电光调制

电光调制
电光调制
四电光调制与光信模拟实验
袁礼文10329073 光信02班C2组2013-03-13&20 一、实验目的
通过实验操作以及数据进行分析,学习并掌握电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用，在此基础上进一步了解光通信系统的结构。

二、实验仪器
晶体电光调制电源，铌酸锂（LiNbO3），He-Ne 激光器及可调电源，可旋转偏振片，格兰棱镜，光接收器，有源音响
图
三、实验原理
1、电光调制的物理机制
电光调制的物理基础是电光效应，目前已发现有两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels）
效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成正比。

另一种是克尔效应，即折射率的变化量与外加电场强度的二次方成比例。

利用克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。

利用泡克耳斯制成的调制器称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。

泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种。

现以实验中使用的电光晶体DKDP （磷酸二氘钾）横向调制为例阐述电光调制的简单机理。

图2 电光调制器原理图
原理图如上图所示，晶体位于两个正交的偏振器之间，起偏器 P 1的偏振方向平行于电光晶体的 Y 轴，光没晶体入射光的 X 轴方向加上电场后，它们将旋转 45°变成感应轴X ’、Y ’。

现在对晶体内部的偏振光传播进行讨论。

DKDP 是负单轴晶体，它的折射率椭球方程为：
222
1o o e
x y z I I I ++=
（1）
其中 x 为光轴方向，在平行于光轴的方向加上电压后，折射率椭球方程变为：
222
6321z o o e
x y z E xy I I I γ+++=
（2）
对上式进行坐标系的变换，消除式中的交叉项：
()()'cos 45'sin 45''/2
'sin 45'sin 45''/2'x x y x y y x y x y z z ⎧=-=-⎪⎪
=+=+⎨⎪=⎪⎩
（3）
可推导出加了电场后，折射率椭球方程为：
222
2
221'''x y z
x y z n n n ++=
（4）
介电主轴的折射率变为：
（5）
沿 Z 轴入射的光束经起偏器变为平行于 X 轴的线偏振光，进入晶体后（在 Z ＝0处），被分 解 成 沿 OX ’、OY ’方向的两个分量，其振
幅和相伴都相等，用复数表示为E X’(0)=A, E Y’(0)=A，入射光强度为
（6）当光通过长度为L 的晶体后，由于电光效应，E X’、E Y’之间就产生一个相位差δ，从而有：
（7）光从晶体出射后，通过检偏器后的光是晶体中的光的两分量在Y 轴上的投影之和，即：
（8）从而对应的输出光的强度为：
（9）其中，, 从而可知调制器的透过率为：
（10）当从晶体出射的光的两个分量的相位差为δπ=时，外电场所加的电压为半波电压，可求得此时的电压为：
（11）
从而可知透过率可表示为：
（12）
当加在晶体上的直流电压为U 0，同时加在晶体上的交流调制信号是sin m
U
t
ω其中Um 是其振
幅，ω是调制频率。

从上式可以看出，改变U 0或者U m ，输出特性将相应的变化，对单色光和确定的晶体来说，U π
是常数，因而T 将仅随晶体
上所加的电压变化。

现作以下讨论： 1）当2U U π
=，m
U
U π
<<时，即将工作点选定在线性
工作区的中心处，如图（a ）所示，此时透过率可表示为：
（13）
由于
（14）
即sin
∝。

T tω
这时，高射器输出的信号和调制信号虽然振幅
不同，但是两者的频率却是相同的，输出的信号不失真，称为线性调制。

2）当时，如图2（b）所示。

此时透过率T 可表示为：
(15)
即cos2
∝，输出信号是“倍频”的信号。

T tω
图 3 不同工作点下的调制信号
附近变化时，3）当直流偏压0U在0V附近或在U
π
由于工作点不在线性区，输出波型将失真。

4） 当,2
o
m U U
U U π
π=
>时，调制器的工作点虽然选定
在线性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求，和情况（2）不同。

