电光调制实验报告(1)

光电工程学院

2013 / 2014学年第 2 学期

实验报告

课程名称：光电子基础实验

实验名称：电光调制实验

班级学号 1213032809 学生姓名丁毅

指导教师孙晓芸

日期：2014年 5 月07 日

电光调制实验

【实验目的】

1、掌握晶体电光调制的原理和实验方法；

2、学会用实验装置测量晶体的半波电压，绘制晶体特性曲线，计算电光晶体的消光比和透射

率。

【实验仪器及装置】

电光调制实验仪（半导体激光器、起偏器、电光晶体、检偏器、光电接收组件等）、示波器。

实验系统由光路与电路两大单元组成，如图3.1所示：

图3.1 电光调制实验系统结构

一、光路系统

由激光管（L）、起偏器(P)、电光晶体(LN)、检偏器(A)与光电接收组件(R)以及附加的减光器(P1)和λ/4波片(P2)等组装在精密光具座上，组成电光调制器的光路系统。

二、电路系统

除光电转换接收部件外，其余包括激光电源、晶体偏置高压电源、交流调制信号发生、偏压与光电流指示表等电路单元均组装在同一主控单元之中。

图3.2 电路主控单元前面板

图3.2为电路单元的仪器面板图，其中各控制部件的作用如下： ? 电源开关

用于控制主电源，接通时开关指示灯亮，同时对半导体激光器供电。

? 晶体偏压开关 用于控制电光晶体的直流电场。（仅在打开电源开关后有效） ? 偏压调节旋钮 调节直流偏置电压，用以改变晶体外加直流电场的大小。 ? 偏压极性开关 改变晶体的直流电场极性。 ? 偏压指示

数字显示晶体的直流偏置电压。

? 指示方式开关 用于保持光强与偏压指示值，以便于读数。

? 调制加载开关 用于对电光晶体施加内部的交流调制信号。（内置1KHz 的正弦波） ? 外调输入插座

用于对电光晶体施加外接的调制信号的插座。 （插入外来信号时内置信号自动断开）

? 调制幅度旋钮 用于调节交流调制信号的幅度。 ? 调制监视插座 将调制信号输出送到示波器显示的插座。 ? 解调监视插座 将光电接收放大后的信号输出到示波器显示的插座，可与调制信号进行比较。

? 光强指示

数字显示经光电转换后的光电流相对值，可反映接收光强大小。

? 解调幅度旋钮 用于调节解调监视或解调输出信号的幅度。 ? 解调输出插座 解调信号的输出插座，可直接送有源扬声器发声。

三、系统连接

1、光源将半导体激光器电源线缆插入后面板的“至激光器”插座中。（如使

用He—Ne激光管需另配套专用电源，其输出直流高压务必按

正负极性正确连接）。

2、晶体调制由电光晶体的两极引出的专用电线插入后面板中间的两芯高压插座。

3、光电接收将光电接收部件（位于光具座末端）的专用多芯电缆连接到电路主控

单元后面板“至接收器”的插座上，以便将光接收信号送到主控单元，

同时主控单元也为光电接收电路提供电源。

4、信号输出光电接收信号由解调监视插座输出；主控单元中的内置信号（或外调

输入信号）由调制监视插座输出。两者分别送到双踪示波器，以便同

时显示波形，进行比较。

5、扬声器将有源扬声器插入功率输出插座即可发声，音量由“解调幅度”控制。

6、交流电源主控单元后面板右侧装有带开关的三芯标准电源插座，用以连接

220V市电交流电源。

【实验原理】

某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度、相位或频率的调制，构成电光调制器。电光效应分为两种类型：

(1) 一级电光（泡克尔斯——Pockels）效应，介质折射率变化正比于电场强度。

(2) 二级电光（克尔——Kerr）效应，介质折射率变化与电场强度的平方成正比。

本实验使用铌酸理（LiNbO3 ）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。

图3.3 横向电光效应示意图

如图3.3所示，入射光方向平行于晶体光轴 （Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场(E)作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45?，形成新的主轴X ’轴 —Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为?n ，它正比于所施加的电场强度E ：

rE n n 3

0=?

式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。 n 0为晶体对寻常光的折射率。

当一束线偏振光从长度为l 、厚度为d 的晶体中出射时，由于晶体折射率的差异而使光波经晶体后出射光的两振动分量会产生附加的相位差δ，它是外加电场E 的函数：

3

30

222l nl n rEl n r U

d πππ

δλλλ??

=?== ???

