广东技术师范大学实验报告
学院： | 光电工程学院 | 专业： | 光电信息科学与工程 | 班级： | | 成绩： | |
姓名： | | 学号： | | 组别： | | 组员： | |
实验地点： | | 实验日期： | | 指导教师签名： | |
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一、实验目的
1、掌握电光调制的原理、实验方法和调试技能 。
2、研究铌酸锂晶体的横向电光效应。
3、观察锥光干涉图样，测量半波电压。
4、了解利用电光调制模拟音频光通信的一种实验方法
二、实验仪器
光学实验导轨、导轨滑块、二维可调半导体激光器、激光功率指示计、偏振片、1/4 波 片、三维可调电光晶体、电光晶体驱动电源、二维可调扩束镜、二维可调光电二极管探头、 白屏、双通道数字示波器。
三、实验原理
1、晶体的电光效应
由电场引起的晶体折射率的变化称为电光效应。通常可将电场引起的折射率的变化用下 式表示：
式中 a 和 b 为常数，n0为不加电场时晶体的折射率。由一次项 aE0引起折射率变化的效应， 称为一次电光效应，也称为线性电光效应或普克尔（Pokells）效应；由二次项 b 引起折 射率变化的效应，称为二次电光效应，也称为平方电光效应或克尔（Kerr）效应。一次电光 效应只存在于不具有对称中心的晶体中，二次电光效应则可能存在于任何物质中，一次效应 要比二次效应显著。
2、折射率椭球公式
如图 1，光在各向异性晶体中传播时，因光的传播方向不同或者是电矢量的振动方向不 同，光的折射率也不同。
图 1 折射率椭球
通常用折射率球来描述折射率与光的传播方向、振动方向的关系。在主轴坐标中，折射 率椭球及其方程为
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
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。通常KD*P（磷酸二氘钾）类型 的晶体用它的纵向电光效应，而 LiNbO3（铌酸锂）类型的晶体用它的横向电光效应。本实 验研究铌酸锂晶体的一次电光效应，用铌酸锂晶体的横向调制装置测量铌酸锂晶体的半波电 压及电光系数，并用两种方法改变调制器的工作点，观察相应的输出特性的变化。
铌酸锂晶体属于三角晶系，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
式中 n0 和 ne 分别为晶体的寻常光和非常光的折射率。加上电场后折射率椭球发生畸变，当 x 轴方向加电场，光沿 z 轴方向传播时，晶体由单轴晶变为双轴晶体，垂直于光轴z 开关柜无线测温装置轴方向 的折射率椭球截面由圆变为椭圆，此椭圆方程为
其中 称为电光系数。上式进行主轴变换后可得到水玻璃铸造
考虑到 <<1，经简化得到
折射率椭球截面的椭圆方程化为
3、电光调制原理
要把激光作为传递信息的工具，首先要解决如何将传输信号加到激光辐射上去的问题，我们把信息加载于激光辐射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器。 由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程则称为解调。因为激光实际上只起到了“携带”低频信号的作用，所以称为载波，而起控制作用的低频信号是我们所需要的，称为调制信号，被调制的载波称为已调波或调制光。按调制的性质而言，激光调制与无线电波调制类似，可以采用连续的调幅、调频、调相以及脉冲调制等形式，但激光调制多采用强度调制。强度调制是根据光载波电场振幅的平方比例于调制信号，使输出的激光辐射的强度按照调制信号的规律变化。激光调制之所以常采用强度调制形式，主要是因为光接收器一般都是直接地响应 其所接受的光强度变化。
激光调制的方法很多，如机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制和电源调制等，其中电光调制器开关速度快、结构简单。因此，在激光调制技术及混合型光学双稳器件等方面有广泛的应用。电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制。利用纵向电光效应的调制，叫做纵向电光调制，利用横向电光效应的调制，叫做横向电 光调制。本实验我们只做 LiNbO3晶体的横向调制实验。
（1） 横向电光调制
