念：自發(fā)輻射和受激輻射。幾十年后，受激輻射在激光技術(shù)中得到了應(yīng)用。光與物質(zhì)的共振相互作用自發(fā)輻射處于高能級E?

的原子是不穩(wěn)定的，即使在沒有任何外界作用的情況下，也有可能自發(fā)地躍遷到低能級E1并發(fā)射一個(gè)頻率為v、能量為hv=E?-E?

的光波，這種過程稱為自發(fā)輻射，如圖4-3(a)所示。受激輻射處于高能級E?

的原子，在頻率為v、能量為hv=E的外來光波的激勵(lì)下，受激躍遷到低能級E1,并發(fā)射一個(gè)能量為hv且與外來激勵(lì)光波處于同一光波態(tài)的光波，這兩個(gè)光波可以誘發(fā)其他發(fā)光原子，產(chǎn)生更多狀態(tài)相同的光波。這樣，在一個(gè)入射光波的作用下，可以產(chǎn)生大量運(yùn)動狀態(tài)相同的光波，這種過程稱為受激輻射，如圖4-3(b)所示。受激吸收受激吸收是受激輻射的反過程。處于低能級E?

的原子，在頻率為v、能量為hv=E?-E?

的外來光波的激勵(lì)下，吸收一個(gè)能量為hv的光波并受激躍遷到高能級E2,這種過程稱為受激吸收，如圖4-3(c)所示。要產(chǎn)生激光首先要滿足兩個(gè)必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式數(shù)，要形成穩(wěn)定的激光輸出還必須滿足閾值和相位兩個(gè)充分條件。1)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布2)減少振蕩模式數(shù)激光產(chǎn)生的條件當(dāng)激光工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布時(shí)，激光工作物質(zhì)處于激活狀態(tài)，光在此物質(zhì)中傳播時(shí)，會獲得放大作用。也就是說，原子系統(tǒng)

一旦實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，就變成了增益介質(zhì)，對外來的光而言就變成了放大器。激光工作物質(zhì)激光器的輸出特性1)輸出功率2)輸出模式在分析激光器的輸出時(shí)發(fā)現(xiàn)，它是由許多獨(dú)立的頻率分量組成的。這些獨(dú)立的頻率分量稱為模式。準(zhǔn)確地講，它是指能在腔內(nèi)存在的、穩(wěn)定的光波基本形式。所謂穩(wěn)定包含下列含

義：有確定的頻率；振幅在空間的相對分布是確定的，不隨時(shí)間改變而改變；相位在空間的相對分布是確定的，不隨時(shí)間改變而改變。激光與普通光源相比，具有許多優(yōu)良的性能，總的來說，主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。1.方向性2.單色性3.相干性4.亮度激光的傳輸特性以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的激光器稱為半導(dǎo)體激光器。它具有體積小、成本低、輸出功率大、效率高、泵浦容易、易于調(diào)制、易于集成，工作速度快和波長范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器是光纖通信的重要光源，在激光通信、光纖通信、光存儲、激光打印、測距和制導(dǎo)等方面有著廣泛的應(yīng)用。就激光器數(shù)量而言，它已成為國際市場上占有率最高的激光器。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的工作原理下面以注入式同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器為例，說明它的工作原理。所謂“同質(zhì)結(jié)”是指PN結(jié)由同一種材料的P型和N型構(gòu)成。例如，由P-GaAs和N-GaAs構(gòu)成的PN結(jié)為同質(zhì)結(jié)。“注入式”是一種泵浦方式，即靠注入電流來激勵(lì)工作物質(zhì)的泵浦方式。其他三種泵浦方式是電子束激勵(lì)、光激勵(lì)和碰撞電離激勵(lì)。同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器存在的最大問題是難以得到低閾值電流和實(shí)現(xiàn)室溫下連續(xù)工作。為

此，在同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)上發(fā)展了異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器，從而大大提高了半導(dǎo)體激光器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器光纖激光器光纖激光器是由摻雜某些稀土元素的光纖和光反饋元件(通常是反射鏡或光纖光柵)構(gòu)

成的。在泵浦光作用下，摻雜光纖介質(zhì)產(chǎn)生受激輻射，并形成激光振蕩，工作波長為0.4～4μm。光纖激光器在開始發(fā)展階段，發(fā)射功率比較低。但近幾年，高功率、高亮度多模半導(dǎo)體激光

