晶体电光效应

1、晶体电光效应【教学目的】1、了解晶体电光效应，测量LN晶体的半波电压；2、掌握电光调制器的工作原理;3、光通讯的模拟研究。【教学重点】电光调制器的工作原理。【教学难点】线性电光效应，电光调制器的工作原理。【课堂讲授】提问:1.什么是晶体的电光效应？2.如何判定晶体产生电光效应？一、实验原理1晶体的折射率椭球根据光的电磁理论知道，光波是一种电磁波。在各向异性介质中，光波中的电场强度矢量与电位移矢量的方向是不同的。 对于任意一种晶体，我们总可以找到一个直角坐标系（x，y，z）,在此坐标系中有 (i = x，y，z)。这样的坐标系（x，y，z）叫做主轴坐标系。光波在晶体中的传播性质可以用一个折射率椭

2、球来描述，在晶体的主轴坐标系中，折射率椭球的表达式写为：（1） 其中（i = x，y，z）, 是晶体的主折射率。对于单轴晶体（如本实验所用的LN晶体）有nx = ny = no， nz = ne，于是单轴晶体折射率椭球方程为： （2）由此看出，单轴晶体的折射率椭球是一个旋转对称的椭球。2LN晶体的线性电光效应 以上讨论的是没有外界影响时的折射率椭球，也就是晶体的自然双折射。当晶体处在一个外加电场中时。晶体的折射率会发生变化，改变量的表达式为： （3）其中n是受外场作用时晶体的折射率，n0是自然状态下晶体的折射率，E是外加电场强度，和p是与物质有关的常数。（3）式右边第一项表示的是线性电光效应，

3、又称为普克尔效应，因此叫做线性电光系数；第二项表示的是二次电光效应，又称为克尔效应，因此p也叫做二次电光系数。本实验只涉及到线性电光效应。LN晶体通常采用横向加压，z向通光的运用方式，即在主轴y方向加电场Ey而Ex = Ez = 0 ，有外电场时折射率椭球的主轴一般不再与原坐标轴重合。将坐标系经过适当的旋转后得到一个新的坐标系（x，y，z），使折射率椭球变为： （4）这里、是有电场时的三个主折射率。叫感应主折射率，坐标系（x，y，z）叫感应主轴坐标系。在（ ）坐标系中，折射率椭球的方程为:（5）将（5）式同（4）式比较，就可得出：， 一般情况下有a的那些光线，折射后在界面上的入射角小于临界角m

4、，光线将射出界面，如图中光线2。这个入射角a称为光学纤维的孔径角，它的数值由光学纤维的数值孔径决定。光纤的数值孔径N定义为N=n0sina= （1）式中n0是入射光线所在介质的折射率，n1和n2分别为光纤的纤芯和包层的折射率。由式（1）可见，纤芯和包层的折射率相差越大，a越大，光纤的数值孔径就越大，它的值一般在0.10.6之间，对应的a在933。数值孔径是表示光纤集光能力的一个参量，它越大就表示光线接受的光通量越多。如图2所示，在立体角2max范围内入射到光纤端面的光线1在光纤内部界面产生全反射而得以传输，在2max范围外入射到光纤端面的光线2则在光纤内部界面不产生全反射而是透射到包层而马上被

5、衰减掉。多模光纤具有较大的数值孔径，单模光纤的数值孔径相对较小，所以一般单模光纤需用LED半导体激光器作为其光源。（2）光纤的损耗：光纤的传输损耗是光纤传输特性的一个重要指标，它直接影响着光纤的传输效率。对于通信应用中的光纤，低的损耗特别重要。对于传感用光纤，效率问题也十分重要，因为有时它会影响测量的灵敏度。实现光通信的首要问题是如何降低光传输的损耗，光纤的损耗从最初的几千分贝每公里降到20dB/km（1970年），以后又逐渐减低到0.47dB/km（1976年），以至0.2 dB/km，这样，使光纤通讯在20实际70年代初即成为现实。当光从光纤的一端射入而从另一端射出时，光强将减弱，这意味着

6、光在光纤中传播时产生了损耗，光纤在传输中的损耗大小由下式计算：a=(10/L)lg(Pi/P0) （2）式中a为光纤的衰减系数，单位为dB/km，Pi、P0分别为光纤的输入和输出光功率，L为光纤长度，以km为单位。光纤中引起光能量衰减（损耗）的原因有吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。(1) 吸收损耗吸收损耗与组成光纤材料的电子受激跃迁和分子共振有关。当电子与光子相互作用，电子会吸收能量而被激发到较高能级。分子的共振吸收与原子构成分子时共价键的特性有关。当光子的频率与分子的振动频率接近或相等时发生共振，并大量吸收光能量。以上吸收损耗是材料本身所固有的，就是在不含任何杂质的材料中也存在上述现象，所以又

