光電調(diào)制實驗報告

1、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院實驗報告課程名稱實驗項目專業(yè)班級 姓名 學(xué)號指導(dǎo)教師 成績 日期 年 月 日、實驗?zāi)康?掌握晶體電光調(diào)制的原理和實驗方法；2觀察電光調(diào)制實驗現(xiàn)象，并測量電光晶體的參數(shù)；3實現(xiàn)模擬信號光通訊。二、實驗儀器電光調(diào)制電源組件、光接收放大器組件、激光器組件、光纖準(zhǔn)直鏡、電光調(diào)制晶體組件、起偏 器組件、檢偏器組件、數(shù)字示波器等。三、實驗原理1. 一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟?式表示：2n = no + aE o +bEo + （1）式中a和b為常數(shù)，no為不加電場時晶體的折射率。由一次項aEo引起折射率變化

2、的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾（Pokells）效應(yīng)；由二次項 bEo2引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同， 振動方向的關(guān)系。光的折射率 在主軸坐標(biāo)中，折射率光在各向異性晶體中傳播時，圖1也不同。如圖1,通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、 折射率橢球及其方程為：折射率橢球式中nn2、橢球的形狀、大小、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場后, 方位都

3、發(fā)生變化，橢球方程變成2222nn 門22 n2z2yz 2xz 2xy2 2 2 2 133n23n13n12縱向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種。向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*p （磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO 3 （鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)， 用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。2. 電

4、光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因為激光實際上只起到了 “攜帶”低頻信號的作用， 所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、 調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式， 但激光調(diào)制多采用強度調(diào)制。強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之

5、所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制 器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電 光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。下面我們來具體介紹一下這兩種調(diào)制原理和典型的調(diào)制器（1）KDP晶體縱調(diào)制設(shè)電光晶體是與 xy平行的晶片，沿z方向的厚度為L，在z方向加電壓（縱調(diào)制），在輸入端 放一個與x方向平行的起偏振器，入射光波沿 z方向傳播，且沿x方向偏振，射入晶體后，它分解 、 、 一 成方向

6、的偏振光（圖2），射出晶體后的偏振態(tài)表示為：首先進行坐標(biāo)變換，得到xy坐標(biāo)系內(nèi)瓊斯矩陣的表達式：為:n re儼）、i-1 b日2）丿如果在輸出端放一個與ycos（ f/2）-isin 2）丿平行的檢偏振器，就構(gòu)成泡克耳斯盒由檢偏器輸出的光波瓊斯矩陣'0 0 V兀。（7）式表示輸出0 1（isin （I；2）丿 Lsin （口2 ）丿其中:為兩個本征態(tài)通過厚度為L的電光介質(zhì)獲得的相位差，由于光波是沿y方向的線偏振光，其光強為（7）I 打（1心“2 二V2V。I。為光強的幅值，當(dāng)V = V時1二1°.z向切割的KD*P晶體兩端膠合上透明電極在玻璃基底上蒸鍍透明導(dǎo)電膜，就構(gòu)成透明電

7、極，>80%90%），膜層KD*P調(diào)制器前后上KD*P感生主軸 、，其快、慢軸方向分上式說明光強受到外加電壓的調(diào)制，稱振幅調(diào)制， 圖3為泡克耳斯盒（振幅型縱調(diào)制系統(tǒng)）示意圖，ITOi、IT0 2，電壓通過透明電極加到晶體上去膜層材料為錫、銦的氧化物，膜層厚度從幾十微米到幾百微米，其透明度高（ 的面電阻?。◣资畾W姆）。在通光孔徑外鍍鉻，再鍍金或銅即可將電極引線焊上。為一對互相正交的起偏振鏡 P與檢偏振鏡（分析鏡）A, P的透過率極大方向沿 的角平分線。在 KD*P和A之間通常還加相位延遲片Q （即四分之一波片）別與、相同。圖3泡克耳斯盒P，起偏振器；Q，四分之一波片；A，檢偏振器；ITO，

8、透明電極由于入射光波預(yù)先通過四分之一波片移相，因而有丄 1-cos廠02 -0=T'.2加上預(yù)置的相位'0后，工作點移到調(diào)制曲線的中點附近，使線性大大改善（8）.泡克耳斯盒的特性曲線見圖4.其輸出隨著外電壓的加大而加大， 如果在電極間加交變電壓V =Vm sin表明有更多的能量從X-偏振態(tài)轉(zhuǎn)移到y(tǒng)-偏振態(tài)中去則光強的透過率1 1Tsini fmsini 】t2 21J2k 12k=02 s|n 2k 1 沁(10)式中J2k 1 z為2k+1階貝塞爾函數(shù),(11)r-m不大時(即調(diào)制電壓幅度較低時)(12)，(10)式近似表為 msin 't2圖4線性電光效應(yīng)振幅調(diào)制器