器的改進(jìn)和包層泵浦光纖技術(shù)的發(fā)展，使得高功率光纖激光器得到了快速發(fā)展，在工業(yè)加工、

印刷、打標(biāo)、軍事、醫(yī)療和通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。YAG激光器作為一種固體激光器，發(fā)射單模光并具有高的頻率穩(wěn)定性和光譜穩(wěn)定性，線寬一般低于50kHz,光束發(fā)散角一般為0.1°,在國外衛(wèi)星光通信系統(tǒng)中應(yīng)用也比較普遍，德國SOLACOS(SolidStateLaserCommunicationinSpace)系統(tǒng)其中一個(gè)終端采用1064nm的YAG激光器，意大利用二極管泵浦Nd:YAG激光器進(jìn)行了相關(guān)探測技術(shù)的研究，奧地利開展了半導(dǎo)體激光器泵浦Nd:YAG激光器外差傳輸研究。

YAG激光器02光輻射調(diào)制原理激光是一種光頻電磁波，與無線電波相似。用激光作為傳遞信息的載體，首先需要解決的問題是如何將信息加載到激光輻射。這種將欲傳遞的信息加載到激光輻射的過程稱為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中，激光只起載攜低頻信號的作用，稱為載波；起控制作用的低頻信號，稱為調(diào)制信號；被調(diào)制的激光，稱為調(diào)制光。原理振幅調(diào)制調(diào)幅波頻譜是由三項(xiàng)頻率分量組成的，第一項(xiàng)是載頻分量，第二及第三項(xiàng)是因調(diào)制而產(chǎn)生的新分量，稱為邊頻分量，如圖4-26所示。上述分析是單余弦信號調(diào)制的情況。如果調(diào)制信號是一個(gè)復(fù)雜的周期信號，則調(diào)幅波頻譜將由載頻分量和兩個(gè)邊頻帶組成。強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制使光載波的強(qiáng)度(光強(qiáng))隨調(diào)制信號的變化而變化，如圖4-27所示。由于光接收器(探測器)一般都直接響應(yīng)其所接收到的光信息的強(qiáng)度變化，所以激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制。脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制是用間歇的周期性脈沖序列作為載波，并使載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法，即先用模擬調(diào)制信號對一電脈沖序列的某參量(幅度、寬度、頻率、位置等)進(jìn)行電調(diào)制，使之按調(diào)制信號的規(guī)律變化，成為已調(diào)脈沖序列，如圖4-28所示，然后再用已調(diào)脈沖序列對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，就可以得到相應(yīng)變化的光脈沖序列。脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制把模擬信號先變成電脈沖序列，進(jìn)而變成代表信號信息的二進(jìn)制編碼，再對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。要實(shí)現(xiàn)脈沖編碼調(diào)制，必須進(jìn)行三個(gè)過程：抽樣、量化和編碼。(1)抽樣。抽樣就是把連續(xù)的信號波分割成不連續(xù)的脈沖波，用一定周期的脈沖序列來表示，且脈沖序列的幅度與信號波的幅度相對應(yīng)。(2)量化。量化就是把抽樣后的脈沖幅度調(diào)制波進(jìn)行分級取“整”處理，用有限個(gè)數(shù)的代表值取代抽樣值的大小。(3)編碼。編碼是把量化后的數(shù)字信號變換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼的過程。03電光調(diào)制電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是電光效應(yīng)，即某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，其傳播特性會受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)已被廣泛用來實(shí)現(xiàn)對光波(相位、頻率、偏振態(tài)和強(qiáng)度等)的控制，并做成各種光調(diào)制器件、光偏轉(zhuǎn)器件和電光濾波器件等。本節(jié)旨在分析外加電場如何引起晶體的光學(xué)性質(zhì)變化，以及如何利用這一性質(zhì)進(jìn)行光調(diào)制。定義光波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律受到介質(zhì)折射率分布情況的制約，而折射率的分布又與其介電常量密切相關(guān)。理論和實(shí)驗(yàn)均證明：晶體介質(zhì)的介電常量與晶體中的電荷分布有關(guān)，當(dāng)在晶體上施加電場之后，將引起束縛電荷的重新分布，可能導(dǎo)致離子晶格的微小形變，其結(jié)果將引起介電常量的變化，最終導(dǎo)致晶體折射率的變化，所以折射率成為外加電場E的函數(shù)。電光效應(yīng)電致折射率變化對電光效應(yīng)的分析和描述有兩種方法：一種是電磁理論方法，但數(shù)學(xué)推導(dǎo)相當(dāng)煩瑣；另一種是幾何圖形——折射率橢球體方法，這種方法直觀、方便，故通常都采用這種方法。晶體未外加電場時(shí)，在主軸坐標(biāo)系中，折射率橢球由以下方程描述下面分析電光效應(yīng)如何引起晶體中傳播光束的相位延遲。在實(shí)際應(yīng)用中，KDP電光晶體總是沿著相對光軸的某些特殊方向切割而成的，而且外電場也是沿著某一主軸方向加到晶體上的，常用的有兩種方式：一種是電場方向與光束在晶體中的傳播方向平行，稱為縱向電光效應(yīng)；另一種是電場方向與光束在晶體中的傳播方向垂直，稱為橫向電光效應(yīng)。電光相位延遲縱向電光效應(yīng)仍以KDP

