铌酸锂晶体电光调制器的性能测试_OK
铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试
铌酸锂（LiNbO3）晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换能材料，铁电材料，电光材料，非线性光学材料及表面波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器，应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。
【实验目的】
1．了解晶体的电光效应及电光调制器的基本原理性能． 2. 掌握电光调制器的主要性能消光比和半波电压的测试方法
3. 观察电光调制现象
【实验仪器】
1．激光器及电源
2．电光调制器(铌酸锂)
3．电光调制器驱动源 4. 检流计 5．示波器
6．音频输出的装置
7．光具台及光学元件
【实验原理】
1．电光效应原理
某些晶体在外电场作用下，构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E 的改变发生相应的变化，因而某些原来各向同性的晶体，在电场作用下，显示出折射率的改变。这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率N 和外电场E 的关系如下：
ΛΛ++=-2
20
211RE rE n n (1)
式中，0n 为晶体未加外电场时某一方向的折射率，r 是线性电光系数，R 是二次电光系数。通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应，又称泡克尔斯效应；把二次项引起的电光效应叫做二次电光效应，又称克尔效应。其中，泡克尔斯效应只在无对称中心的晶体中才有，而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心的晶体中，与泡克尔斯效应相比，克尔效应较小，通常可忽略。
目前普遍采用线性电光效应做电光调制器，这样就不再考虑（1）式中电场E 的二次项和高次项。因此（1）式为：
rE n n n =-=?20
2211}1( (2)
利用电光效应可以控制光的强度和位相，其在光电技术中得到广泛的应用，如激
光通讯、激光显示中的电光调制器、激光的Q 开关、电光偏转等。
在各向同性的晶体中，折射率n 与介电系数ε均为常量，且ε=2n ，但在各向异性晶体中，介电系数不再是个常量，而是一个二阶量，为ij ε，这样折射率n 也就随介电系数的变化而呈现出各向异性的性质，在不同的方向上随ij ε的不同而有所不同。为明确表示在各方向上相应的折射率值，因此把n 写成ij ε，所以(2)式成为：
k ijk ij ij E r n n n =-=?20
221
1}1( (3)
)3,2,1,,,(=k j i
这里，ijk r 是一个三阶量，因为它仅映了一个二阶量
ij ε和一个一阶量k
E
的关系。
三阶量ijk r 应有33=27个分量，但由于介电系数εij 是二阶对称量，它只有6个分量，这就便各ijk r 最多只有18个分量，而不是27个分量了．因此通常将r ijk 的三个脚标简化为二个脚标，即：
ik ijk r r →
i ij → 的简化规则如下：
43223111→????→ 51331222→???
?→ 621123
33→????→
这样ijk r 就缩写成r ik ，但在习惯上仍写作r ij ，并且可以写成六行三列的矩阵形式：
63
534333231362
524232221261
51413121
11r r r r r r r r r r r r r r r r r r r ij =
通过脚标的简化，公式(3)就可写成：
j ij ij i E r n n n =-=?20
221
1}1( （4） 由于晶体的对称性，电光系数的18个分量，有些分量是相等的，有些
分量又等于零，因此吸有有限的几个独立分量，例如铌酸锂(LiNbO 3)晶体，其电光系数只有四个独立分量，其形式如下：
000
00000
023131352222261
51r r r r r r r r r ij -=
2．折射率椭球
对于各向异性的晶体来说，在不同方向上晶体具有不同的折射率。如果在晶体中任选一点O ，从O 点出发向各个方向作矢量，使矢量长度等于该方向的折射率时，矢量的端点构成一个椭球面，称这个椭球面为折射率椭球，并用它来描述晶体的光学性质。如果晶体是各向同性的，折射率椭球就简化为一个球面。晶体的电光效应可以用折射率椭球随电场的变化来描述。
在单轴晶体中，如果选取的直角坐标系的三个轴X 1 ，X 2 ，X 3与折射率的三个主轴重合，则在晶体未加外电场时，折射率椭球方程为：
11112
3230
2222021210=++X n X n X n （5）
这里，n 10，n 20，n 30为晶体的主折射率。当在晶体上加一外电场E(E 1，E 2，E 3)后，由于一次电光效应，晶体各方向上的折射率发生了变化，因而折射率椭球也相应地发生变
化，此时折射率椭球的一般表达式为：
11111112126
13252324232322222121=+++++X X n X X n X X n X n X n X n （6）
在(6)式中包含了交叉项X 3X 2等等，表示X 1、X 2、X 3不再是折射率椭球的主轴了。 下面讨论一下折射率椭球的变化规律，即怎样确定表征椭球的方程(6)中的各项系数。
当外电场E=0时，(6)式还原成(5)式，有：
2102111n n = 2202211n n = 230
2311n n = 01
1126
2524===n n n
当在晶体上加一外电场(E 1，E 2，E 3)后，则根据泡克尔斯效应式(4)有如下关系：
36326216126
6235325215125
5234324214124423323213123023322322212122022223
132********
21121)1(
1)1(1)1(11)1(11)1(1
1)1(E r E r E r n n E r E r E r n n E r E r E r n n r E r E r n n n r E r E r n n n E r E r E r n n n ++=?++=?++=?++=-?++=-?++=-? (7)
(7)式以矩阵相乘的形式表示可以写成：
3)1(
)1()1()1()1()1(
2
163
534333231362
52423222126151413121
11
6
2524
23
22212E E E r r r r r r r r r r r r r r r r r r n n n n
n
n ?=?????? (8)
3．电光调制
本实验用的是铌酸锂晶体，至于别的晶体，由于其对称性不同，相应的电光系数也不同，其具体形式也有所不同，而对于同一类型的晶体，如果其工作状态不同，其具体形式也有所不同，但推理过程相类似。
本实验中，对于铌酸锂晶体利用其一次电光效应，制成调制器用来调制激光的光强，称为振幅调制。
图一所示，入射光经起偏振器射到晶体上，光通过晶体后由检偏器检测。其起偏器的振动面平行与X 1轴，检偏器的偏振面平行与X 2轴，入射光沿X 3即光轴方向传播，其中X 1，X 2，X 3三个轴的方向就是晶体的三个结晶轴的方向，以上部件组成光振幅调制，其输出端的光强度（经检偏器后）将由加到晶体上的电压来调制。具体情况如下：
（1）铌酸锂晶体加电压后的折射率的变化，即折射率椭球随电场变化而变化的情况
铌酸锂晶体是负单轴晶体，在λ=6238?时，其n 0=2.286， n e =2.200,当外电场零时，其折射率椭球方程为：
11112
320
22202120=++X n X n X n （9） 此方程表示是一个以X 3轴为旋转轴的旋转椭球，如图二所示，n 1＝n 2＝n o 为寻常无折射
率，n 3=n e 为非寻常光折射率。
图一
如图一所示，当在铌酸锂晶体的X 1方向加电场E 1后，由于E l ≠0，E 2=E 3=0，此时晶体的折射率发生了相应的变化，把铌酸锂晶体的电光系数r ij 值和E 值的相应部分代入(7)式，可得到在X 1方向加电场的折射率的变化情况：
???
???
???
?