因此输出波形仍然是失真的。

2、 电光调制器的主要性能参量
1）半波电压U π。

半波电压是使调制器的光输出达到最大时所需的电压，此电压越小越好，这样既便于操作，又可减少电功率损耗和发热。

2）透过率。

调制器的光输出o
I 与光输入i
I 之比：
（16）
3）调制带宽f ∆。

f ∆与调制器的等效电容有关，低频时f ∆与调制功率成正比。

这要求光波在晶体中的渡越时间要远小于调制信号的周期 T ，即：
（17）
式中，l 为晶体长度，n 为晶体的折射率，c 为真空中的光速，f 为调制频率。

因此，对于一定的调制器有一最高调制频率：
（18）
4）消光比。

消光比是从检偏器输出的最大光强与最小光强之比，即：max
min
/I I 。

三、实验内容与步骤
1． 调节光路，测量静态消光比：
（1）打开激光器，首先调节光路准直，前后移
动小孔，分别调节激光器前后座架，使激光束穿过小孔。

逐个放上起偏器、检偏器（格兰棱镜）和光电接收器，使光束通过各偏振器中心并照射到接收器孔径上。

（2）注意探测器是否已经饱和，可以调节起偏器的方向以减弱或增大光强，因为激光器出射光场有一定偏振，经过起偏器后光强可被调节。

探测器饱和时电流为3.27mA ，一般可控制范围为2.7~3.0mA 。

图4 测量消光比测量
在起偏器和检偏器相互垂直的情况下，加上晶体，调节直流偏压，得从检偏器输出的最大值
max I 和最小值min
I 。

max
I =2.74W ，min
0.03I
W
，消光比为
说明：在没有加晶体时系统的消光系数可以达到很大的一个值，即无穷大，为理想状态；在加入晶体后，可以看到消光效果有一定的下降。

2． 观测单轴晶体的锥光干涉图。

He-Ne
起
检偏器光电
接
电光
（1）调节激光管使激光束与晶体调节台上表面平行，同时使光束通过各光学元件中心。

（2）调节偏振片和检偏振片正交。

（3）紧靠晶体前放一张镜头纸，对激光进行扩束，相当于很多个点光源，在屏上可观察到单轴晶体的锥光干涉图样。

观测到一个十字消光影贯穿整个图形，越离开中心十字臂越宽，四周为明暗相间的同心明暗圆环。

（4）微调晶体，使干涉图样中心与光点位置重合，即使十字中心与白屏中的小孔重合。

同时调节使图样对称、完整。

锥光干涉图样如图
6
图6 锥光干涉图
3． 测量晶体的半波电压：
（1） 极值法：
He-Ne
起
检偏器电光镜
带小孔图5 观察锥
当加上直流电压后，晶体产生电致双折射效
应，在检偏器处出射的光强为：
2sin .2o U I I U ππ⎛⎫= ⎪⎝⎭
图7 静态特性曲线测量实验装置图
按上图连接仪器，电源面板上旋钮旋至“静
态”，在晶体上只加直流电压，不加交流电压，
把直流电压从小到大逐渐改变，输出的光强将会
出现极小值和极大值，相邻极小值和极大值对应
的直流电压之差为半波电压。

表1 测量晶体特征曲线
得到由光强表征的晶体特征曲线，如图8：
He-Ne 起检偏器光电接电光
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
电流/m A U/V 调制器特征曲线
图8 调制器特征曲线
由曲线分析，可得半波电压： U π=123V
（2）调制法
晶体上同时加上直流电压和交流信号，直流电压
调到输出光强出现极小值或极大值时输出的交
流信号出现倍频失真，从而可出现相邻倍频失真
对应的直流电压之差就是半波电压。

第一次输出信号倍频的电压： U 1=65V
第二次输出信号倍频的电压： U 2=190V 由此估计半波电压为： 说明：两种方法测得的半波电压相差不大，在可以接受的范围内。

