電光調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

當(dāng)給晶體或液體加上電場(chǎng)后，該晶體或液體的折射率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。電光效應(yīng)在工程技術(shù)和科學(xué)研究中有許多重要應(yīng)用，它有很短的響應(yīng)時(shí)間，可以在高速攝影中用做快門或在光速測(cè)量中用做光束斬波器等。在激光出現(xiàn)以后，電光效應(yīng)的研究和應(yīng)用得到迅速發(fā)展，電光器件被廣泛應(yīng)用在激光通信、激光測(cè)距、激光顯示和光學(xué)數(shù)據(jù)處理等方面。本文提出的電光調(diào)制系統(tǒng)就是基于晶體的電光效應(yīng)驗(yàn)證電光調(diào)制原理。

1 電光調(diào)制原理

電光調(diào)制是利用某些晶體材料在外加電場(chǎng)作用下折射率發(fā)生變化的電光效應(yīng)而進(jìn)行工作的。根據(jù)加在晶體上電場(chǎng)的方向與光束在晶體中傳播的方向不同，可分為縱向調(diào)制和橫向調(diào)制。電場(chǎng)方向與光的傳播方向平行，稱為縱向電光調(diào)制；電場(chǎng)方向與光的傳播方向垂直，稱為橫向電光調(diào)制。橫向電光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是半波電壓低、驅(qū)動(dòng)功率小，應(yīng)用較為廣泛。本電光調(diào)制系統(tǒng)是以鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制為例。圖1是一種橫向電光調(diào)制的示意圖。

沿z方向加電場(chǎng)，通光方向沿感應(yīng)主軸y′方向，經(jīng)起偏器后光的振動(dòng)方向與z軸的夾角為45°。光進(jìn)入晶體后，將分解為沿x′和z方向振動(dòng)的兩個(gè)分量，兩者之間的折射率之差為。假定通光方向上晶體長(zhǎng)度為l，厚度為d(即兩極間的距離)，則外加電壓為V=Ezd時(shí)，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(zhǎng)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(dāng)兩光波間的相位差△φ為π弧度時(shí)所需要的外加電壓稱為半波電壓)。

2 電光調(diào)制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于電光調(diào)制原理設(shè)計(jì)出此電光調(diào)制系統(tǒng)，用以研究電場(chǎng)和光場(chǎng)相互作用的物理過程，也適用于光通信與物理的實(shí)驗(yàn)研究。電光調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后成線偏振光。線偏振光通過電光晶體的同時(shí)，給電光晶體外加一個(gè)電壓，此電壓就是需要調(diào)制的信號(hào)。當(dāng)給電光晶體加上電壓后，晶體的折射率及其光學(xué)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(diào)制工作點(diǎn)，在電光晶體之后插入一個(gè)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(diào)制器工作在線性部分，通過檢偏器檢測(cè)輸出光的偏振方向，最后用光電探測(cè)器檢測(cè)調(diào)制后的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(qiáng)的方向性(發(fā)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(dāng)電源開關(guān)剛打開時(shí)，激光管中氣體還沒有電離，內(nèi)阻相當(dāng)于無窮大，此時(shí)電源輸出約5 000 V高壓，這就是激光管的點(diǎn)火電壓，使得激光管中的氣體電離，激光管開始工作，這時(shí)激光管的電阻將會(huì)大大下降。也就是說，負(fù)載電流上升，激光器的電源輸出電壓也會(huì)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(chǎng)之前，LN的折射率橢球?yàn)椋?/p>

本系統(tǒng)中采用y軸通光、z軸加電場(chǎng)，也就是說，E1=E2=0，E3=E。那么，加上電場(chǎng)后折射率橢球?yàn)椋?/p>

式(4)表明，LN晶體沿z軸方向加電場(chǎng)后，可以產(chǎn)生橫向電光效應(yīng)，但是不能產(chǎn)生縱向電光效應(yīng)。

經(jīng)過晶體后，o光和e光產(chǎn)生的相位差為：

2.4 信號(hào)源

信號(hào)源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。信號(hào)源是為了給電光晶體提供調(diào)制電壓以及使系統(tǒng)能夠接入音頻信號(hào)。電源部分可以同時(shí)輸出幾路直流穩(wěn)壓電源給信號(hào)源的各個(gè)模塊同時(shí)供電；信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生頻率和幅度都連續(xù)可調(diào)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(hào)放大到幾十伏，然后加到電光晶體上調(diào)制通過電光晶體的激光；解調(diào)模塊對(duì)從探測(cè)器輸入的微弱信號(hào)進(jìn)行解調(diào)放大，對(duì)輸入的微弱音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大后通過音箱把聲音放出來；偏置高壓模塊產(chǎn)生幅度連續(xù)可調(diào)的直流高壓，以代替λ／4波片作為調(diào)制晶體的半波電壓。

3 電光調(diào)制在光通信中的應(yīng)用

本系統(tǒng)是用光波傳遞聲音信息，由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后成為線偏振光，再經(jīng)過λ／4波片變成圓偏振光，使得2個(gè)偏振分量(o光和e光)在進(jìn)入電光晶體之前產(chǎn)生π／2的相位差，使調(diào)制器工作在近似線性區(qū)域。在激光通過電光晶體的同時(shí)，給電光晶體加一個(gè)外加電壓，此電壓是需要傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)。當(dāng)給電光晶體加上電壓后，晶體的折射率及其他光學(xué)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(jīng)檢偏器又成為線偏振光，光強(qiáng)被調(diào)制。此時(shí)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(cè)器接收被調(diào)制的光信號(hào)，然后進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，用解調(diào)器將聲音信號(hào)還原，最終完成聲音信號(hào)的光傳輸。外加電壓為被傳輸?shù)穆曇粜盘?hào)，此信號(hào)可以是收錄機(jī)的輸出或磁帶機(jī)輸出，實(shí)際上就是一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓信號(hào)。

4 結(jié)束語

通過以上電光調(diào)制系統(tǒng)驗(yàn)證電光調(diào)制技術(shù)進(jìn)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(qiáng)，保密性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)。