?????????-====
==1222615125
2
4
202320
2220
211
1
011
11
111E r n E r n n n n n n n n （10）
将(10)式代入(6)式：
12211121122131512
320
22202120=-+++X X E r X X E r X n X n X n （11）
把(11)式和(9)式比较，沿LiNbO 3晶体的X 1方向加电场E 1后，使折射率椭球的开状发生了变化，从(11)式可以看出，折射率椭球的主轴不再是X 1，X 2，X 3其所表示的折射率椭球的形状如图三所示。
图一中光沿LiNbO 3晶体的X 3方向通过，X 1方向加电场E 1后，此时，过椭球中心而垂直于X 3轴的平面截折射率椭球的截痕为一椭圆，而在外电场为零时，此截痕为圆，如图四所示。图中实线为E l =0时的截痕，虚线为E l ≠0时的截痕，并且从图中可以看出，椭圆的长、短半轴已不再是X 1、X 2，而是X 11X 21，并且在下面的叙述过程中可知，X 11X 21为X 1X 2绕X3轴旋转450而得。图中n 1=n 2=n o ，而n ′1≠n ′2，且有n ′1 >n 0,n ′2 图二 图三 图四 1211211222 220 2120=-+X X E r X n X n （12） 此方程即令（11）式中的X 3=0后所得。此椭圆的半长轴和半短轴分别为在X 1方向加电场，在X 3方向传播的两偏振光的折射率。现在用坐标变换的方法求椭圆的半长轴和半短轴，即求其相应的折射率。 设新坐标X 1′X 2′与X 1X 2之间的关系为： ???'-'='-'=????sin cos sin cos 212 21 1X X X X X X （13） 代入(13)式，整理后得： 12cos 2)2sin 1()2sin 1( 211222 21222 2112220=''-'++'-X X E r X E r n X E r n ??? （14） 当21X '，22 X '为椭圆的长、短半轴时，(14)式中应无交叉项存在，因此,cos ?=0,∴ ?=450 这样(14)式为： 1)1()1(2 212220 211222 0='++'-X E r n X E r n （15） 设21 n ',22n '为相对于新主轴21X '，22X '的折射率，则： ?????? ?+='-='1222022 1 2220 211111 E r n n E r n n （16） 从(16)式可知： ??? ???? +='+=') 211()211(12220021222001E r n n n E r n n n （17） 从(17)式可知，当晶体未加外电场时，由于光沿光轴X 3入射时不发生双折射现象，因而有n 1＝n 2＝n o ，但当在X l 方向加电场E 1后，光沿X 3方向传播时发生双折射，此时 折射率椭球主轴已成为1X '，2 X '，3X '，其主折射率分别为1n '，2n '，且有021n n n ≠'≠'，即光沿X 3轴射入晶体时，分解为偏振方向平行于1X '及2 X '的两个偏振光，且偏振方向平行于1X '的光，其折射率1 n '>n o ，传播的相速度减小，偏振方向平行于2X '的光，其折射率02 n n <'，传播的相速度增大。这种现象称为电场感生双折射，即双折射。所以图一的基本作用是利用人工双折射来实现光的调制的。 (2)光在LiNbO 3晶体中的传播情况，半波电压 图一，入射光经起偏器P 1后，获得光波矢量平行于X l 轴的偏振光，射到晶体上，当外电场E l 加到晶体上时，产生人工双折射，沿X 3方向传播的光分解为沿X ′1及X ′2方向的两个偏振光，由于X 1′、X 2′为X 1、X 2绕X 3轴旋转450而得，因此，在入射端可以认为这两个波的振幅是相等的，但当这两个光波进入晶体后，由于存在电场引起的双折射，相速度不再相同，两个光波各按自己的相速度传播到晶体的另一端。设LiNbO 3晶体X 3方向的长度l ，X 1方向的厚度为d ，由于电场E 的数值是不易测量的，故实验中用垂直于E 的两个晶体表面上的电位差(V ＝E ?d)来代替。则此两光波通过晶体时产生的位相差为： d l V r n E r n l n n l 22301223 021 22)(2λπλ π λ π δ=??= '-'= （18） 当外加电场加到某一确定值时，两波通过晶体时产生的位相差正好等于π，称此时的外加电场为半波电压，用V π 或V 2 λ来表示。用半波电压这一概念形象地表示：加 上这样的电压，晶体部的两个正交分量的光程差刚好等于半个波长，相应的位相差等 于π。因此可以得到： l d r n V ? = 22 202λ π (19) 半波电压是标志电光调制器的一个重要参量，实际应用中希望愈小愈好。从（19）式可知，半波电压的大小与制成调制器的材料及外形尺寸有关。为获得半波电压低的电光调制器，首先要选用半波电压低的电光晶体材料（必须注意：材料的半波电压以d:l =1:1为标准），一旦材料确定以后，常用降低d/l 的比值来达到降低调制器的半波电压。 当半波电压确定以后，从（18）（19）两式中，可以得到两波通过晶体时的位相差和外加电压之间的关系： π πδV V ? = (20) (3)LiNbO 3晶体调制器 本实验用的是铌酸锂(1iNbO 3)晶体调制器，使用条件是沿X 1方向加电场，沿X 3方向通光。图一中，起偏器P 1和检偏器P 2正交放置。由于实验要求，沿X 3方向的入射光经起偏器P l 后获得电矢量平行于X 1轴或X 2轴的线偏振光，由于外电场的作用，进入晶体的线偏振光又分解为沿X ′1，X ′2的两个方向的线偏振光，当这两光波通过检偏器P 2时，其透射光强度为此两波在P 2上投影迭加的结果。具体叙述如下： 图六中，N 1、N 2分别为偏振器P 1、P 2的主截面，而Z 、Z 1为晶体的主截面。设经过P 1的入射光的光强为I 0=A 2,,则可得到： 20145 sin 45cos A A A A == 在入射光波刚进入晶体的瞬间，两光无位相差，当两光通过l 长的晶体后，由于电场引起的双折射，两光的相速度不同，产生一定的位相差，当具有这个相差的两光通过检偏器P 2时，其在N 1上的分量为： ??? ????=='=='A A A A A A 2145sin 2145cos 0220 11 由此可见，通过检偏器的两光是同频率、等振幅、振动在同一平面的两个相干光。这两个相干光除有电场引起的位相差δ以 外，还有在N 2上投影所引入的位相差π，因而此两光的总的位相差为(π+δ) 。设从检偏器后得到的输出光强为I ，则根据偏振光干涉的原理，可以得到光强I 和输出光强I 0之间的关系： 2 sin 2 sin )cos(22 022212221δ δ δπI A A A A A I ==+''+'+'= (21) 从(21)式可以看出，两线偏振光之间的位相差不同，与之对应的输出光强也就不 同，也就是说，输出光强随外加电压的变化而变化，因而可以通过控制外加电压的方法来达到调制输出光强的目的。 图六 从(21)式得到外加电压与输出光强之间的关系，如图七所示。从图中可以看出，当外加电压V ＝0时，输出光强为最小，而V ＝V π时，输出光强达到最大，从理论上讲，当V ＝2kV π (K=0，土1，土2……)时，输出光强应等于输入光强，即达到100％的调制，但在实际上由于晶体的光学均匀性及加工精度，偏光器的质量与取向精度，入射光的发射角，所加电场的均匀性等因素的影响，使V=2kV π时，输出光强不为零，而达到一个最小值I min ，当V=(2k+1)V π时，输出光强I ≠ I 0，而达到一个最大值I max ，在一般情况下，I max 调制器的最大输出光强与最小输出光强的比值称为调制器的消光比。它是衡量电光调制器质量的一个重要技术指标。消光比越大，说明晶体的光学质量好，加工精度高。一般情况下，调制器的消光比围在几十到几百之间。定义消光比为： min max I I M = （22） LiNbO 3调制器的具体应用：当施外加调制信号电压于调制器，则输出光强随调制信号的变化情况，如图八所示。 图八为图七的部分进行放大。显然，如果取调制电压t V V m ωsin =则从图八中曲线(1)所对应的情况来看，输出光强被调制的围很小，而且发生了严重的畸变，所以应考虑加一个偏置电压．取 代入(21)式： t V V V m DC ωsin += 图七 )sin sin()sin()sin cos()cos(1210t V V V V t V V V V I I m DC m DC ωππωπππ πππ+?????? -= 如果选取直流偏压 V DC = 2 π则上式可为： t V V I I m ωππsin )sin(1210?? ???? ?