晶體電光效應(yīng)

1、晶體電光效應(yīng)【教學(xué)目的】1、了解晶體電光效應(yīng)，測量LN晶體的半波電壓；2、掌握電光調(diào)制器的工作原理;3、光通訊的模擬研究?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】電光調(diào)制器的工作原理。【教學(xué)難點(diǎn)】線性電光效應(yīng)，電光調(diào)制器的工作原理?！菊n堂講授】提問:1.什么是晶體的電光效應(yīng)？2.如何判定晶體產(chǎn)生電光效應(yīng)？一、實(shí)驗(yàn)原理1晶體的折射率橢球根據(jù)光的電磁理論知道，光波是一種電磁波。在各向異性介質(zhì)中，光波中的電場強(qiáng)度矢量與電位移矢量的方向是不同的。 對于任意一種晶體，我們總可以找到一個直角坐標(biāo)系（x，y，z）,在此坐標(biāo)系中有 (i = x，y，z)。這樣的坐標(biāo)系（x，y，z）叫做主軸坐標(biāo)系。光波在晶體中的傳播性質(zhì)可以用一個折射率橢

2、球來描述，在晶體的主軸坐標(biāo)系中，折射率橢球的表達(dá)式寫為：（1） 其中（i = x，y，z）, 是晶體的主折射率。對于單軸晶體（如本實(shí)驗(yàn)所用的LN晶體）有nx = ny = no， nz = ne，于是單軸晶體折射率橢球方程為： （2）由此看出，單軸晶體的折射率橢球是一個旋轉(zhuǎn)對稱的橢球。2LN晶體的線性電光效應(yīng) 以上討論的是沒有外界影響時的折射率橢球，也就是晶體的自然雙折射。當(dāng)晶體處在一個外加電場中時。晶體的折射率會發(fā)生變化，改變量的表達(dá)式為： （3）其中n是受外場作用時晶體的折射率，n0是自然狀態(tài)下晶體的折射率，E是外加電場強(qiáng)度，和p是與物質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。（3）式右邊第一項(xiàng)表示的是線性電光效應(yīng)，

3、又稱為普克爾效應(yīng)，因此叫做線性電光系數(shù)；第二項(xiàng)表示的是二次電光效應(yīng)，又稱為克爾效應(yīng)，因此p也叫做二次電光系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)只涉及到線性電光效應(yīng)。LN晶體通常采用橫向加壓，z向通光的運(yùn)用方式，即在主軸y方向加電場Ey而Ex = Ez = 0 ，有外電場時折射率橢球的主軸一般不再與原坐標(biāo)軸重合。將坐標(biāo)系經(jīng)過適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)后得到一個新的坐標(biāo)系（x，y，z），使折射率橢球變?yōu)椋?（4）這里、是有電場時的三個主折射率。叫感應(yīng)主折射率，坐標(biāo)系（x，y，z）叫感應(yīng)主軸坐標(biāo)系。在（ ）坐標(biāo)系中，折射率橢球的方程為:（5）將（5）式同（4）式比較，就可得出：， 一般情況下有a的那些光線，折射后在界面上的入射角小于臨界角m

4、，光線將射出界面，如圖中光線2。這個入射角a稱為光學(xué)纖維的孔徑角，它的數(shù)值由光學(xué)纖維的數(shù)值孔徑?jīng)Q定。光纖的數(shù)值孔徑N定義為N=n0sina= （1）式中n0是入射光線所在介質(zhì)的折射率，n1和n2分別為光纖的纖芯和包層的折射率。由式（1）可見，纖芯和包層的折射率相差越大，a越大，光纖的數(shù)值孔徑就越大，它的值一般在0.10.6之間，對應(yīng)的a在933。數(shù)值孔徑是表示光纖集光能力的一個參量，它越大就表示光線接受的光通量越多。如圖2所示，在立體角2max范圍內(nèi)入射到光纖端面的光線1在光纖內(nèi)部界面產(chǎn)生全反射而得以傳輸，在2max范圍外入射到光纖端面的光線2則在光纖內(nèi)部界面不產(chǎn)生全反射而是透射到包層而馬上被

5、衰減掉。多模光纖具有較大的數(shù)值孔徑，單模光纖的數(shù)值孔徑相對較小，所以一般單模光纖需用LED半導(dǎo)體激光器作為其光源。（2）光纖的損耗：光纖的傳輸損耗是光纖傳輸特性的一個重要指標(biāo)，它直接影響著光纖的傳輸效率。對于通信應(yīng)用中的光纖，低的損耗特別重要。對于傳感用光纖，效率問題也十分重要，因?yàn)橛袝r它會影響測量的靈敏度。實(shí)現(xiàn)光通信的首要問題是如何降低光傳輸?shù)膿p耗，光纖的損耗從最初的幾千分貝每公里降到20dB/km（1970年），以后又逐漸減低到0.47dB/km（1976年），以至0.2 dB/km，這樣，使光纖通訊在20實(shí)際70年代初即成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)光從光纖的一端射入而從另一端射出時，光強(qiáng)將減弱，這意味著

