光调制论文.doc

中山大学理工学院物理实验室 B6小组实验投稿物理实验光调制与光信模拟实验申剑：08323086（学号）合作人：孙琥 龙振江（中山大学理工学院光信二 广州 广东 510275）收稿日期:2011 04 08摘要通过实验操作以及数据进行分析,学习并掌握电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运用，在此基础上进一步了解光通信系统的结构。关键词光调制 电光 声光 磁光 光通信系统结构Letter of light modulation and optical simulationShen Jian :08323086(Student ID)Partner :Sun Hu Long Zhenjiang (Institute of Physics and Engineering Sun Yat-sen University ,Guuangzhou ,Guangdong 510275)Abstract:Through the experimental operation and data analysis，Learn and master the the use of the electro-optic modulation, acousto-optic modulation, optical modulation mechanism ,On this basis, further understanding of the structure of optical communication systems 常用的光调制方式主要有电光调制、声光调制和磁光调制，分别是利用电光效应、声光效应和磁光效应来实现对光的调制的。光调制基本原理1. 电光调制器件工作原理光学介质的电光效应是指，当介质受到外电场作用时，其折射率将随外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，介质的光学特性由原来的各向同性变为各向异性。目前已发现两种电光效应，一种是泡克耳斯（Pockels）效应，即折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例；另一种是克尔（Kerr）效应，即折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例。利用泡克耳斯效应制成的调制器成为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。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。泡克耳斯盒有纵向调制器和横向调制器两种。我们实验中使用的是电光晶体为DKDP（磷酸二氘钾）的纵向调制泡克耳斯盒。不给泡克尔斯盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过起偏器P后变为振动方向平行于P光轴的平面偏振光。通过泡克耳斯盒时，其偏振方向不变，到达检偏器Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡，所以Q没有光输出；给泡克耳斯盒加电压时，由于电光效应，盒中介质将具有单轴晶体的光学特性，光轴与电场方向平行。此时，通过泡克耳斯盒的平面偏振光的振动方向将被改变，从而产生了与Q光轴方向平行的分量，即Q有光输出。Q输出光的强弱与盒中介质的性质、几何尺寸、外加电压大小有关。对于结构已确定的泡耳克斯盒来说，若外加电压是周期性变化的，则Q的光输出也是周期性变化的，由此实现对光的调制。 图1 各个量的方位关系图图1表示的是几个偏振量之间的方位关系，光的传播方向平行于z轴，M和N分别为起偏器P和检偏器Q的光轴方向，彼此垂直；为M与y轴的夹角，为N与y轴的夹角，；外电场使克尔盒中电光介质产生的光轴方向平行于x轴；o光垂直于xz平面，e光在xz平面内。设自然光经过P后所产生的输入DKDP晶体平面偏振光为： （1）DKDP是负单轴晶体，即，其折射率椭球方程为: (2) 其中z为光轴方向。加上平行于光轴的纵向调制电压后，折射率椭球方程变为： （3）式中是晶体的电光系数。通过坐标系变化，消除上式中的交叉项得 （4）其中（5） (6）由于光的传播方向垂直于光轴，它通过介质时将发生双折射，O光的振动方向垂直于光轴与光线构成的主截面，e光的振动方向在主截面内。由于O光和e光折射率不同，故二者在介质中的传播速度不同，因而通过一定厚度的介质到达输出端时，O光和光将有一定的相位差： (7)式中是晶体的厚度。