+= （23） 对于线性调制，要求π? π v v m << 1，于是（22）式为： )sin 1(21 0t V V I I m ωππ ?+= （24） 从上面的分析可以看出，应用电光效应做振幅调制，原则上不是线性调制。为获得线性调制，一方面调制讯号不宜过大，应满足π? π v v m << 1，另一方面要适当选择工 作点，就是选择直流偏压V DC = 2 π，此时两波产生的位相差为： 2 ππδπ=?=V V DC 通常在调制晶体前（或后）放置一个 4λ波片，就能产生2 π 的相差，这种方法叫做光学偏压。光学偏压和直流偏压是等价的，二者择其一。 选择工作点不仅有助于消除畸变，而且可获得较大的光强度调制度。 【实验容及步骤】 1．仪器放置 He-Ne 激光器及电源，LiNbO 3晶体调制器及驱动源、示波器、光点检流计、硅光电池、偏振器件，光具座、光栏等。以上仪器及元件按图九位置放置，电气部分应按要求联接好。 2．步骤 由于本实验有高压装置，做实验时，一定要谨慎小心，注意安全．图九为实验装置示意图。 ①打开 He-Ne 激光电源，点燃激光管，工作电流6mA 左右，此时激光管的正负极间电压有几千伏，要注意安全。 ②调整激光束的位置，使之与光具座的中心线平行。方法是利用检验光栏在光具座上来回滑动，调节放光管位置，使激光束始终落在光栏，则激光束的位置调整完毕。 ③各光学元件先后按置在光具座上．如图九所示，使各元件表面垂直于激光束，并使P 1、P 2振动面平行。调制器的X l 轴是垂直放置，X 2轴在水平方向上，X 3与激光束方向相平行。如何保证激光束的入射方向与X 3轴即晶体光轴平行，而相应的起偏器与检偏器的位置又将怎样放置，这是在动手做实验以前必须解决的二个问题。 ④最后将硅光电池与光点检流计相连接，连接时首先将检流计的量程调至最大，然后根据需要再选择量程，并旋转消光器使光强最大时选择合适的量程．一切检查无误后开始测量。 ⑤首先测量输入光强，光使起偏器的振动面平行于X l 轴，然后取下LiNbO 3调制器，让检偏器的振动面与起偏器的振动面相平行，此时测得的光强就是输入光强I 。，然后调节检偏器与起偏器的振动面相互正交，放上LiNb03调制器并使之共轴，然后按实验要求继续测量。 ⑥由于是用硅光电池与光点检流计组合来接收光强，所以本实验中，光强的值实际上是检流计上的电流读数，但由于在计算过程中，只取I/I 0的相比值，所以并不影响实验结果的正确性。 3．容 图九 P 1 P 2 ①测LiNb03调制器的消光比和半波电压，改变加在调制器上的直流电压值，分别求出当V DC ＝0，V DC ＝V π：时对应的输出光强I min ，I max ，反复测量，取其平均值，求出消光比和半波电压。并将半波电压的实验值和理论值相比较，并分析原因．这里有： λ=63280 A n o =2.286，r 22＝6.8×10-10Cm ／V ， d ＝3mm ， L ＝50mm ②观察在LiNb03调制器上的交变信号时，输出光强被调制的情况。分三种情况讨论： (a)当V DC =0时输出光强被调制的情况。 (b)当V DC= 2 π V 誓时输出光强被调制的情况。 (c)当V DC 为任意值时输出光强被调制情况。 通过对以上三种现象的观察，你能得到什么结论? ③画出I ／I 0 - V 的实际关系曲线。 ④画出δ(v)—V 的关系曲线，并求出δ0的值． 本实验用的poekels 盒，它的位相差与外加电压的关系是： 0) (δπδπ +?=V V V 其V π与δ0都是与晶体材料和切割方式有关的，并且都是波长的函数。对于有些电光晶体，V π、δ0还受温度的影响。 【思考题】 1．有一块汞绿光的四分之一波片，它对红色氦氖激光，是四分之一波片吗?为什么? 2．请设计一个方案，从I ／I 0 Vm 线求得8(V)一-V 曲线． 3．由δ(v)——V 曲线说明这块LiNbO 3晶体具有一级电光效应。 4．如果入射光是直线偏振光，偏振方向与水平方向成300夹角，要使出射光波的水平振动分量比垂直振动分量多出的位相差是号，把四分之一波片放进光路时，应满足哪些条件?通过哪些步骤实现这些条件? 铌酸锂晶体(LiNb0，)由于其具有优良的铁电、压电、电光、非线性光学和声表面波性能而用途广泛。目前，已经在光波导基片、光通讯调制器、光隔离器、窄带滤波器等方面获得了广泛的实际应用，并在光子海量存储器、光学集成等方面具有广阔的应用前景，被公认为光电子时代的“光学硅”的主要侯选材料之一 。在光通讯中，电-光调制器就是利用电场使晶体的折射率改变这一原理制成的。电光晶体位于起偏镜和检偏镜之间，在未施加电场时，起偏镜和检偏镜相互垂直，自然光通过起偏镜后检偏镜挡住而不能通过。施加电场时，光率体变化，光便能通过检偏镜。通过检偏镜的光的强弱由施加于晶体上的电压的大小来控制，从而实现通过控制电压对光的强弱进行调制的目的。 【参考资料】 1．母国光、战元令编《光学》人民教育 1978年：13章。 2．荫远、顺华编《非线性光学》科学 1974年：3章。3．民华《晶体物理》科学技术1980 铌酸锂的性质及应用 一、晶体基本介绍 铌酸锂(LINbO3，LN)晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工，成本低，是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。目前，已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用，被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂(PeriodieallyPoledLiNbO3，PPLN)，可以最大程度地利用其有效非线性系数，广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程，在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景，因而成为非常流行的非线性光学材料。 二、基本化学性质 铌酸锂晶体简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构，AB03型晶体结构的一种类型。其原子堆积为ABAB堆积，并形成畸变的氧八面体空隙，1/3被A离子占据，1/3被B离子占据，余下1/3则为空位。此类结构的主要特点是:A和B两种阳离子的离子半径相近，且比氧离子半径小得多。分子式为LiNbO3，分子量为147.8456。相对密度4.30，晶格常数a=0.5147 nm，c=1.3856 nm，熔点1240℃，莫氏硬度5，折射率n0=2.797，ne=2.208(λ=600 nm)，界电常数ε=44，ε=29．5，ε=84，ε=30，一次电光系数γ13=γ23=10×10m/V， 广东第二师范学院学生实验报告 院（系）名称物理系班 别11物理 本四B 姓名 专业名称物理教育学号 实验课程名称近代物理实验（2） 实验项目名称电光调制实验 实验时间2014年12月 18日实验地点物理楼五楼 实验成绩指导老师签名 内容包含：实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验 结果与分析、实验心得 【实验目的】 1. 掌握晶体电光调制的原理和实验方法 2. 学会利用实验装置测量晶体的半波电压，计算晶体的电光系数 3. 观察晶体电光效应引起的晶体会聚偏振光的干涉现象 【实验仪器】 铌酸锂晶体，电光调制电源，半导体激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，双踪示波器 【实验内容及步骤】 一、调整光路系统 1. 调节三角导轨底角螺丝，使其稳定于调节台上。在导轨上放置好半导体光源部分滑块，将小孔光栏置于导轨上，在整个导轨上拉动滑块，近场远场都保证整个光路基 本处于一条直线，即使光束通过小孔。 放上起偏振器，使其表面与激光束垂直，且使光束在元件中心穿过。再放上检偏器，使其表面也与激光束垂直，转动检偏器，使其与起偏器正交，即，使检偏器的主 截面与起偏器的主截面垂直，这时光点消失，即所谓的消光状态。 2. 将铌酸锂晶体置于导轨上，调节晶体使其x轴在铅直方向，使其通光表面垂直于激光束（这时晶体的光轴与入射方向平行，呈正入射），这时观察晶体前后表面查看 光束是否在晶体中心，若没有，则精细调节晶体的二维调整架，保证使光束都通过晶体，且从晶体出来的反射像与半导体的出射光束重合。 3. 