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(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)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(yōu)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(tǒng)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。假定通光方向上晶體長度為l，厚度為d（即兩極間的距離），則外加電壓為V=Ezd時，從晶體出射的兩束光的相位差為：

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(tǒng)總體設計

基于電光調制原理設計出此電光調制系統(tǒng)，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(tǒng)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(wěn)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(fā)生變化，改變了光波的偏振狀態(tài)，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(tǒng)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(fā)散角很?。す馄麟娫词紫葘?20 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(yōu)良的壓電、電光、聲光、非線性等性能。本系統(tǒng)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：

2.4 信號源

信號源系統(tǒng)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(tǒng)能夠接入音頻信號。電源部分可以同時輸出幾路直流穩(wěn)壓電源給信號源的各個模塊同時供電；信號發(fā)生模塊產生頻率和幅度都連續(xù)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(xù)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(tǒng)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(qū)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(fā)生變化，改變了光波的偏振狀態(tài)，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(tǒng)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。

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