電光調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法

四川理工學(xué)院 張 莉

電光調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法

四川理工學(xué)院 張 莉

電光效應(yīng)是晶體或液體的折射率在加上電場后發(fā)生變化的現(xiàn)象。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，被廣泛應(yīng)用在激光測距、激光通信、光學(xué)數(shù)據(jù)處理和激光顯示等方面。因此，研究電光調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對于晶體的電光效應(yīng)驗(yàn)證和電光調(diào)制技術(shù)在激光通信中的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義。

一、電光調(diào)制及激光器電源

1. 電光調(diào)制。電光調(diào)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(yīng)而進(jìn)行工作的，可分為縱向調(diào)制和橫向調(diào)制。

（1）縱向和橫向電光調(diào)制。縱向電光調(diào)制電場方向與光的傳播方向平行；橫向電光調(diào)制電場方向與光的傳播方向垂直，其優(yōu)點(diǎn)是半波電壓低、驅(qū)動(dòng)功率小，應(yīng)用較為廣泛。

（2）半波電壓。通常使用的電光晶體的主要特性之一是采用半波電壓來表征，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。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，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，改變了光波的偏振狀態(tài)，線偏振光變成了橢圓偏振光。

2. 激光器電源。電源部分可以同時(shí)輸出幾路直流穩(wěn)壓電源給信號源的各個(gè)模塊同時(shí)供電，由激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)起偏器后成線偏振光。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，通過檢偏器檢測輸出光的偏振方向，然后通過限流電阻直接給激光管供電，這樣激光器電源將220 V輸入電壓通過變壓器升到1 000 V，通過電光晶體的兩束光線的相位延遲π/2，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(diào)制后的光信號，使得激光管中的氣體電離，激光管開始工作。信號發(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，偏置高壓模塊產(chǎn)生幅度連續(xù)可調(diào)的直流高壓，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，解調(diào)模塊對從探測器輸入的微弱信號進(jìn)行解調(diào)放大，直流高壓代替λ/4波片作為調(diào)制晶體的半波電壓。

二、電光調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)電光調(diào)制通信實(shí)驗(yàn)。電光調(diào)制通信系統(tǒng)中的電光晶體由鈮酸鋰制成，在切割的時(shí)候沿光軸的方向進(jìn)行切割，把兩個(gè)端面拋光，并在晶體的側(cè)面鍍上電極，用來施加外加電壓，通光的方向即為光軸的方向，此信號實(shí)際上就是一個(gè)隨時(shí)間變化的電壓信號，可以是收錄機(jī)的輸出或磁帶機(jī)輸出。由于電壓的幅值較小，只有2V左右。這樣把聲音信號加載到了光波上，從電光晶體射出的光波中就載有聲音信息。在接收端用光電探測器接收光信號，光波載著聲音信息在自由空間傳輸，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓。從電光晶體射出的光沒有被調(diào)制，沒有給電光晶體加外加電壓，所以在接收端光電探測器所接收的光信號，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換后得到的電壓值為一條直線。加載了聲音信號后，光電探測器經(jīng)電路轉(zhuǎn)換后得到了與發(fā)送端相同的電壓波形，完成了用激光光波在自由空間傳輸聲音信息的全過程。基于以上電光調(diào)制原理，從三方面設(shè)計(jì)電光調(diào)制通信實(shí)驗(yàn)。

（1）擋住從檢偏器出來的光，解調(diào)器就解調(diào)不出發(fā)射端所發(fā)射的聲音信號。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，光電探測器的放置位置至關(guān)重要，因?yàn)楣怆娙龢O管的接收面為一球面，球面的中心一定要對準(zhǔn)所接收光斑的中心，若有偏差的話，在接收端也將接收不到被傳輸?shù)穆曇粜盘枴９獠ㄝd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(diào)制的光信號，之后進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，用解調(diào)器將聲音信號還原，最終完成聲音信號的光傳輸。

（2）改變輸入端信號的大小，即調(diào)節(jié)收錄機(jī)或磁帶機(jī)的音量，解調(diào)器解調(diào)出來的聲音也隨同變化，說明通信是成功的。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，使得兩個(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的位相差。

（3）選擇合適的工作點(diǎn)。解調(diào)器解調(diào)出來的聲音信號與發(fā)送端的聲音信號是完全相同的。去掉λ/4波片調(diào)制器的工作點(diǎn)就不在V=Vπ/2附近了，也就是說調(diào)制器工作在T-V曲線的非線性區(qū)，解調(diào)器解調(diào)出來的聲音就會(huì)失真或者完全聽不到聲音。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)，因此圓偏振光變成了橢圓偏振光，再經(jīng)過檢偏器又成為線偏振光，光強(qiáng)被調(diào)制。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了便于比較，實(shí)驗(yàn)光路中引出一路參考光，表征激光器未加電光調(diào)制時(shí)激光功率的變化情況，通過對上述穩(wěn)功率系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作、調(diào)試、測量，測得數(shù)據(jù)如圖1。

三、結(jié)論

通過以上電光調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，證明了利用電光調(diào)制技術(shù)進(jìn)行激光通信是可行的，而且這三種實(shí)驗(yàn)方法具有傳輸速度快，抗干擾能力強(qiáng)，保密性好，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)和通信全球化、因特網(wǎng)的大量普及，人們對通信的要求越來越高，通信速度不僅要快而且質(zhì)量要高。我們相信在信息時(shí)代的今天，光通信技術(shù)的發(fā)展速度將超越電技術(shù)，而且會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。