拿掉四分之一波片，在晶体盒前端插入毛玻璃片，检偏器后放上像屏。光强调到 最大，此时晶体偏压为零。这时可观察到晶体的单轴锥光干涉图，即一个清楚的暗十字线，它将整个光场分成均匀的四瓣，如果不均匀可调节晶体上的调整架。如图四所示 4. 旋转起偏器和检偏器，使其两个相互平行，此时所出现的单轴锥光图与偏振片垂 第10课：电光调制器（光学BPM） 本课介绍如何制作一个3D模拟的线性电光效应（Pockels效应）改性的材料。参考波导设计[1]如图1所示。本节中，该波导被创建时，电位被施加到电极上，并将结果进行比较，参考文献[1]。 图1：这是参考1图2，绘制倒挂。该波导是一个“底- 删除”的设计，使包层是BCB，用胶水波导到另一个基板，未显示的聚合物。这种安装暴露AlGaAs敷层在空气中，并在背面电极蒸发那里。 所有的长度都在微米。 OptiBPM中有另一个，老年人，电光模块。此遗留功能是专门三个共面的电极上扩散电极在铌酸锂中使用时。参见第14课：马赫-曾德尔干涉仪开关。如果不需要你想要的符合模型，以这种特定的情况下，系统，以及有关电极阻抗的信息，你可能要考虑所描述的电极区域功能第14课：马赫-曾德尔干涉仪开关。对于所有其他电光模拟，在本教程中所描述的功能应该被使用。 在这个例子中的材料系统是砷化铝镓。脊结构形成波导和支持TE 和TM波，虽然只有TE模式被激发在我们的例子。电极是金属和不显著相交的引导模式。当电极有电势差时，大多垂直电场出现在支持光模的材料。的材料的折射率由electo光效应略有修改。的影响小，但它可以使在光学波的相位的显著差异传播很长的距离后，1厘米的顺序。根据文献[1]，采用17.8 V该顶面和背面电极之间的电位差应在波导的基本模式1厘米传播后，引起皮的相位变化。 为了使模拟电压依赖性光学相移项目，请按照下列步骤。一个完成的项目可以在教程Samples目录中找到名为 Lesson10_ElectroOptic.bpd。 建议您已经完成了第1课：入门。这也是一个好主意，已经完成了第9课：创建一个芯片到光纤对接耦合器为好，以熟悉无电光效果的3D BPM模拟问题。 定义介质材料 步行动 1 在新的项目中，打开配置文件设计，并在科材料/绝缘创建砷化镓一种新材料。命名材料GaAs155，并在新材料的二维和三维各向同性选项卡中输入的3.421076的折射率。折射率的这个值是从参考文献2。砷化镓电光张量具有非零分量R41 = R5 2 = R63在晶体中的坐标系。但是，该设备的波导轴旋转时在XZ平面上由45°相对于晶轴，使垂直（平行于Y）的静电场由电光系数等于R41影响到在TE模式。在这个项目中，我们将模拟一个TE模式，因此进入R41系数为RV，垂直电光系数。（选择的电子光学效应的复选框）的电场的水平部分不影响水平偏振的TE模式，所以相对湿度应该被设置为零。 铌酸锂晶体的横向电光效应研究 1实验要求 1研究内容 1.1熟悉沿光轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应。 1.2研究近轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应，对铌酸锂晶体的电光效应进行理论推 导，分析降低晶体驱动电压的方法。 1.3研究非近轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应，分析入射角对晶体电光效应的影 响，进行数值仿真。 2成果形式 2.1采用理论分析与数值仿真结合的方式，研究结果以图表的形式给出。 2.2完成课题研究报告。 2背景介绍 铌酸锂( LINBO3) 晶体作为一种优良的横向电光调制材料，具有驱动电压低、插入损耗小、光谱工作范围宽、消光比高和易于大规模生产等优点，在光通信、光信号传输、电光开关等领域得到了广泛的应用。 理想情况下光线沿着铌酸锂晶体的光轴方向传播，并且在理论分析时不考虑自然双折射的影响，但是，实际应用中光线与光轴完全校准是不可能实现的，这就会造成理论与实际之间存在误差。分析铌酸锂晶体在近轴及非近轴情况下的横向电光效应，对于利用角度调节以改善其电光性能具有指导意义。同时，近轴及非近轴条件下晶体的电光特性对既需要利用晶体双折射效应进行分束或者合束，又需要利用其电光效应产生附加相移的新型电光器件来说是至关重要的。 3基础知识 研究铌酸锂晶体的横向电光效应，涉及到光的偏振、双折射及晶体的电光效应等较为基础的知识，为了更加深入地理解电光效应，更加透彻地分析不沿光轴条件下铌酸锂晶体的横向电光效应，对该问题所涉及一系列基础知识进行复习整理，如下所示。 1光的偏振 1.1电磁波是横波，具有偏振现象，这是许多的光学现象的重要基础，包括电光效应。 1.2对人眼、照相底片及光电探测器起作用的是电磁波中的电场强度E，因此常把电矢 量E称为光矢量，把E的振动称为光振动。在讨论光振动的性质时，只需要考虑 电矢量E即可。 1.3完全偏振光包括线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，可用如下模型描述（图中给出 了线偏振光的例子，线偏振光的例子里x、y方向的振动无相位差）： 铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试 铌酸锂（LiNbO3）晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换能材料，铁电材料，电光材料，非线性光学材料及表面波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器，应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。 【实验目的】 1．了解晶体的电光效应及电光调制器的基本原理性能． 2. 掌握电光调制器的主要性能消光比和半波电压的测试方法 3. 观察电光调制现象 【实验仪器】 1．激光器及电源 2．电光调制器(铌酸锂) 3．电光调制器驱动源 4. 检流计 5．示波器 6．音频输出的装置 7．光具台及光学元件 【实验原理】 1．电光效应原理 某些晶体在外电场作用下，构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E 的改变发生相应的变化，因而某些原来各向同性的晶体，在电场作用下，显示出折射率的改变。这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率N 和外电场E 的关系如下： ΛΛ++=-2 20 211RE rE n n (1) 式中，0n 为晶体未加外电场时某一方向的折射率，r 是线性电光系数，R 是二次电光系数。通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应，又称泡克尔斯效应；把二次项引起的电光效应叫做二次电光效应，又称克尔效应。其中，泡克尔斯效应只在无对称中心的晶体中才有，而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心的晶体中，与泡克尔斯效应相比，克尔效应较小，通常可忽略。 目前普遍采用线性电光效应做电光调制器，这样就不再考虑（1）式中电场E 的二次项和高次项。因此（1）式为： 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。 注：?本系统仅提供半导体激光管(包括电源)作为光源，如使用氦氖激光管或其他激光源时，需另加与其配套的电源。 ?激光强度可由半导体激光器后背的电位器加以调节，故本系统 未提供减光器(P 1 )。 ?本系统未提供λ/4波片(P 2 )即可进行实验，如有必要可自行配置。 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。 铌酸锂晶体电光调制器的性能测试---OK ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 铌酸锂(LiNb03)晶体电光调制器的性能测试 铌酸锂（LiNbO3）晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换能材料，铁电材料，电光材料，非线性光学材料及表面波基质材料。电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体内部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。铌酸锂调制器，应具有损耗低、消光比高、半波电压低、电反射小的高可靠性的性能。 