光和光在介质输出端的表达式为：（）当、光到达检偏器时，只有平行于的光轴的分量可以通过，故通过的光可以表示为：（）可以证明，当时输出最强，此时上式变为： （10）式中，为通过检偏器Q的光的振幅。由于光强I正比与振幅的平方，则有： （11）此式对于克尔盒和泡克耳斯盒都适用。讨论：（1）不加电压时，即U=0时，（2）。此时，o、e光相位差为，相应的光程差为，Q有最大输出。这时泡克耳斯盒相当于一个1/2波片。所以将满足这一条件的电压成为半波电压，记作。（3）若。这种情况下，Q端的输出光强度将按正弦平方规律变化。2. 电光调制的主要性能参量（1）半波电压 半波电压是使调制器光输出达到最大时所需电压，越小越好。（2）透过率 调制器的光输出Io与Ii之比： （12）为使泡克耳斯盒的静态工作点在线性区，我们在泡克耳斯盒和检偏器之间插入一个1/4波片。（3）调制带宽低频时与调制功率成正比，对于一定的调制器有一最高调制频率 （13）其中l为晶体长度。（4）消光比 指检偏器的最大输出与最小输出之比。三、实验内容与步骤1. 电光调制实验实验用具：光学导轨、激光器(GY-10B型)、电光调制器及电源（WGL-8型）、起偏器、检偏器、波片、光电接收器、示波器、准直小孔等。实验装置图如下：He-Ne激光器起偏器检偏器（格兰棱镜）光电接收器电光晶体 图1测量静态静态调制特性曲线装置图（）光路调节利用准直小孔调节激光器与光学导轨平行， 然后放上起偏器、检偏器、光电接收器及放大器，其中光电接收器与晶体电光调制电源相连，并调节各元器件与激光器共轴。（）测绘电光晶体静态调制特性曲线，并求出半波电压和静态消光比静态是指未加调制信号。给晶体加上直流电压后，晶体发生电致双折射效应，通过检偏器后的输出光强I为： （14）式中U为晶体两端电压，I0为激光器输出光的原始光强。由上式画出I-U关系曲线，即为调制特性曲线。由式（14）可知，当晶体两端所加直流电压，（n=0,1,2）时，输出光强有极小值；当，（n=0,1,2）时，输出光强有极大值，可见输出光强相邻的极大值和极小值对应的直流电压之差即为半波电压。A. 未加晶体时的静态消光比的测量3.09调整起偏器刻度读数为149.0度，测得光强为Imax=3.09，放入检偏器并转动检偏器测得通过检偏器最小值（检偏器光轴和起偏器垂直，此时角度计数为244.0.0度）Imin=0。则得出消光比为：消光比为无穷大，与理论相符。B测绘静态调制特性曲线，极值法测量半波电压。a、调出锥光干涉图样调节检偏器与起偏器垂直，将电光晶体放到检偏器和起偏器之间，调节晶体使激光束从晶体中间穿过，在此前提下，紧靠晶体放一张镜头纸，仔细调节晶体的四个调节旋钮，使检偏器后的观察屏上出现锥光干涉图样，此时晶体的x轴和y轴分别平行于起偏器和检偏器的光轴。而由于仪器和晶体老化等原因，调节过程中，只出来微弱的干涉条纹，并没有清晰的十字条纹。b、测量不同直流偏压下的输出光强每隔约10V记录一次输出光强，测得的实验数据如表1：U/V132333435363738393103I0.030.040.070.140.230.330.440.550.670.79U/V113123133143153163173183193203I0.89 0.961.021.061.061.020.96 0.880.780.67U/V213223233243253263273283293303I0.55 0.430.330.220.130.070.030.020.040.08U/V313323333343353363373383393403I0.140.240.360.430.580.690.830.931.04 1.11U/V413423433443453463473483493503I1.16 1.151.131.081.010.940.810.670.610.50U/V513523533543553563573583593I0.380.250.160.090.040.010.010.030.09 表1以直流偏压U为横轴，光强I为纵轴，作I-U曲线如图2所示光强I直流偏压U/V图2静态调制特性曲线当U1=153时，光强最大为Imax=1.06；当U2=283时，光强最小为Imin=0.02则半波电压为：U=U2-U1=283-153=130v消光比为：=53由于外部环境的影响，元器件（仪器）的损耗及消光点的不精确等原因导致极小值大于0，因而半波电压的测量值比理论值小。同时，这也是实际中静态消光比不能达到无穷大的原因。（3）调制法测量半波电压给晶体同时加上直流偏压和交流信号，当交流电压幅度很小时，直流电压调到输出光强出现极大值和极小值对应的电压时，交流信号出现倍频失真，出现相邻两次倍频失真对应的直流电压之差即为半波电压 。