晶體的電光調(diào)制實驗實驗講義晶體的電光調(diào)制實驗【實驗?zāi)康摹?、理解電光晶體的根本參數(shù)2、掌握測量電光晶體半波電壓和電光系數(shù)的根本方法3、掌握晶體電光調(diào)制在光通訊或光傳感方面的應(yīng)用【學(xué)史背景】當(dāng)給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時間〔可以跟上頻率為1010Hz的電場變化〕，可以在高速攝影中作快門或在光速測量中作光束斬波器等。在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速的開展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通訊、激光測距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。【實驗原理】1．一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆簄=n0+aE0+bE02+……〔1.1〕式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾〔Pokells〕效應(yīng)；由二次項bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾〔Kerr〕效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)那么可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程〔1.2〕圖1折射率球示意圖式中n1、n2、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成〔1.3〕晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P〔磷酸二氘鉀〕類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3〔鈮酸鋰〕類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。表1電光晶體(electro-opticcrystals)的特性參數(shù)點群對稱性晶體材料折射率波長()非零電光系數(shù)()3mLiNbO32.2972.2080.63332Quartz(SiO2)1.5441.5530.589KH2PO4(KDP)1.51151.46980.5461.50741.46690.633NH4H2PO4(ADP)1.52661.48080.5461.52201.47730.633KD2PO4(KD*P)1.50791.46830.546GaAs3.600.93.341.03.2010.6InP3.421.063.291.35ZnSe2.600.633-ZnS2.360.62．電光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射復(fù)原出所加載信息的過程那么稱為解調(diào)。因為激光實際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強度調(diào)制。強度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強度調(diào)制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應(yīng)其所接受的光強度變化的緣故。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。下面我們來具體介紹一下這兩種調(diào)制原理和典型的調(diào)制器。2.1KDP晶體縱調(diào)制設(shè)電光晶體是與xy平行的晶片，沿z方向的厚度為L，在z方向加電壓〔縱調(diào)制〕，在輸入端放一個與x方向平行的起偏振器，入射光波沿z方向傳播，且沿x方向偏振，射入晶體后，它分解成方向的偏振光〔圖2.1〕，射出晶體后的偏振態(tài)表示：首先進行坐標(biāo)變換，得到xy坐標(biāo)系內(nèi)瓊斯矩陣的表達式〔參見第一章附錄〕：如果在輸出端放一個與y平行的檢偏振器，就構(gòu)成泡克耳斯盒.由檢偏器輸出的光波瓊斯矩陣為：，〔2.1〕其中為兩個本征態(tài)通過厚度為L的電光介質(zhì)獲得的相位差，由上節(jié)〔27〕給出：?！?