【实验目的】 1．了解晶体的电光效应及电光调制器的基本原理性能． 2. 掌握电光调制器的主要性能消光比和半波电压的测试方法 3. 观察电光调制现象 【实验仪器】 1．激光器及电源 2．电光调制器(铌酸锂) 3．电光调制器驱动源 4. 检流计 5．示波器 6．音频输出的装置 7．光具台及光学元件 【实验原理】 1．电光效应原理 某些晶体在外电场作用下，构成晶体的原子、分子的排列和它们之间的相互作用随外电场E 的改变发生相应的变化，因而某些原来各向同性的晶体，在电场作用下，显示出折射率的改变。这种由于外电场作用而引起晶体折射率改变的现象称为电光效应。折射率N 和外电场E 的关系如下： ++=-2 20 211RE rE n n (1) 式中，0n 为晶体未加外电场时某一方向的折射率，r 是线性电光系数，R 是二次电光系数。通常把电场一次项引起的电光效应叫线性电光效应，又称泡克尔斯效应；把二次项引起的电光效应叫做二次电光效应，又称克尔效应。其中，泡克尔斯效应只在无对称中心的晶体中才有，而克尔效应没有这个限制。只有在无对称中心的晶体中，与泡克尔斯效应相比，克尔效应较小，通常可忽略。 目前普遍采用线性电光效应做电光调制器，这样就不再考虑（1）式中电场E 的二次项和高次项。因此（1）式为： 第三章电光调制器 内容 ?电光调制的基本原理 ?铌酸锂（LiNbO3）电光调制器?半导体电吸收调制器（EAM） 电光调制 电光调制：将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参 量的改变而改变。光波作为信息的载波。 强度调制的方式 作为信息载体的光载波是一种电磁场：()() 0cos E t eA t ωφ=+r r 对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。在模拟信号的调制中称为AM 、FM 和PM ；在数字信号的调制中称为ASK 、FSK 和PSK 。调制器：将连续的光波转换为光信号，使光信号随电信号的变化而变化。性能优良的调制器必须具备：高消光比、大带宽、低啁啾、低的偏置电 压。 电光调制的主要方式 直接调制：电信号直接改变半导体激光器的偏置电流，使输出激光强度随电信号而改变。 优点：采用单一器件 成本低廉 附件损耗小 缺点：调制频率受限，与激光器弛豫振荡有关 产生强的频率啁啾，限制传输距离 光波长随驱动电流而改变 光脉冲前沿、后沿产生大的波长漂移 适用于短距离、低速率的传输系统 电光调制的主要方式 外调制：调制信号作用于激光器外的调制器上，产生电光、热光或声光等物理效应，从而使通过调制器的激光束的光参量随信号 而改变。 优点：不干扰激光器工作，波长稳定 可对信号实现多种编码格式 高速率、大的消光比 低啁啾、低的调制信号劣化 缺点：额外增加了光学器件、成本增加 增加了光纤线路的损耗 目前主要的外调制器种类有：电光调制器、电吸收调制器 调制器调制器连续光源 光传输 NRZ 调制格式 其他调制格式: ?相位调制 ?偏振调制 ?相位与强度调制想结合光传输RZ 调制格式 脉冲光源电光调制 折射率的改变通过 电介质晶体Pockels 效应和半导体材料 中的电光效应 光吸收的改变通过半导体材料中的Franz-Keldysh效应量子阱半导体材料中的量子限制的Stark 效应光与物质相互作用 相位调制 偏振调制 (双折射材料) 强度调制强度调制通过-干涉仪结构-定向耦合 基于锁相放大器的电光调制器工作点放大 摘要： 关键词： 引言：基于光时域反射（OTDR）技术的分布式光纤传感系统不仅具有无电磁辐射、抗干扰能力强、化学稳定性好等优点，而且其传感元件仅为光纤，单端测量即可同时获得被测量在时间和空间上的分布状况，空间分辨率可以达到米量级。相对于传统的电传感仪器，具有其自身独特的优势。 其中电光调制器EOM产生的光脉冲具有更快的上升沿，可以获得更高的空间分辨率，其消光比通常也比较高，可以达到30~40dB，且调制过程中无啁啾效应。由于基于光时域反射技术的分布式光纤传感系统常常需要达到米量级的空间分辨率，所以常采用EOM作为探测光脉冲的发生器。然而EOM的工作点在长期工作时易发生漂移现象，从而引起探测光脉冲消光比的波动，降低传感系统的信噪比。因此需要采用自动控制装置对EOM工作点进行锁定。本文在分析EOM调制特性及传统EOM工作点锁定方法局限性的基础上，提出一种基于所想放大器反馈的EOM工作点控制方法，以期实现消光比高、稳定性好的光脉冲输出，降低EOM 工作点漂移对基于光时域反射技术的分布式光纤传感系统性能的影响。 2 基于EOM的脉冲光调制原理 2.1 EOM的工作点选取 EOM 是利用某些晶体的电光效应对光信号进行调制的器件。对一个典型的铌酸锂MZ 电光调制器来说，它的传递函数可以用公式（1）来描述[1]： p=1 ?[1+cos?( π ?Vbias+VRF+ψoffset] 其中，p是归一化的输出光功率，Vbias与VRF分别是给EOM加的直流偏置电压和射频调制电压；Vπ是EOM的半波电压，ψoffset是初始的偏移相位。 为EOM输出特性曲线漂移示意图，EOM光功率-电压传递函数曲线如图1中实线所示 电光调制器的原理 要用激光作为传递信息的工具,首先要解决如何将传输信号加到激光 辐射上去的问题,我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制,把完成这一过程的装置称为激光调制器.由已调制的激光辐射还原出所加载信息 的过程则称为解调.因为激光实际上只起到了"携带"低频信号的作用,所以称为载波,而起控制作用的低频信号是我们所需要的,称为调制信号,被调 制的载波称为已调波或调制光.按调制的性质而言,激光调制与无线电波调制相类似,可以采用连续的调幅,调频,调相以及脉冲调制等形式,但激光调制多采用强度调制.强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号,使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化.激光调制之所以常采用强度调制形式,主要是因为光接收器一般都是直接地响应其所接受的 光强度变化的缘故. 激光调制的方法很多,如机械调制,电光调制,声光调制,磁光调制和电源调制等.其中电光调制器开关速度快,结构简单.因此,在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用.电光调制根据所施加的电场方 向的不同,可分为纵向电光调制和横向电光调制.利用纵向电光效应的调制,叫做纵向电光调制,利用横向电光效应的调制,叫做横向电光调制编辑本段电光调制器的应用 在电通信系统中,原始率数字信号电平的峰－峰值只有0.8V。因为数据率大于2.5Gb/s的铌酸锂调制器的半波电压（Vp）较高，故都需要用驱动器来推动调制器。驱动器不仅要有很宽的工作频带，并且要能提供足够大的微波输出功率。例如：对于10Gb/s、Vp＝5.5V的调制器，需要驱动器具有75KHz 到8GHz的工作频带及20dBm（100mW）的1dB输出功率。制作率的驱动器是非常困难的，因此制作具有低Vp的调制器是很受欢迎的。 当然，也要求调制器有良好的其他性能，如低的光插入损耗、大的消光比、小的光反射损耗、弱的电反射损耗和合适的啁啾（chirp）参量。 电光调制器有很多用途。相位调制器可用于相干光纤通信系统，在密集波分复用光纤系统中用于产生多光频的梳形发生器，也能用作激光束的电光移频器。 电光调制器有良好的特性，可用于光纤有线电视（CATV）系统、无线通信系统中基站与中继站之间的光链路和其他的光纤模拟系统。 电光调制器除了用于上述的系统中用于产生高重复频率、极窄的光脉冲或光孤子（Soliton），在先进雷达的欺骗系统中用作为光子宽带微波移相器和移频器，在微波相控阵雷达中用作光子时间延迟器，用于光波元件分析仪，测量微弱的微波电场等。 浅议铌酸锂电光调制器的应用差异目前市面上常见的10G调制带宽的铌酸锂调制器按结构可大致分为2种, 分别是相位调制器和强度调制器. 其中强度调制器的细分种类又更多, 按应用类型划分其中用于数字光通信的可以分为固定啁啾和零啁啾的类型; 而用于光载微波通信的又有模拟强度调制器;在传感领域为了获得极窄和极高的消光比光脉冲, 又有专门工作于脉冲模式下的调制器. 一般我们在对调制器进行选型, 主要考虑应用场景(模拟or数字系统), 调制速率, 调制格式, 半波电压, 啁啾特性, ON/OFF消光比等. 因诺尔可提供远比Thorlabs更为丰富类型的铌酸锂调制器, 欢迎联系咨询. 