6、光在光纖中傳播時產(chǎn)生了損耗，光纖在傳輸中的損耗大小由下式計(jì)算：a=(10/L)lg(Pi/P0) （2）式中a為光纖的衰減系數(shù)，單位為dB/km，Pi、P0分別為光纖的輸入和輸出光功率，L為光纖長度，以km為單位。光纖中引起光能量衰減（損耗）的原因有吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。(1) 吸收損耗吸收損耗與組成光纖材料的電子受激躍遷和分子共振有關(guān)。當(dāng)電子與光子相互作用，電子會吸收能量而被激發(fā)到較高能級。分子的共振吸收與原子構(gòu)成分子時共價鍵的特性有關(guān)。當(dāng)光子的頻率與分子的振動頻率接近或相等時發(fā)生共振，并大量吸收光能量。以上吸收損耗是材料本身所固有的，就是在不含任何雜質(zhì)的材料中也存在上述現(xiàn)象，所以又

7、被稱為本征吸收。(2) 散射損耗玻璃中的散射損耗是由于材料密度的微觀變化、成分起伏以及在制造光纖過程中遇到不均勻或不連續(xù)的情況時，一部分光就會散射到各個方向，而不能傳輸?shù)浇K點(diǎn)，從而造成散射損耗。材料在形成的過程中由于內(nèi)部密度的不均勻致使材料中出現(xiàn)折射率的差異，從而引起光的散射效應(yīng)，造成光能的損失。這種不均勻微粒（不均勻程度遠(yuǎn)小于光波長）對光的散射現(xiàn)象通常稱為瑞利散射。由瑞利散射造成的損耗與-4成正比，它隨著光波長的增加而急劇減小。在小于1m的波長范圍內(nèi)，瑞利散射是光纖中主要的損耗因素。(3) 輻射損耗當(dāng)光纖有一定曲率半徑的彎曲時，就會產(chǎn)生輻射損耗。光纖可能受到兩種類型的彎曲：彎曲半徑比光纖直徑

8、大很多的彎曲，例如當(dāng)光纜拐彎時就會發(fā)生這樣的彎曲；微彎曲，當(dāng)把光纖組合成光纜時可能使光纖的軸線產(chǎn)生隨機(jī)性的微彎曲。當(dāng)曲率半徑很大時（輕度彎曲），輻射損耗較小一般可不予考慮，當(dāng)曲率半徑變小時損耗呈指數(shù)增長。光纖的損耗是各種因素影響的總結(jié)果，它可以簡單地歸結(jié)為固有損耗和非固有損耗兩類。固有損耗包括由光纖材料的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)引起的吸收損耗和散射損耗。它們是光纖中都存在的損耗因素，從原理上講是不可克服的，因而它們決定了光纖損耗的極限值。非固有損耗是指雜質(zhì)吸收、結(jié)構(gòu)不完善引起的散射和彎曲輻射損耗等。非固有損耗可以通過光纖制造技術(shù)的完善，得以消除或減小，它們對總損耗的影響已不是主要問題。光纖的損耗主要有由

9、于材料吸收引起的吸收損耗，纖芯折射率不均勻引起的散射（瑞利散射）損耗，纖芯和包層之間界面不規(guī)則引起的散射損耗（稱為界面損耗），光纖彎曲造成的損耗，纖維間對接（永久性的拼接和用連接器連接）的損耗，以及輸入與輸出端的耦合損耗。在0.80.9m波段內(nèi)損耗約2dB/km，屬于低損耗區(qū)，這是目前光通信僅用的短波長“窗口”。在1.3m，0.5dB/km；在1.55m、0.2dB/km是最低損耗，這是近期光通信希望獲得的長波長“窗口”。石英光纖在近紅外波段0.84m、1.31m、1.55m有較好透過率。因此傳輸系統(tǒng)光源的發(fā)射光波長必須與其吻合，目前長距離光通訊系統(tǒng)多采用1.31m或1.55m 單模光纖。（目

10、前，單模光纖傳輸損耗在1.31m和1.55m分別為0.35dB/km和0.2dB/km）。（4）光纖的色散直接影響可傳輸信號的帶寬，色散主要由三部分組成：折射率色散、模色散、結(jié)構(gòu)色散。折射率色散是由于光纖材料的折射率隨不同光波長變化而引起，采用單波長、窄譜線的半導(dǎo)體激光器可以使折射率色散減至最小。采用單模光纖可以使模色散減至最小。結(jié)構(gòu)色散由光纖材料的傳播常數(shù)及光頻產(chǎn)生非線性關(guān)系所造成。目前單模光纖的傳輸帶寬可達(dá)數(shù)GHz。（5）光纖的幾何參數(shù)：根據(jù)國際電報電話咨詢委員會（CCITT）建議，光纖幾何參數(shù)包括以下內(nèi)容：芯徑、包層表面直徑、芯徑不圓度、包層表面不圓度、包層表面相對于纖芯中心的不同心度。