〕式表示輸出光波是沿y方向的線偏振光，其光強為?！?.2〕上式說明光強受到外加電壓的調(diào)制，稱振幅調(diào)制，I0為光強的幅值，當(dāng)從上式可以看出，如果V=0可以看出透射光強有Imin，如果V=Vπ可以得到Imax，那么可以根據(jù)這樣關(guān)系定半波電壓。在真正實驗中出現(xiàn)Imin時電壓并一定等于0，如果要計算半波電壓只需尋找Imax和Imin對應(yīng)的電壓值相減即可。圖2.2為泡克耳斯盒〔振幅型縱調(diào)制系統(tǒng)〕示意圖，z-切割的KD*P晶體兩端膠合上透明電極ITO1、ITO2，電壓通過透明電極加到晶體上去.在玻璃基底上蒸鍍透明導(dǎo)電膜，就構(gòu)成透明電極，膜層材料為錫、銦的氧化物，膜層厚度從幾十微米到幾百微米，其透明度高〔>80%~90%〕，膜層的面電阻小(幾十歐姆)。在通光孔徑外鍍鉻，再鍍金或銅即可將電極引線焊上。KD*P調(diào)制器前后為一對互相正交的起偏振鏡P與檢偏振鏡〔分析鏡〕A，P的透過率極大方向沿KD*P感生主軸、的角平分線。在KD*P和A之間通常還加相位延遲片Q〔即四分之一波片〕，其快、慢軸方向分別與、相同。PQITOPQITO1ITO2A圖2.2泡克耳斯盒P，起偏振器；Q，四分之一波片；A，檢偏振器；ITO，透明電極KD*P電極引線絕緣環(huán)由于入射光波預(yù)先通過四分之一波片移相，因而有 (2.3) 加上預(yù)置的相位后，工作點移到調(diào)制曲線的中點附近，使線性大大改善。泡克耳斯盒的特性曲線見圖2.3.其輸出隨著外電壓的加大而加大，說明有更多的能量從x-偏振態(tài)轉(zhuǎn)移到y(tǒng)-偏振態(tài)中去.如果在電極間加交變電壓，(2.4)那么，(2.5)式中為2k+1階貝塞爾函數(shù)，.(2.6).當(dāng)不大時〔即調(diào)制電壓幅度較低時〕，〔2.5〕式近似表為，(2.7)可見系統(tǒng)的輸出光波的幅度也是正弦變化，稱正弦振幅調(diào)制。圖2.3圖2.3線性電光效應(yīng)振幅調(diào)制器的特性曲線圖2.3表示振幅型電光調(diào)制器(amplitudeelectro-opticmodulator)的特性曲線。圖中為輸入光信號的功率，為輸出光信號的功率，/即器件的透過率。為調(diào)制電壓?？梢钥闯?/4波片的作用相當(dāng)于工作點偏置到特性曲線中部線性局部，在這一點進行調(diào)制效率最高，波形失真小。如不用波片〔=0〕，輸出信號中只存在二次諧波分量。對于He-Ne激光，KDP的半波電壓為〔2.8〕如果用KD*P〔磷酸二氘鉀〕，，調(diào)制電壓仍相當(dāng)高，給電路的制造帶來不便。常常用環(huán)狀金屬電極代替透明電極，但電場方向在晶體中不一致，使透過調(diào)制器的光波的消光比下降。2.2鈮酸鋰晶體橫調(diào)制(transversemodulation)(2.7)式說明縱調(diào)制器件的調(diào)制度近似為，與外加電壓振幅成正比，而與光波在晶體中傳播的距離〔即晶體沿光軸z的厚度L，又稱作用距離〕無關(guān)。這是縱調(diào)制的重要特性?？v調(diào)制器也有一些缺點。首先，大局部重要的電光晶體的半波電壓都很高。由于與成正比，當(dāng)光源波長較長時〔例如10.6μm〕，更高，使控制電路的本錢大大增加，電路體積和重量都很大。其次，為了沿光軸加電場，必須使用透明電極，或帶中心孔的環(huán)形金屬電極。前者制作困難，插入損耗較大；后者引起晶體中電場不均勻。解決上述問題的方案之一，是采用橫調(diào)制。圖2.4為橫調(diào)制器示意圖。電極D1、D2與光波傳播方向平行。外加電場那么與光波傳播方向垂直。晶體光波傳播方向晶體光波傳播方向外電場(強度為外電場(強度為E)圖2.4橫調(diào)制；圖2.4橫調(diào)制；電極為D1、D2 我們已經(jīng)知道，電光效應(yīng)引起的相位差正比于電場強度E和作用距離L(即晶體沿光軸z的厚度)的乘積EL、E正比于電壓V，反比于電極間距離d，因此(2.8)對一定的，外加電壓V與晶體長寬比L/d成反比，加大L/d可使得V下降。電壓V下降不僅使控制電路本錢下降、而且有利于提高開關(guān)速度。鈮酸鋰晶體具有優(yōu)良的加工性能及很高的電光系數(shù)，，常常用來做成橫調(diào)制器。鈮酸鋰為單軸負晶體，有。令電場強度為，得到電場感生的法線橢球方程式：〔2.9〕或?qū)懽鳎骸?.10〕其中，〔2.11〕?！?.12〕應(yīng)注意在這一情況下電場感生坐標(biāo)系和主軸坐標(biāo)系一致，仍然為單軸晶體，但尋常光和非常光的折射率都受到外電場的調(diào)制。