以下是Thorlabs对数字光通信的强度调制器的关于固定啁啾和零啁啾详细描述,最后是相位调制器的细节阐述. 10 GHz强度调制器，固定啁啾 Parameter Value Operating Rangea1525 –1605 nm Optical Loss 4.0 dB (Typical) Bit Rate Frequency9.953 Gb/s Electro-optic Bandwidth(-3 dB)10 GHz PRBSb Optical Extinction Ratio13 dB 该调制器设计用于1550 nm窗口。将该调制器使用于另一波长下（例如，可见光）会导致损耗临时增大，而且不在保修范围内。例如，由更短的波长引起的损耗增大可通过将调制器加热到70 °C并维持一小时来恢复。 伪随机二进制序列 特性 C波段和L波段工作范围 低光学损耗：0 dB（典型） 钛扩散Z切面铌酸锂 驱动电压低 长期偏置稳定 Telcordia GR-468兼容 集成的光电探测器 LN82S-FC是10 GHz的LiNbO3强度调制器，0.7固定啁啾，集成光电二极管。它带有PM输入光纤尾纤和SM输出尾纤，终端为FC/PC接头。PM光纤与慢轴对齐，慢轴与e光模式对齐。集成的光电探测器可用于光学功率监测和调制器偏置控制，消除对外部光纤分路器的需要。RF输入通过一个GPO?接头输入调制器。 这些调制器是由钛扩散Z切面LiNbO3制成的，在马赫-曾德尔干涉仪的两个臂之间产生不同的推-拉相移。除了强度调制，这也导致输出信号的相位/频率（线性调频）的偏移。这种固定啁啾调频的调制器将脉冲啁啾降低，当光纤所在的网络的分散系数为正时很有用。啁啾降低的脉冲通过具有正分散系数的光纤时将被压缩，直到达到最小值。超过该点色散项将占主导。因为啁啾脉冲会增加脉冲的谱宽，所以穿过同一段光纤后，线性调频的脉冲最终会比未线性调频的脉冲宽。相比零线性调频设备，这些固定线性调频强度调制器是要求提高功率损耗（对于+1600ps/nm小于2 dB）性能的应用的理想选择。对于电信应用，该LN82S-FC 易于集成到300引脚的兼容MSA的应答器中。 10 GHz强度调制器，零啁啾 Parameter Value Operating Rangea1525 –1605 nm Optical Loss 4.0 dB(Typical) Bit Rate Frequency12.5 Gb/s Electro-optic Bandwidth(-3 dB)10 GHz PRBSb Optical Extinction Ratio13 dB 该调制器设计用于1550 nm窗口。将该调制器使用于另一波长下（例如，可见光）会导致损耗临时增大，而且不在保修范围内。例如，由更短的波长引起的损耗增大可通过将调制器加热到70 °C并维持一小时来恢复。 电光强度调制器的设计 一、电光强度调制 利用晶体的电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，可控制光在传播过程中的强度。 强度调制是使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡，如图下图所示。光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强变化。 1、电光强度调制装置示意图及原理 它由两块偏振方向垂直的偏正片及其间放置的一块单轴电光晶体组成，偏振片的通振方向分别与x,y轴平行。 根据晶体光学原理，在电光晶体上沿z 轴方向加电场后，由电光效应产生的感应双折射轴'x 和'y 分别与x,y 轴成45°角。设'x 为快轴，'y 为慢轴，若某时刻加在电光晶体上的电压为V ，入射到晶体的在x 方向上的线偏振激光电矢量振幅为E ，则分解到快轴'x 和慢轴'y 上的电矢量振幅为'x E ='y E =E/2。同时，沿'x 和'y 方向振动的两线偏振光之间产生如下式表示的相位差 V 6330 2γμλ δπ = 0μ-晶体在未加电场之前的折射率 63γ-单轴晶体的线性电光系数，又称泡克尔系数 从晶体中出射的两线偏振光在通过通振方向与y 轴平行的偏振片检偏，产生的光振幅如下图分别为y E x'、y E y'，则有y E x'=y E y'=E/2，其相互间的相位差为()πδ+。此二振动的合振幅为 () () ()δδπδcos 121 cos 21 41cos 22222''2 '2'2'-=-+= +++=E E E E E E E E E y y y x y y y x 因光强与振幅的平方成正比，所以通过检偏器的光强可以写成 令比例系数为1： 2 sin 2 sin 2 02 22'δ δ I E E I === 即 V I I λ γπμ63 302 0sin = 显然，当晶体所加电压V 是一个变化的信号电压时，通过检偏器的光强也随之变化。如下图I/0I -V 曲线的一部分及光强调制的工作情形。 铌酸锂电光调制器在低频调制中的应用 因为其高带宽的特性，铌酸锂电光调制器(LiNbO3 Modulators)被广泛应用于高速数据光通讯(up to 40 Gb/s)与高频模拟信号传输(20GHz)。铌酸锂电光调制器(LiNbO3 Modulators)较少被用于1GHz以下的低频调制应用中。然而，铌酸锂电光相位调制器(LiNbO3 Phase Modulators)与基于其他替代技术的调制器相比在低频调制方面却有着明显的优势，例如体积更紧凑、操作更容易、驱动电压更低等。因此铌酸锂电光相位调制器甚至被认为是在kHz到MHz调制频率范围的理性器件！ 当要把铌酸锂相位调制器与具有较快上升沿与下降沿、低重复频率或长脉宽脉冲信号一起使用的时候，使用者需要十分谨慎。“高带宽”相位调制器(这里的“高带宽”是指>1GHz的带宽)在上述调制信号的应用中性能并非最佳。为了得到高带宽性能，“高带宽”调制器的微波线阻抗是与~50欧姆匹配的，并且负载电阻终端与射频线端相连以减少或避免电子射频信号反射。因此，较高的电流经过射频电极将因为Joule效应导致温度升高。当重复周期或脉冲宽度比热效应的时间长度更长的时候(如1kHz频率以内)，发热与热耗散就成为了一个问题。在加热与冷却周期内，电极与波导的物理性质将发生改变，从而导致产生意外的相位漂移。因此5GHz, 10GHz或20GHz的铌酸锂相位调制器不适合非常低重频的应用。 为了抑制上述现象，一个有效的方法是采用带有较高输入阻抗(typ 10KΩ)或直接开路(MΩ)的调制器。有效电光带宽将被降低至几百MHz，这样的调制频率对于大多数应用尤其光纤传感方面应用是足够了，但是因为Joule效应产生的热效应将会显著降低至可以忽略。法国Photline公司为低重频的调制信号开发了一系列性能优化的相位调制器，例如可适用于800nm, 1000nm, 1300nm, 1500nm 的MPX-LN-0.1系列铌酸锂电光相位调制器。 MPX-LN-0.1系列调制器已经通过高低温测试，其在-400C~+850C范围内或 对铌酸锂晶体的简单 研究 对铌酸锂晶体的简单研究 摘要：近年来，铌酸锂晶体由于其自身所具有的多种优异性能和巨大的应用前景而受到了人们的广泛关注，本文讨论了铌酸锂晶体的基本性质及其成因，重点关注铌酸锂晶体参杂和纳米铌酸锂的制备方法。 关键词：铌酸锂、晶体生长、掺杂、纳米材料、配体 引言：自1965年Ballman等报道利用Czochralshi技术成功生长出铌酸锂（LiNbO3，简称LN）单晶，以及1968年Larner等报道了大直径、同成分的铌酸锂晶体生长出来，LN晶体被广泛研究和应用。铌酸锂晶体有优良的光电、双折射、非线性光学、声光、光弹、光折变、压电、热释电、铁电与光生伏打效应等物理特性；机械性能稳定、耐高温、抗腐蚀；易于生长大尺寸晶体、易于加工、成本低廉；在实施参杂后能呈现出各种各样的特殊性质。因为如此铌酸锂晶体在各个领域，被誉为“光学硅”。而纳米材料具有很大的比表面积，呈现出许多奇妙的性质，纳米铌酸锂的性质令人期待。 1 铌酸锂晶体的基本性质 铌酸锂属于三方晶系，常用六角原胞表示。原胞中含有六个分子，三度对称轴为原胞的c 轴，晶胞常数：a=0.5148，c=1.3863，α=55.867。。原胞见图1。从图中可以看出铌酸锂晶胞是由扭曲的氧八面体组成，这些氧八面体沿着不同方向共面，共棱或共顶点。锂离子和铌离子分别与六个阳离子形成六配位，而氧离子则与两个锂离子和两个铌离子形成四配位。 图1 铌酸锂晶体原胞 1.1 磁性 铌酸锂晶体拥有很高的居里温度，在居里温度以上铌酸锂晶体为顺电相，居里温度以下为铁电相。图1实际上是铁电相的铌酸锂晶胞图，其顺电相晶胞图如图2。 图2 铌酸锂顺电相晶胞图 从图中可以看出，顺电相的锂离子在氧平面上，铌离子关于氧平面对称分布，整个晶体电荷分布对称，因此沿c轴方向晶体无磁性。