电光调制实验报告

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 09

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，如图所示：

图 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(P 1)和/4波片(P 2)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 电路主控单元前面板

图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

改变晶体的直流电场极性。

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

/4波片(P 2)即可进行实验，如有必要可自行配

置。

关

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。

图横向电光效应示意图

如图所示，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

n3

=

∆

式中r为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。

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。

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

，它是外加电场E 的函数：

3

30

222l nl n rEl n r U d πππ

δλλλ⎛⎫

=∆== ⎪⎝⎭

式中为入射光波的波长；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 ＝

时，所加电压

302d

U U n r l

πλ==

U 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。由式可

见，半波电压U 决定于入射光的波长、晶体材料和它的几何尺寸。由、式可得：

0()U

U U π

δπδ=+

式中0

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

＝0 。

图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

(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 电光调制器工作原理