图 2 是基于铌酸锂晶体横向电光强度调制的实验系统示意图。
图 2 基于电光强度调制的光通信实验系统示意图
四氧化锰
半导体激光器处于稳定工作状态，由激光器产生的激光，经起偏器 P1 后成线偏振光， 线偏振光通过电光晶体时，声源输出一个声音信号，并经过声频放大器放大，以变化的电压形式加载到电光晶体上，这个电压就是需要调制的信号；同时将声音的电信号接入示波器，以方便与检出波进行对比。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 1/4 波片，使通过电光晶体的两束光线的相位延迟 ，使调制器工作在线性部分，通过检偏器 P2使偏振方向满足检偏器 P2的光经过传输光路（例如自由空间、光纤灯）后被平方率光学检波器接收，检测调制后的光信号，将其转换为电信号并用示波器观察。在示波器上可以看到声音的输出信号和检波器检测到的光信号的波形是一致的。
图2中，起偏振片P1的偏振方向平行于电光晶体的 x 轴，检偏振片P2的偏振方向平行 于 y 轴。因此入射光经起偏振片 P1后变为振动方向平行于 x 轴的线偏振光，它在晶体的感应轴 x′和 y′轴上的投影的振幅和相位均相等，设分别为
位于晶体表面（z =0）处的光波可以表示为
所以，入射光的强度是
进入晶体后，入射光将被分解为沿nx'和 ny' 振动的两个分量，在电场作用下，这两个方向的折射率不同，分别用 nx' 和 ny' 表示，因此，当光通过长为L的电光晶体后，光在两个方向的传输就会产生光程差，即光在x′和y′两分量之间存在相差δ，因此，当光经过电光晶体后，出射光可以写成
而通过检偏器出射的光，是这两分量在y轴上的投影之和
对应的输出光强Iout 可写成
由式(14)和式(11)，可得光强的透过率T为
由此可见，和加在晶体上的电压有关，当电压增加到某一值时， 、 方向的偏晶体的电光效应与电光调制实验 振光经过晶体后可产生的光程差，相应的相位差 δ=π。由(15)式可知此时光强透 过率T=100%，这时加在晶体上的电压称作半波电压，通常用Uπ 或表示。Uπ是 描述晶体电光效应的重要参数，且在实验中，这个电压越小越好，若Uπ小则其需要的调制信号电压也小。根据半波电压值，我们可以估计出电光效应控制透过强度所 需要的电压。 由(16)式可得，半波电压为
其中d和L分别为晶体的厚度和长度。由此可见，横向电光效应的半波电压与晶片的几 何尺寸有关。由(17)式可知，使电极之间的距离d尽可能的减少，或增加通光方向的 长度l，则可以使半波电压减小，所以晶体通常加工成细长的扁长方体。
由式(16)和式(17)可得
因此，可以将式(15)改写成
其中U0 是加在晶体上的直流电压， Um 是同时加在晶体上的交流调制信号，Um是其振幅，ω是调制频率。从(18)式可以看出，改变 U0或Um，输出特性将产生相应的变化。对单光和确定的晶体来说，Uπ为常数，因而T将仅随晶体上所加的电压变化。
（2） 改变直流偏压对输出特性的影响
① 、Um << Uπ时，将工作点选定在线性工作区的中心处，如图 3(a)
所示，此时，可获得较高效率的线性调制，把代入(19)式，得
由于当 Um<< Uπ时，即
这时，虽然调制器输出的信号和调制信号振幅不同，但是两者的频率却是相同的， 输出信号不失真，我们称之为线性调制。
②当U0 =0、Um<< Uπ时，如图 3(b)所示，把 U0 =0 代入(19)式
即
从(23)式可以看出，输出信号的频率是调制信号频率的二倍，即产生“倍频”失真。若把U0 =Uπ代入(19)式，经类似的推导，可得
即 ，输出信号仍是“倍频”失真的信号。
(a) (b)
图 3 电光调制特性曲线
③直流偏压U0在 0 伏附近或在Uπ附近变化时，由于工作点不在线性工作区，输出波形将失真。
④当且U0且Um> Uπ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，(20)式不能写成(21)式的形式。因此，工作点虽然选定在线性区，输出波形仍然是失真的。
四、实验内容与步骤
1、观察晶体的会聚偏振光干涉图样和电光效应形象
1）将半导体激光器、起偏器、扩束镜、LN 晶体、检偏器、白屏依次摆放，使扩束镜 紧靠 LN 晶体。
2）分别接连好半导体激光器电源（在激光功率指示计后面板上）和晶体驱动电源（千 万不可插错位），将驱动电压旋钮逆时针旋至最低。
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