9、的特性曲線可見系統(tǒng)的輸出光波的幅度也是正弦變化，稱正弦振幅調(diào)制。圖4表示振幅型電光調(diào)制器(amplitude electro-optic modulator)的特性曲線。圖中P 為輸入光信號的功率，P(t)為輸出光信號的功率，R(t)/ R(t)即器件的透過率。V(t)為調(diào)制電壓?？梢钥闯?/4波片的作用相當(dāng)于工作點偏置到特性曲線中部線性部分，在這一點進行調(diào)制效率最高，波形失真小。如不用波片r(0=0)，輸出信號中只存在二次諧波分量。對于He-Ne激光，KDP的半波電壓為= 8.971 103V.如果用KD*P (磷酸二氘鉀)，V二=3.448 10V，調(diào)制電壓仍相當(dāng)高，給電路的制造帶來不便。

10、常常用環(huán)狀金屬電極代替透明電極，但電場方向在晶體中不一致，使透過調(diào)制器的光波的消光比下降。（7）式表明縱調(diào)制器件的調(diào)制度近似為-m ,與外加電壓振幅成正比， 而與光波在晶體中傳播的距離（即晶體沿光軸 z的厚度L,又稱作用距離）無關(guān)。這是縱調(diào)制的重要特性。縱調(diào)制器也有一 些缺點。首先，大部分重要的電光晶體的半波電壓v二都很高。由于V二與.成正比，當(dāng)光源波長較長時（例如10.6卩m） , V兀更高，使控制電路的成本大大增加，電路體積和重量都很大。其次，為 了沿光軸加電場，必須使用透明電極，或帶中心孔的環(huán)形金屬電極。前者制作困難，插入損耗較大;后者引起晶體中電場不均勻。解決上述問題的方案之一，是采用

11、橫調(diào)制。圖5為橫調(diào)制器示意圖。電極D、D2與光波傳播方向平行。外加電場則與光波傳播方向垂直。我們已經(jīng)知道，電光效應(yīng)引起的相位差】正比于電場強度 E和作用距離L（即晶體沿光軸z的厚度）的乘積EL E正比于電壓 V,反比于電極間距離 d,因此d（14）對一定的】，外加電壓 V與晶體長寬比L/d成反比，加大L/d可使得V下降。電壓 V下降不僅使 控制電路成本下降、而且有利于提高開關(guān)速度。12鈮酸鋰晶體具有優(yōu)良的加工性能及很高的電光系數(shù)，33=30.8 10 m/V，常常用來做成橫調(diào)制器。鈮酸鋰為單軸負晶體，有nx = ny = n廠2.297,山二您2.2°8令電場強度為E - Ez，代入

12、方程（6-14）得到電場感生的法線橢球方程式:其中或?qū)懽?丄Wo坷3Ez (x2+y2)+丄十Y E233匚3e2 2 2nx ny nzn。13Eznz "A3 33Ezz2=1,(15)(16)(17)(18)應(yīng)注意在這一情況下電場感生坐標(biāo)系和主軸坐標(biāo)系一致，仍然為單軸晶體，但尋常光和非常光的折射率都受到外電場的調(diào)制。設(shè)入射線偏振光沿xz的角平分線方向振動，兩個本征態(tài)x和z分量的折射率差為1 33nx - nZ = ( no ne(no 13 - ne，33 )E2 。當(dāng)晶體的厚度為 L,則射出晶體后光波的兩個本征態(tài)的相位差為2 二,2 -, 2 二 n： 13 -世 33 nx

13、-nz Lno -ne L2EL 0 0 0 2上式說明在橫調(diào)制情況下，相位差由兩部分構(gòu)成：晶體的自然雙折射部分 射部分（式中第二項）。通常使自然雙折射項等于 n /2的整倍數(shù)。橫調(diào)制器件的半波電壓為， （20）（式中第一項）及電光雙折"Ln； 33 打；13(21)我們用到關(guān)系式E=V/d。由上式可知半波電壓 V二與晶體長寬比L/d成反比。因而可以通過加大器件的長寬比L/d來減小V二。°很敏的函數(shù)。在輸出的偏振元件透光軸上這一對正交偏振分量重新疊加， 制，這是典型的偏振光干涉效應(yīng)。（3）改變直流偏壓對輸出特性的影響U輸出光的振幅被外加電壓所調(diào)當(dāng)U°2、Um<