11、它們分別由下面公式來定義：纖芯不圓度=2（dmax-dmin）/（dmax+dmin） （3）包層表面不圓度=2（Dmax-Dmin）/（Dmax+Dmin） （4）式中dmax、dmin是芯徑最大值和最小值，Dmax、Dmin是包層表面直徑的最大值和最小值。包層表面相對纖芯中心的不同心度y/d （5）式中y是纖芯中心和包層表面中心的距離，d是芯徑。2光信號發(fā)送端的工作原理系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管的驅(qū)動和調(diào)制電路如圖3所示，信號調(diào)制采用光強(qiáng)度調(diào)制的方法，發(fā)送光強(qiáng)度調(diào)節(jié)電位器用以調(diào)節(jié)流過LED的靜態(tài)驅(qū)動電流，從而相應(yīng)改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率，設(shè)定的靜態(tài)驅(qū)動電流調(diào)節(jié)范圍為020毫安，對應(yīng)面板光發(fā)送強(qiáng)

12、度驅(qū)動顯示值02000單位，圖3 發(fā)光二極管驅(qū)動和調(diào)制電路當(dāng)驅(qū)動電流較小時發(fā)光二極管的發(fā)射光功率與驅(qū)動電流基本上呈線性關(guān)系，音頻信號經(jīng)電容、電阻網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)放跟隨隔離后耦合到另一運(yùn)放的負(fù)輸入端，與發(fā)光二極管的靜態(tài)驅(qū)動電流相疊加使發(fā)光二極管發(fā)送隨音頻信號變化的光信號，如圖4所示，并經(jīng)光纖耦合器將這一光信號耦合到傳輸光纖?？蓚鬏斝盘栴l率的低端可由電容、電阻網(wǎng)絡(luò)決定，系統(tǒng)低頻響應(yīng)不大于20Hz。 圖4 發(fā)光二極管的正弦信號調(diào)制原理3光信號接收端的工作原理光信號接收端的工作原理圖如圖5所示，傳輸光纖把從發(fā)送端發(fā)出的光信號通過光纖耦合器將光信號耦合到光電轉(zhuǎn)換器件光電二極管，光電二極管把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比

13、的電流信號，光電二極管使用時應(yīng)反偏壓，經(jīng)運(yùn)放的電流電壓轉(zhuǎn)換把光電流信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號，電壓信號中包含的音頻信號經(jīng)電容電阻耦合到音頻功率放大器驅(qū)動喇叭發(fā)聲。光電二極管的頻響一般較高，系統(tǒng)的高頻響應(yīng)主要取決于運(yùn)放等的響應(yīng)頻率。圖5 光信號接收端的工作原理圖【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光/光電傳輸特性測定打開實(shí)驗(yàn)儀電源，面板上兩個三位半數(shù)顯表頭分別顯示發(fā)送光驅(qū)動強(qiáng)度和接收光強(qiáng)度。調(diào)節(jié)發(fā)送光強(qiáng)度電位器，每隔200單位（相當(dāng)于改變發(fā)光管驅(qū)動電流2mA）分別記錄發(fā)送光驅(qū)動強(qiáng)度數(shù)據(jù)與接收光強(qiáng)度數(shù)據(jù)，在方格紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。2光纖傳輸系統(tǒng)頻響的測定將輸入選擇開關(guān)打到“外”，在

14、音頻信號輸入接口上從函數(shù)信號發(fā)生器輸入正弦波，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發(fā)送端示波器接口和接收端音頻信號輸出接口，保持輸入信號的幅度不變，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率，記錄輸入信號頻率變化時輸出信號幅度的變化，分別測定系統(tǒng)的低頻和高頻截止頻率。3LED偏置電流與無失真最大信號調(diào)制幅度關(guān)系測定將從函數(shù)信號發(fā)生器輸入的正弦波頻率設(shè)定在1kHz，輸入信號幅度（音頻幅度）調(diào)節(jié)電位器置于最大位置，然后在LED偏置電流為5、10mA兩種情況下，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器輸出幅度，使其從零開始增加，同時在接收端信號輸出處通過示波器觀察波形變化，直到波形出現(xiàn)截止現(xiàn)象時，記錄此時電壓波形的峰-峰值，由此確定LE

