光電調(diào)制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 專業(yè)班級(jí) 姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 成績(jī) 日 期 年 月 日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法；2.觀察電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并測(cè)量電光晶體的參數(shù)； 3.實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)光通訊。 二、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理1.一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場(chǎng)所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶?chǎng)引起的折射率的變化用下式表示：n = n0 + aE0 +bE02+ （1）式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場(chǎng)時(shí)晶體的折射率。由一次

2、項(xiàng)aE0 引起折射率變化的效應(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(xiàng)bE02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(duì)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。光在各向異性晶體中傳播時(shí)，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動(dòng)方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來(lái)描述折射率與光的傳播方向、振動(dòng)方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為: （2）圖 1 折射率橢球式中n1、n2、n3為橢球三個(gè)主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場(chǎng)后，

3、折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成 （3）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?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場(chǎng)方向與光在晶體里傳播的方向平行時(shí)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(chǎng)方向與光在晶體里傳播方向垂直時(shí)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)，LiNbO3（鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)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(cè)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(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。2.電光調(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(hào)

4、加到激光輻射上去的問(wèn)題，我們把信息加載于激光輻射的過(guò)程稱為激光調(diào)制，把完成這一過(guò)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(guò)程則稱為解調(diào)。因?yàn)榧す鈱?shí)際上只起到了“攜帶”低頻信號(hào)的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號(hào)是我們所需要的，稱為調(diào)制信號(hào)，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(wú)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(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場(chǎng)振幅的平方比例于調(diào)制信號(hào)，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的

5、光強(qiáng)度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)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(kāi)關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(lái)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(zhǎng)，在z方向加電壓（縱調(diào)制），在輸入端放一個(gè)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，它分解成 方向的偏振光（圖2），射出晶體后的偏振態(tài)表示為： (4) 圖2 首先進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到xy坐標(biāo)系

6、內(nèi)瓊斯矩陣的表達(dá)式： (5) 如果在輸出端放一個(gè)與y 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為： ， (6) 其中G為兩個(gè)本征態(tài)通過(guò)厚度為L(zhǎng)的電光介質(zhì)獲得的相位差，由于。（7）式表示輸出光波是沿y方向的線偏振光，其光強(qiáng)為。 （7）上式說(shuō)明光強(qiáng)受到外加電壓的調(diào)制，稱振幅調(diào)制，I0 為光強(qiáng)的幅值，當(dāng)圖3為泡克耳斯盒（振幅型縱調(diào)制系統(tǒng)）示意圖，z向切割的KD*P晶體兩端膠合上透明電極ITO 1、ITO 2，電壓通過(guò)透明電極加到晶體上去.在玻璃基底上蒸鍍透明導(dǎo)電膜，就構(gòu)成透明電極，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（>80%90%），膜層的面

7、電阻小(幾十歐姆)。在通光孔徑外鍍鉻，再鍍金或銅即可將電極引線焊上。KD*P調(diào)制器前后為一對(duì)互相正交的起偏振鏡P與檢偏振鏡（分析鏡）A，P的透過(guò)率極大方向沿KD*P感生主軸、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），其快、慢軸方向分別與、相同。P Q ITO1 ITO2 A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，透明電極 KD*P 電極引線 絕緣環(huán)由于入射光波預(yù)先通過(guò)四分之一波片移相，因而有 (8) 加上預(yù)置的相位后，工作點(diǎn)移到調(diào)制曲線的中點(diǎn)附近，使線性大大改善.泡克耳斯盒的特性曲線見(jiàn)圖4. 其輸出隨著外電壓的加大而加大，表明有更多的能

8、量從x-偏振態(tài)轉(zhuǎn)移到y(tǒng)-偏振態(tài)中去.如果在電極間加交變電壓 ， (9) 則光強(qiáng)的透過(guò)率 ， (10)式中為2k+1階貝塞爾函數(shù)，. (11)當(dāng)不大時(shí)（即調(diào)制電壓幅度較低時(shí)），（10）式近似表為圖4 線性電光效應(yīng)振幅調(diào)制器的特性曲線， (12)可見(jiàn)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。圖中為輸入光信號(hào)的功率，為輸出光信號(hào)的功率，/即器件的透過(guò)率。為調(diào)制電壓?？梢钥闯?/4波片的作用相當(dāng)于工作點(diǎn)偏置到特性曲線中部線性部分，在這一點(diǎn)進(jìn)行調(diào)制效率最高，波形失真小。如不用波片（=0），輸

9、出信號(hào)中只存在二次諧波分量。對(duì)于He-Ne激光，KDP的半波電壓為 （13）如果用KD*P（磷酸二氘鉀），調(diào)制電壓仍相當(dāng)高，給電路的制造帶來(lái)不便。常常用環(huán)狀金屬電極代替透明電極，但電場(chǎng)方向在晶體中不一致，使透過(guò)調(diào)制器的光波的消光比下降。(2)鈮酸鋰晶體橫調(diào)制(transverse modulation) (7)式表明縱調(diào)制器件的調(diào)制度近似為，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(wú)關(guān)。這是縱調(diào)制的重要特性。縱調(diào)制器也有一些缺點(diǎn)。首先，大部分重要的電光晶體的半波電壓都很高。由于與成正比，當(dāng)光源波長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)（例如10.6m），更高，使控制電路的成本大

