电光调制概述
北京邮电大学经济管理学院电子商务专业
李佶珂10212226
摘要 本文在电光效应的基础上简述了电光调制的基本概念及其原理以及在实际工作中的应用
关键词 电光调制 电光效应
一、正文
1 电光调制原理
电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。根据加在晶体上电场的方向与光束在晶体中传播的方向不同,可分为纵向调制和横向调制。电场方向与光的传播方向平行,称为纵向电光调制;电场方向与光的传播方向垂直,称为横向电光调制。横向电光调制的优点是半波电压低、驱动功率小,应用较为广泛。本电光调制系统是以铌酸锂晶体的横向调制为例。图1是一种横向电光调制的示意图。
沿z方向加电场,通光方向沿感应主轴y′方向,经起偏器后光的振动方向与z轴的夹角为45°。光进入晶体后,将分解为沿x′和z方向振动的两个分量,两者之间的折射率之差为n(x1)—n(x2),假定通光方向上晶体长度为l,厚度为d(即两极间的距离),则外加电压为V=Ezd时,从晶体出射的两束光的相位差为:
由式(1)可以看出,只要晶体和通光波长λ确定之后,相位差△φ的大小取决于外加电压V,改变外加电压V就能使相位差△φ随电压V成比例变化。通常使用的电光晶体的主要特性之一是采用半波电压米表征(当两光波间的相位差△φ为π弧度时所需要的外加电压称为半波电压)。
2 电光调制系统总体设计
基于电光调制原理设计出此电光调制系统,用以研究电场和光场相互作用的物理过程,也适用于光通信与物理的实验研究。电光调制系统结构见图2。
2.1 工作原理
激光器电源供给激光器正常工作的电压,确保激光器稳定工作。由激光器产生的激光经起偏器后成线偏振光。线偏振光通过电光晶体的同时,给电光晶体外加一个电压,此电压就是需要调制的信号。当给电光晶体加上电压后,晶体的折射率及其光学性能发生变化,改变了光波的偏振状态,线偏振光变成了椭圆偏振光。为了选择合适的调制工作点,在电光晶体之后插入一个λ/4波片,使通过电光晶体的两束光线的相位延迟π/2,使调制器工作在线性部分,通过检偏器检测输出光的偏振方向,最后用光电探测器检测调制后的光信号,并将其转换为电信号用示波器观察。
2.2 激光器和激光器电源
此系统中,激光器使用氦氖激光器。氦氖激光管是一种特殊的气体放电光源,与其他光源相比,它具有极好的单色性、高度的相干性和很强的方向性(发散角很小),激光器电源首先将220V输入电压通过变压器升到1 000 V,再将该电压通过倍压电路提升到约5 000V,然后通过限流电阻直接给激光管供电。当电源开关刚打开时,激光管中气体还没有电离,内阻相当于无穷大,此时电源输出约5 000V高压,这就是激光管的点火电压,使得激光管中的气体电离,激光管开始工作,这时激光管的电阻将会大大下降。也就是说,负载电流上升,激光器的电源输出电压也会下降。
2.3 铌酸锂电光晶体
铌酸锂晶体具有优良的压电、电光、声光、非线性等性能。本系统中采用LN电光晶体。LN晶体是三方晶体,n1=n2=no,n3=ne。
没有加电场之前,LN的折射率椭球为:
本系统中采用y轴通光、z轴加电场,也就是说,E1=E2=0,E3=E。那么,加上电场后折射率椭球为:
式(4)表明,LN晶体沿z轴方向加电场后,可以产生横向电光效应,但是不能产生纵向电光效应。
经过晶体后,o光和e光产生的相位差为:
2.4 信号源
信号源系统结构如图3所示。信号源是为了给电光晶体提供调制电压以及使系统能够接入音频信号。电源部分可以同时输出几路直流稳压电源给信号源的各个模块同时供电;信号发生模块产生频率和幅度都连续可调的正弦波与方波;功率放大模块将输入的正弦波与方波以及音频信号放大到几十伏,然后加到电光晶体上调制通过电光晶体的激光;解调模块对从探测器输入的微弱信号进行解调放大,对输入的微弱音频信号驱动放大后通过音箱把声音放出来;偏置高压模块产生幅度连续可调的直流高压,以代替λ/4波片作为调制晶体的半波电压。
3 电光调制在光通信中的应用
本系统是用光波传递声音信息,由激光器产生的激光经起偏器后成为线偏振光,再经过λ/4波片变成圆偏振光,使得2个偏振分量(o光和e光)在进入电光晶体之前产生π/2的相位差,使调制器工作在近似线性区域。在激光通过电光晶体的同时,给电光晶体加一个外加电压,此电压是需要传输的声音信号。当给电光晶体加上电压后,晶体的折射率及其他光学性能发生变化,改变了光波的偏振状态,因此,圆偏振光变成椭圆偏振光,再经检偏器又成为线偏振光,光强被调制。此时的光波载有声音信息并在自由空间传播,在接收地用光电探测器接收被调制的光信号,然后进行电路转换,将光信号转换成电信号,用解调器将声音信号还原,最终完成声音信号的光传输。外加电压为被传输的声音信号,此信号可以是收录机的输出或磁带机输出,实际上就是一个随时间变化的电压信号。
二、 参考文献
石顺祥等 物理光学与应用光学(第二版) 西安电子科技大学出版社