14、;<U二時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖6 （a）所示，此時,可獲得較高效率的線性調(diào)制，把u?？?代入（18 ）式，得橫調(diào)制器的電極不在光路中，工藝上比較容易解決。橫調(diào)制的主要缺點在于它對波長感，°稍有變化，自然雙折射引起的相位差即發(fā)生顯著的變化。當(dāng)波長確定時（例如使用激光），這一項又強烈地依賴于作用距離L。加工誤差、裝調(diào)誤差引起的光波方向的稍許變化都會引起相位差的明顯改變，因此通常只用于準(zhǔn)直的激光束中。或用一對晶體，第一塊晶體的x軸與第二塊晶體的z軸相對，使晶體的自然雙折射部分（16式中第一項）相互補償，以消除或降低器件對溫度、入射方向的敏感性。有時也用巴比涅一索勒

15、爾（Babinet-Soleil ）補償器，將工作點偏置到特性曲線的線性部分。迄今為止，我們所討論的調(diào)制模式均為振幅調(diào)制，其物理實質(zhì)在于：輸入的線偏振光在調(diào)制晶體中分解為一對偏振方位正交的本征態(tài)，在晶體中傳播過一段距離后獲得相位差由于Um<< U二時1T 21兀U()si n tU二,即2兀，兀T® (4 2Umsin t)1 cos(2 Um si nt)2 U 二1 二2 1 si n(U Um si n t)(22)U 二這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的,我們稱為線性調(diào)制。輸出信號不失真,當(dāng)Uo 、Um<<U二時，如

16、圖6 ( b)所示，把U° 代入(20)式2T =sin ( U mSin，t)2U 二12i0S(UUmSin't)4 JUmgS2 cos2w t(24)從上式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把Uo =U二代入(20)式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得(1 -cos2，t)(25)即TxC0S23 t，輸出信號仍是“倍頻”失真的信號。(a)b)(晶體調(diào)制曲線直流偏壓U 0在0伏附近或在 真。U二附近變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將失UUo 二U當(dāng)2 , Um>：時，調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求

17、。因此，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。(4)用入/4波片進行光學(xué)調(diào)制上面分析說明電光調(diào)制器中直流偏壓的作用主要是在使晶體中x',y'兩偏振方向的光之間產(chǎn)生固定的位相差，從而使正弦調(diào)制工作在光強調(diào)制曲線上的不同點。直流偏壓的作用可以用入/4波片來實現(xiàn)。在起偏器和檢偏器之間加入入/4片，調(diào)整入/4波片的快慢軸方向使之與晶體的x',y'轉(zhuǎn)動波片可使電光晶體處于不同的工作點上。軸平行，即可保證電光調(diào)制器工作在線性調(diào)制狀態(tài)下，四、實驗內(nèi)容與步驟1.調(diào)節(jié)光路和觀察晶體錐光干涉圖樣1mm準(zhǔn)直激光器開機預(yù)熱 5-10分鐘。按照“晶體的電光調(diào)制實驗裝配圖”擺放實

18、驗器件。調(diào)鏡水平，固定可變光闌的高度和孔徑， 使出射光在近處和遠處都能通過可變光闌。 其它器件依次放 入光路，并保持與激光束同軸等高。將晶體與電光調(diào)制箱連接，注：晶體沒有正負極。打開開關(guān),調(diào)制切換選擇“內(nèi)調(diào)”。圖7晶體的電光調(diào)制實驗裝配圖650澈光器電源叫維謝宵架+lmm準(zhǔn)百偏振片電光晶體波片偏按片探測器電光誠制箱揚聲器然錐的方并 穿移走1/4波片和電光晶體，利用單軸晶體錐光干涉圖來調(diào)節(jié)激光沿晶體光軸入射。采用光學(xué)調(diào) 節(jié)方法使激光與每一個光學(xué)元件及晶體同軸等高，讓激光束通過各光學(xué)元件的中心和晶體的軸心。 固定起偏器于某個位置（如 0°，旋轉(zhuǎn)檢偏器使其輸出消光（起偏器與檢偏器的偏振軸方

