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引言 當給晶體或液體加上電場后，該晶體或液體的折射率發生變化，這種現象稱為電光效應。電光效應在工程技術和科學研究中有許多重要應用，它有很短的響應時間，可以在高速攝影中用做快門或在光速測量中用做光束斬波器等。在激光出現以后，電光效應的研究和應用得到迅速發展，電光器件被廣泛應用在激光通信、激光測距、激光顯示和光學數據處理等方面。本文提出的電光調制系統就是基于晶體的電光效應驗證電光調制原理。 1 電光調制原理 電光調制是利用某些晶體材料在外加電場作用下折射率發生變化的電光效應而進行工作的。根據加在晶體上電場的方向與光束在晶體中傳播的方向不同，可分為縱向調制和橫向調制。電場方向與光的傳播方向平行，稱為縱向電光調制；電場方向與光的傳播方向垂直，稱為橫向電光調制。橫向電光調制的優點是半波電壓低、驅動功率小，應用較為廣泛。本電光調制系統是以鈮酸鋰晶體的橫向調制為例。圖1是一種橫向電光調制的示意圖。 沿z方向加電場，通光方向沿感應主軸y′方向，經起偏器后光的振動方向與z軸的夾角為45°。光進入晶體后，將分解為沿x′和z方向振動的兩個分量，兩者之間的折射率之差為 由式(1)可以看出，只要晶體和通光波長λ確定之后，相位差△φ的大小取決于外加電壓V，改變外加電壓V就能使相位差△φ隨電壓V成比例變化。通常使用的電光晶體的主要特性之一是采用半波電壓米表征(當兩光波間的相位差△φ為π弧度時所需要的外加電壓稱為半波電壓)。 2 電光調制系統總體設計 基于電光調制原理設計出此電光調制系統，用以研究電場和光場相互作用的物理過程，也適用于光通信與物理的實驗研究。電光調制系統結構見圖2。 2.1 工作原理 激光器電源供給激光器正常工作的電壓，確保激光器穩定工作。由激光器產生的激光經起偏器后成線偏振光。線偏振光通過電光晶體的同時，給電光晶體外加一個電壓，此電壓就是需要調制的信號。當給電光晶體加上電壓后，晶體的折射率及其光學性能發生變化，改變了光波的偏振狀態，線偏振光變成了橢圓偏振光。為了選擇合適的調制工作點，在電光晶體之后插入一個λ／4波片，使通過電光晶體的兩束光線的相位延遲π／2，使調制器工作在線性部分，通過檢偏器檢測輸出光的偏振方向，最后用光電探測器檢測調制后的光信號，并將其轉換為電信號用示波器觀察。 2.2 激光器和激光器電源 此系統中，激光器使用氦氖激光器。氦氖激光管是一種特殊的氣體放電光源，與其他光源相比，它具有極好的單色性、高度的相干性和很強的方向性(發散角很小)，激光器電源首先將220 V輸入電壓通過變壓器升到1 000 V，再將該電壓通過倍壓電路提升到約5 000 V，然后通過限流電阻直接給激光管供電。當電源開關剛打開時，激光管中氣體還沒有電離，內阻相當于無窮大，此時電源輸出約5 000 V高壓，這就是激光管的點火電壓，使得激光管中的氣體電離，激光管開始工作，這時激光管的電阻將會大大下降。也就是說，負載電流上升，激光器的電源輸出電壓也會下降。 2.3 鋰酸鈮電光晶體 鈮酸鋰晶體具有優良的壓電、電光、聲光、非線性等性能。本系統中采用LN電光晶體。LN晶體是三方晶體，n1=n2=no，n3=ne。 沒有加電場之前，LN的折射率橢球為： 本系統中采用y軸通光、z軸加電場，也就是說，E1=E2=0，E3=E。那么，加上電場后折射率橢球為： 式(4)表明，LN晶體沿z軸方向加電場后，可以產生橫向電光效應，但是不能產生縱向電光效應。 經過晶體后，o光和e光產生的相位差為： 2.4 信號源 信號源系統結構如圖3所示。信號源是為了給電光晶體提供調制電壓以及使系統能夠接入音頻信號。電源部分可以同時輸出幾路直流穩壓電源給信號源的各個模塊同時供電；信號發生模塊產生頻率和幅度都連續可調的正弦波與方波；功率放大模塊將輸入的正弦波與方波以及音頻信號放大到幾十伏，然后加到電光晶體上調制通過電光晶體的激光；解調模塊對從探測器輸入的微弱信號進行解調放大，對輸入的微弱音頻信號驅動放大后通過音箱把聲音放出來；偏置高壓模塊產生幅度連續可調的直流高壓，以代替λ／4波片作為調制晶體的半波電壓。 3 電光調制在光通信中的應用 本系統是用光波傳遞聲音信息，由激光器產生的激光經起偏器后成為線偏振光，再經過λ／4波片變成圓偏振光，使得2個偏振分量(o光和e光)在進入電光晶體之前產生π／2的相位差，使調制器工作在近似線性區域。在激光通過電光晶體的同時，給電光晶體加一個外加電壓，此電壓是需要傳輸的聲音信號。當給電光晶體加上電壓后，晶體的折射率及其他光學性能發生變化，改變了光波的偏振狀態，因此，圓偏振光變成橢圓偏振光，再經檢偏器又成為線偏振光，光強被調制。此時的光波載有聲音信息并在自由空間傳播，在接收地用光電探測器接收被調制的光信號，然后進行電路轉換，將光信號轉換成電信號，用解調器將聲音信號還原，最終完成聲音信號的光傳輸。外加電壓為被傳輸的聲音信號，此信號可以是收錄機的輸出或磁帶機輸出，實際上就是一個隨時間變化的電壓信號。 4 結束語 通過以上電光調制系統驗證電光調制技術進行激光通信是可行的，而且此種通信方法傳輸速度快，抗干擾能力強，保密性好，結構簡單，成本低廉，易于實現。 |
