光电子技术实验报告

《光电子技术实验》实验报告电光调制及其应用王浩然无112011011202《光电子技术实验》电光调制及其应用11实验目的∙深入理解横向电光晶体的线性电光效应原理；∙观测横向电光调制器的直流电压、交流电压调制规律；∙熟悉光电子技术中信号调制和解调的过程。2实验原理2.1横向电光调制原理当给晶体施加外电场时，其折射率发生变化，这种现象成为电光效应。若折射率的变化与电场的一次方成正比，则成为线性电光效应，又称泡克耳斯效应。包括纵向电光效应和横向电光效应。描述光在晶体中传播的规律一般采用折射率椭球的方法。在主轴坐标系中，光轴沿z轴的单轴晶体的折射率椭球方程为𝑥2𝑛20+𝑦2𝑛20+𝑧2𝑛2𝑒=1实验中采用的𝐿𝑖𝑁𝑏𝑂3晶体是一种横向电光调制晶体，其有两种工作模式。1.在主轴z方向加电压，光波沿y'方向传播。假设广场垂直于x'-z平面且偏振方向与主轴方向夹角为45∘，则有两个垂直方向传播模式的折射率为𝑛𝑥′=𝑛0−12𝑛30𝑟13𝐸𝑧𝑛𝑧=𝑛𝑒−12𝑛3𝑒𝑟33𝐸𝑧则在x'和z方向上的偏振分量通过长度为L的晶体后产生的相位延迟为′=2𝜋𝜆0(𝑛𝑥′−𝑛𝑧)𝐿=2𝜋𝜆0(𝑛0−𝑛𝑒)𝐿+𝜋𝑛30𝑟*𝜆0(︂𝐿𝑑)︂𝑉2.在x方向加电场，光波沿主轴方向传播。此时对应的折射率为𝑛𝑥′=𝑛0+12𝑛30𝑟22𝐸𝑥𝑛𝑦′=𝑛0−12𝑛30𝑟22𝐸𝑥则沿x'和y'两个方向偏振分量的相位延迟为′=2𝜋𝜆0𝑛30𝑟22𝐸𝑥𝐿2.2偏振干涉原理实验采用的偏振干涉框图如下：《光电子技术实验》电光调制及其应用2图1:偏振干涉框图如下图所示，设晶体光轴C与起偏器偏振方向P夹角为𝛼，与检偏器的透光方向Q夹角为𝛽。设入射光通过起偏器P之后的光强为I，则设镜片快慢轴方向振动的两个光分量的相位延迟为，图2:偏振光的干涉则输出光强为𝐼𝑜=𝐼[cos2(𝛼+𝛽)+12sin(2𝛼)sin(2𝛽)(1−𝑐𝑜𝑠(𝜑))]若起偏器和检偏器正交，即𝛼+𝛽=𝜋2，则输出光强为𝐼𝑜=12𝐼sin2(2𝛼)(1−cos𝜑)当𝛼=𝜋4，此时光强最大，有𝐼𝑚𝑎𝑥=12𝐼(1−cos𝜑)2.3交流电光调制如果在电光晶体上不仅加上直流信号，而且同时加上交流信号，则此时的电光调制称为交流电光调制。设加在电光晶体上的电压为𝑉=𝑉𝐷+𝑉𝑚sin𝜔𝑡则由此产生的相位延迟𝜑=𝜋𝑉𝜋𝑉=𝜋𝑉𝜋(𝑉𝐷+𝑉𝑚sin𝜔𝑡)=𝜑𝐷+𝜑𝑚sin𝜔𝑡《光电子技术实验》电光调制及其应用3此时仍然选取晶体起偏器与检偏器正交且起偏器偏振方向与晶体透光轴方向夹角𝛼=𝜋4，则此时通过检偏器后的光强为𝐼=12𝐼𝑖[1−cos𝜑]=12𝐼𝑖[1−cos(𝜑𝐷+𝜑𝑚sin𝜔𝑡)]=12𝐼𝑖[1−cos𝜑𝐷cos(𝜑𝑚sin𝜔𝑡)+sin𝜑𝐷sin(𝜑𝑚sin𝜔𝑡)]应用整数阶贝塞尔函数展开，可以计算出透过检偏器的光强𝐼=12𝐼1{1−cos𝜑𝐷[𝐽0(𝜑𝑚)+2𝐽2(𝜑𝑚)cos2𝜔𝑡+···]+sin𝜑𝐷[2𝐽1(𝜑𝑚)sin𝜔𝑡+2𝐽3(𝜑𝑚)sin3𝜔𝑡+···]}因此当𝜑𝐷=𝜋2时，有𝐼=12𝐼1[1+2𝐽1(𝜑𝑚)sin𝜔𝑡+2𝐽3(𝜑𝑚)sin3𝜔𝑡+···]当𝜑𝐷=3𝜋2时，有𝐼=12𝐼1[1−2𝐽1(𝜑𝑚)sin𝜔𝑡−2𝐽3(𝜑𝑚)sin3𝜔𝑡+···]当𝜑𝐷=0时，有𝐼=12𝐼1[1−𝐽0(𝜑𝑚)−2𝐽2(𝜑𝑚)cos2𝜔𝑡+···]当𝜑𝐷=𝜋时，有𝐼=12𝐼1[1+𝐽0(𝜑𝑚)+2𝐽2(𝜑𝑚)cos2𝜔𝑡+···]3实验步骤1.采用如下图所示搭建光路，测量𝐿𝑖𝑁𝑏𝑂3晶体横向电光调制器的直流调制曲线。要求调整起偏器与检偏器正交，光束与晶体光轴平行，又从晶体中心穿过。调整方法为调整起偏器与检偏器正交，光经晶体后在检偏器后面的白屏上可以看到很弱的光点，记录光电位置；然后在晶体前面靠近晶体处放置一毛玻璃，这是在白屏上将出现单轴晶体的锥广干涉图样。