電光調制通信的頻譜測量

李潮銳

(中山大學 物理學院，廣東 廣州，510275)

電光調制通信的頻譜測量

李潮銳

(中山大學 物理學院，廣東 廣州，510275)

晶體電光調制的物理基礎是電光效應. 通常在測量半波電壓的基礎上，進而觀測線性區音頻調制信號的通信特性. 盡管線性區域具有實際應用價值，但是非線性區的諧波調制頻譜分析豐富了實驗教學內容. 通過對通用教學裝置技術改進，結合使用鎖相放大技術，實現了直流光電流、諧波調制通信的基頻和倍頻信號隨偏壓變化的全區域同步測量. 實驗結果直觀準確地顯示了電光效應半波電壓和調制通信的最佳偏置電壓. 由此可見，層次化測量技術配置不僅拓展實驗教學方法，也將使同一實驗項目針對不同學習對象可以具有個性化的教學定位和教學內容.

電光效應；頻譜測量；鎖相技術；直流偏置

電光調制的物理基礎是電光效應，即某些晶體在外加電場的作用下，由于極化而使晶體折射率發生變化，當光波通過此介質時，其傳輸特性就受到影響而改變. 晶體電光效應及其調制通信是近代物理實驗課程廣泛采用的教學內容之一. 在教學實施過程中，通常在測量半波電壓[1-4]的基礎上，進而觀測音頻調制信號在線性區的傳輸特性. 隨著教學實驗裝置的技術改進，從語音播放的定性監聽，到諧波調制通信基頻和倍頻信號的觀測記錄[5]，既豐富了實驗教學內容又實現物理測量定量分析目的. 由此可見，合理的實驗技術硬件配置將使同一實驗項目針對不同學習對象可以具有個性化的教學定位和教學內容. 對于非物理專業或物理專業低年級實驗教學(或演示教學)，語音播放實現對物理過程的定性或半定量觀測；對于物理專業高年級實驗教學，解調諧波的頻譜分析加深對物理現象的理解和定量描述.

電光效應實驗操作的主要難點在于激光束通過晶體光軸的準確調節. 從光斑幾何共軸(粗調)，到錐光干涉法[6]和倍頻方法[1,3，7]的教學實踐中，體現了物理實驗教學隊伍不斷探索教學技術改進的敬業精神. 精準的實驗條件是實現物理觀測定量分析的必備基礎，教學技術改進有助于幫助學生理解實驗物理原理.

本工作是在文獻[5]基礎上，通過分解電光調制教學裝置的實驗功能，部分使用分立單元設備，并結合使用鎖相放大技術[8]，同步測量不同直流偏置的光電流強度以及諧波調制通信的基頻和倍頻信號變化，直觀準確地獲得半波電壓和調制通信的線性工作點. 基于實驗結果，進一步探討電光調制實驗技術的科學性和關鍵環節，也作為鎖相放大技術的物理實驗測量應用例子.

1 實驗技術方法

電光效應一般分為折射率變化量與外電場強度的一次方成正比的Pockels(泡克耳斯)效應和折射率變化量與外電場強度的二次方成正比的Kerr(克爾)效應. 已有文獻[9-11]對電光調制實驗改進及教學進行深入探討，本文主要討論鈮酸鋰(LiNbO3)晶體Pockels效應及其調制通信的頻譜測量方法.

主體設備為華東師大科儀DGT-1電光調制實驗儀，采用同步測量直流光電流、諧波調制通信的基頻和倍頻信號隨直流偏壓變化. 樣品為5 mm×5 mm×44 mm鈮酸鋰晶體. 首先，關閉并切斷實驗儀內部直流偏壓供電連接，改由漢晟普源HSPY1000-01直流電源提供直流偏置電壓，且用Fluke45多用表監測偏壓值. 由Rigol DG4162信號源經“外調輸入”提供外調制諧波信號. 光敏二極管測量的光信號同時包含著對應于直流偏置和交變調制的光強變化信息，DGT-1實驗儀已將它們分離并提供獨立監測端口. 使用Keithley 2701多用表取代實驗儀“光強指示表”測量經光電轉換后的(直流)光電流相對值. 由中大科儀OE1022鎖相放大器測量“解調監視”輸出信號，且以DG4162同步輸出作為OE1022的參考信號. OE1022鎖相放大器選用同步測量諧波基頻和倍頻信號的R(模量)和θ(相對于調制信號源同步輸出的相位差)電壓測量模式. 所有儀器通過USB接口或RS232接口實現計算機測控，其中OE1022鎖相放大器采用內部RS232轉USB連接方式.