第二篇:1.电光调制
实验十 电光调制
一、实验目的:
1. 了解电光调制的工作原理及相关特性;
2. 掌握电光晶体性能参数的测量方法;
二、实验原理简介:
某些光学介质受到外电场作用时,它的折射率将随着外电场变化,介电系数和折射率都与方向有关,在光学性质上变为各向异性,这就是电光效应。
电光效应有两种,一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例,称为泡克耳斯(Pockels)效应;另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例,称为克尔(Kerr)效应。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。利用泡克耳斯效应制成的调制器,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,图1是几种电光调制器的基本结构形式。
图1:几种电光调制器的基本结构形式
a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒
当不给克尔盒加电压时,盒中的介质是透明的,各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。到达Q时,因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡(P、Q分别为起偏器和检偏器,安装时,它们的光轴彼此垂直。),所以Q没有光输出;给克尔盒加以电压时,盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质,光轴的方向平行于电场。这时,通过它的平面偏振光则改变其振动方向。所以,经过起偏器P产生的平面偏振光,通过克尔盒后,振动方向就不再与Q光轴垂直,而是在Q光轴方向上有光振动的分量,所以,此时Q就有光输出了。Q的光输出强弱,与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说,如果外加电压是周期性变化的,则Q的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的调制。
泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体,它的自然状态就有单轴晶体的光学性质,安装时,使晶体的光轴平行于入射光线。因此,纵向调制的泡克耳斯盒,电场平行于光轴,横向调制的泡克耳斯盒,电场垂直于光轴。二者比较,横调的两电极间距离短,所需的电压低,而且可采用两块相同的晶体来补偿因温度因素所引起的自然双折射,但横调的泡克耳斯盒的调制效果不如纵调的好,目前这两种形式的器件都很常用。
图2:纵调的泡克耳斯电光调制器
图2为纵调的泡克耳斯电光调制器。在不给泡克耳斯盒加电压时,由于P产生的平面偏振光平行于光轴方向入射于晶体,所以它在晶体中不产生双折射,也不分解为o、e光。当光离开晶体达到Q时,光的振动方向没变,仍平行于M。因M垂直于N,故入射光被Q完全阻挡,Q无光输出。
当给泡克耳斯盒加以电压时,电场会使晶体感应出一个新的光轴OG。OG的方向发生于同电场方向相垂直的平面内。由于这种电感应,便使晶体产生了一个附加的各向异性。使晶体对于振动方向平行于OG和垂直于OG的两种偏振光的折射率不同,因此这两种光在晶体中传播速度也就不同。当它们达到晶体的出射端时,它们之间则存在着一定的相位差。合成后,总光线的振动方向就不再与Q的光轴N垂直,而是在N方向上有分量,因此,这时Q则有光输出。泡克耳斯效应的时间响应也特别快,而且φ与U成线性关系,所以多用泡克耳斯盒来作电光调制器。
三、实验装置:
图3:LiNbO3晶体静态特性曲线测量光路图
图4:LiNbO3晶体静态特性曲线测量装置图
四、实验内容及步骤:
1. LiNbO3晶体静态特性曲线测量
a. 按图3所示结构放置各光学器件,并调节支架高度至各光学器件等高同轴。
b. 将635nm半导体激光器控制电缆连接至LDC,设置LDC工作模式为ACC,设置驱动
电流Ic为30mA。
c. 将LiNbO3晶体控制电压驱动端连接至功率信号源输出PSG和GND。置PSG于高压信
号模式(HVS)。
d. 将Si-PD信号输出连接至PD.IN,测量时注意选择合适量程。
e. 将LiNbO3晶体从测试光路中移开,将起偏器偏振方向调至与水平面成45°角,将
检偏器调至与其正交。再将LiNbO3晶体放回测试光路,调节其空间位置和倾斜角度,使入射光束与其表面垂直。
f. 从-75V开始设置PSG输出电压V,记录PD读数P。
g. -75V至250V每隔10V测一个点,记录相应的电压V和光强P
h. 对光强P数据作归一化处理,求得相对光强I,作I~V曲线,求该LiNbO3晶体半
波电压。