電光晶體為例進(jìn)行分析，沿晶體z

軸外加電場后，其折射率橢球體截面如圖4-30所示。如果光波沿z

軸方向傳播，則其雙折射特性取決于橢球體與垂直于z軸的平面相交所形成的橢圓。橫向電光效應(yīng)仍以KDP電光晶體為例，如果沿z軸方向外加電場，光束傳播方向垂直于z軸并與y

(或x)軸成45°,則這種方式一般采用y

(或x)軸繞z軸旋轉(zhuǎn)45°切割晶體，如圖4-32所示。電光強(qiáng)度調(diào)制就是根據(jù)光波在電光晶體中的傳播特性實(shí)現(xiàn)光束調(diào)制的。從電光相位延遲的討論中看到，外加電壓的改變，會引起兩個(gè)偏振方向的相位差的改變，從而使電矢量在空間的振動方向隨之變化。這種特性可以被用來控制光波的某些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制。利用電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制。下面以KDP電光晶體為例，討論電光調(diào)制的基本原理和電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)。電光強(qiáng)度調(diào)制縱向電光調(diào)制縱向電光強(qiáng)度調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖4-33所示。KDP電光晶體置于兩個(gè)正交的偏振器之間，其中，起偏器P?的偏振方向平行于KDP電光晶體的x軸，檢偏器P?的偏振方向平行于KDP電光晶體的y軸。當(dāng)沿晶體z軸方向外加電場后，KDP電光晶體的感應(yīng)主軸x和y將分別旋轉(zhuǎn)到與原主軸x和y成45°的夾角方向。為改善調(diào)制器的性能，在KDP電光晶體和檢偏器之間插入一塊2/4波片。橫向電光效應(yīng)的運(yùn)用可以分為以下3種形式。(1)沿z軸方向外加電場，通光方向垂直于z軸，并與x軸或y軸成45°夾角(晶體為45°z