盡管參照電光調制實驗儀說明書可基本完成光路調節，但是在教學實踐中可采用更適合于教學指導的實驗操作步驟. 為便于光路調節，可適當使用較強的激光輸出. 光路準直調節時，固定激光器在光具座的一端，沿導軌移動光接收器，同時調節激光束方位保持光點落在光接收孔處，直至光接收器在光具座另一端的合適位置并固定. 調節晶體光軸時，使晶體端面反射光斑與激光出射點近乎重疊；在起偏器與晶體(或起偏器與激光器)之間放置1片毛玻璃或鏡頭紙，利用散射錐光所形成的干涉圖案，細調晶體方位使光接收器處光點位于十字中心交叉點位置. 逐漸緩慢增加直流偏壓，觀察接收器光電流變化，必要時適當減小激光輸出強度，以確保最大光電流處于可測范圍內. 適當調節實驗儀“調制幅度”和“解調幅度”使“解調監視”輸出信號幅值不超1.0 V，以防止鎖相放大器過載. 一旦確定最佳實驗條件，隨之將直流偏置電壓緩慢復位，稍等約10 min方可進行實驗測量.

2 實驗結果及分析

合理設置設備的工作參量，特別是鎖相放大器量程，以防過載損壞儀器. 部分關鍵儀器參量包括：HSPY1000-01直流電源電壓輸出范圍為0～650.0 V，電壓增量為5.0 V. DG4162信號源通道1輸出頻率為462.0 Hz(便于與文獻[5]實驗結果比較)且Vpp為1.00 V的諧波信號. OE1022鎖相放大器選用同步測量諧波基頻和倍頻信號電壓模量R和相位θ并寫入數據緩存區.

圖1為直流光電流、諧波調制通信的基頻和倍頻信號隨偏置電壓變化情況. 當偏置電壓為零(或沒有偏置作用)時，諧波調制輸出只有倍頻信號. 隨著偏置電壓緩慢增加，基頻和倍頻信號都逐漸增強. 由圖1(a)可見，當偏置電壓至約40 V處，倍頻信號達到極大值，隨后開始減弱，但圖1(b)中基頻信號繼續保持隨偏壓增大而增強的趨勢. 當偏置電壓為約220 V時，圖1(a)中倍頻信號達到極小值，而圖1(b)中基頻信號處于極大值. 這一實驗結果說明: 此時調制輸出接近完全線性響應，即為調制通信的最佳偏壓工作點. 隨后，基頻信號開始減弱，而倍頻信號卻逐步加強. 當基頻信號處于極小值時，直流光電流達到最大值，此時偏置電壓520 V，即為半波電壓.

(a)解調信號倍頻分量隨偏壓變化

(b)解調信號基頻分量隨偏壓變化

(c)光強(轉化為電壓)隨偏壓變化圖1 光強及解調信號隨偏置電壓變化

實驗結果顯示，調制通信線性響應的偏置電壓點并非準確地位于1/2半波電壓處. 此處通常被選為音頻調制的播放工作點. 事實上，即使在該處附近小范圍改變偏壓，憑聽覺無法分辨信號失真與否. 音頻播放監聽只是定性的實驗觀測. 盡管使用模擬示波器可以比較清晰地監測零偏置或半波電壓附近的倍頻分量，但是在大范圍“線性”區依然難以準確判斷倍頻信號存在與否. 使用聲卡或數字存儲示波器采集，通過頻譜分析可以有效地獲得解調信號的基頻和倍頻信息. 實際上，由于測量靈敏度限制，也無法獲取“線性”區信號頻譜的準確參量. 鎖相放大技術是周期微弱信號檢測的有效方法，利用它可以實現對全區域解調信號頻譜準確測量.

由上述分析可見，利用OE1022鎖相放大器的多諧波同步觀測技術，可以實現對通信解調信號質量隨偏壓變化進行更準確的定量測量分析. 采用直流光電流、諧波調制通信的基頻和倍頻信號同步測量方法，實驗結果直觀準確地顯示了電光效應半波電壓和調制通信的最佳偏置工作點.

圖1(a)實驗結果清晰地表明，當激光束準確通過晶體光軸時，最強倍頻信號并非出現在偏置為零處. 當偏置為零時，基頻信號消失，只觀測到倍頻信號，此時激光束與晶體光軸處于共軸. 顯然，這是倍頻法的實驗技術原理依據. 教學實踐表明，在調節激光束與晶體共軸時，錐光干涉法比倍頻法更具可操作性和直觀有效.