(3.1)

式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两面极间的电压来表示，即U =Ed 。

当相位差 δ＝π 时，所加电压

3

02d

U U n r l

πλ==

(3.2)

U π 称为半波电压，它是一个用以表征电光调制电压对相位差影响的重要物理量。由(3.2)式可见，半波电压U π 决定于入射光的波长λ、晶体材料和它的几何尺寸。由(3.1)、(3.2)式可得：

0()U

U U π

δπδ=+ (3.3)

式中δ0为U ＝0时的相位差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯净晶体

而言δ0＝0 。

图3.4为电光调制器的工作原理图。

由激光器发出的激光经起偏器P 后只透射光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振光I P 垂直于电光晶体的通光表面入射时，如将光束分解成两个线偏振光，经过晶体后其X 分量与Y 分量的相差为δ (U )，然后光束再经检偏器A ，产生光强为I A 的出射光。当起偏器与检偏器的光轴正交(A ⊥P)时，根据偏振原理可求得输出光强为：

图3.4 电光调制器工作原理

()2

2

()sin 2sin 2A P U I I δα??

=????

(3.4)

式中x P θθα-=，为P 与X 两光轴间的夹角。 若取α＝土45?。，这时U 对I A 的调制作用最大，并且

2()sin 2A P U I I δ??=????

(3.5)

再由（3.3）式可得

2

sin 2A P U I I U ππ??

????=?? ? ??????

?

于是可画出输出光强I A 与相位差δ （或外加电压U ）的关系曲线，即I A ~ δ（U ）或I A ~ U 如下：

图3.5 光强与相位差（或电压）间的关系

由此可见：当δ (U )＝2k π ( 或U ＝2kU π ) (k=0，±1, ±2，?)时，I A =0 当δ (U )＝2k π +1或U ＝(2k +1) U π 时，I A = I P 当δ (U )为其它值时， I A 在0~ I P 之间变化。

由于晶体受材料的缺陷和加工工艺的限制，光束通过晶体时还会受晶体的吸收和散射，使两振动分量传播方向不完全重合，出射光截面也就不能重叠起来。

于是，即使在两偏振片处于正交状态，且在 45±=-=x P θθα的条件下， 当外加电压U ＝0时，透射光强却不为0，即I A = I min ≠0 U ＝U π 时，透射光强却不为I P ，即 I A = I max ≠I P 由此需要引入另外两个特征参量：

消光比

min

max

I I M =

透射率 0

max

I I T =

式中，I o 为移去电光晶体后转动检偏器A 得到的输出光强最大值。

M 愈大，T 愈接近于1，表示晶体的电光性能愈佳。半波电压U π 、消光比M 、透光率T 是表征电光介质品质的三个特征参量。

从图3.5可见，相位差在δ＝π/2或(U＝Uπ/2 )附近时，光强I A与相位差δ（或电压U）呈线性关系，故从调制的实际意义上来说，电光调制器的工作点通常就选在该处附近。图 3.6为外加偏置直流电压与交变电信号时光强调制的输出波形图。