为一组明暗相间的圆环，一个暗十字贯穿整个图形，暗十字的中心就是圆条纹的中心，它对应晶体的光轴方向，暗十字的方向对应起偏器和检偏器的透光轴方向。记下暗十字的中心位置。反复调整晶体使干涉图样的中心与未放毛玻璃时的光斑位置重合，且使图样完整对称。图3:直流调制光路2.采用下图所示搭建光路，在双踪示波器上观察调制器的正弦波电压调制规律。要求1/4波片的快慢轴方向与晶体的快慢轴方向相同。调整方法为在原来的锥光干涉光路中加入四分之一波片，旋转四分之一玻片，观察输出波形变化。《光电子技术实验》电光调制及其应用4图4:直流调制光路3.语音信号调制。采用与2中相同的光路，晶体横向加经过低频放大器的语音信号，光电探测器输出端接音箱，观察调制输出结果。4.采用与上述相同方法，测量起偏器与检偏器透光方向平行时的直流电压调制和交流电压调制规律。4实验数据按实验步骤和要求搭建调整好光路，在起偏器与检偏器垂直，测量晶体此时的直流调制电压与透过检偏器的光强的关系，可以绘制出晶体的直流调制曲线如下：0100200300400500020406080100120U/VI/mA图5:横向电光晶体的直流调制曲线由图中可以看出，晶体的半波电压为𝑉𝜋=410V进行交流调制，当起偏器与检偏器透过方向相垂直时，在光路中插入四分之一玻片，旋转四分之一玻片的过程中，由四分之一玻片造成的相位延迟如下图所示，其中箭头所示方向为四分之一玻片快轴方向，在旋转一周的过程中，四分之一玻片造成的附加相位延迟从𝜋/2《光电子技术实验》电光调制及其应用5到−𝜋/2，又从−𝜋/2到𝜋/2，从𝜋/2到−𝜋/2，又从−𝜋/2到𝜋/2，共四次经过相位延迟为零的点。由实验原理，此时检偏器的输出应为二倍频，而在从𝜋/2和−𝜋/2点，检偏器的输出为同频同相和同频反相。图6:四分之一玻片旋转过程由于光电探测器存在反相放大器，所以实验过程中，在由四分之一波片产生的附加相位延迟为𝜋2时，示波器输出波形为同频反相的正弦波如下：图7:附加相位延迟为𝜋2时的波形在由四分之一波片产生的附加相位延迟为−𝜋2时，示波器输出为同频同相的正弦波如下：图8:附加相位延迟为−𝜋2时的波形《光电子技术实验》电光调制及其应用6在由四分之一波片产生的附加相位为0时，示波器输出的波形为二倍频的，且二倍频波形的极小值点对应于原输入波形极小极大值点，输出的波形如下：图9:附加相位延迟为0时的波形实验中，测得了对于倍频时四分之一波片旋转对应的位置，如下表所示：倍频点1234角度21033030150间隔1206012060容易看出在四分之一波片旋转一周的过程中，其在两个夹角为60∘的方向上产生的相位延迟为零。图10:垂直和平行时的直流相位延迟此时，增大驱动增益，输出波形出现切顶，如果直流偏置点在非线性区，则出现圆切顶，这是由于小信号过大时引入的非线性效应造成的。起偏器与检偏器方向平行时，此时可以等效为光先经过一个二分之一波片，然后再经过与《光电子技术实验》电光调制及其应用7起偏器垂直的检偏器，所以此时相对于起偏器与检偏器垂直的情况，相位延迟都增加了𝜋，此时四分之一波片旋转时相位延迟变化可总结为如上图所示。对于语音信号的调制，和交流信号的调制类似，是比较简单的。5实验体会本实验的难点在于光路的调整，调整起偏器与检偏器正交和光束经过晶体的特定光轴方向产生对称的锥光干涉图样是比较困难的。实验过程中，我调好了起偏器检偏器和晶体，在测量直流调制时，却发现光电探测器最低的位置也接收不到激光，这使得我不得不重新调整了激光器的高度，因此我必须重新调整晶体的位置使得其产生锥光干涉图样，这个过程耗费了我打量的时间，但我觉得是有价值的。实验的难点就在于光路的调整，出现这样的错误是因为我在调整光路时，没有合适的顺序，往往只重视最复杂的部分，而对于光路整体缺乏认识，我觉得在实验过程中，一定要充分发挥同学们的动手作用，对于光路，可以拆分的都拆分了，不要建议说一些仪器不要动，让同学们从中养成搭建光路的良好习惯。