光子晶体的电光效应研究

铌酸锂 压电效应 在声光调制器中的应用

铌酸锂（LiNbO3）是一种具有极高的压电效应的晶体材料，因此在声光调制器中得到了广泛的应用。声光调制器是一种利用压电效应控制光的强度和相位的设备，其应用领域涵盖了通信、光谱分析、微波光子学等多个领域。本文将从声光调制器的原理、铌酸锂的压电效应和其在该器件中的应用等方面进行详细阐述。

首先，我们来了解一下声光调制器的原理。声光调制器是一种利用光的干涉原理实现控制光信号的设备。它主要由一个光束和一个超声波束相互作用的区域组成。当超声波通过铌酸锂晶体时，会导致晶体中的折射率发生周期性的变化，从而改变通过晶体的光波的相位和强度。通过控制超声波的频率和振幅，可以根据需要对光信号进行调制，从而实现对光信号的调控。

铌酸锂具有非常高的压电系数和良好的光学性质，因此成为了声光调制器中的理想材料。首先，铌酸锂的压电系数是非常高的，可以达到50 pm/V。这意味着在施加电场时，铌酸锂晶体会产生相应的形变，导致折射率的变化。其次，铌酸锂的光学性质也非常优异，具有高的透明度、低的色散和较高的光学非线性系数。这些特性使得铌酸锂成为了声光调制器中的重要材料。

在声光调制器中，铌酸锂通常被用作电光效应器件的工作物质。电光效应是指施加电场后，材料的折射率发生变化。铌酸锂晶体被制成薄片或光波导器件，并通过电极施加电场来实现折射率的控制。当光信号通过铌酸锂晶体时，其折射率会随着电场的变化而变化，从而改变光信号的相位和强度。利用这种原理，可以实现对光信号的调制和控制。

铌酸锂在声光调制器中的应用非常广泛，其中最常见的应用之一是光通信系统中的调制器。在光通信系统中，声光调制器用于调制光信号的强度和相位，实现光信号的传输和调控。通过控制电场的强度和频率，可以对光信号进行调制，从而实现数据传输和调制。此外，声光调制器还广泛应用于光谱分析仪器中，用于光谱的重构和调制。通过调整电场的强度和频率，可以对光谱信号进行调制和分析，实现光谱的重构和调控。

晶体的电光效应与光电调制

实验目的：

1) 研究铌酸锂晶体的横向电光效应，观察锥光干涉图样，测量半波电压；

2) 学习电光调制的原理和试验方法，掌握调试技能；

3) 了解利用电光调制模拟音频通信的一种实验方法。

实验仪器：

1) 晶体电光调制电源

2) 调制器

3) 接收放大器

实验原理简述：

某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将随着外加电场的变化而变化，这种现象称为光电效应。晶体外加电场后，如果折射率变化与外加电场的一次方成正比，则称为一次电光效应，如果折射率变化与外加电场的二次方成正比，则称为二次电光效应。晶体的一次光电效应分为纵向电光效应和横向电光效应

1、 电光调制原理

1) 横向光电调制

如图

入射光经过起偏器后变为振动方向平行于x轴的线偏振光，他在晶体感应轴x’,y’上的投影的振幅和相位均相等，分别设为

wtAexcos0' wtAeycos0'

用复振幅表示，将位于晶体表面（z=0）的光波表示为AEx)0(' AEy)0('

所以入射光的强度为 22'2'2)0()0(AEEEEIyxi•

当光通过长为l的电光晶体后，x’,y’两分量之间产生相位差 AlEx)(' iyAelE)('

通过检偏器出射的光，是这两个分量在y轴上的投影之和

1245cos)()('0iiyyeAelEE

其对应的输出光强It可写为 2sin2*2200AEEIyyt•

由以上可知光强透过率为2sin2itIIT

相位差的表达式 dlVrnlnnyx2230''22

当相位差为π时 ldrnVn22302

由以上各式可将透过率改写为 wtVVVVVTmsin2sin2sin022可以看出改变V0或Vm，输出特性将相应变化。

1) 改变直流电压对输出特性的影响

3-6 晶体的电光效应及其应用

实验目的和要求：

了解熟悉晶体的电光效应；理解晶体光学和物理光学中的相关知识；学会激光实验中

光路的调节和光学现象的观察；学会调节晶体的光轴；学会电光晶体半波电压的多种测量

方法。

教学内容：

1．KD*P晶体一次电光效应的观察和测量；测出KD*P晶体的半波电压和电光系数。

2．将电光晶体作为相位补偿器，测出云母片双折射样品的微小相位差和折射率差。

实验过程中可能涉及的问题 (有的问题可用于检查学生的预习情况，有的可放在实验室

说明牌上作提示，有的可在实验过程中予以引导，有的可安排为报告中要回答的问题，有

的可作为进一步探索的问题。不同的学生可有不同的要求。)

什么是电光效应？晶体的光学性质如何受晶体对称性的影响？电光晶体各主轴的定

义，性质和调节意义是什么？一次电光效应为什么只存在于没有对称中心的晶体中？电光

调制器的构成和作用是什么? 用补偿法测样品相位差的原理是什么，如何实现?

在KD*P晶体的纵向电光效应中，外加电场如何改变晶体的折射率？半波电压如何定

义？实验中采用三种方法测量晶体的半波电压，各有什么特点？半波电压测量中零点漂移

产生的原因是什么？此实验中晶体的半波电压受温度影响，测量中应记录温度的变化，有

什么方法可以减小温度的影响，制造出稳定的电光调制器？你可以想到利用电光效应于哪

些方面？

实验装置：He-Ne 激光器的工作和输出光特性，电光调制器的构成，高压电源和电压调节

器的使用，电光调值器输出光强的几种探测方式。强调使用高压和激光要注意安全！

实验的主要内容和问题

1． 调节KD*P晶体的光轴z轴与激光的传播方向一致。（为什么要作此调节？如何判

断？

此光学现象的物理内容是什么？）

2． 判断并调节电光调制器中两个偏振片的通光方向分别与电光晶体的主轴x, y 平行，同

时估测晶体的半波电压。（晶体上加半波电压，起偏片和检偏片互相成什么角度时，

电光调制器的输出光强最弱？）

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光子晶体的应用与研究

作者：陆清茹

来源：《电脑知识与技术》2011年第22期

摘要：光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。该文系统的阐述了光子晶体的产生、制备及应用。

关键词：光子晶体；光子频率禁带；激光全息；光子晶体激光器；微波天线

中图分类号：TN364 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)22-5468-02

进入20世纪后半叶以来，全球迎来了电子时代，电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域，尤其是促进了计算机和通讯行业的发展。但是进入21世纪以后，伴随着电子器件不断深入的小型化、低耗能、高速度，其进一步的提升也越来越困难。人们感到了电子器件发展的瓶颈，开始把目光转向了光子，有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想。电子器件的基础是电子在半导体中的运动，类似的，光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动。光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量损耗小、运行速度快，所以工作效率高。光子器件在高效率发光二极管、光子开关、光波导器件、光滤波器等方面都具备巨大的应用潜力。近年来，光子晶体相关的理论研究、实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展，光子晶体领域已经成为现在世界范围的研究热点。1999年12月17日，《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一。

1 光子晶体的由来

1987年S. John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念：光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。它是根据电子学上的概念类比得出的。我们知道，在固体物理学的研究中，晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用。在介电常数周期性分布的介质中的电磁波的一些频率是被禁止的，光子晶体也类似，通常这些被禁止的频率区间为光子带隙，也叫光子频率禁带，而将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子晶体。