電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)報告

1、光電工程學(xué)院2013 / 2014學(xué)年第 2 學(xué)期實(shí) 驗(yàn) 報 告課程名稱： 光電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)班 級 學(xué) 號 1213032809學(xué) 生 姓 名 丁毅指 導(dǎo) 教 師 孫曉蕓日 期： 2014年 5 月 07 日電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法；2、 學(xué)會用實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體的半波電壓，繪制晶體特性曲線，計算電光晶體的消光比和透射率?！緦?shí)驗(yàn)儀器及裝置】電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀（半導(dǎo)體激光器、起偏器、電光晶體、檢偏器、光電接收組件等）、示波器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由光路與電路兩大單元組成，如圖3.1所示：圖3.1電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、光路系統(tǒng)由激光管（L）、起偏器(P

2、)、電光晶體(LN)、檢偏器(A)與光電接收組件(R)以及附加的減光器(P1)和l/4波片(P2)等組裝在精密光具座上，組成電光調(diào)制器的光路系統(tǒng)。注：· 本系統(tǒng)僅提供半導(dǎo)體激光管(包括電源)作為光源，如使用氦氖激光管或其他激光源時，需另加與其配套的電源。 · 激光強(qiáng)度可由半導(dǎo)體激光器后背的電位器加以調(diào)節(jié)，故本系統(tǒng)未提供減光器(P1)。 · 本系統(tǒng)未提供l/4波片(P2)即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如有必要可自行配置。二、電路系統(tǒng)除光電轉(zhuǎn)換接收部件外，其余包括激光電源、晶體偏置高壓電源、交流調(diào)制信號發(fā)生、偏壓與光電流指示表等電路單元均組裝在同一主控單元之中。圖3.2 電路主控單元

3、前面板圖3.2為電路單元的儀器面板圖，其中各控制部件的作用如下：· 電源開關(guān)用于控制主電源，接通時開關(guān)指示燈亮，同時對半導(dǎo)體激光器供電。· 晶體偏壓開關(guān)用于控制電光晶體的直流電場。（僅在打開電源開關(guān)后有效）· 偏壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)直流偏置電壓，用以改變晶體外加直流電場的大小。· 偏壓極性開關(guān)改變晶體的直流電場極性。·偏壓指示數(shù)字顯示晶體的直流偏置電壓。· 指示方式開關(guān)用于保持光強(qiáng)與偏壓指示值，以便于讀數(shù)。· 調(diào)制加載開關(guān)用于對電光晶體施加內(nèi)部的交流調(diào)制信號。（內(nèi)置1KHz的正弦波）· 外調(diào)輸入插座用于對電光晶體施加外接

4、的調(diào)制信號的插座。（插入外來信號時內(nèi)置信號自動斷開）· 調(diào)制幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)交流調(diào)制信號的幅度。· 調(diào)制監(jiān)視插座將調(diào)制信號輸出送到示波器顯示的插座。· 解調(diào)監(jiān)視插座將光電接收放大后的信號輸出到示波器顯示的插座，可與調(diào)制信號進(jìn)行比較。·光強(qiáng)指示數(shù)字顯示經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的光電流相對值，可反映接收光強(qiáng)大小。· 解調(diào)幅度旋鈕用于調(diào)節(jié)解調(diào)監(jiān)視或解調(diào)輸出信號的幅度。· 解調(diào)輸出插座解調(diào)信號的輸出插座，可直接送有源揚(yáng)聲器發(fā)聲。三、系統(tǒng)連接1、光源將半導(dǎo)體激光器電源線纜插入后面板的“至激光器”插座中。（如使用HeNe激光管需另配套專用電源，其輸出直流高壓

5、務(wù)必按正負(fù)極性正確連接）。2、晶體調(diào)制由電光晶體的兩極引出的專用電線插入后面板中間的兩芯高壓插座。3、光電接收將光電接收部件（位于光具座末端）的專用多芯電纜連接到電路主控單元后面板“至接收器”的插座上，以便將光接收信號送到主控單元，同時主控單元也為光電接收電路提供電源。4、信號輸出光電接收信號由解調(diào)監(jiān)視插座輸出；主控單元中的內(nèi)置信號（或外調(diào)輸入信號）由調(diào)制監(jiān)視插座輸出。兩者分別送到雙蹤示波器，以便同時顯示波形，進(jìn)行比較。5、揚(yáng)聲器將有源揚(yáng)聲器插入功率輸出插座即可發(fā)聲，音量由“解調(diào)幅度”控制。6、交流電源主控單元后面板右側(cè)裝有帶開關(guān)的三芯標(biāo)準(zhǔn)電源插座，用以連接220V市電交流電源。注：揚(yáng)聲器發(fā)聲

