电光调制实验中半波电压的测量_孙鉴

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第27卷第3期

2007年9月应用技术

OPTOELECTRONICTECHNOLOGY

光　电　子　技　术

Vol.27No.3

Sept.2007

电光调制实验中半波电压的测量

孙　鉴1,牟海维1,刘世清1,李玉洋2,张　雨1

①

(1.大庆石油学院电子科学学院,黑龙江大庆,163318;2.大庆石油管理局公共汽车公司西区分公司,黑龙江大庆,163712)

摘　要:半波电压是表征电光调制时电压对相位差影响大小的一个非常重要的物理量。根据其物理意义,介绍了三种测量方法:光通信模拟法、极值测量法、倍频调制法。具体介绍三种方法的测量原理和操作过程,把测量值与理论值进行比较,并对三种方法的测量结果进行对比讨论。最后介绍了电光开关的一种应用。

关键词:半波电压;光通信模拟法;极值测量法;倍频调制法

中图分类号:O4234　　文献标识码:A:2204

Measurementoflfctro2optic

riment

11121

J,MOUHai2wei,LIUShi2qing,LIYu2yang,ZHANGYu

(1.CollegeofElectronics,DaqingPetroleumInsitute,DaqingHeilongjiang163318,CHN;

2.BusCompanyWesternBranches,DaqingPetroleumAdministrationBureau,

DaqingHeilongjiang163712,CHN)

Abstract:Half2wavevoltageisanimportantphysicalquantitywhichisthetokenoftheinfluencesofvoltageuponthephasicdifference.Accordingtophysicalsignification,threemetricalmethodsarein2troduced:opticalcommunicationstimulantmethod,http://wendang.chazidian.comparisonbetweenthemetricalvalueandtheoreticvalueiscarriedout,andthemeasuringresultsbythethreemethodsarestulied.Finallytheapplicationofanelectro2opticswitchisintroduced.

Keywords:

half2wavevoltage;opticalcommunicationstimulantmethod;

extremalmeasure

method;frequencydoublingmodulationmethod

加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应。电

引　言

某些晶体在外加电场的作用下,其折射率随外

光效应分为两种类型:

(1)一级电光普克尔斯(Pockels)效应,介质折射率变化正比于电场强度;

①

收稿日期:2007202228

作者简介:孙　鉴(1980—),男,助教,学士。主要从事光电子学方向的研究。(E2mail:sj103063@http://wendang.chazidian.com)

牟海维(1963—),男,教授,硕士。主要从事自动测量与检测技术、图像测试与信息处理技术等方面的研究。刘世清(1963—),男,副教授,学士。主要从事半导体技术和物理光学方面的研究。

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　第3期孙　鉴等:电光调制实验中半波电压的测量213

(2)二级电光克尔(Kerr)效应,介质折射率变

化与电场强度的平方成正比。

本实验是使用铌酸锂(LiNbO3)晶体作电光介质,组成横向电光调制(外加电场垂直于光的传播方向)的一级电光效应[1]。

如图1所示,入射光方向平行于x′轴方向,起偏器的起偏方向与z轴、轴呈45°,该偏振光进入y′

晶体后,在平行于z轴的外加电场(E)作用下,沿感应主轴z轴、轴分解成两个等幅的偏振分量,感y′

33

生的折射率分别为ne-neΧ33E3和n0-n0Χ1322

E3,式中Χ为与晶体结构及温度有关的参量,称为电光系数,n0为晶体对寻常光的折射率,ne为晶体对非常光的折射率

。

1　测量方法

图2是横向电光调制的实验装置图,可以选择不同方法测量铌酸锂晶体的半波电压。其晶体厚度

d=215mm,宽度m=215mm,长度l=20mm,n0

-=2129,ne=2120,Χ13=916×10

12

33=3019m V,Χ

×10-3

e

12

=63218nm,理论值VΠ=m V,激光波长Κ

=369V

。3

(nΧ33-n0Χ13)l

图2　横向电光调制实验装置图

Fig.2　Experimentset2upoftransverseelectro2optical

modulate

1　横向电光效应示意图

Fig.1　Schematicillustrationoftransverseelectro2op2

ticaleffect

1.1　光通信模拟法

当一束线偏振光从长度为l、厚度为d的晶体中出射时,由于晶体折射率的差异而使光波经晶体

后出射光的两振动分量会产生附加的相位差 ,相位补偿后的相位差与外加电场E的函数关系式为[2,3]:

(33

(1)neΧn0Χ33-13)U3

ΚΚd

　　式中Κ为入射光波的波长,同时为了测量方便,电场强度常用晶体两极面间的电压表示,即U=Ed。

当相差 =Π时,这两个偏振光波出射晶体时合成为线偏振光,但是偏振方向相对于入射偏振光的偏振方向旋转了Π 2,此时所加电压关系式为:

(2)U=UΠ=33

neΧn0Χ33-13l

=

在原理分析时我们知道出现倍频时,输出波形

小,且相对于调制信号严重失真[1]。

可以把调制信号换成声音信号,在外调输入插座外接放音机,打开调制加载开关,此时,正弦信号被切断,输出信号通过功率输出端口的扬声器播放,音量可以由“解调幅度”控制。在直流电压逐渐增大的过程中,声音会出现两次音量最小且失真的现象,两次电压所对应的差值就是半波电压,如果不能出现此现象,就需要重新调整光路。1.2　极值测量法

nl=

晶体上只加直流电压,在直流电压从小到大的过程中,输出的光强将会出现极小值和极大值,相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即是半波电压。

