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1、-光电工程学院2013 / 2014学年第 2 学期实 验 报 告课程名称： 光电子根底实验 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 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电光调制实验系统构造一、光路系统由激光管L、起偏器(P)、电
2、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l/4波片(P2)等组装在精细光具座上，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(P1)。 本系统未提供l/4波片(P2)即可进展实验，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
3、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。仅在翻开电源开关后有效 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部的交流调制信号。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
4、光电接收放大后的信号输出到示波器显示的插座，可与调制信号进展比拟。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HeNe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
5、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，进展比拟。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。注：扬声器发声的音质与光路调整、晶体偏压、调制幅度以及信号源的性能均有关联。【实验原理】*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展幅度、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： (
6、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*轴的外加电场(E)作用下，晶体的主轴*轴和Y轴绕Z轴旋转45，形成新的主轴*轴Y轴Z轴不变，它们的感生折射率差为Dn，它正比于所施加的电场强度E：式中r为与晶体构造及温度有关的参量，称为电光系数。n0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
7、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d，它是外加电场E的函数：(3.1)式中l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 dp时，所加电压(3.2)Up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Up决定于入射光的波长l、晶体材料和它的几何尺寸。由(3.1)、(3.2)式可得：(3.3)式中d0为U0时的相位差值，它与晶体材料和切割的方式有关，对加工良好的纯洁晶体而言d00 。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
8、光波中平行其透振方向的振动分量，当该偏振光IP垂直于电光晶体的通光外表入射时，如将光束分解成两个线偏振光，经过晶体后其*分量与Y分量的相差为d (U)，然后光束再经检偏器A，产生光强为IA的出射光。当起偏器与检偏器的光轴正交(AP)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(3.4)式中，为P与*两光轴间的夹角。假设取a土45。，这时U对IA的调制作用最大，并且(3.5)再由3.3式可得于是可画出输出光强IA与相位差d 或外加电压U的关系曲线，即IAdU或IAU如下：图3.5 光强与相位差或电压间的关系由此可见：当d (U)2kp ( 或U2kUp) (k=0，1, 2，)
9、时，IA=0 当d (U)2kp +1或U(2k+1) Up 时，IA = IP 当d (U)为其它值时， IA在0IP 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，且在的条件下，当外加电压U0时，透射光强却不为0，即IA = Imin0UUp时，透射光强却不为IP，即 IA = Ima* IP 由此需要引入另外两个特征参量： 消光比 透射率 式中，Io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
10、Up、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dp/2或(UUp/2 )附近时，光强IA与相位差d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 (UUp/2 )时，输出波形最大且不失真。选择工作点 (U0 ) 或 (UUp)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l4波片其透光轴平行于电光晶体*轴 相当于附加一个固定相差 dp/2 作为光偏
11、置。但也可以加直流电压来实现。【实验容及步骤】一、实验准备1、 按图3.1的构造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） 翻开激光电源，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根本保持水平，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，
12、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q P45。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，翻开主控单元的电源，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q A45。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
13、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，和起偏器的反射点根本水平，此时激光束根本正射透过。调节电光晶体旋转镜片架角度，使接收光强应近于0 到达最小，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。注： 为使激光能正射透过晶体，必需反复对激光、晶体与光电接收孔者加以准立调整。 为获得较好的实验效果，光量宜调节在光强指示表为0.1(最 小)至58(最大)的读数*围之内。8、 翻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l4波片构成完整的光路系统。可选二、实验现象观察
14、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IAU曲线，得到调制器静态特性。其中光电流有极大值Ima*和极小值Imin。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Ima*对应的偏压U即为被测的半波电压Up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 将电光晶体从光路中取出，旋转检偏器A，测出最大光强值I0，可计算： 透射率 注：测量I0值时应控制光量大小不使光敏接收进入饱和状态。三、电光调制与光通讯实验演示可选做 将音频信号来自播送收音机、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