設(shè)入射線偏振光沿xz的角平分線方向振動，兩個本征態(tài)x和z分量的折射率差為?！?.13〕當(dāng)晶體的厚度為L，那么射出晶體后光波的兩個本征態(tài)的相位差為，〔2.14〕上式說明在橫調(diào)制情況下，相位差由兩局部構(gòu)成：晶體的自然雙折射局部(式中第一項)及電光雙折射局部〔式中第二項〕。通常使自然雙折射項等于π/2的整倍數(shù)。 橫調(diào)制器件的半波電壓為，(2.15)我們用到關(guān)系式E=V/d。由上式可知半波電壓與晶體長寬比L/d成反比。因而可以通過加大器件的長寬比L/d來減小。橫調(diào)制器的電極不在光路中，工藝上比擬容易解決。橫調(diào)制的主要缺點在于它對波長很敏感，稍有變化，自然雙折射引起的相位差即發(fā)生顯著的變化。當(dāng)波長確定時〔例如使用激光〕，這一項又強烈地依賴于作用距離L。加工誤差、裝調(diào)誤差引起的光波方向的稍許變化都會引起相位差的明顯改變，因此通常只用于準(zhǔn)直的激光束中。或用一對晶體，第一塊晶體的x軸與第二塊晶體的z軸相對，使晶體的自然雙折射局部(14式中第一項)相互補償，以消除或降低器件對溫度、入射方向的敏感性。有時也用巴比涅－索勒爾〔Babinet-Soleil〕補償器，將工作點偏置到特性曲線的線性局部。迄今為止，我們所討論的調(diào)制模式均為振幅調(diào)制，其物理實質(zhì)在于：輸入的線偏振光在調(diào)制晶體中分解為一對偏振方位正交的本征態(tài)，在晶體中傳播過一段距離后獲得相位差，為外加電壓的函數(shù)。在輸出的偏振元件透光軸上這一對正交偏振分量重新疊加，輸出光的振幅被外加電壓所調(diào)制，這是典型的偏振光干預(yù)效應(yīng)。2.3改變直流偏壓對輸出特性的影響①當(dāng)、Um<<時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3〔a〕所示，此時，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入式，得(2.16)由于Um<<時即T∝sinωt(2.17)這時，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。②當(dāng)、Um<<時，如圖3〔b〕所示，把代入〔18〕式即T∝cos2ωt〔2.18〕從上式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。假設(shè)把代入〔18〕式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得〔2.19〕即T∝cos2ωt，輸出信號仍是“倍頻”失真的信號。(a)(b)圖3③直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時，由于工作點不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。④當(dāng)，Um>時，調(diào)制器的工作點雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求。因此，工作點雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。鈮酸鋰晶體的透過率是指調(diào)制器的輸出光與輸入光之比稱為透過率。即對于線性調(diào)制器，要求信號不失真，調(diào)制器的透過率與調(diào)制電壓應(yīng)有良好的線性關(guān)系。在附近近似是一條直線，所以靜態(tài)工作點一般選在處。2.4用λ/4波片進行光學(xué)調(diào)制上面分析說明電光調(diào)制器中直流偏壓的作用主要是在使晶體中x`,y`兩偏振方向的光之間產(chǎn)生固定的位相差，從而使正弦調(diào)制工作在光強調(diào)制曲線上的不同點。直流偏壓的作用可以用λ/4波片來實現(xiàn)。在起偏器和檢偏器之間參加λ/4片，調(diào)整λ/4波片的快慢軸方向使之與晶體的x`,y`軸平行，即可保證電光調(diào)制器工作在線性調(diào)制狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動波片可使電光晶體處于不同的工作點上。2.5鈮酸鋰晶體的會聚偏振光干預(yù)會聚偏振光干預(yù)又叫錐光干預(yù)，是一種會聚偏振光的干預(yù)，其嚴格的是實驗裝置如圖5。P1和P2是正交的偏振片；L1是透鏡，用來產(chǎn)生會聚光；N是均勻厚度的晶體。對于本實驗中的鈮酸鋰晶體，不加電壓時為單軸晶體，光軸沿平行于激光束的方向。由于對晶體而言不是平行光的入射，不同傾角的光線將發(fā)生雙折射〔如圖4〕，而O光和e光的振動方向在不同的入射點也不同。