晶體電光效應課件

1、晶體的電光效應電科091 孫秋梅 09461105實驗目的：（1）掌握晶體電光調制的原理和實驗方法。（2）學會測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實驗方法。（3）了解一種激光通信的方法。實驗原理：一、一次電光效應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。通常可將電場引起的折射率的變化用下式表示： n=n0+aE0+bE02+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，稱為一次電光效應，也稱線性電光效應或普克爾效應;由二次項bE02引起折射率變化的效應，稱為二次電光效應，也稱平方電光效應或克爾效應。一次電光效應只存在于不具有對稱中心的晶體中，二

2、次電光效應則可能存在于任何物質中，一次效應要比二次效應顯著。光在各向異性晶體中創(chuàng)博時，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。通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關系。在主軸坐標中，折射率橢球及其方程為： 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?yōu)椋?晶體的一次電光效應分為縱向電光效應和橫向電光效應兩種?？v向電光效應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生的電光效應。橫向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向垂直時產生的電光效應。二、電

3、光調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制，把完成這一過程的裝置稱為激光調制器。由已調制的激光輻射還原出所加載信息的過程稱為解調。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，稱為調制信號，被調制的載波稱為已調波或者調制光。按調制的性質而言，激光調制與無線電波調制相類似，可以采用連續(xù)的調幅、調頻、調相以及脈沖調制等形式，但激光調制多采用強度調制。強度調制是根據光載波電場振幅的平方比例于調制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調制信號的規(guī)律變化。激光調制之所以常采

4、用強度調制形式，主要是因為光接收器一半都是直接地響應其所接受的光強度變化的緣故。激光調制的方法很多，如機械調制、電光調制、聲光調制和電源調制等。其中電光調制器開關速度快、結構簡單。因此，在激光調制技術及混合型光學雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應用。電光調制根據所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調制和橫向電光調制。KDP晶體縱調制 設電光晶體是與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（如圖下圖所示），射出晶體后的偏振態(tài)由式表示：首先進行坐標變換，得到xy坐標系內瓊斯矩

5、陣的表達式：如果在輸出端放一個與y 平行的檢偏振器，就構成泡克耳斯盒。由檢偏器輸出的光波瓊斯矩陣為： 其中為兩個本征態(tài)通過厚度為L的電光介質獲得的相位差 由 上式表示輸出光波是沿y方向的線偏振光，其光強為上式說明光強受到外加電壓的調制，稱振幅調制，為光強的幅值，當 本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應，用鈮酸鋰晶體的橫向調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制器的工作點，觀察相應的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體橫調制縱調制器件的調制度近似為，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。這是縱調制的重要特性?？v調制器也有一些缺點

6、。首先，大部分重要的電光晶體的半波電壓都很高。由于與成正比，當光源波長較長時（例如10.6m），更高，使控制電路的成本大大增加，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，是采用橫調制。 電極D1、D2與光波傳播 方向平行。外加電場則 與光波傳播方向垂直。電光效應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 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

7、電路成本下降、而且有利于提高開關速度。鈮酸鋰晶體具有優(yōu)良的加工性能及很高的電光系數(shù)，r33=30.8*10-12m/V,常常用來做成橫制器。鈮酸鋰為單軸負晶體，有nx=ny=n0=2.297,nz=ne2.208令電場強度為 E=Ez，得到電場感生的法線橢球方程式：其中應注意在這一情況下電場感生坐標系和主軸坐標系一致，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制。設入射線偏振光沿xz的角平分線方向振動，兩個本征態(tài)x和z分量的折射率差為當晶體的厚度為L，則射出晶體后光波的兩個本征態(tài)的相位差為上式說明在橫調制情況下，相位差由兩部分構成：晶體的自然雙折射部分(式中第一項)及電光雙折射部

8、分（式中第二項）。通常使自然雙折射項等于/2的整倍數(shù)。橫調制器件的半波電壓為 我們用到關系式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。改變直流偏壓對輸出特性的影響 當U0= U/2,um U時，將工作點選定在線性工作區(qū)的中心處，可獲得較高效率的線性調制。 當Um U時，這時，調制器輸出的信號和調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，我們稱為線性調制。當U0=0, Um U時,調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。 上面分析說明電光調

9、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生固定的位相差，從而使正弦調制工作在光強調制曲線上的不同點。直流偏壓的作用可以用 波片來實現(xiàn)。在起偏器和檢偏器之間加入 片，調整 波片的快慢軸方向使之與晶體的x,y軸平行，即可保證電光調制器工作在線性調制狀態(tài)下，轉動波片可使電光晶體處于不同的工作點上。實驗器材電光調制電源組件，光接收放大器組件，He-Ne激光器組件，電光調制晶體組件，器偏起組件，檢偏器組件。實驗內容 測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即TU曲線），計算半波電壓U。 晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應的直流電壓之差即是半波電壓。加在晶體上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔5V增大一次，再讀出相應的光強值。 以T為縱坐標，U為橫坐標，畫TU關系曲線，確定半波電壓U的數(shù)值。觀察電光調制箱內置波形信號，以及解調信號。用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性。光通訊的演示。