15、D在不同偏置電流下光功率的最大調(diào)制幅度。4多種波形光纖傳輸實(shí)驗(yàn)將輸入選擇開關(guān)打到“外”，在音頻信號輸入接口上分別從函數(shù)信號發(fā)生器輸入方波信號和三角波信號，將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發(fā)送端示波器接口和接收端音頻信號輸出接口，保持輸入信號的幅度不變，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率，從接收端通過示波器觀察輸出波形變化情況，記錄輸入信號頻率變化時輸出信號幅度的變化，分別測定系統(tǒng)的低頻和高頻截止頻率。在數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)中往往采用方波來傳輸數(shù)字信號。5音頻信號光纖傳輸實(shí)驗(yàn)將輸入選擇打到“內(nèi)”，按下內(nèi)音頻信號觸發(fā)按鈕，通過調(diào)節(jié)發(fā)送光強(qiáng)度電位器改變發(fā)送端LED的靜態(tài)偏置電流，收聽在接收端發(fā)出的語音片音樂

16、聲，考察當(dāng)LED的靜態(tài)偏置電流小于多少時，音頻傳輸信號產(chǎn)生明顯失真，分析原因，并同時通過示波器觀察分析語音信號波形變化情況?！舅伎碱}】1本實(shí)驗(yàn)中LED偏置電流是如何影響信號傳輸質(zhì)量？2本實(shí)驗(yàn)中光傳輸系統(tǒng)那幾個環(huán)節(jié)引起光信號的衰減？3光傳輸系統(tǒng)中如何合理選擇光源與探測器？4光電二極管在工作時應(yīng)正偏壓還是反偏壓，為什么？5如果纖芯的中心和包層的中心不同心，這樣的光纖有什么不好？附錄：THKGT-1型光纖音頻信號傳輸實(shí)驗(yàn)儀使用說明書隨著Internet網(wǎng)絡(luò)時代的到來，人們對數(shù)據(jù)通訊的帶寬、速度的要求越來越高，光纖通訊具有頻帶寬、高速、不受電磁干擾影響等一系列優(yōu)點(diǎn)，正在得到不斷發(fā)展和應(yīng)用。通過使用TH

17、KGT-1型光纖音頻信號傳輸實(shí)驗(yàn)儀做音頻信號光纖傳輸實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生熟悉了解信號光纖傳輸?shù)幕驹?。同時學(xué)生可以了解光纖傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及各部件選配原則，初步認(rèn)識光發(fā)送器件LED的電光特性及使用方法，光檢測器件光電二極管的光電特性及使用方法，基本的信號調(diào)制與解調(diào)方法，完成光纖通訊原理基本實(shí)驗(yàn)。信號傳輸?shù)念l響：20Hz20kHz 。THKGT-1型光纖音頻信號傳輸實(shí)驗(yàn)儀由以下幾部分組成：1光信號的調(diào)制和發(fā)送。2傳送光信號的光纖。3光纖耦合器。4光信號的檢測與解調(diào)。下面對各部分的使用及注意事項(xiàng)加以說明。一、光信號的調(diào)制和發(fā)送系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管的驅(qū)動和調(diào)制電路如圖6所示，信號調(diào)制采用光強(qiáng)度調(diào)制的方法

18、，發(fā)送光強(qiáng)度調(diào)節(jié)電位器用以調(diào)節(jié)流過LED的靜態(tài)驅(qū)動電流，從而相應(yīng)改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率，設(shè)定的靜態(tài)驅(qū)動電流調(diào)節(jié)范圍為020mA，對應(yīng)面板光發(fā)送強(qiáng)度驅(qū)動顯示值02000單位，當(dāng)驅(qū)動電流較小時發(fā)光二極管的發(fā)射光功率與驅(qū)動電流基本上呈線性關(guān)系，音頻信號經(jīng)電容、電阻網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)放跟隨隔離后耦合到另一運(yùn)放的負(fù)輸入端，與發(fā)光二極管的靜態(tài)驅(qū)動電流想迭加使發(fā)光二極管發(fā)送隨音頻信號變化的光信號，并經(jīng)光纖耦合器將這一光信號耦合到傳輸光纖?？蓚鬏斝盘栴l率的低端可由電容、電阻網(wǎng)絡(luò)決定，系統(tǒng)低頻響應(yīng)不大于20Hz。音頻接口：用于連接外加的音頻信號。示波器接口：用于連接外加的正弦波、方波、三角波信號。輸入選擇：打到“外”選擇外接音頻信號，打到“內(nèi)”選擇內(nèi)置語音片產(chǎn)生的音頻信號。內(nèi)音頻觸發(fā)：按下按鈕，啟動內(nèi)置語音片信號發(fā)生器，此時當(dāng)輸入選擇開關(guān)打到“內(nèi)”時，音頻信號疊加