光電子綜合實驗實 驗 指 導 書巢湖學院電子工程與電氣自動化學院2014年2月85 / 86目錄目錄1實驗一 晶體電光調制2實驗二 太陽能電池特性12實驗三 晶體的聲光效應實驗19實驗四 晶體的磁光效應實驗26實驗五 激光模式分析28實驗六光敏元件特性實驗44實驗七LED&LD伏安（V/I）特性、電光轉換（P/I）特性實驗52實驗八LED&LD光譜特性實驗58實驗九光電倍增管特性測試61實驗十雪崩光電二極管(APD)特性測試68實驗十一激光衍射光強分布實驗71實驗十二 光纖溫度傳感系統特性實驗78參考文獻84實驗一 晶體電光調制1.1實驗儀器簡介1晶體電光調制電源 輸出正弦波調制幅度：0300V連續可調，頻率1K 輸出直流偏置電壓：0600V ,連續可調2鈮酸鋰(LiNbO3)電光晶體 尺寸51.750mm 鍍銀電極3He-Ne激光器及可調電源 波長632.8nm，1.5mW，電流連續可調4可旋轉偏振片 最小刻度值15光電接收器 PIN光電池6有源音響 漫步者1.2實驗目的1掌握晶體電光調制的原理和實驗方法。2學會用簡單的實驗裝置測量晶體半波電壓、電光常數的實驗方法。3觀察電光效應所引起的晶體光學特性的變化和會聚偏振光的干涉現象。1.3實驗原理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(可以跟上頻率為1010Hz的電場變化)，可以在高速攝影中作快門或在光速測量中作光束斬波器等。在激光出現以后，電光效應的研究和應用得到迅速的發展，電光器件被廣泛應用在激光通訊、激光測距、激光顯示和光學數據處理等方面。1.3.1一次電光效應和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應。通常可將電場引起的折射率的變化用下式表示：n = n0 + aE0 +bE02+ (1)式中a和b為常數，n0為不加電場時晶體的折射率。由一次項aE0引起折射率變化的效應，稱為一次電光效應，也稱線性電光效應或普克爾(Pokells)效應；由二次項bE02引起折射率變化的效應，稱為二次電光效應，也稱平方電光效應或克爾(Kerr)效應。一次電光效應只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應則可能存在于任何物質中，一次效應要比二次效應顯著。光在各向異性晶體中傳播時，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關系。在主軸坐標中，折射率橢球及其方程為 (2)式中n1、n2、n3為橢球三個主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發生變化，橢球方程變成 (3)晶體的一次電光效應分為縱向電光效應和橫向電光效應兩種。縱向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時產生的電光效應；橫向電光效應是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時產生的電光效應。通常KD*P(磷酸二氘鉀)類型的晶體用它的縱向電光效應，LiNbO3(鈮酸鋰)類型的晶體用它的橫向電光效應。本實驗研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應，用鈮酸鋰晶體的橫向調制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數，并用兩種方法改變調制器的工作點，觀察相應的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個三次旋轉軸，光軸與z軸重合，是單軸晶體，折射率橢球是旋轉橢球，其表達式為 (4)式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發生畸變，當x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時，晶體由單軸晶變為雙軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變為橢圓，此橢圓方程為 (5)其中的稱為電光系數。上式進行主軸變換后可得到 (6)考慮到1，經簡化得到 (7)折射率橢球截面的橢圓方程化為 (8)1.3.2.電光調制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調制，把完成這一過程的裝置稱為激光調制器。由已調制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調。因為激光實際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調制信號，被調制的載波稱為已調波或調制光。按調制的性質而言，激光調制與無線電波調制相類似，可以采用連續的調幅、調頻、調相以及脈沖調制等形式，但激光調制多采用強度調制。強度調制是根據光載波電場振幅的平方比例于調制信號，使輸出的激光輻射的強度按照調制信號的規律變化。激光調制之所以常采用強度調制形式，主要是因為光接收器一般都是直接地響應其所接受的光強度變化的緣故。激光調制的方法很多，如機械調制、電光調制、聲光調制、磁光調制和電源調制等。其中電光調制器開關速度快、結構簡單。因此，在激光調制技術及混合型光學雙穩器件等方面有廣泛的應用。電光調制根據所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調制和橫向電光調制。利用縱向電光效應的調制，叫做縱向電光調制，利用橫向電光效應的調制，叫做橫向電光調制。實驗只做LiNbO3晶體的橫向電光調制實驗。橫向電光調制 圖 2圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應原理的激光振幅調制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經起偏振片后變為振動方向平行于x軸的線偏振光，它在晶體的感應軸x和y軸上的投影的振幅和相位均相等，設分別為 ex=A0cost , ey=A0cost (9)或用復振幅的表示方法，將位于晶體表面(z=0)的光波表示為Ex(0)=A , Ey(0)=A (10)所以，入射光的強度是 (11)當光通過長為l的電光晶體后，x和y兩分量之間就產生相位差，即 Ex(l)=A , Ey(l)=A (12)通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和 (13)其對應的輸出光強It可寫成 (14)由(11)和(14)式，光強透過率T為 (15)由(7)式 (16)由此可見，和加在晶體上的電壓有關，當電壓增加到某一值時x、y方向的偏振光經過晶體后可產生/2的光程差，相應的相位差=，由(15)式可知此時光強透過率T=100%，這時加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用U表示。U是描述晶體電光效應的重要參數。在實驗中，這個電壓越小越好，如果U小，需要的調制信號電壓也小。根據半波電壓值，我們可以估計出電光效應控制透過強度所需電壓。由(16)式可得到 (17)其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關。由(17)式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細長的扁長方體。由(16)、(17)式可得 因此，可將(15)式改寫成 (18)其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsint是同時加在晶體上的交流調制信號，Um是其振幅，是調制頻率。從(18)式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應的有變化。對單色光和確定的晶體來說， U為常數，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。 改變直流偏壓對輸出特性的影響當、UmU時，將工作點選定在線性工作區的中心處，如圖3(a)所示，此時，可獲得較高效率的線性調制，把 代入(18)式，得 (19)由于UmU時 即 Tsint (20)這時，調制器輸出的信號和調制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調制。當、Um200，自由光譜范圍為4GHz；3縱模橫模頻率間隔誤差20MHz.儀器設備的安裝方法5.3.1應用程序的安裝在光驅中插入光盤，到光盤Setup目錄下執行setup.exe文件；安裝程序首先顯示如下歡迎窗口： 點擊“Next”按鈕，彈出如下窗口：可以使用缺省值，點擊“Next”按鈕，彈出拷貝文件窗口：當文件拷貝完成后，安裝結