由图3.6可见，选择工作点②(U＝Uπ/2 )时，输出波形最大且不失真。

选择工作点①(U＝0 ) 或③(U＝Uπ)时，输出波形小且严重失真，同时输出信号的频率为调制频率的两倍。

图 3.6 选择不同工作点时的输出波形

工作点的偏置可通过在光路中插入一个λ／4波片其透光轴平行于电光晶体X轴（相当于附加一个固定相差δ＝π/2 ）作为“光偏置”。但也可以加直流电压来实现。

【实验内容及步骤】

一、实验准备

1、按图3.1的结构图在光具座上垂直放置好激光器和光电接收器（预先将光敏接收孔盖上）。

2、所有滑动座中心全部调至零位，并用固定螺丝锁紧，使光器件初步共轴。

3、光路准直：

（1）打开激光电源，调节激光电位器使激光束有足够强度。调节激光器架上的三只夹持螺钉使激光束基本保持水平，用直尺量激光器光源输出口高度与光电接收器中心高

度，使二者等高。此时激光器头部保持固定。

（2）调节激光器尾部的夹持螺钉，使激光束的光点保持在接收器的塑盖中心位置上（去

除盖子则光强指示最大），此后激光器与接收器的位置不宜再动。

4、插入起偏器(P)，用白纸挡在起偏器后，调节起偏器的镜片架转角，使白纸上的光点亮

度在最亮和最暗中间，这时透光轴与垂直方向约成θ P＝45?。

5、按系统连接方法将激光器、电光调制器、光电接收器等部件连接到位。将调制幅度和解

调幅度调至最大，晶体偏压调至零，关闭主控单元的晶体偏压电源开关。

6、将调制监视与解调监视输出分别与双踪示波器的Yi、Yii输入端相连，打开主控单元的

电源，此时在接收器塑盖中心点应出现光点（去除盖子则光强指示表应有读数）。插入检偏器(A)转动检偏器，使激光点消失，光强指示近于0，表示此时检偏器与起偏器的光轴己处于正交状态(P⊥ A)，这时透光轴与垂直方向约成θ A＝45?。此时检偏器与起偏器的角度不宜再动。

7、将电光晶体插入光具座，使激光束透过，适当调节电光晶体平台上三个调节螺丝，使反

射光斑打在激光器光源输出口附近，和起偏器的反射点基本水平，此时激光束基本正射透过。调节电光晶体旋转镜片架角度，使接收光强应近于0 （达到最小），应该在0.1以下。此时从示波器观察应出现倍频现象，即解调信号频率是调制信号频率的两倍。

8、打开主控单元的晶体偏压电源开关。

9、必要时插入调节光强大小用的减光器P1和作为光偏置的λ／4波片构成完整的光路系统。

（可选）

二、实验现象观察及数据测量

1、观察电光调制现象

(1)调节晶体偏压，观察输出光强指示的变化。

(2)将晶体偏压调至0，改变偏压极性，观察输出光强指示的变化。

2、测量电光调制特性

(1)作特性曲线

将直流偏压加载到晶体上，从0到允许的最大偏压值逐渐改变电压(U)，测出对应于每

一偏压指示值的相对光强指示值，作I A ~ U 曲线，得到调制器静态特性。其中光电流有极大值I max 和极小值I min 。正偏压和负偏压各做一组值。

如此时解调波形非正弦波，出现失真，说明激光器输出光功率过大，应微调激光器尾部旋扭使光功率略微减小。再重新测量曲线。

测量完毕，将晶体偏压调至0，关闭电源。 (2) 测半波电压

与I max 对应的偏压U 即为被测的半波电压U π 值。

(3) 计算电光晶体的消光比和透光率

由光电流的极大、极小值得：

消光比

m i n

m a x

I I M =

将电光晶体从光路中取出，旋转检偏器A ，测出最大光强值I 0，可计算：

透射率 0

m a x

I I T =

三、电光调制与光通讯实验演示（可选做）

将音频信号（来自广播收音机、录音机、CD 机等音源）输入到本机的“外调输入”插座，将扬声器插入“解调输出”插座，加晶体偏压至调制特性曲线的线性区域，适当调节调制幅度与解调幅度，即可使扬声器播放出音响节目（示波器也可同时监视）。

改变偏压试听扬声器音量与音质的变化。

【实验数据处理与分析】

（1）作电光调制特性曲线

表3.1 电光调制特性负偏压实验数据表

表3.2 电光调制特性正偏压实验数据表

A

注：采用origin8画图。

（2）测半波电压

半波电压Uπ-=500V ；Uπ+=525V 。

（3）计算电光晶体的消光比和透光率

最大光强值I0= 5.45V ；

消光比M-= 1.31/0.02=65.5 ；M+= 1.37/0.02=68.5 ；

透射率T-= 1.31/5.45=24.0% ；T+= 1.37/5.45=25.1% 。

【实验注意事项】

1、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节或使用好后应随即用塑盖将

光电接收孔盖好。

2、本实验使用的晶体根据其绝缘性能最大安全电压约为510V左右，超值易损坏晶体。

3、调节过程中应避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。

4、加偏压时应从0伏起逐渐缓慢增加至最大值，反极性时也应先退回到0值后再升压。

5、调节半导体激光器功率时，不要用力过大而损坏功率调节旋钮。

【实验思考题】

1、简述调制法测量电光晶体半波电压的原理和实验步骤。

答：

1实验原理：当晶体电压为半波电压时，光波出射晶体时相对入射光产生相位差π,而偏转方向旋转了π/2，使得P垂直A。当电压为0时，接收器光强最小，电压增大，光强增大，当光强最大时，光偏转方向旋转了π/2，此时电压即为半波电压。

2实验步骤：调节P垂直A，偏压为0.旋转电光晶体，光强接近于0时，出现倍频，增大电压，当光强达到最大时，示波器再次出现倍频现象时，电压为半波电压。