理论分析:当晶体所加的电压为半波电压时,

相位相差Π,而偏转方向旋转了,起偏器和检偏器

2

的角度固定后,理论上两者的角度可以随意,但是为了测量方便,一般有两种关系:正交和平行。假设开始时两者正交,当电压为零时,通过检偏器的光

　　式中UΠ称为半波电压,是表征电光调制时电压对相位差影响大小的一个重要物理量。由(2)式可见,半波电压决定于入射光的波长Κ、晶体材料和它的几何尺寸。

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214光　　电　　子　　技　　术第27卷　

强最小,电压逐渐增大,相位差逐渐增大,即检偏器的输出光强也增大,当光强最大时,通过检偏器的

光偏振方向旋转了,则此时的电压就是半波电

2

压,即光强最大时的电压。反之,开始为两者平行时,半波电压为光强最小时的电压。

具体操作方法:按图2所示调节好器件,去除接

收孔的塑料盖,打开主控单元的晶体直流偏压电源开关,加在晶体上的电压从零开始,逐渐增大,加在晶体上的电压在电源面板上的数字表读出,每隔20V记录一次主控单元上面的光强值,数据如表1所示。输出的光强将会出现极小值和极大值,相邻极小值和极大值对应的直流电压之差即是半波电压。

表1　所加偏压与输出光强的对应表

Tab1　correspondingvalueloadingvoltageandoutputlightintensity

偏压U V光强T V偏压U V光强T V偏压U V光强T V

0011222021794404132

20011924031184603196

40013026031554803154

60014628041125003118

80016530041655202184

100018832041855402139

120111134051005601190

140114236051225801154

160117138051126001111

180210640051006200200214242041756400152

1.3　倍频调制法

值时,,出现相邻倍。

理论依据:采用横向电光调制时,输出的光强,外加电压为V=V02

+V1sinΞ1t,其中V0是支流电压,V1sinΞ1t为调制经推导可以得出I=I0sin2

信号,此时的相位差[3,4]为 =Π

sinΞ1t。VΠ

,把1,调,,当晶U1时,输出信号出现倍频失真,如图3(a)所示;再调节直流电压,当晶

当V0=0且V1νVΠ时,可以得到:

I=

I1-cosΠsinΞt≈2VΠ

I04VI08V2

sin2Ξt≈(1-cos2Ξt)

2

　　可以看出输出光强的频率变成了调制信号的两倍,即产生了“倍频失真”;

当V0=VΠ时,得到I=I0-I08VΠ

2

(1-

cos2Ξt),也产生了“倍频失真”;当V0取其它值时,

则不会产生倍频失真,由示波器观察调制波形和信号波形就可以确定半波电压

。

具体操作方法:把电源前面板上的调制信号“输出”接到二踪示波器的CH1上,把主控单元的调制信号接到示波器的CH2上,晶体上加上正弦

图3　倍频调制法的波形图(a)18V电压所对应的波形

图;(b)390V电压所对应的波形图

Fig.3　Oscillogramofthefrequencydoublingmodula2

tion(a)oscillogramofthe18V;(b)oscillo2gramofthe390V

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　第3期孙　鉴等:电光调制实验中半波电压的测量215

体上加的直流电压到另一值U2时,输出信号又出现倍频失真如下图3(b)所示,相继两次出现倍频失真时对应的直流电压之差U2-U1就是半波电压。

但是可以看出随着电压的变化输出和输入的具体关系。为了更准确,可以使测量间隔再小一些,或者直接找到光强最小和最大所对应的电压值。

倍频调制法测量值为372V,可见比上两种方法更精确。但调制法对调节的要求很高,很难调到最佳状态。如在一次变化过程中观察不到两次倍频失真,则需要调整光路重新测量。若所加的电压可以改变极性,可在出现倍频失真后改变电压的极性,再改变电压值观察倍频现象,两次出现倍频失真所对应的直流偏压之差是半波电压的两倍[4]。

2　结果讨论

光通信模拟法测量出的半波电压为352V,这是最简单的测量方法,但是由于感官判断误差,导致测量不精确,但是能够测量出半波电压的近似值,可以利用这一点来调整光路,从而节省时间。在测量过程中,当出现声音失真时,输出近似为一直线,波形图如图4(a)所示;此时如果把外调输入换成正弦波,就会发现此时输出和输入也是近似倍频的关系,但是存在误差,波形如图4(b)所示

。

3　应用研究

,还可以,,频率可达109Hz至1012Hz,Q激光器领域。

该开关的基本结构与电光调制的装置类似,如图1所示,根据晶体的性质,在两端加上相应的半波电压,使进入晶体的偏振光在经过晶体后改变了 2,正好与检偏器的通光方向一致,光波可以完全Π

通过,相当于开关接通状态;如果不加电压,从晶体中出射的光波偏振方向则与检偏器的通光方向垂直,光波完全被阻挡,相当于开关断开的状态。将该开关放置在激光器的谐振腔中,利用其开关状态控制强的损耗,进而控制其阈值电流,提高上能级的反转粒子数,在一定时刻降低阈值,产生振荡,克服了普通激光器的弛豫振荡,从而可以产生高峰值功率的脉冲。

参　考　文　献

[1]　马养武,王静环,包成芳,等.光电子学[M].第2版.杭州:浙

图4　光通信模拟法的波形图(a)声音信号的输入输

出波形图;(b)正弦信号的输入输出波形图

Fig.4　Oscillogramoftheopticalcommunicationstim2

ulant(a)I Ooscillogramofthesoundsignal;(b)I Ooscillogramofthesinsignal

江大学出版社,2002:209,2122217.

[2]　张季熊.光电子学教程[M].广州:华南理工大学出版社,

2001:2802282,2852287.

[3]　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.

[4]　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,2003,20(2):1022105.

极值法测出的半波电压约为360V,此法很难准确地确定U～T曲线上的极值,其误差也较大,