第一章 电光调制与声光调制

实验一电光调制一、实验目的：1.了解电光调制的工作原理及相关特性；2.掌握电光晶体性能参数的测量方法；二、实验原理简介：某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。

电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。

利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。

利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。

泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，图1是几种电光调制器的基本结构形式。

图1：几种电光调制器的基本结构形式a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。

通过克尔盒时不改变振动方向。

到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。

），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。

这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。

所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。

Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。

对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。

由此即实现了对光的调制。

泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。

因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。

光电⼦技术复习第⼀章1、光电⼦技术的定义光电⼦技术是光学技术与电⼦技术结合的产物，是电⼦技术在光频波段的延续和发展。

是研究光（特别是相⼲光）的产⽣、传输、控制和探测的科学技术。

2、电磁波的性质1.电磁波的电场和磁场都垂直于博得传播⽅向，三者相互垂直，电磁波是横波，和传播⽅向构成右⼿螺旋关系。

2.沿给定⽅向传播的电磁波，电场和磁场分别在各⾃平⾯内振动，称为偏振。

3.空间个点磁场电场都做周期性变化，相位同时达到最⼤或最⼩。

4.任意时刻，在空间任意⼀点，H E µε=5.电磁波真空中传播速度为001µε=c ，介质中的为εµ1=v3、⾊温的概念规定两波长处具有与热辐射光源的辐射⽐率相同的⿊体的温度。

4、辐射度学与光度学的基本物理量作业：1、2第⼆章⼀、光波在⼤⽓中的传播1、光波在⼤⽓中传播时，引起的光束能量衰减和光波的振幅和相位起伏因素光波在⼤⽓中传播时，⼤⽓⽓体分⼦及⽓溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空⽓折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏2、⼤⽓分⼦散射的定义、特点；瑞利散射的定义和特点定义：当光线穿过地球周围的⼤⽓时，它的⼀些能量向四⾯⼋⽅反射。

特点：波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。

瑞利散射定义：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远⼤于分⼦的线度，这⼀条件下的散射为瑞利散射。

瑞利散射特点：波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。

所以天空呈蓝⾊。

3、⼤⽓⽓溶胶的定义、瑞利散射、⽶-德拜散射；⼤⽓⽓溶胶：⼤⽓中有⼤量的粒度在0.03 µm到2000 µm之间的固态和液态微粒，它们⼤致是尘埃、烟粒、微⽔滴、盐粒以及有机微⽣物等。

由这些微粒在⼤⽓中的悬浮呈胶溶状态，所以通常⼜称为⼤⽓⽓溶胶。

瑞利散射：散射粒⼦的尺⼨远⼩于光波长时，散射光强。

⽶德拜散射：散射粒⼦的尺⼨⼤于等于光波长时，散射光强对波长的依赖性不强。

⼆、光波在电光晶体中的传播1、电光效应的定义及分类电光效应：在外电场作⽤下，晶体的折射率发⽣变化的现象。

电光调制实验一 实验原理电光调制实验仪作为高等院校新一代的物理实验仪器，在基础物理实验和相关专业的实验中用以研究电场和光场相互作用的物理过程，也适用于光通讯与光信息处理的实验研究。

电光调制器的调制信号频率可达 Hz 量级，因而在激光通讯、激光显示等领域中有广泛的应用。

（一）电光调制原理某些晶体在外加电场的作用下，其折射率随外加电场的改变而发生变化的现象称为电光效应，利用这一效应可以对透过介质的光束进行幅度,相位或频率的调制，构成电光调制器。

电光效应分为两种类型：（1）一级电光（泡克尔斯—Pockels ）效应，介质折射率变化正比于电场强度。

（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。

本实验仪使用铌酸锂（LiNbO 3）晶体作电光介质，组成横向调制（外加电场与光传播方向垂直）的一级电光效应。

图1 横向电光效应示意图如图1所示，入射光方向平行于晶体光轴（Z 轴方向），在平行于X 轴的外加电场（E ）作用下，晶体的主轴X 轴和Y 轴绕Z 轴旋转45°，形成新的主轴X ’轴—Y ’轴（Z 轴不变），它们的感生折射率差为Δn ，并正比于所施加的电场强度E ：rE n n 30=∆式中r 为与晶体结构及温度有关的参量，称为电光系数。

n 0为晶体对寻常光的折射率。

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10910~10１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δ，它是外加电场E 的函数： U d l r n rE n nl ⎪⎭⎫ ⎝⎛==∆=3030222λπλπλπδ (1) 式中λ为入射光波的波长；同时为测量方便起见，电场强度用晶体两极面间的电压来表示，即U=Ed 。

当相差πδ=时，所加电压l d r n U U 302λπ== (2) πU 称为半波电压，它是一个可用以表征电光调制时电压对相差影响大小的重要物理量。

光纤通信系统中常用的调制方法一．光纤通信概况1.发展1966年，美籍华人高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。

1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB ／km的光纤，光纤通信时代由此开始。

由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。

光纤通信系统的传输容量从1980年到2000年增加了近一万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。

