晶体电光调制实验

（2） O 光和 e 光的相位差为：
2
•
l cos
2
(n"n' )
2
•
1 2
n03
s
in
2
2
(
1 ne2
1 )l
no2
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：
Is I0 sin2 2(1 cos ) 2
I p I0[1 1 sin2 2(1 cos )] 2
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 u0 和光强 I，得到下表：
表1
u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd) u0 (V) I（cd)
5
0.08 55 0.86 105 2.36 155 2.5 205 1.26 255 0.15
（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： fH =6kHz ， f L =3Hz ，因此 f3dB 6kHz 。
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 ne 轴有夹角；起偏器前有偏振片作为减光片，使入射光的倾
通过长为 l 的电光晶体后，x’和 y’分量间产生相位差δ，即
E'x A
E'（ y l） Aei
通过偏振片出射的光为 (Ey )0 A (ei 1) 2
光强为
I 2 A2 sin2 2
相位差
2
(nx'
ny')
2
n03 22u
l d
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
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。
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
E'x A0 cost
E' y A0 cost
因此入射光强 I E • E 2A2 。
差δ=π，此时的电压称为半波电压。
u
Байду номын сангаас 2n03 22
(d ) l
u u
因此透射率为
T sin2 u sin2 (u0 um sint)
2u
2u
其中，u0 是加在晶体上的直流电压，um sint 是加在晶体上的交流调制信号。改变 u0 或 um ，
输出特性将相应改变。 3.改变直流电压对输出特性的影响
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。
30
0.29 80 1.55 130 2.64 180 1.99 230 0.57 280 0.15
35
0.39 85 1.78 135 2.65 185 1.86 235 0.45 285 0.19
40
0.47 90 1.92 140 2.64 190 1.69 240 0.34 290 0.2
45
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32
式中 n1 、n2 、n3 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：
x2 y2 z2 2yz 2xz 2xy 1 n121 n222 n323 n223 n123 n122
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 u1 和 u2 。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2
正弦波
u1 （V）
102
u2 （V）
231
u （V）
129
方波
103
231
128
三角波
102
231
129
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
（1）当 u0 u ,um u 时， 2
T
1 2
1
s
in(
u
um sint)
1 2
1
(
u
um
)
s
in
t
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 u0 0,um u 时，
T
1 2
1
-
cos(
u
um sint)
1 (um 8 u
)2 (1 cos2t)
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 u0 u ,um u ，则 T 1- 1 (um )2(1 cos2t) 8 u
输出仍然是倍频失真。
（3)直流偏压 u0 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 u0 u ,um u 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
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。
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
根据
u
2n03 22
(d ) l
求得晶体电光系数 22 6.65 10-12 m /V 。
（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 u1 时，输出信号出现倍频失真；再调 直流电压到 u2 ，输出信号又出现倍频失真，记下 u1 和 u2 。
4.可旋转偏振片
最小刻度值 1º
5.格兰棱镜
通光口径Ф10
6.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。
10
0.09 60 1.01 110 2.41 160 2.44 210 1.11 260 0.1
15
0.12 65 1.15 115 2.5 165 2.36 215 0.97 265 0.09
20
0.17 70 1.3 120 2.56 170 2.26 220 0.83 270 0.09
25
0.21 75 1.4 125 2.61 175 2.14 225 0.7 275 0.11
0.6 95 2.06 145 2.61 195 1.57 245 0.27 295 0.33
50
0.72 100 2.18 150 2.57 200 1.42 250 0.2 300 0.41