7、被称为本征吸收。(2) 散射损耗玻璃中的散射损耗是由于材料密度的微观变化、成分起伏以及在制造光纤过程中遇到不均匀或不连续的情况时，一部分光就会散射到各个方向，而不能传输到终点，从而造成散射损耗。材料在形成的过程中由于内部密度的不均匀致使材料中出现折射率的差异，从而引起光的散射效应，造成光能的损失。这种不均匀微粒（不均匀程度远小于光波长）对光的散射现象通常称为瑞利散射。由瑞利散射造成的损耗与-4成正比，它随着光波长的增加而急剧减小。在小于1m的波长范围内，瑞利散射是光纤中主要的损耗因素。(3) 辐射损耗当光纤有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射损耗。光纤可能受到两种类型的弯曲：弯曲半径比光纤直径

8、大很多的弯曲，例如当光缆拐弯时就会发生这样的弯曲；微弯曲，当把光纤组合成光缆时可能使光纤的轴线产生随机性的微弯曲。当曲率半径很大时（轻度弯曲），辐射损耗较小一般可不予考虑，当曲率半径变小时损耗呈指数增长。光纤的损耗是各种因素影响的总结果，它可以简单地归结为固有损耗和非固有损耗两类。固有损耗包括由光纤材料的性质和微观结构引起的吸收损耗和散射损耗。它们是光纤中都存在的损耗因素，从原理上讲是不可克服的，因而它们决定了光纤损耗的极限值。非固有损耗是指杂质吸收、结构不完善引起的散射和弯曲辐射损耗等。非固有损耗可以通过光纤制造技术的完善，得以消除或减小，它们对总损耗的影响已不是主要问题。光纤的损耗主要有由

9、于材料吸收引起的吸收损耗，纤芯折射率不均匀引起的散射（瑞利散射）损耗，纤芯和包层之间界面不规则引起的散射损耗（称为界面损耗），光纤弯曲造成的损耗，纤维间对接（永久性的拼接和用连接器连接）的损耗，以及输入与输出端的耦合损耗。在0.80.9m波段内损耗约2dB/km，属于低损耗区，这是目前光通信仅用的短波长“窗口”。在1.3m，0.5dB/km；在1.55m、0.2dB/km是最低损耗，这是近期光通信希望获得的长波长“窗口”。石英光纤在近红外波段0.84m、1.31m、1.55m有较好透过率。因此传输系统光源的发射光波长必须与其吻合，目前长距离光通讯系统多采用1.31m或1.55m 单模光纤。（目

10、前，单模光纤传输损耗在1.31m和1.55m分别为0.35dB/km和0.2dB/km）。（4）光纤的色散直接影响可传输信号的带宽，色散主要由三部分组成：折射率色散、模色散、结构色散。折射率色散是由于光纤材料的折射率随不同光波长变化而引起，采用单波长、窄谱线的半导体激光器可以使折射率色散减至最小。采用单模光纤可以使模色散减至最小。结构色散由光纤材料的传播常数及光频产生非线性关系所造成。目前单模光纤的传输带宽可达数GHz。（5）光纤的几何参数：根据国际电报电话咨询委员会（CCITT）建议，光纤几何参数包括以下内容：芯径、包层表面直径、芯径不圆度、包层表面不圆度、包层表面相对于纤芯中心的不同心度。

11、它们分别由下面公式来定义：纤芯不圆度=2（dmax-dmin）/（dmax+dmin） （3）包层表面不圆度=2（Dmax-Dmin）/（Dmax+Dmin） （4）式中dmax、dmin是芯径最大值和最小值，Dmax、Dmin是包层表面直径的最大值和最小值。包层表面相对纤芯中心的不同心度y/d （5）式中y是纤芯中心和包层表面中心的距离，d是芯径。2光信号发送端的工作原理系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图3所示，信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率，设定的静态驱动电流调节范围为020毫安，对应面板光发送强

12、度驱动显示值02000单位，图3 发光二极管驱动和调制电路当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系，音频信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到另一运放的负输入端，与发光二极管的静态驱动电流相叠加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号，如图4所示，并经光纤耦合器将这一光信号耦合到传输光纤。可传输信号频率的低端可由电容、电阻网络决定，系统低频响应不大于20Hz。 图4 发光二极管的正弦信号调制原理3光信号接收端的工作原理光信号接收端的工作原理图如图5所示，传输光纤把从发送端发出的光信号通过光纤耦合器将光信号耦合到光电转换器件光电二极管，光电二极管把光信号转变为与之成正比