而在铁电相中锂离子明显偏离氧平面，由于同性电荷的排斥作用，铌离子亦沿相同方向偏离，这个晶体的电荷重心偏离中心位置，使晶体在c轴方向具有磁性。 1.2 铌酸锂晶体的空位及其半导体性质 铌酸锂晶体是P型半导体材料。从晶胞中也可以看出并非所有氧八面体都有离子填充，而且在制备铌酸锂晶体是很难得到化学计量比的铌酸锂晶体，一 电光调制器工作原理是什么 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 电光强度调制器的设计 一、电光强度调制 利用晶体的电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，可控制光在传播过程中的强度。 强度调制是使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振荡，如图下图所示。光束调制多采用强度调制形式，这是因为接收器一般都是直接响应其所接收的光强变化。 1、电光强度调制装置示意图及原理 它由两块偏振方向垂直的偏正片及其间放置的一块单轴电光晶体组成，偏振片的通振方向分别与x,y轴平行。 根据晶体光学原理，在电光晶体上沿z 轴方向加电场后，由电光效应产生的感应双折射轴'x 和'y 分别与x,y 轴成45°角。设'x 为快轴，'y 为慢轴，若某时刻加在电光晶体上的电压为V ，入射到晶体的在x 方向上的线偏振激光电矢量振幅为E ，则分解到快轴'x 和慢轴'y 上的电矢量振幅为'x E ='y E =E/2。同时，沿'x 和'y 方向振动的两线偏振光之间产生如下式表示的相位差 V 6330 2γμλ δπ = 0μ-晶体在未加电场之前的折射率 63γ-单轴晶体的线性电光系数，又称泡克尔系数 从晶体中出射的两线偏振光在通过通振方向与y 轴平行的偏振片检偏，产生的光振幅如下图分别为y E x'、y E y'，则有y E x'=y E y'=E/2，其相互间的相位差为()πδ+。此二振动的合振幅为 () ()() δδπδcos 121 cos 21 41cos 22222''2 '2'2'-=-+= +++=E E E E E E E E E y y y x y y y x 因光强与振幅的平方成正比，所以通过检偏器的光强可以写成 令比例系数为1： 2 sin 2 sin 2 02 22'δ δ I E E I === 即 V I I λ γπμ63 302 0sin = 显然，当晶体所加电压V 是一个变化的信号电压时，通过检偏器的光强也随之变化。如下图I/0I -V 曲线的一部分及光强调制的工作情形。 南开大学科技成果——高性能系列铌酸锂、钽酸锂晶 体和光电器件 项目简介 光电晶体及其器件作为激光技术的关键材料和器件，被诸多国家列为优先发展的技术领域。本项目在国家863计划、天津市重大科技攻关、国防科工局民口配套等项目支持下，瞄准国家需求，围绕产品化关键技术攻关，取得了以下主要科技创新： （1）自主设计基于经验数据库的智能计算机晶体生长自动控制系统，并开发了晶体生长成套装备，应用于多种晶体生长，得到批量推广应用。 （2）发展了两种非固液同成分共熔配比晶体的制备方法，实现了SLN晶体和SLT晶体的批量、廉价制备。 （3）开发了宽温度范围工作铌酸锂电光调Q晶体及电光调Q开关，在-55℃到70℃温度区间稳定工作，大幅提高了军用激光系统的温度稳定性。 （4）以高温度稳定性电光调Q开关为核心技术自主研发的系列高温度稳定性铌酸锂电光调Q激光系统，实现了批量生产和应用。 （5）开发了满足激光雷达等长期在线工作的低内电场铌酸锂电光调Q晶体和电光调Q开关。 （6）开发了高抗光损伤阈值的钽酸锂电光调Q晶体和电光调Q 开关，典型1064nm波段的激光损伤阈值比铌酸锂晶体提高两个数量级以上，且能够满足军工宽温度范围要求。 成套设备 LN晶体 电光调Q开关 光学级SLN晶体 已取得的成果 本项目获得授权专利6项，计算机软件著作权1项，获天津市科学技术进步一等奖和天津市技术发明二等奖各1项。 市场应用前景 （1）单晶成套装备可应用于铌酸锂、钽酸锂、钇铝石榴石、蓝宝石、氧化镓、铝酸铍、硅酸钇镥等高质量晶体的生长。 （2）系列电光调Q晶体是纳秒、亚纳秒激光系统的核心部件，这些激光系统在医疗、美容、打标、测量、对抗等领域具有广泛应用。 （3）SLN、SLT晶体是集成光学和铁电超晶格领域的基础材料，在光通讯、激光频率变换、太赫兹等领域具有较好的应用前景。 （4）钽酸锂电光调Q开关可替代昂贵的磷酸钛氧铷（RTP）电光调Q开关，具有广阔的应用前景。 电光调制实验 一、实验目的： 1、了解电光调制的基本原理及铌酸锂晶体横向调制的基本机构。 2、掌握铌酸锂电光调制器的调试方法并测量和计算晶体的特性参数。 二、实验仪器： DGT-1电光调制实验仪，晶体电光调制器，半导体激光器，双踪示波器等。 三、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。 本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）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1 横向电光效应示意图 如图1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Δn ，并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： １ U d l r n rE n nl ?? ? ??==?=3030222λπλπ λπ δ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面 间的电压来表示，即U=Ed 。 当相差πδ=时，所加电压 l d r n U U 302λ π== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的 重要物理量。由（2）式可见，半波电压 决定于入射光的波长λ以及晶体材料 和它的几何尺寸。由（1）、（2）式可得： δ（U ）=（πU / U π）+δ0 (3) 式中δ0为U=0时的相差值，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2 电光调制器工作原理 图2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，则经过晶体后其X 分量与Y 分量会产生)(U δ的相差，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： ()()?? ????=2sin 2sin 22U I I P A δα (4) 式中x p θθα-=，为P 与X 两光轴间的夹角。 若取?±=45α，这时U 对I A 的调制作用最大，并且 I A = I P sin 2 ［δ（U ）/2］ (5) 再由（3）式可得 I A = I P sin 2 ［(1/2) (πU/U π)］ πU 实验二电光调制器实验 一、实验目的 1、掌握电光调制器的工作原理和使用方法。 2、巩固书上所学的关于电光调制器的应用原理、范围。 二、实验仪器 1、电光调制器实验仪1台 2、半导体激光器或He-Ne激光器1台 35V、24V直流电源各1台 4 双踪示波器1台 三、实验原理和电路说明 光在晶体中传播的性质可用折射率椭球来描述，电场对光学介质的影响，是电场使介质的折射率椭球主轴方向和大小发生变化。当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q 就有光输出了。Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的调制。 四、实验内容与步骤 1、显示电光调制波形，观察电光调制现象 2、测试电光晶体的调制特性曲线 3、测量电光晶体的特征参量 4、进行电光调制的光通讯实验研究与演示 5、模拟声光调制的光通讯实验研究与演示 五、实验结果 1、实验数据表格为： 2、特性曲线图为： 3、电光调制器由哪些部分组成？各部分的作用是什么？ 答：电光调制器由起偏器、电光晶体、1/4波片、检偏器组成。 起偏器：产生线偏振光。 电光晶体：当有外加电压时，通过它的平面偏振光则改变其偏振方向。 所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过电光晶体后， 振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴上有光振动 的分量，所以，此时Q就有光输出了。