離開晶體時，兩條光線平行出射，它們沿P2方向振動的分量將在無窮遠處會聚而發(fā)生干預(yù)。其光程差由晶體的厚度h、o光和e光的折射率之差以及入射的傾角決定。不難想見，相同的光線將形成類似等傾干預(yù)的同心圓環(huán)〔如圖5〕。越大，也越大，明暗相間的圓環(huán)間隔就越小。必須指出，會聚偏振光干預(yù)的明暗分布不僅與光程差有光，還與參與疊加的o光和e光的振幅比有關(guān)。其中形成中央十字線的是來自沿X和Y平面進入晶體的光線，這些光線在進入晶體后或者有o光，或者只有e光，而且它們由晶體出射或都不能通過偏振片P2，形成了正交的黑色十字，而且黑十字的兩側(cè)也由內(nèi)向外逐漸擴展。圖4錐光干預(yù)原理示意圖圖5錐光干預(yù)圖案2.6交變調(diào)制信號在特殊角度下的“倍頻”現(xiàn)象如果電光調(diào)制電源在不輸出直流電壓的情況下單純采用了一個正弦調(diào)制信號，即，那么原來單軸晶體在電壓作用下產(chǎn)生的感生軸如圖2.1所示。如果此時起偏器P沿x方向透振，檢偏器A沿y方向透振，電光調(diào)制晶體的感生主軸方向和x軸成45°角，那么輸出光波的光強為： 式中為常數(shù)，為階貝塞爾函數(shù)。上式說明輸出的交變信號為二次頻率信號，沒有基頻。這是系統(tǒng)零點的特征。 調(diào)制電壓、晶體的相位差、輸出光強的關(guān)系如圖6所示。圖6調(diào)制電壓、晶體的相位差、輸出光強的關(guān)系此時在直流偏置V=0，在交變調(diào)制信號不變〔交變調(diào)制信號強度較小〕的情況下，逐漸增加直流偏置信號，直到V=Vπ時，第二次獲得“倍頻”信號，那么可以根據(jù)這個方法測量電光晶體的半波電壓?！緦嶒瀮?nèi)容】鈮酸鋰晶體的會聚偏振光干預(yù)現(xiàn)象以及系統(tǒng)的正交調(diào)節(jié)(1)利用簡單的方法，區(qū)分λ/4片和偏振片(2)使整個光路根本處于一條直線，即保證光束通過各小孔,激光束同軸等高。〔3〕按照圖7搭建光路，將起偏器與檢偏器調(diào)節(jié)成相互垂直〔即偏振方向相互正交〕，此時光點消失，即消光狀態(tài)。〔4〕將鈮酸鋰晶體放在起偏器于檢偏器之間〔不加電壓〕，調(diào)解晶體支架，使晶體光軸即Z 軸與激光束平行。判斷是否平行的方法：方一、將像屏放在檢偏器之后，如果能觀察到由于錐光干預(yù)產(chǎn)生的十字陰影，且激光束大致處在正中心時，微調(diào)光路，直至看見清晰的干預(yù)圖樣〔如圖5〕。從干預(yù)圖樣中可以看到兩條正交的黑色十字線，這就是起偏和檢偏的方向。方法二、觀察晶體前后外表查看光束是否在晶體中心，假設(shè)沒有，細調(diào)晶體的二維調(diào)整架即可?！?〕增大加在晶體量極的直流電壓，晶體在電壓的作用下會成為雙軸晶體，此時觀察干預(yù)圖樣的變化，體會變化的原因?！?〕為了后續(xù)實驗的需求，需要起偏和檢偏的兩個方向為水平和豎直方向，轉(zhuǎn)動起偏器和檢偏器直至看到水平和豎直方向正交的黑色十字為止。將起偏器和檢偏器鎖緊。圖7錐光干預(yù)光路圖測量鈮酸鋰晶體的主要參數(shù)圖8透過率法測量晶體的半波電壓光路圖9調(diào)制法測量半波電壓光路圖1〕透過率法測量鈮酸鋰的半波電壓〔1〕按照圖8搭建光路，將圖6中的觀察屏換成功率計，讓光斑打在探測器靶面中心。〔2〕按照圖8搭建光路。先將功率計探頭放在激光器出光口附近測量功率值Po，在將功率計探頭放在檢偏器后測量功率值P1，那么，調(diào)制器〔包括起偏器、檢偏器和鈮酸鋰晶體〕的透過率T=Po/P1x100%?！?〕不加正弦電壓Um，以50V的步進增加直流電壓Uc〔即電源箱上標(biāo)注“偏置”的旋鈕〕，記錄從檢偏器輸出的光功率P1的每一個值，填入表格1，計算電光調(diào)制器的透過率T，并描繪T-Uc曲線。表1透過率測量PUc050100……9009501000PoP1〔3〕在描繪的透過率曲線上找到透過率的極大值和極小值，并記錄這兩的極值點所對應(yīng)的電壓值Uc1和Uc2。然后分別在在Uc1和Uc2附近緩慢改變直流電壓，直至精確的找到兩個極值點所對應(yīng)的兩個電壓值，并作差，所得即為極值法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓Vπ。2〕調(diào)制法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓〔1〕按照圖9搭建光路，將圖8中的功率計更換成探測器，翻開探測器的開關(guān)，并連接示波器?！?〕將電源的的直流電壓調(diào)至0，將信號輸出選擇正弦，頻率調(diào)節(jié)至2KHz左右。調(diào)節(jié)探測器使示波器的波形最正確〔如圖9-a〕。