6、的音質(zhì)與光路調(diào)整、晶體偏壓、調(diào)制幅度以及信號源的性能均有關(guān)聯(lián)?！緦?shí)驗(yàn)原理】某些晶體在外加電場的作用下，其折射率隨外加電場的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)，利用這一效應(yīng)可以對透過介質(zhì)的光束進(jìn)行幅度、相位或頻率的調(diào)制，構(gòu)成電光調(diào)制器。電光效應(yīng)分為兩種類型： (1) 一級電光 （泡克爾斯Pockels）效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化正比于電場強(qiáng)度。(2) 二級電光 （克爾Kerr）效應(yīng)，介質(zhì)折射率變化與電場強(qiáng)度的平方成正比。本實(shí)驗(yàn)使用鈮酸理（LiNbO3 ）晶體作電光介質(zhì)，組成橫向調(diào)制（外加電場與光傳播方向垂直）的一級電光效應(yīng)。圖3.3 橫向電光效應(yīng)示意圖如圖3.3所示，入射光方向平行于晶體光軸 （Z軸方向

7、），在平行于X軸的外加電場(E)作用下，晶體的主軸X軸和Y軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°，形成新的主軸X軸Y軸（Z軸不變），它們的感生折射率差為Dn，它正比于所施加的電場強(qiáng)度E：式中r為與晶體結(jié)構(gòu)及溫度有關(guān)的參量，稱為電光系數(shù)。n0為晶體對尋常光的折射率。當(dāng)一束線偏振光從長度為l、厚度為d的晶體中出射時，由于晶體折射率的差異而使光波經(jīng)晶體后出射光的兩振動分量會產(chǎn)生附加的相位差d，它是外加電場E的函數(shù)：(3.1)式中l(wèi)為入射光波的波長；同時為測量方便起見，電場強(qiáng)度用晶體兩面極間的電壓來表示，即U=Ed。當(dāng)相位差 dp時，所加電壓(3.2)Up稱為半波電壓，它是一個用以表征電光調(diào)制電壓對相位差影響的

8、重要物理量。由(3.2)式可見，半波電壓Up決定于入射光的波長l、晶體材料和它的幾何尺寸。由(3.1)、(3.2)式可得：(3.3)式中d0為U0時的相位差值，它與晶體材料和切割的方式有關(guān)，對加工良好的純凈晶體而言d00 。圖3.4為電光調(diào)制器的工作原理圖。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器P后只透射光波中平行其透振方向的振動分量，當(dāng)該偏振光IP垂直于電光晶體的通光表面入射時，如將光束分解成兩個線偏振光，經(jīng)過晶體后其X分量與Y分量的相差為d (U)，然后光束再經(jīng)檢偏器A，產(chǎn)生光強(qiáng)為IA的出射光。當(dāng)起偏器與檢偏器的光軸正交(AP)時，根據(jù)偏振原理可求得輸出光強(qiáng)為：圖3.4 電光調(diào)制器工作原理(3.4)式

9、中，為P與X兩光軸間的夾角。若取a土45°。，這時U對IA的調(diào)制作用最大，并且(3.5)再由（3.3）式可得于是可畫出輸出光強(qiáng)IA與相位差d （或外加電壓U）的關(guān)系曲線，即IAd（U）或IAU如下：圖3.5 光強(qiáng)與相位差（或電壓）間的關(guān)系由此可見：當(dāng)d (U)2kp ( 或U2kUp) (k=0，±1, ±2，¼)時，IA=0 當(dāng)d (U)2kp +1或U(2k+1) Up 時，IA = IP 當(dāng)d (U)為其它值時， IA在0IP 之間變化。 由于晶體受材料的缺陷和加工工藝的限制，光束通過晶體時還會受晶體的吸收和散射，使兩振動分量傳播方向不完全重合，出