Q的光输出强弱， 与晶体性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于已 铌酸锂的性质及应用 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020 铌酸锂的性质及应用 一、晶体基本介绍 铌酸锂(LINbO3，LN)晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工，成本低，是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。目前，已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用，被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂 (PeriodieallyPoledLiNbO3，PPLN)，可以最大程度地利用其有效非线性系数，广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程，在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景，因而成为非常流行的非线性光学材料。 二、基本化学性质 铌酸锂晶体简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构，AB03型晶体结构的一种类型。其原子堆积为ABAB堆积，并形成畸变的氧八面体空隙，1/3被A离子占据，1/3被B离子占据，余下1/3则为空位。此类结构的主要特点是:A和B两种阳离子的离子半径相近，且比氧离子半径小得多。分子式为LiNbO3，分子量为。相对密度，晶格常数a= nm，c= nm，熔点1240℃，莫氏硬度5，折射率n0=，ne=(λ=600 nm)，界电常数ε=44，ε=29．5，ε=84，ε=30，一次电光系数γ13=γ23=10×10m/V，γ33=32×10m/V．Γ22=-γ12=- Use of LiNb03 modulators at low frequencies LiNb03modulators are widely used for their high bandwidth performances that make them favored devices for high data rate optical communications (up to 40 Gb/s) and high frequency (20 GHz) analog transmission. They are less often used at low frequencies under 1 GHz. However LiNb03phase modulators have also strong benefits at low frequencies (compactness, ease of use, low drive voltage) compared to devices based on alternative technologies and are thus components to be considered even for kHz to MHz frequency range applications. Users searching to implement LiNb03 phase modulators with modulation signals showing low and high frequency components, and the typical case is the one of a pulse signal with sharp rising and fall edges and low repetition rate or long pulse duration, must be very cautious. A “high bandwidth” phase modulator, and here “high bandwidth” means > 1 GHz typically, is not performing extremely well with such a modulation signal. The reason is that in order to get good high bandwidth performance, the impedance of the microwave line of the modulator is matched near to 50 ohms and a load resistance termination is connected at the end of the RF line to reduce or avoid electrical RF reflection. Thus, a significant level of current is traveling in the RF electrodes, leading to local temperature increases by Joule effect. Heating and thermal dissipation becomes a problem when the repetition period or the pulse duration becomes longer than the time constant of the thermal effects (in the range of 1kHz or below). Then the physical properties of the electrodes and waveguide are changing during the heat-on and cool-down periods, leading to unwanted phase drifts. Standard 5, 10 or 20 GHz phase modulators are not suitable for such applications involving very low repletion rate. To suppress that phenomenon, a solution is to use a modulator with a high input impedance load (typ 10 kΩ) or directly an opened electrode line (MΩ). The useful E-O bandwidth is then reduced to several hundred MHz which is sufficient for a large range of applications in particular for sensing applications, but the thermal effects are significantly reduced since the Joule effect becomes negligible. Photline has developed a family of phase modulators whose performances are optimized for low repetition rate modulation signals (MPX-LN-0.1 series are available at 800 nm, 1000 nm, 1300 nm, 1550 nm). MPX-LN-0.1 modulators has been tested in temperature and it has been demonstrated that they keep their performance in operating conditions covering a large temperature range (-40°C +85°C) and during temperature variations.铌酸锂的性质及应用
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