晶体电光调制实验

晶体电光调制与光通信实验实验人：合作人:（物理科学与工程技术学院，光信息科学与技术2011级1班，学号11343026）一．实验目的1.掌握晶体电光调制的原理和实验方法。2.学会用简单的实验装置测量晶体半波电压、电光常数的实验方法。3.观察电光效应所引起的晶体光学特性的变化和会聚偏振光的干涉现象。二．实验原理1.电光效应当给晶体或液体加上电场后，该晶体或液体的折射率发生变化，这种现象成为电光效应。电场引起的折射率的变化：2000bEaEnn其中a和b为常数，0n为0E=0时的折射率。光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不同，光的折射率也不同。在主轴坐标中，折射率椭球及其方程为：1232222212nznynx式中1n、2n、3n为椭球三个主轴方向上的折射率，称为主折射率。当晶体加上电场后，折射率椭球的形状、大小、方位都发生变化，椭球方程变成：1222212213223233222222112nxynxznyznznynx晶体的一次电光效应分为纵向电光效应和横向电光效应两种。纵向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播的方向平行时产生的电光效应；横向电光效应是加在晶体上的电场方向与光在晶体里传播方向垂直时产生的电光效应，本实验研究铌酸锂晶体的一次电光效应。铌酸锂晶体属于三角晶系，3m晶类，主轴z方向有一个三次旋转轴，光轴与z轴重合，是单轴晶体，折射率椭球是旋转椭球，其表达式为1222022enznyx加上电场后折射率椭球发生畸变，当x轴方向加电场，光沿z轴方向传播时，晶体由单轴晶变为双轴晶，垂直于光轴z轴方向的折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为12)1()1(222222022220xyEyEnxEnxxx2.电光调制原理图1为典型的利用LiNbO3晶体横向电光效应原理的激光振幅调制器。其中起偏振片的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏振片的偏振方向平行于y轴。图1在晶体的感应轴x’和y’上投影的振幅和相位相等，设tAxcosE'0tAcosE'0y因此入射光强22IAEE。通过长为l的电光晶体后，x’和y’分量间产生相位差δ，即AxE'iAe）（lE'y通过偏振片出射的光为)1(2)(0iyeAE光强为2sin2I22A相位差dlunnnyx2230''2)(2当电压某一值时，x’、y’方向上的偏振光经过晶体后可产生λ/2的光程差，相应的相位差δ=π，此时的电压称为半波电压。)(22230ldnuuu因此透射率为)sin(2sin2sinT022tuuuuum其中，0u是加在晶体上的直流电压，tumsin是加在晶体上的交流调制信号。改变0u或mu，输出特性将相应改变。3.改变直流电压对输出特性的影响（1）当uuuum,20时，tuutuuTmmsin)(121)sinsin(121调制器输出的信号和调制信号振幅不同，频率相同，输出信号不失真，故为线性调制。（2）当uuum,00时，)2cos1()(81)sin(cos-1212tuutuuTmm输出信号的频率是调制信号频率的两倍，即产生倍频失真。若uuuum,0，则)2cos1()(81-12tuuTm输出仍然是倍频失真。（3)直流偏压0u在0V附近或u附近变化时，工作点不在线性工作区，输出波形将失真。（4)当uuuum,20时，调制器的工作点虽在线性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求，输出波形失真。三．实验仪器和装置1.晶体电光调制电源输出正弦波：0~300V连续可调，频率1.1kHz输出直流偏置电压：0~600V，连续可调2.铌酸锂（3LiNbO）电光晶体尺寸5x1.7x50mm镀银电极3.He-Ne激光器及可调电源波长632.8nm,2mW,电流连续可调4.可旋转偏振片最小刻度值1º5.格兰棱镜通光口径Ф106.光电接收器WGL-8型晶体电光调制试验仪，接受放大器，二踪示波器，信号发生器。实验装置图如下：图2.晶体电光调制实验装置图四．实验内容和步骤（一）静态法测量半波电压1.调节起偏器、检偏器，测量消光点和两个偏振器的最大透过率。2.搭建光调制器装置，测量消光比，调出晶体的锥光干涉图样。图3.晶体的锥光干涉图像晶体加上偏压时呈现双轴锥光干涉图，如图3所示。由此可说明，单轴晶体在电场作用下变成双轴晶体，即电致双折射现象。3.测定铌酸锂的透过率曲线（T-U曲线），求出半波电压和电光系数22。取出镜头纸，光电三极管接收器对准激光光点，在起偏器前加减光片，加在晶体上的直流电压从0开始，逐渐增大。晶体上只加直流电压，不加交流信号，把直流电压从小到大逐渐改变，输出电流将出现极小值和极大值，两者分别对应的直流电压只差即为半波电压。整个过程中，光强始终不超过3.2。记录晶体所加直流电压0u和光强I，得到下表：表10u(V)I（cd)0u(V)I（cd)0u(V)I（cd)0u(V)I（cd)0u(V)I（cd)0u(V)I（cd)50.08550.861052.361552.52051.262550.15100.09601.011102.411602.442101.112600.1150.12651.151152.51652.362150.972650.09200.17701.31202.561702.262200.832700.09250.21751.41252.611752.142250.72750.11300.29801.551302.641801.992300.572800.15350.39851.781352.651851.862350.452850.19400.47901.921402.641901.692400.342900.2450.6952.061452.611951.572450.272950.33500.721002.181502.572001.422500.23000.41根据原理，当uuuum,20时，tuutuuTmmsin)(121)sinsin(121透射率与透射光强成正比，因此根据上表1作出U-I图像，并作正弦拟合，得：图4.