2.基本组成光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。

最基本的光纤通信系统由光发射机、光纤线路和光接收机组成，具体如下图所示二．光调制与解调1.基本概念类似于电通信中对高频载波的调制与解调，在光通信中叶对光信号进行调制与解调。

不管是模拟系统还是数字系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。

光载波经过光纤线路传输到接收端，再由接收机通过解调把光信号转换为电信号。

2.常用的调制方式根据调制和光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两类。

直接调制方法是把要传送的信息转变为电信号注入LD或LED，从而获得相应的光信号，是采用电源调制的方法。

间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，有电光调制、磁光调制、声光调制、电吸收效应和共振吸收效应等。

本文将详细介绍现在常用的是电光调制和声光调制两种。

三、调制方式的详细介绍1.直接调制（1）调制原理直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。

传统的 PDH 和 2.5Gbit/s 速率以下的 SDH 系统使用的 LED 或 LD 光源基本上采用的都是这种调制方式。

(2)优缺点a.优点：结构简单、损耗小、成本低。

物理光学实验报告学院：信息和通信工程学院班级：学号：姓名：日期：2012年5月3日实验一声光调制器一、实验目的1、掌握声光调制器的工作原理和使用方法。

2、巩固书上所学的关于声光调制器的使用原理、范围。

二、实验仪器1、声光调制器实验仪1台2、半导体激光器或He-Ne激光器1台35V、24V直流电源各1台4 单踪5MHz 示波器 1台三、实验原理和电路说明声光调制器实验仪由线性声光调制器及驱动电源两部分组成。

驱动电源产生150MHZ 频率的射频功率信号加入线性声光调制器，压电换能器将射频功率信号转变为超声信号，当激光束以布拉格角度通过时，由于声光互作用效应，激光束发生衍射（如图1所示）。

外加文字和图像信号以0.5~~5.5V 电平输入驱动电源的调制接口“输入”端，衍射光光强将随此信号变化，从而达到控制激光输出特性的目的，如图2所示。

线性声光调制器由声光介质（钼酸铅晶体）和压电换能器（铌酸锂晶体）、阻抗匹配网络组成。

声光介质两通光面镀有0.6328 um （或者其他）光波长的光学增透膜。

整个器件由铝制外壳安装。

驱动电源由振荡器、转换电路、锯齿波电路、线形电压放大电路、功率放大电路组成。

驱动电源的工作电压:±15V (黑正、白负、包线为地，注意！！) ; 外输入调制信号由“输入”端输入 (控制开关拨向“ 调制 ” ) ，直流工作电压范围为：0.5~~5.5V ; 衍射效率大小由工作电压大小决定。

“ 输出端 ” 输出驱动功率,用高频电缆线和声光器件相联后， 驱动电源的输入电源才接通±15V 电源。

驱动电源的外形图，如图4所示。

图1 布拉格衍射原理图图2 衍射光光强将随此信号变化情况 五、实验内容和步骤1、显示声光调制波形，观察声光调制偏转现象2、测试声光调制幅度特性3、显示入射光和衍射光的能量分布4、测试声光频率偏转特性5、测试声光调制衍射效率、带宽等参数 θ 驱动电源θ θ 入射光 压电换能器 一级衍射光 零级光6、测量超声波在介质中的声速7、模拟声光调制的光通讯实验研究和演示五、实验报告1、整理实验数据，画出相应的数据表格和波形图。

一、实验目的1. 理解电光调制和声光调制的原理及基本过程。

2. 掌握电光调制器和声光调制器的实验操作方法。

3. 分析实验数据，验证电光调制和声光调制的基本特性。

二、实验原理1. 电光调制原理电光调制是利用电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，从而改变光波的传输特性。

电光调制器主要由调制晶体、电极、光源和探测器组成。

当电场施加在调制晶体上时，光波的强度、相位或偏振状态会发生变化，从而实现对光信号的调制。

2. 声光调制原理声光调制是利用声光效应，即光波在介质中传播时，被超声波场衍射或散射的现象。

声光调制器主要由声光介质、电声换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组成。

当超声波在介质中传播时，会引起介质的弹性应变，从而形成折射率光栅，使光波发生衍射现象。

通过控制超声波的强度、频率和相位，可以实现对光信号的调制。

三、实验仪器与装置1. 电光调制实验实验仪器：电光调制器、光源、探测器、示波器、信号发生器、直流电源等。

实验装置：将光源发出的光束通过调制晶体，然后经探测器接收，通过示波器观察调制后的光信号。

2. 声光调制实验实验仪器：声光调制器、光源、探测器、示波器、信号发生器、超声波发生器等。

实验装置：将光源发出的光束通过声光介质，然后经探测器接收，通过示波器观察调制后的光信号。

四、实验步骤1. 电光调制实验（1）将光源发出的光束通过调制晶体，调节直流电源，使电场施加在调制晶体上。

（2）观察示波器上的光信号，记录调制后的光信号波形。

（3）改变调制信号频率和幅度，观察调制效果。

2. 声光调制实验（1）将光源发出的光束通过声光介质，调节超声波发生器，产生超声波。

（2）观察示波器上的光信号，记录调制后的光信号波形。

（3）改变超声波频率和强度，观察调制效果。

五、实验数据与分析1. 电光调制实验（1）记录调制后的光信号波形，分析调制频率、幅度与调制效果的关系。

（2）分析电光调制器的调制带宽、调制深度等特性。

电光调制电光调制四电光调制与光信模拟实验袁礼⽂10329073 光信02班C2组2013-03-13&20 ⼀、实验⽬的通过实验操作以及数据进⾏分析,学习并掌握电光调制、声光调制、磁光调制的机制及运⽤，在此基础上进⼀步了解光通信系统的结构。