切割)。(2)沿x軸方向外加電場(電場方向垂直于z軸),通光方向垂直于x軸，并與z軸成45°夾角(晶體為45

°x切割)。(3)沿y軸方向外加電場(電場方向垂直于z軸),通光方向垂直于y軸，并與z軸成45°夾角(晶體為45

°y切割)。橫向電光調(diào)制電光相位調(diào)制圖4-37是電光相位調(diào)制原理圖，電光相位調(diào)制器由起偏器和KDPy,縱向運(yùn)用的電光晶體組成。外電路對調(diào)制帶寬的限制調(diào)制帶寬是電光調(diào)制器的一個(gè)重要參量，晶體的電光效應(yīng)本身不會限制電光調(diào)制器的頻率特性，因?yàn)榫w的諧振頻率可以達(dá)到1THz(1012Hz),因此，電光調(diào)制器的調(diào)制帶寬主要受其外電路參數(shù)的限制。電光調(diào)制器的等效電路如圖4-38所示，Vs為信號源電壓，Rs為信號源內(nèi)阻。KDP電光晶體在相互平行的一對界面上加上平板電極后，構(gòu)成一個(gè)平板電容器，其電容量是Co?？紤]到晶體的導(dǎo)電率o≠0,晶體還可以等效成一個(gè)電阻Ro。F-P電光調(diào)制器為了用較小的調(diào)制電壓獲得較大的調(diào)制頻率，可以將晶體置于F-P腔內(nèi)。在晶體兩端鍍上具有高反射率的介質(zhì)膜，就構(gòu)成了一個(gè)F-P反射腔，成為F-P電光調(diào)制器，如圖4-42所示。行波調(diào)制器為了消除光波在晶體中渡越時(shí)間長對調(diào)制頻率的限制，可采用行波調(diào)制器，如圖4-45所示。其原理是調(diào)制電場通過傳輸線以行波形式加到晶體上，光波在晶體中傳播的相速度與電場前進(jìn)速度一致，光波波前在通過整個(gè)晶體過程中將感受到與它在輸入端面相同的瞬態(tài)電場，從而達(dá)到消除渡越時(shí)間影響的目的。由于在大多數(shù)傳輸線中高頻電場主要是橫向分布的，所以行波調(diào)制通常采用橫向調(diào)制。電光開關(guān)利用電光強(qiáng)度調(diào)制的原理，可以制作各種類型的電光開關(guān)。電光開關(guān)是一種利用脈沖電信號控制光路接通或斷開的元件，其開關(guān)頻率可達(dá)109～1012Hz。這種速度是任何機(jī)械式快門都無法比擬的，因此在激光技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。電光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)與電光調(diào)制器類似，如圖4-46所示。電光偏轉(zhuǎn)器如圖4-48所示的光楔就可以由幾何形狀產(chǎn)生這種光程變化。04聲光調(diào)制與磁光調(diào)制介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的變化，不僅可以通過外加電場的作用實(shí)現(xiàn)，外力的作用也能夠造成折射率的改變。這種由于外力作用引起的介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。聲波是一種彈性波(縱向應(yīng)力波),在介質(zhì)中傳播時(shí)，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，使得折射率也隨之發(fā)生變化。由于聲波的作用引起的介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)，聲光效應(yīng)是彈光效應(yīng)的一種類型。聲光效應(yīng)聲光相互作用的兩種類型光穿越聲波傳播的介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生衍射。按照聲波頻率的高低及聲波和光波作用長度的不同，聲光相互作用(聲光衍射)可以分為拉曼-奈斯(Raman-Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍射兩種類型。1.拉曼-奈斯(Raman-Nath)衍射當(dāng)超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射(垂直于聲場傳播方向)。2.布拉格(Bragg)衍射當(dāng)聲波頻率較高，聲光作用長度L較大。聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等組成的，如圖4-59所示。聲光偏轉(zhuǎn)器從聲光衍射理論的分析中可以看到，當(dāng)聲波頻率發(fā)生變化時(shí)，滿足布拉格衍射條件的衍射角也會發(fā)生變化，即光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖4-63

(a)所示。圖4-63

(b)表示動量改變情況。聲光Q開關(guān)利用介質(zhì)中的超聲場對光的衍射效應(yīng)，控制光束在激光諧振腔中的方向，使光束偏離出腔外，造成腔內(nèi)損耗增大，Q值降低，激光振蕩不能形成，起到“Q開關(guān)”的作用。在光泵激勵(lì)下，其上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將不斷積累并達(dá)到飽和，若此時(shí)突然撤除超聲場，聲光Q開關(guān)聲光頻譜分析器通過布拉格衍射可實(shí)現(xiàn)對射頻信號的頻譜分析，這是布拉格聲光偏轉(zhuǎn)器的一種變相應(yīng)用，其原理圖如圖4-65所示。聲光衍射效應(yīng)可用于制作波長可調(diào)諧的光譜濾波器。因?yàn)椴祭裱苌錀l件是光波長λ及聲波長s

的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)改變聲頻(聲波長)時(shí)，對應(yīng)衍射效率最大的光波長將隨之改變，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波。由于采用電子學(xué)方法改變聲頻在技術(shù)上簡單易行，因此用聲光原理制作的聲光可調(diào)諧濾波器較純光學(xué)濾波器更易于在較大光譜范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧。聲光可調(diào)諧濾波器旋光現(xiàn)象當(dāng)線偏振光沿光軸方向通過某些天然介質(zhì)時(shí)，它的偏振面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象稱為天然旋光現(xiàn)象，如圖4-68所示。磁場也能影響某些物質(zhì)的光學(xué)性能。有些晶體本來不具有旋光性質(zhì)，但在磁場作用下卻可表現(xiàn)出旋光性質(zhì)，這種人為的旋光現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)包括法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、克爾效應(yīng)和磁雙折射效應(yīng)等。其中最主要的是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，它與置于磁場中介質(zhì)折射率的變化有關(guān)。法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)磁光調(diào)制器磁光調(diào)制器的組成如圖4-70所示，工作物質(zhì)(YIG棒或摻Ga的YIG棒)置于激光的傳輸光路上，它的兩端放置有起偏器和檢偏器，在環(huán)繞在YIG棒上的高頻螺旋線圈中通以與調(diào)制信號電壓成正比的電流I。磁光信息處理磁光效應(yīng)的另一個(gè)重要用途是用于計(jì)算機(jī)的大容量外存，目前已有不同類型的光盤問世，且已有商品出售，其工作原理簡述如下。1)信息的寫入，如圖4-71所示。2)信息的讀出，如圖4-72