19、向垂直） 由于晶體的不均勻性，在檢偏振片后面放置白屏可看到一個弱光點， 后緊靠晶體光輸入端放一張鏡頭紙，這時在白屏上可觀察到單軸晶體的 光干涉圖樣，如圖 8所示，一個暗十字圖貫穿整個圖，四周為明暗相間 同心干涉圓環(huán)；十字形中心同時也是圓環(huán)的中心，它對應(yīng)著晶體的光軸 向，十字形方向?qū)?yīng)于兩個偏振片的偏振軸方向。在調(diào)節(jié)過程中要反復(fù)微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點位置重合，盡可能使圖樣對稱、完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心圖8錐光干涉過。然后耐心、仔細地調(diào)節(jié)晶體使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸，拍攝該錐光干涉圖。光路調(diào)節(jié)好后，鎖緊滑動座固定各部件，并在后面實驗中保持光路

20、不變。 2、觀察電光調(diào)制現(xiàn)象將示波器 CH1與探測器接通，則可觀測到解調(diào)出來的內(nèi)置波形信號，適當(dāng)調(diào)整“調(diào)制幅度”和“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕，使波形不失真。適當(dāng)旋轉(zhuǎn)光路中的偏振片和4波片，得到最清晰穩(wěn)定波形。將示波器的CH2與電光調(diào)制箱的“信號監(jiān)測”連接，則可直接得到內(nèi)置波形信號（正弦波信號），與解調(diào)出來的波形信號作對比（注：內(nèi)置波形信號為正弦波信號，解調(diào)出來的波形是有毛刺的正弦波，可通過數(shù)字示波器調(diào)節(jié)將兩個信號波形重合）。3、測量調(diào)制曲線和半波電壓（1）倍頻法：晶體加直流電壓，從零開始逐步增大直流電壓，觀察解調(diào)信號波形的倍頻失真，相鄰兩次倍頻失真對應(yīng)的直流電壓之差即為半波電壓u二。具體方法是：按圖29

21、-4連線，信號源“音頻選擇”開關(guān)撥至“模擬”，正弦波的輸出幅度盡可能調(diào)大。直流電壓 V0 = 0 （關(guān)閉高壓開光），緩慢調(diào)節(jié)晶體的微調(diào)螺桿，調(diào)高示波器的垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度（最高為2 mV/格），當(dāng)示波器觀察到的解調(diào)信號波形頻率是調(diào)制，記V1,開高壓開光，從零開始逐步增大直流電壓，當(dāng)調(diào)信號頻率第二次出現(xiàn)倍頻失真時，拍攝調(diào)制信號與解調(diào)信號波形，記下直流電壓 V2。由V2V1得到半波電壓 V，并與式（29-8）計算的V理論值比較，計算相對誤差。將光路上的探測器換成功率計，打開電光調(diào)制開關(guān)（正弦調(diào)制開關(guān)一定要處于關(guān)閉狀 態(tài)），加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大，加在晶體上的電壓有電源面板上的數(shù)字表 讀出，

22、每隔 20V記錄一次功率計上面的讀數(shù)，將數(shù)據(jù)填入表，作出調(diào)制曲線。求出半波電壓U二。（輸出的光強將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰的極小值和極大值對應(yīng)的直流電壓之差即使半波電壓U二）（2）用4波片改變工作點，觀察輸出特性關(guān)閉晶體的直流電壓，在晶體和偏振片之間放入1/4波片。繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)1/4波片，當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸x; y 方向時，輸出光線性調(diào)制；當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的X、y軸時，輸出光出現(xiàn)“倍頻”失真。1/4波片旋轉(zhuǎn)一周，將出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次倍頻失真，拍攝線性調(diào)制和倍頻失真時調(diào)制信號與解調(diào)信號波形。晶體加直流偏壓和采用1/4波片均可改變電光調(diào)制器的工作點和得到相同的調(diào)制效果，但兩種方法的調(diào)制機理不同，用1/4波片可免去高壓電源，電路更簡單4、音頻信號的電光調(diào)制與解調(diào)（1 ）將mp3音源于電光調(diào)制實驗箱的“外部輸入”連接，調(diào)制切換選擇“調(diào)外”。（2 ）將探測器與揚聲器連接，此時可通過揚聲器聽到MP3中播放的音樂。適當(dāng)調(diào)整“調(diào)制幅度”和“高壓調(diào) 節(jié)”旋鈕，旋 轉(zhuǎn)光路中 的偏振片和4波片，使音 樂最清晰。（注意MP3不夠電時，要及時充電。）改變加在晶體上的直流電壓或旋轉(zhuǎn)1/4波片，觀察音樂音量和音質(zhì)的變化。用不透明物擋住激光，則音樂停止