晶体所加直流电压0u与透射光强I关系曲线透射光强极大时，0u=134.6V；透射光强极小时，0u=269.3V。因此半波电压u=134.7V。晶体厚度d=1.7mm，宽度m=5.0mm,长度l=50mm,0n=2.29，λ=632.8nm。根据)(22230ldnu求得晶体电光系数V/m1065.612-22。（二）调制法晶体上同时加上直流电压和交流信号，调节直流电压，观测输出信号。把电源前面板上调制信号“输出”接到二踪示波器的CH2上，放大器的“调制信号”接到示波器的CH1上。调节直流电压，当晶体上的直流电压加到某一值1u时，输出信号出现倍频失真；再调直流电压到2u，输出信号又出现倍频失真，记下1u和2u。记录得到第一次倍频失真时电压1u=121V，第二次电压2u=250V，半波电压u=129V。图5.调制法两次倍频失真图像（三）动态法1.把电源前面板上的旋钮调到“动态”，打开函数发生器，信号经放大后加到晶体上，前面板上的“输出”接到二踪示波器的CH1上，被调制信号经光电转换、放大后的信号接到示波器的CH2上。调节直流电压，记录相邻两次出现倍频失真时的电压1u和2u。分别用正弦波、三角波和方波作为输入信号。记录结果如下表2：表21u（V）2u（V）u（V）正弦波102231129方波103231128三角波102231129图6.正弦波两次倍频失真图像图7.方波两次倍频失真图像图8.三角波两次倍频失真图像2.把调制信号的直流电压调为0，在起偏器和晶体之间加入1/4λ玻片，转动1/4λ玻片，观察输出信号，记录出现倍频失真时转动的角度。转动1/4λ玻片，可以观察到四次倍频失真现象，其角度依次为311º、10º、130º和190º.晶体所加直流电压为0时，改变1/4λ玻片的方位，可以改变玻片输出的O光和e光在起偏器偏振方向相干叠加的合振幅大小，使调制器的工作点和透光率随1/4λ玻片的方位周期性变化。当玻片的主轴正向平行晶体的x（或y)轴时，输出光倍频失真，因此会有两次倍频失真；反向平行时，也有两次倍频失真。玻片旋转一周会出现4次倍频失真。（四）测量电光调制后输出信号的带宽调节直流电压，使经电光调制后的输出电压不失真，此时u=40V，函数发生器输入信号频率为1kHz。调节函数发生器输入信号的频率，使得输出信号的幅度降为初始时的一半，记下此时的频率。得到实验结果为：Hf=6kHz，Lf=3Hz，因此dBf36kHz。五．实验总结1.极值法测量的半波电压约为135V，调制法和动态法测得的半波电压约为129V，后两种方法测得的半波电压偏小。但调制法和动态法更准确，因为极值法时极大值、极小值的直流电压难以准确测量，误差较大。2.试验时很难调出晶体锥光干涉的黑十字图样，可能原因有：晶体切割不好，主折射率与x、y、z轴没有重合，入射光与en轴有夹角；起偏器前有偏振片作为减光片，使入射光的倾角改变，干涉图样不再关于x轴对称。3.由于电光调制电源的直流电压不能调为0，不能测到0V时的光强，因此不能判断最低值是否在u=0，但根据拟合曲线看，0V时是光强的最低值，也是极小值。4.转动1/4λ玻片观察转动角度时，由于直流电压不为零，对实验结果会有影响。观察到两次倍频失真转动的角度为60度，根据理论，第一次倍频失真后，转动90度才会出现第二次倍频失真，难以理解。【思考题】1．本实验中没有会聚透镜，为什么能够看到锥光干涉图？如何根据锥光干涉图调整光路？答：（1）铌酸锂是单轴晶体，加上电压时变为双轴晶体。入射光经过起偏器后成为先偏振光，再经过铌酸锂晶体后分解为有一定相位差但振动相互垂直的o光和e光。这两束光通过检偏器2P时，只有沿2P的偏振方向的光才能通过，其余方向的光不能通过。不同的晶体厚度和入射光倾角，将使o光和e光产生不同的相位差，从而出现不同的干涉图样。检偏器2P将偏振方向为2P的光分离出来，相当于会聚透镜的作用。（2）O光和e光的相位差为：lnnnnnoe)11(sin212)'(cosl22222302其中，由于o光和e光的折射角相差很小，取2为两束光的折射角的平均值。干涉合成光强为：)cos1(2sin2I20sI)]cos1(2sin211[I20Ip1P、2P垂直时，干涉条纹是同心圆，在=0º,90º,180º和270º处，sI=0，一个清晰的暗十字将整个光场均匀分为4瓣。1P、2P平行时，干涉图样为被亮十字分割的同心圆环。根据锥光干涉图样，调节起偏器或者微调晶体的x、y方向，使干涉图样变为1P、2P垂直或平行时的图样。一般而言，由于入射倾角的影响，干涉图样不再完全对称。（1）（2）2．工作点选定在线性区中心，信号幅度加大时怎样失真？为什么失真，请画图说明。答：信号加大时，输出信号将出现非线性失真，表现为系统输出信号与输入信号不成线性关系。幅度大时，不满足小信号调制的条件，不能写成tuutuuTmmsin)(121)sinsin(121的形式。当幅度过大时，调制信号本身失真，输出信号的失真就无法判断有什么原因引起。3．测定输出特性曲线时，为什么光强不能太大？如何调节光强？这种调节光强的方法有何优缺点？答：因为广电接收器前有光电三极管，光强太大时，将会烧坏光电三极管。在起偏器前加上一块偏振片作为减光片，转动偏振片，就能调节光强。这种方法的优点是操作简单，可快速减小光强；缺点是经过减光片的光的偏振方向受减光片的影响，不能垂直照射在起偏器上。4．晶体上不加交流信号