13、的电流信号，光电二极管使用时应反偏压，经运放的电流电压转换把光电流信号转换成与之成正比的电压信号，电压信号中包含的音频信号经电容电阻耦合到音频功率放大器驱动喇叭发声。光电二极管的频响一般较高，系统的高频响应主要取决于运放等的响应频率。图5 光信号接收端的工作原理图【实验内容】1光纤传输系统静态电光/光电传输特性测定打开实验仪电源，面板上两个三位半数显表头分别显示发送光驱动强度和接收光强度。调节发送光强度电位器，每隔200单位（相当于改变发光管驱动电流2mA）分别记录发送光驱动强度数据与接收光强度数据，在方格纸上绘制静态电光/光电传输特性曲线。2光纤传输系统频响的测定将输入选择开关打到“外”，在

14、音频信号输入接口上从函数信号发生器输入正弦波，将双踪示波器的通道1和通道2分别接到发送端示波器接口和接收端音频信号输出接口，保持输入信号的幅度不变，调节函数信号发生器输出频率，记录输入信号频率变化时输出信号幅度的变化，分别测定系统的低频和高频截止频率。3LED偏置电流与无失真最大信号调制幅度关系测定将从函数信号发生器输入的正弦波频率设定在1kHz，输入信号幅度（音频幅度）调节电位器置于最大位置，然后在LED偏置电流为5、10mA两种情况下，调节函数信号发生器输出幅度，使其从零开始增加，同时在接收端信号输出处通过示波器观察波形变化，直到波形出现截止现象时，记录此时电压波形的峰-峰值，由此确定LE

15、D在不同偏置电流下光功率的最大调制幅度。4多种波形光纤传输实验将输入选择开关打到“外”，在音频信号输入接口上分别从函数信号发生器输入方波信号和三角波信号，将双踪示波器的通道1和通道2分别接到发送端示波器接口和接收端音频信号输出接口，保持输入信号的幅度不变，调节函数信号发生器输出频率，从接收端通过示波器观察输出波形变化情况，记录输入信号频率变化时输出信号幅度的变化，分别测定系统的低频和高频截止频率。在数字光纤传输系统中往往采用方波来传输数字信号。5音频信号光纤传输实验将输入选择打到“内”，按下内音频信号触发按钮，通过调节发送光强度电位器改变发送端LED的静态偏置电流，收听在接收端发出的语音片音乐

16、声，考察当LED的静态偏置电流小于多少时，音频传输信号产生明显失真，分析原因，并同时通过示波器观察分析语音信号波形变化情况。【思考题】1本实验中LED偏置电流是如何影响信号传输质量？2本实验中光传输系统那几个环节引起光信号的衰减？3光传输系统中如何合理选择光源与探测器？4光电二极管在工作时应正偏压还是反偏压，为什么？5如果纤芯的中心和包层的中心不同心，这样的光纤有什么不好？附录：THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪使用说明书随着Internet网络时代的到来，人们对数据通讯的带宽、速度的要求越来越高，光纤通讯具有频带宽、高速、不受电磁干扰影响等一系列优点，正在得到不断发展和应用。通过使用TH

17、KGT-1型光纤音频信号传输实验仪做音频信号光纤传输实验，让学生熟悉了解信号光纤传输的基本原理。同时学生可以了解光纤传输系统的基本结构及各部件选配原则，初步认识光发送器件LED的电光特性及使用方法，光检测器件光电二极管的光电特性及使用方法，基本的信号调制与解调方法，完成光纤通讯原理基本实验。信号传输的频响：20Hz20kHz 。THKGT-1型光纤音频信号传输实验仪由以下几部分组成：1光信号的调制和发送。2传送光信号的光纤。3光纤耦合器。4光信号的检测与解调。下面对各部分的使用及注意事项加以说明。一、光信号的调制和发送系统采用的发光二极管的驱动和调制电路如图6所示，信号调制采用光强度调制的方法

18、，发送光强度调节电位器用以调节流过LED的静态驱动电流，从而相应改变发光二极管的发射光功率，设定的静态驱动电流调节范围为020mA，对应面板光发送强度驱动显示值02000单位，当驱动电流较小时发光二极管的发射光功率与驱动电流基本上呈线性关系，音频信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到另一运放的负输入端，与发光二极管的静态驱动电流想迭加使发光二极管发送随音频信号变化的光信号，并经光纤耦合器将这一光信号耦合到传输光纤。可传输信号频率的低端可由电容、电阻网络决定，系统低频响应不大于20Hz。音频接口：用于连接外加的音频信号。示波器接口：用于连接外加的正弦波、方波、三角波信号。输入选择：打到“外”选择外接音频信号，打到“内”选择内置语音片产生的音频信号。内音频触发：按下按钮，启动内置语音片信号发生器，此时当输入选择开关打到“内”时，音频信号叠加