單向偏置電壓下晶體電光效應實驗的討論

邱跳文 唐 芳

（1北京航空航天大學宇航學院，北京 100083）

（2北京航空航天大學物理學院，北京 100083）

單向偏置電壓下晶體電光效應實驗的討論

邱跳文1唐 芳2

（1北京航空航天大學宇航學院，北京 100083）

（2北京航空航天大學物理學院，北京 100083）

本文討論了單向偏置電壓下電光晶體最佳調制效果的實驗條件，分析了1/4波片對輸出特性的影響，介紹了用電光效應裝置測量波片的實驗方法.

晶體；電光調制；輸出特性；波片

1 引言

電光效應一般是指介質在電場的作用下，材料的某些光學特性如折射率發生了變化的現象.電光效應按電壓與折射率變化的關系可分為：一級電光效應和二級電光效應.在極化的方式上，一般又有橫向施加電場（垂直于主軸）和縱向施加電場（平行于主軸）兩種方式.由于橫向電光效應具有半波電壓低、線性度較好的特點，因此得到了廣泛的應用.按此方式制成的電光調制器件被廣泛地應用于光通信領域，成為當今信息社會不可缺少的一項技術.在本實驗中，采用LN晶體橫向施加電場的方式來研究LiNbO3晶體的電光效應.其中，晶體被加工成（5×5×30）mm3的長條，光軸沿長軸通光方向，在兩側鍍有導電電極，以便施加均勻的電場.

本文討論了實現最佳調制效果的實驗條件，分析了1/4波片對輸出特性的影響，介紹了用該裝置測量波片相位差的實驗方法.

2 調制原理

LN在自然狀態下是一種比較典型的單軸晶體，具有很好的電光特性.在晶體兩側施加一定強度的電壓后，由于分子的極化方向受電場影響發生了變化，并生成了一個新的附加光軸，使晶體由原來的單軸晶體變為雙軸晶體.如果我們在晶體后放一個檢偏器，就會觀察到在施加電場前后，通過檢偏器的光強會有變化.

如圖1所示，如果一束光通過由起偏器P1、LN晶體、檢偏器P2組成的光學系統，對LN晶體施加電壓就可以改變系統的輸出光強，從而實現對輸出光強的控制.如果這個電壓是一系列電脈沖信號，則可實現對光開關的控制.

圖1 橫向電光調制原理

晶體的感應軸x′，y′和起偏器P1和檢偏器P2的空間分布如圖2所示.可以證明該電光器件的透過率為

圖2 晶體的感應軸x′，y′和起偏器P1檢偏器P2的空間分布

式中，第一項是由馬呂斯定律決定的背景項，它不起調制作用；第二項才是透射光中受外加電壓調制的部分，δ表示透過晶體時兩感應軸之間的相位差.當時，背景項消失，而第二項的振幅最大，調制效果最好.因此當電光調制裝置中檢偏器與起偏器的透光軸正交，而且與晶體的感應軸夾角是45°時調制效果最佳.

3 1/4波片對輸出特性的影響

現在起偏器和晶體之間加入1/4波片，旋轉起偏器P1使與檢偏器P2相互垂直，波片的快慢軸x′y′與晶體感應軸的空間分布見圖3.

圖3 波片、晶體的感應軸x′y′和起偏器P1檢偏器P2的空間分布

可以證明在起偏器和晶體之間加入1/4波片后，透射率為

式中，θ是1/4波片快軸與晶體感應軸x′之間的夾角，δu是直流電壓產生的相位差.旋轉1/4波片，得到不同θ對應的晶體的工作曲線如圖4所示.從圖4可看出，旋轉1/4波片，隨著θ變大工作曲線先向右移動，當θ＝π/4時工作曲線與未加波片一致，繼續向右平移直到θ＝π/2，θ再增加曲線又會往左移動.

圖4 1/4波片旋轉到不同位置時，透射率與直流電壓產生的電位差δu的關系曲線

在檢偏器P2與LN晶體間放入1/4波片.旋轉1/4波片，觀察接收信號波形的變化情況，體會1/4波片對靜態工作點的影響和作用.我們的測量結果是：未加1/4波片時，U＝753V時剛好出現倍頻失真，加入1/4波片，轉動1/4波片，在214°、124°、34°和304°時共出現四次倍頻失真，且相互間隔90°.說明與理論相符.

由于在直流偏置電壓U＝0附近，不存在交流信號，因此在U＝0附近無法觀察到調制效果，只有在圖4中淺色曲線上對應的δu＝π的整數倍（即半波電壓的整數倍）附近才有可能觀察到倍頻失真現象.如我們所用儀器半波電壓是750V，那么在750V和U＝1500V附近可以觀察到倍頻失真.然而加上交流信號后，一部分直流電壓得提供給交流信號源使用，這樣此時的偏置電壓可調范圍就很可能比1500V要低.學生在實驗時經常會遇到實驗儀器按要求調整了，極值法可以測量，可是動態法測量電光系數時卻無法調出兩次倍頻失真的情況.其實這與學生的操作無關，往往儀器共軸調得越好，越會出現這現象.這時我們可以利用波片也可以改變晶體的工作點，在光路中加入一波片，讓波片和直流偏置電壓兩者相互補償，旋轉波片使晶體在較小的直流偏置電壓作用下就能出現第一次倍頻失真，這樣在直流電壓可調范圍內就肯定能找到下一次倍頻失真，注意兩次倍頻失真對應的波片位置不變.比如我們在U1＝465V時旋轉波片出現倍頻失真，保持波片不動，在U2＝1202V又出現倍頻失真，這樣對應的半波電壓

4 云母片相位差的測量

用類似的補償原理也可以測量云母片快慢軸間的相位差.首先將靜態工作電壓置于倍頻失真點（U1＝773V），在檢偏器與mLN晶體間放入待測云母片，旋轉云母片使系統仍出現倍頻失真（波片角度指示24°），此時云母片的光軸分別與起偏器和檢偏器方向一致，旋轉云母片45°（波片角度指示69°），此時云母片快慢軸與LN晶體偏振化方向一致，那么通過檢偏器前兩束偏振光之間的相位差其中，φ為云母片快慢軸之間的相位差；no為晶體的o光折射率.調整偏置電壓為U2＝331V，使仍出現倍頻失真.則

實驗用晶體厚度d＝5mm，長度l＝30mm，晶體的電光系數γ22＝6.8×10－12m/V，波長λ＝632.8nm.多次測量得U1－U2的平均值為333V，φ＝92.34°.我們用的待測云母片實際就是1/4波片，相對誤差為2.6%.

5 小結

實驗中我們還用測量o光和e光光強的方法來測量云母片的相位差，由于激光器輸出光強不穩定，誤差更大.而補償原理測量相位差不需要測量光強，并且由于激光束與晶體的光軸不完全一致而引起的自然雙雙折射也可以通過兩次補償而抵消掉.

［1］ 李朝榮，徐平等.基礎物理實驗［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010

［2］ 趙凱華，鐘錫華.光學［M］.北京：北京大學出版社，1984

2011－06－21；

2012－02－17）

邱跳文（1990年出生），男，湖南平江人，北京航空航天大學宇航學院08級本科生.