误差的原因可能是操作上的不准确，极值法中采点的电压间隔应该更小，仪器的误差，调制法中根据示波器波形判断倍频也存在误差。

4改变直流偏压，选择不同的工作点，观察正弦波电压的调制特性：（1）调节直流偏压观察输出：在这里我们分别选了40V,80V,120V,200V
(a) U=40V 线性状态
(b)U=80 失真
(d)U=120V 倍频失真
(e)U=200V 无失真但频率相位相反
图11 各个特征工作点下的交流响应
（2） 加上四分之一玻片观察；
实验装置图如图12所示
图12 用1/4波片改变静态工作点装置图
在起偏器和晶体之间加入1/4波片，将波片转动一周，观察示波器上的输出信号，现象如下：随着波片的转动，被调制的输出信号出现与输入的交流信号同相、倍频、反相几种状态。

同相和反相状态表明输出信号线性调制，此时波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向；倍频状态下，
工
He-Ne
起
检偏器光电
接电
光1/4
作点位于调制特性曲线的极值附近，输出信号倍频失真，此时波片的快慢轴分别平行于晶体的x 轴和y轴。

所得结果如下图所示：
图13波片读数为48.5度，倍频图14 波片度数为10.5度，同相
图15 波片读数为259.0，反相图16 波片读数为290.5度，倍频
5. 使用示波器观测信号发生器的波形以及光信号的波形，比较分析
（1）正弦波，线性调制电压150V,开始失真电压104V和196V，图像如下：
图17 线性调制150V 图18 失真
104V 图19 失真196V
(2)三角波，线性调制电压153V，开始失真电压113V，188V,图像如下：
图20线性调制153V 图21 失真
113V 图22 失真188V
(3)1/4波片，线性调制偏角66.5度，失真角度38.0度，83.5度
图23 线性调制66.5度图24 失真38.0度图25 失真83.5度
6.动态测量
函数发生器输出的波形为正弦波时，输出的波形失真很小，几乎不失真，频率为1000Hz,幅值为
U=504mv，调节频率使其幅值减半U’=256mv，分别测得频率为f=3Hz，f’=5.61KHz,因而频率响应范围是3Hz—5.61KHz。

记录图像如下：
图26 频率1.000KHz 图27 频率3Hz 图28 频率 5.61KHz
四、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：本实验中不用透镜，而是在紧靠电光晶体前放置一薄纸片(镜头纸)或毛玻璃，使激光束散射
后以不同倾角入射到晶体上，这等效于使用会聚透镜形成各个角度的发散光，而且由于激光的高亮度，在屏幕可以看到同样的花纹。

根据锥光干涉图调整光路时，微调晶体，使干涉图样中心与光点位置重合，即使十字中心与白屏中的小孔重合。

同时调节使图样对称、完整。

这时检偏器和起偏器偏振方向垂直。

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。

加在晶体上的直流电压为U 0，同时加在晶体上的交流调制信号是sin m U
t ω。

其中Um 是其振幅，
当m U
U π<<，有，故有sin T t ω∝，当,2o m U U U U ππ=>时，调制器的工作点虽然选定在线
性工作区的中心，但不满足小信号调制的要求，因此输出波形仍然是失真的。

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：当光强太强时，max I 有可能超过光电接收器的饱和值（3.27），得不到正确的特性曲线，顶部会出现失真。

可以调节起偏器的偏振方向以调节光强，因为激光器出射光场有一定偏振，经过起偏器后光强可被调节。

这种调节方法的好处是简
单易行，出射光具有良好的偏振特性，不需增加其他器件；但缺点是只对能具有特定偏振态的光进行调节（如线偏振光或椭圆偏振光），可调范围受到限制（有最低光强限制），而且不具有线性调节功能或不能满足精确调节的要求。

4．晶体上不加交流信号，只加直流电压/2U π或U π时，在检偏片前从晶体末端出射的偏振态如何？怎样检测？
答：当直流偏压为/2U π时，从晶体出射的光的两个分量的相位差为/2δπ=，此时出射光为椭圆偏振光；当直流偏压为U π
时，从晶体出射的光的两个分量的相位差为δπ=，此时出射光为线偏振光。

可以通过偏振测量实验方法检测，具体方法是让~I β曲线进而判断出射光的偏振状态。