10、大增加，電路體積和重量都很大。其次，為了沿光軸加電場(chǎng)，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(chǎng)不均勻。解決上述問(wèn)題的方案之一，是采用橫調(diào)制。圖5為橫調(diào)制器示意圖。電極D1、D2與光波傳播方向平行。外加電場(chǎng)則與光波傳播方向垂直。光波傳播方向外電場(chǎng)(強(qiáng)度為E)晶體圖5 橫調(diào)制我們已經(jīng)知道，電光效應(yīng)引起的相位差正比于電場(chǎng)強(qiáng)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 (14)對(duì)一定的 ，外加電壓V與晶體長(zhǎng)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(kāi)關(guān)速度。

11、 鈮酸鋰晶體具有優(yōu)良的加工性能及很高的電光系數(shù)，常常用來(lái)做成橫調(diào)制器。鈮酸鋰為單軸負(fù)晶體，有。 令電場(chǎng)強(qiáng)度為，代入方程（6-14）得到電場(chǎng)感生的法線橢球方程式： （15）或?qū)懽鳎?（16）其中， （17）。 （18）應(yīng)注意在這一情況下電場(chǎng)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(chǎng)的調(diào)制。設(shè)入射線偏振光沿xz的角平分線方向振動(dòng)，兩個(gè)本征態(tài)x和z分量的折射率差為。 （19）當(dāng)晶體的厚度為L(zhǎng)，則射出晶體后光波的兩個(gè)本征態(tài)的相位差為， （20）上式說(shuō)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(式中第一項(xiàng))及電光雙折射部分（式中第二項(xiàng)）。通常使自然雙

12、折射項(xiàng)等于/2的整倍數(shù)。橫調(diào)制器件的半波電壓為 ， (21)我們用到關(guān)系式E=V/d。由上式可知半波電壓與晶體長(zhǎng)寬比L/d成反比。因而可以通過(guò)加大器件的長(zhǎng)寬比L/d來(lái)減小。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(diǎn)在于它對(duì)波長(zhǎng)很敏感，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(zhǎng)確定時(shí)（例如使用激光），這一項(xiàng)又強(qiáng)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(huì)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(duì)晶體，第一塊晶體的x軸與第二塊晶體的z軸相對(duì)，使晶體的自然雙折射部分(16式中第一項(xiàng))相互補(bǔ)償，以消除或降低器件對(duì)溫度、入射方向

13、的敏感性。有時(shí)也用巴比涅索勒爾（Babinet-Soleil）補(bǔ)償器，將工作點(diǎn)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(shí)質(zhì)在于：輸入的線偏振光在調(diào)制晶體中分解為一對(duì)偏振方位正交的本征態(tài)，在晶體中傳播過(guò)一段距離后獲得相位差G，G為外加電壓的函數(shù)。在輸出的偏振元件透光軸上這一對(duì)正交偏振分量重新疊加，輸出光的振幅被外加電壓所調(diào)制，這是典型的偏振光干涉效應(yīng)。(3)改變直流偏壓對(duì)輸出特性的影響當(dāng)、Um<<時(shí)，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖6（a）所示，此時(shí)，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入（18）式，得 (22)由于Um<<時(shí) ,即 T

14、sint (23) 這時(shí)，調(diào)制器輸出的信號(hào)和調(diào)制信號(hào)雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號(hào)不失真，我們稱為線性調(diào)制。當(dāng)、Um<<時(shí)，如圖6（b）所示，把代入（20）式 即 Tcos2t (24)從上式可以看出，輸出信號(hào)的頻率是調(diào)制信號(hào)頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把代入（20）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得 （25）即Tcos2t，輸出信號(hào)仍是“倍頻”失真的信號(hào)。(a) (b)圖 6 晶體調(diào)制曲線直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時(shí)，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。當(dāng)，Um>時(shí)，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號(hào)調(diào)制的要求。因此，工作點(diǎn)雖

15、然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。(4)用/4波片進(jìn)行光學(xué)調(diào)制上面分析說(shuō)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(qiáng)調(diào)制曲線上的不同點(diǎn)。直流偏壓的作用可以用/4波片來(lái)實(shí)現(xiàn)。在起偏器和檢偏器之間加入/4片，調(diào)整/4波片的快慢軸方向使之與晶體的x,y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，轉(zhuǎn)動(dòng)波片可使電光晶體處于不同的工作點(diǎn)上。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.調(diào)節(jié)光路和觀察晶體錐光干涉圖樣激光器開(kāi)機(jī)預(yù)熱5-10分鐘。按照“晶體的電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝配圖”擺放實(shí)驗(yàn)器件。調(diào)1mm準(zhǔn)直鏡水平，固定可變光闌的高度和孔徑，使出射光在近處和遠(yuǎn)處都