⼆、实验仪器晶体电光调制电源，铌酸锂（LiNbO3），He-Ne 激光器及可调电源，可旋转偏振⽚，格兰棱镜，光接收器，有源⾳响图三、实验原理1、电光调制的物理机制电光调制的物理基础是电光效应，⽬前已发现有两种电光效应，⼀种是泡克⽿斯（Pockels）效应，即折射率的变化量与外加电场强度的⼆次⽅成正⽐。

另⼀种是克尔效应，即折射率的变化量与外加电场强度的⼆次⽅成⽐例。

利⽤克尔效应制成的调制器称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。

利⽤泡克⽿斯制成的调制器称为泡克⽿斯盒，其中的光学介质为⾮中⼼对称的压电晶体。

泡克⽿斯盒⼜有纵向调制器和横向调制器两种。

现以实验中使⽤的电光晶体DKDP （磷酸⼆氘钾）横向调制为例阐述电光调制的简单机理。

图2 电光调制器原理图原理图如上图所⽰，晶体位于两个正交的偏振器之间，起偏器 P 1的偏振⽅向平⾏于电光晶体的 Y 轴，光没晶体⼊射光的 X 轴⽅向加上电场后，它们将旋转 45°变成感应轴X ’、Y ’。

现在对晶体内部的偏振光传播进⾏讨论。

DKDP是负单轴晶体，它的折射率椭球⽅程为：2221o o e x y z I I I ++=（1）其中 x 为光轴⽅向，在平⾏于光轴的⽅向加上电压后，折射率椭球⽅程变为：2226321z o o e x y z E xy I II γ+++=（2）对上式进⾏坐标系的变换，消除式中的交叉项：()()'cos 45'sin 45''/2'sin 45'sin 45''/2'x x y x y y x y x y z z ?=-=-??=+=+??=??o o o o（3）可推导出加了电场后，折射率椭球⽅程为：2222221'''x y z x y z n n n ++=（4）介电主轴的折射率变为：（5）沿 Z 轴⼊射的光束经起偏器变为平⾏于 X轴的线偏振光，进⼊晶体后（在 Z ＝0处），被分解成沿 OX ’、OY ’⽅向的两个分量，其振幅和相伴都相等，⽤复数表⽰为E X’(0)=A, E Y’(0)=A，⼊射光强度为（6）当光通过长度为L 的晶体后，由于电光效应，E X’、E Y’之间就产⽣⼀个相位差δ，从⽽有：（7）光从晶体出射后，通过检偏器后的光是晶体中的光的两分量在Y 轴上的投影之和，即：（8）从⽽对应的输出光的强度为：（9）其中，, 从⽽可知调制器的透过率为：（10）当从晶体出射的光的两个分量的相位差为δπ=时，外电场所加的电压为半波电压，可求得此时的电压为：（11）从⽽可知透过率可表⽰为：（12）当加在晶体上的直流电压为U 0，同时加在晶体上的交流调制信号是sin m U t ω其中Um 是其振幅，ω是调制频率。

电光调制与声光调制实验目的：1 了解调制种类，理解各种调制原理。

2 熟练掌握电光调制和声光调制间的区别。

2 能进行简单的电光调制和声光调制实验设计，为后续的激光语音传输实验打下理论基础。

将传输的信息加载于激光辐射的过程称为激光调制。

光调制指的是使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法。

光调制可分为强度调制、相位调制、偏振调制、频率和波长调制。

下面将分别介绍各种调制的原理和方法。

1光强度调制光强度调制是以光的强度作为调制对象，利用外界因素使待测的直流或缓慢变化的光信号转换成以某一较快频率变化的光信号，这样，就可采用交流选频放大器放大，然后把待测的量连续测量出来。

2光相位调制利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制。

光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化，实现相位调制。

3光偏振调制利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为2cosI Iα=，式中I为两偏振器主平面一致时所通过的光强；α为两偏振器主平面间的夹角。

4频率和波长调制利用外界因素改变光的频率或光的波长，通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。

实验内容：一、电光调制利用电光效应实现的调制叫电光调制。

图1是典型的电光强度调制器示意图，电光晶体(例如KDP晶体)放在一对正交偏振器之间，对晶体实行纵向运用，则加电场后的晶体感应主轴x1′、x2′方向，相对晶轴x1、x2方向旋转 45°，并与起偏器的偏振轴P1成45°夹角。

图1电光强度调制器示意图通过计算得到检偏器输出的光强I 与通过起偏器输入的光强0I 之比为20sin 2I I ϕ=当光路中未插入1/4 波片时，上式的ϕ即是电光晶体的电光延迟。