具体步骤如下：将电源面板上的信号选择开关拨到“调制”档，把电源前面板上的“调制信号”输出接到示波器的CH2通道，把放大器的“光强信号”接到CH1通道上，将调制幅度调到较小值，使调制信号本身不失真。由小到大调节直流偏压，比较CH1和CH2的波形，当晶体上加的电压到某一值U1时，输出信号出现倍频失真，继续调节直流电压到另一值U2时，再次出现倍频失真，相邻两次倍频失真对应的直流电压之差U2-U1即为半波电压 。如下图所示： 图3 第一次出现倍频失真U1=121v 图4 第二次出现倍频失真U2=258v 则可得半波电压为：调制法测量半波电压与极值法测出的值接近，但调制法测量半波电压比极值法要准确些，因为用极值法测量半波电压时，是离散地测，很难准确确定调制特性曲线上的极小值和极大值点。而用调制法测量时，则是连续地测，利用示波器上的波形对光强信号和调制信号进行对比，可以比较准确的确定发生倍频失真，即调制信号频率是光强信号频率的两倍。 但这种方法也是有一定的局限性的，只是相对于极值法，引入的误差会小一些。当改变直流偏压时，继续观察波形： 图5 U=40V 图6 U=80V 图7 U=120V 图8 U=160V 图9 U=200V 图10正弦波失真临界点90V 图11正弦波失真临界点170V正弦波：Vpp=3V；f=1KHZ由上图可以看出，当直流电压在80和200的时候有失真且正弦失真临界点为90V。170V（）观察加入1/4波He-Ne激光器起偏器检偏器（格兰棱镜）光电接收器电光晶体1/4波片片后的输出特性实验装置图如图6所示图12电光调制装置图在起偏器和晶体之间加入1/4波片，将波片转动一周，观察示波器上的输出信号，现象如下：随着波片的转动，被调制的输出信号出现与输入的交流信号同相、倍频、反相几种状态。同相和反相状态表明输出信号线性调制，此时波片的快慢轴平行于晶体的感应轴方向；倍频状态下，工作点位于调制特性曲线的极值附近，输出信号倍频失真，此时波片的快慢轴分别平行于晶体的x轴和y轴。如图所示： 图13 波片读数为46.5度，倍频失真 图14 波片读数为9.5度，同相 图15 波片读数为289.0度，倍频失真 图16 波片读数为258.5度，反相有关问题1.常用的光电调节方式有哪些?答：常用的光调节方式分为电光晶体调节，声光调节和磁光调节和半导体激光器的电流直接调节。其中电光晶体调节分为泡克耳斯效应和克尔效应原理;声光调节利用超声光栅的衍射原理；磁光调节利用磁光晶体的法拉第效应,激光器电流调器利用输入激光器的电子数控制粒子数翻转来控制激光光强.2.电光调制、声光调制、磁光调制、电流直接调制的优缺点？答：电光调制可以对振幅调制，也可以对相位调制，但是其调制带宽易受外电路参数影响，且一个最高调制频率限制；声光调制和磁光调制都只能对振幅调制，但声光调制若应用布拉格衍射可获得较大的调制带宽和较高的调制频率，磁光调制原理简单，易于控制操作。上述几种光调制方式都只能用模拟信号调制，电流直接调制还可以用数字信号调制，且这种调制方式简单，能工作在高频，并能保持良好的线性工作区和带宽，但是半导体激光器功耗较大。3.几种调制方式所需要的调制电源的差异。答：电光调制是用电源使得些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。声光调制是光波在介质中传播时，被超生波场衍射或散射的现象。介质的折射率周期变化形成折射率光栅时，光波在介质中传播就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超生场的变化而变化；磁光调制器是改变线圈的电源来控制磁场的改变，以达到改变光信号的偏振方向。4.光电接收器是如何从光载波信号提取声音信号的?答：第一步光电接收器第一步现通过光电转换器接收经过声音调制的光信号，.然后经过一个阻抗变换器，使电信号转转为由声音调节的电信号.接着使用一个放大器把电信号放大，再经过功放,接到扬声器，发出相应的声音,这就完成了光信号到声音信号的转换。5.空间光通信与光纤通信的有缺点？答：空间光通信耗费的本钱要少，但通信过程中信号损耗大，容易造成失真，安全性差。光纤通信本钱要多，但能传送的比较远，损耗比较小，安全性好。江大学出版社, 2002: 209, 2122217. 6张季熊. 光电子学教程M . 广州: 华南理工大学出版社,2001: 2802282, 2852287. 7 李家泽, 阎吉祥. 光电子学基础M . 北京: 北京理工大学出版社, 1998: 53256. 8 张国林, 邵长金, 孙为. 晶体电光调制实验中半波电压的测定J . 实验技术与管理, 2003