10、射光截面也就不能重疊起來。于是，即使在兩偏振片處于正交狀態(tài)，且在的條件下，當(dāng)外加電壓U0時，透射光強(qiáng)卻不為0，即IA = Imin¹0UUp時，透射光強(qiáng)卻不為IP，即 IA = Imax ¹IP 由此需要引入另外兩個特征參量： 消光比 透射率 式中，Io為移去電光晶體后轉(zhuǎn)動檢偏器A得到的輸出光強(qiáng)最大值。 M愈大，T愈接近于1，表示晶體的電光性能愈佳。半波電壓Up、消光比M、透光率T是表征電光介質(zhì)品質(zhì)的三個特征參量。從圖3.5可見，相位差在dp/2或(UUp/2 )附近時，光強(qiáng)IA與相位差d（或電壓U） 呈線性關(guān)系，故從調(diào)制的實(shí)際意義上來說，電光調(diào)制器的工作點(diǎn)通常就選在該處附

11、近。圖3.6為外加偏置直流電壓與交變電信號時光強(qiáng)調(diào)制的輸出波形圖。由圖3.6可見，選擇工作點(diǎn) (UUp/2 )時，輸出波形最大且不失真。選擇工作點(diǎn) (U0 ) 或 (UUp)時，輸出波形小且嚴(yán)重失真，同時輸出信號的頻率為調(diào)制頻率的兩倍。圖3.6 選擇不同工作點(diǎn)時的輸出波形工作點(diǎn)的偏置可通過在光路中插入一個l4波片其透光軸平行于電光晶體X軸 （相當(dāng)于附加一個固定相差 dp/2 ）作為“光偏置”。但也可以加直流電壓來實(shí)現(xiàn)。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟】一、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1、 按圖3.1的結(jié)構(gòu)圖在光具座上垂直放置好激光器和光電接收器（預(yù)先將光敏接收孔蓋上）。2、 所有滑動座中心全部調(diào)至零位，并用固定螺絲鎖緊，使光器件

12、初步共軸。3、 光路準(zhǔn)直：（1） 打開激光電源，調(diào)節(jié)激光電位器使激光束有足夠強(qiáng)度。調(diào)節(jié)激光器架上的三只夾持螺釘使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源輸出口高度與光電接收器中心高度，使二者等高。此時激光器頭部保持固定。（2） 調(diào)節(jié)激光器尾部的夾持螺釘，使激光束的光點(diǎn)保持在接收器的塑蓋中心位置上（去除蓋子則光強(qiáng)指示最大），此后激光器與接收器的位置不宜再動。4、 插入起偏器 (P)，用白紙擋在起偏器后，調(diào)節(jié)起偏器的鏡片架轉(zhuǎn)角，使白紙上的光點(diǎn)亮度在最亮和最暗中間，這時透光軸與垂直方向約成q P45°。5、 按系統(tǒng)連接方法將激光器、電光調(diào)制器、光電接收器等部件連接到位。將調(diào)制幅度和解調(diào)幅度調(diào)

13、至最大，晶體偏壓調(diào)至零，關(guān)閉主控單元的晶體偏壓電源開關(guān)。6、 將調(diào)制監(jiān)視與解調(diào)監(jiān)視輸出分別與雙蹤示波器的Yi、Yii輸入端相連，打開主控單元的電源，此時在接收器塑蓋中心點(diǎn)應(yīng)出現(xiàn)光點(diǎn)（去除蓋子則光強(qiáng)指示表應(yīng)有讀數(shù)）。插入檢偏器(A)轉(zhuǎn)動檢偏器，使激光點(diǎn)消失，光強(qiáng)指示近于0，表示此時檢偏器與起偏器的光軸己處于正交狀態(tài)(P A)，這時透光軸與垂直方向約成q A45°。此時檢偏器與起偏器的角度不宜再動。7、 將電光晶體插入光具座，使激光束透過，適當(dāng)調(diào)節(jié)電光晶體平臺上三個調(diào)節(jié)螺絲，使反射光斑打在激光器光源輸出口附近，和起偏器的反射點(diǎn)基本水平，此時激光束基本正射透過。調(diào)節(jié)電光晶體旋轉(zhuǎn)鏡片架角度，