16、能通過(guò)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(méi)有正負(fù)極。打開(kāi)開(kāi)關(guān)，調(diào)制切換選擇“內(nèi)調(diào)”。圖7 晶體的電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝配圖移走1/4波片和電光晶體，利用單軸晶體錐光干涉圖來(lái)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(gè)光學(xué)元件及晶體同軸等高，讓激光束通過(guò)各光學(xué)元件的中心和晶體的軸心。固定起偏器于某個(gè)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向垂直）。圖8 錐光干涉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(gè)弱光點(diǎn)，然后緊靠晶體光輸入端放一張鏡頭紙，這時(shí)在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖8所示

17、，一個(gè)暗十字圖貫穿整個(gè)圖，四周為明暗相間的同心干涉圓環(huán)；十字形中心同時(shí)也是圓環(huán)的中心，它對(duì)應(yīng)著晶體的光軸方向，十字形方向?qū)?yīng)于兩個(gè)偏振片的偏振軸方向。在調(diào)節(jié)過(guò)程中要反復(fù)微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點(diǎn)位置重合，并盡可能使圖樣對(duì)稱、完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過(guò)。然后耐心、仔細(xì)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(dòng)座固定各部件，并在后面實(shí)驗(yàn)中保持光路不變。2、觀察電光調(diào)制現(xiàn)象將示波器CH1與探測(cè)器接通，則可觀測(cè)到解調(diào)出來(lái)的內(nèi)置波形信號(hào)，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)光路中的偏振片和波

18、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(hào)監(jiān)測(cè)”連接，則可直接得到內(nèi)置波形信號(hào)（正弦波信號(hào)），與解調(diào)出來(lái)的波形信號(hào)作對(duì)比（注：內(nèi)置波形信號(hào)為正弦波信號(hào)，解調(diào)出來(lái)的波形是有毛刺的正弦波，可通過(guò)數(shù)字示波器調(diào)節(jié)將兩個(gè)信號(hào)波形重合）。3、測(cè)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(kāi)始逐步增大直流電壓，觀察解調(diào)信號(hào)波形的倍頻失真，相鄰兩次倍頻失真對(duì)應(yīng)的直流電壓之差即為半波電壓。具體方法是：按圖29-4連線，信號(hào)源“音頻選擇”開(kāi)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(kāi)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 m

19、V/格），當(dāng)示波器觀察到的解調(diào)信號(hào)波形頻率是調(diào)制信號(hào)的兩倍時(shí)，記下直流電壓V1，拍攝調(diào)制信號(hào)與解調(diào)信號(hào)波形。 保持光路不變，打開(kāi)高壓開(kāi)光，從零開(kāi)始逐步增大直流電壓，當(dāng)調(diào)信號(hào)頻率第二次出現(xiàn)倍頻失真時(shí)，拍攝調(diào)制信號(hào)與解調(diào)信號(hào)波形，記下直流電壓V2。由V2 - V1得到半波電壓V，并與式（29-8）計(jì)算的V理論值比較，計(jì)算相對(duì)誤差。將光路上的探測(cè)器換成功率計(jì)，打開(kāi)電光調(diào)制開(kāi)關(guān)（正弦調(diào)制開(kāi)關(guān)一定要處于關(guān)閉狀態(tài)），加在晶體上的電壓從零開(kāi)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，每隔20V記錄一次功率計(jì)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。（輸出的光強(qiáng)將會(huì)出現(xiàn)極小值和極大值，

20、相鄰的極小值和極大值對(duì)應(yīng)的直流電壓之差即使半波電壓）（2）用波片改變工作點(diǎn)，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、方向時(shí)，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(shí)，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(shí)調(diào)制信號(hào)與解調(diào)信號(hào)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(diǎn)和得到相同的調(diào)制效果，但兩種方法的調(diào)制機(jī)理不同，用1/4波片可免去高壓電源，電路更簡(jiǎn)單4、音頻信號(hào)的電光調(diào)制與解調(diào)（1）將mp3音源于電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)箱的“外部輸入”連接，調(diào)制切換選擇“調(diào)外”。（2）將探測(cè)器與揚(yáng)聲器連接，此時(shí)可通過(guò)揚(yáng)聲器聽(tīng)到MP3中播放的音樂(lè)。適當(dāng)調(diào)整“調(diào)制幅度”和“高壓調(diào)節(jié)”旋鈕，旋轉(zhuǎn)光路中的偏振片和波片，使音樂(lè)最清晰。(注意MP3不夠電時(shí)，要及時(shí)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(lè)音量和音質(zhì)的變化。用不透明物擋住激光，則音樂(lè)停止，不擋激光，則音樂(lè)響起，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)了激光通訊。把音樂(lè)信號(hào)接到示波器上