14、使接收光強(qiáng)應(yīng)近于0 （達(dá)到最?。４藭r從示波器觀察應(yīng)出現(xiàn)倍頻現(xiàn)象，即解調(diào)信號頻率是調(diào)制信號頻率的兩倍。注： ·為使激光能正射透過晶體，必需反復(fù)對激光、晶體與光電接收孔者加以準(zhǔn)立調(diào)整。 ·為獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果，光量宜調(diào)節(jié)在光強(qiáng)指示表為0.1(最 小)至58(最大)的讀數(shù)范圍之內(nèi)。8、 打開主控單元的晶體偏壓電源開關(guān)。9、 必要時插入調(diào)節(jié)光強(qiáng)大小用的減光器P1和作為光偏置的l4波片構(gòu)成完整的光路系統(tǒng)。（可選）二、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察及數(shù)據(jù)測量1、 觀察電光調(diào)制現(xiàn)象(1) 調(diào)節(jié)晶體偏壓，觀察輸出光強(qiáng)指示的變化。(2) 將晶體偏壓調(diào)至0，改變偏壓極性，觀察輸出光強(qiáng)指示的變化。2、 測量電光

15、調(diào)制特性 (1) 作特性曲線將直流偏壓加載到晶體上，從0到允許的最大偏壓值逐漸改變電壓(U)，測出對應(yīng)于每一偏壓指示值的相對光強(qiáng)指示值，作IAU曲線，得到調(diào)制器靜態(tài)特性。其中光電流有極大值Imax和極小值Imin。正偏壓和負(fù)偏壓各做一組值。如此時解調(diào)波形非正弦波，出現(xiàn)失真，說明激光器輸出光功率過大，應(yīng)微調(diào)激光器尾部旋扭使光功率略微減小。再重新測量曲線。測量完畢，將晶體偏壓調(diào)至0，關(guān)閉電源。(2) 測半波電壓 與Imax對應(yīng)的偏壓U即為被測的半波電壓Up值。(3) 計算電光晶體的消光比和透光率由光電流的極大、極小值得： 消光比 將電光晶體從光路中取出，旋轉(zhuǎn)檢偏器A，測出最大光強(qiáng)值I0，可計算：

16、透射率 注：測量I0值時應(yīng)控制光量大小不使光敏接收進(jìn)入飽和狀態(tài)。三、電光調(diào)制與光通訊實(shí)驗(yàn)演示（可選做） 將音頻信號（來自廣播收音機(jī)、錄音機(jī)、CD機(jī)等音源）輸入到本機(jī)的“外調(diào)輸入”插座，將揚(yáng)聲器插入“解調(diào)輸出”插座，加晶體偏壓至調(diào)制特性曲線的線性區(qū)域，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)制幅度與解調(diào)幅度，即可使揚(yáng)聲器播放出音響節(jié)目（示波器也可同時監(jiān)視）。改變偏壓試聽揚(yáng)聲器音量與音質(zhì)的變化。【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析】（1）作電光調(diào)制特性曲線表3.1 電光調(diào)制特性負(fù)偏壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表負(fù)偏壓U（V）0255075100150200250300光強(qiáng)IA（V）負(fù)偏壓U（V）350400425450475500525550U-光強(qiáng)IA（V）

17、129表電光調(diào)制特性正偏壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表正偏壓U（V）0255075100150200250300光強(qiáng)IA（V）正偏壓U（V）350400425450475500525550U+光強(qiáng)IA（V）作IAU曲線注：采用origin8畫圖。（2）測半波電壓半波電壓500V；525V。（3）計算電光晶體的消光比和透光率最大光強(qiáng)值I0=；消光比；透射率；。【實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)】1、 為防止強(qiáng)激光束長時間照射而導(dǎo)致光敏管疲勞或損壞，調(diào)節(jié)或使用好后應(yīng)隨即用塑蓋將光電接收孔蓋好。2、 本實(shí)驗(yàn)使用的晶體根據(jù)其絕緣性能最大安全電壓約為510V左右，超值易損壞晶體。3、 調(diào)節(jié)過程中應(yīng)避免激光直射人眼，以免對眼睛造成危害。4、 加偏壓時應(yīng)從0伏起逐漸緩慢增加至最