3 實驗教學啟示

經過30多年來實驗技術改進，原來由直流穩壓電源、光電靈敏電流計、收音機(音頻信號源)和光敏二極管光電轉換解調放大驅動揚聲器等獨立實驗單元組成的電光調制實驗系統，現時已“集成”為一體化且廣泛使用的電光調制實驗儀. 它不僅提高了實驗教學可操作性，還實現了光電流和解調輸出的同步觀測. 在課堂教學技術上，調制信號從電臺廣播到數碼音頻播放，提高了調制通信的穩定性和教學演示質量. 當使用信號源輸出為調制信號時，由聲卡或數字存儲示波器記錄解調信號可實現對電光調制特性半定量分析. 非線性調制響應必然導致通信失真，解調信號頻譜分析才能準確描述通信傳輸質量. 對于諧波調制，文獻[5]采用傅里葉分析獲得不同偏置電壓時解調信號基頻和倍頻分量強度，并由此確定調制通信的“線性”工作區. 該方法僅選擇幾個特征直流偏壓點進行頻譜分析，并沒有獲取每一偏置壓對應的解調信號頻譜信息. 盡管使用聲卡或數字存儲示波器采集都可以對解調信號實時傅里葉分析，但在“線性”區附近由于測量靈敏度限制難以獲得準確的倍頻分量.

本文使用鎖相放大技術更快速實施解調信號頻譜準確測量，實現調制通信質量定量分析. 利用OE1022鎖相放大器多諧波同步測量和數據緩存功能，實時采集解調信號基頻和倍頻諧波的模量及相位差. 鎖相技術原理已是部分高校近代物理實驗課程教學內容之一. 在學生充分理解鎖相技術原理的基礎上，開設其測量應用實驗項目也是教學內容的必然延伸或拓展. 事實上，若能結合鎖相技術優化已有實驗項目的測量方法，不僅幫助學生加深對實驗技術原理的理解，還滿足不同層次學習需要. “微波電子自旋共振的微分測量”[12]提供了鎖相放大技術應用的可行性教學個例，本工作也再次豐富了鎖相技術應用的實驗教學內容.

從分立單元設備到一體化實驗裝置，隨著設備性能穩定和操作簡易，實驗教學可以更注重于實驗原理和教學內容的課堂討論. 為達到這一教學目的，適當分解實驗功能并適量采用分立單元設備是一項有意義的實驗教學方法“回歸”，也是作者最近10多年來從課程規劃、項目建設到教學實施的實踐經驗. 相比于30多年前的單元設備，本工作使用了智能儀器并通過計算機測控實施測量分析. 由于理解了每臺設備的實驗功能，而它們之間的關聯也清晰地展現了實驗技術原理，計算機測控僅僅是實驗測量的輔助手段.

從音頻播放監聽、模擬示波器觀測、聲卡或數字存儲示波器數據采集分析，到鎖相放大技術頻譜測量，層次化實驗技術配置將使同一實驗項目滿足個性化學習需要.

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[2] 劉紅文，何彥霄，韓睿，等. LiNbO3晶體電光調制中半波電壓測量方法研究[J]. 科學技術與工程，2016,16(14)：190-194.

[3] 孫鑒，牟海維，劉世清，等. 電光調制實驗中半波電壓的測量[J]. 光電子技術，2007,27(3)：212-215.

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[12] 李潮銳. 微波電子自旋共振的微分分析[J]. 物理實驗，2017，37(3):21-24.

[責任編輯：尹冬梅]

Spectrum measurement on electro-optic communication

LI Chao-rui

(School of Physics, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Crystal electro-optic modulation is based on the electro-optic effect. By determining the half-wave voltage, the communication characteristics in the linear region can be investigated. Although the linear region is important for communication, harmonic modulation spectrum analysis in the nonlinear region can extend the teaching content. With the improvement of the teaching equipment and the use of phase-locked amplifier, the first and the second harmonic components in the harmonic modulation communication varied with DC bias voltage was simultaneously measured, the half-wave voltage and the optimal bias voltage for modulation communication were obtained. Therefore, the individualized configuration of measurement technology could not only expand the experimental teaching method but also make the same experimental project fit for different learning objects and different teaching orientation.

electro-optic effect; spectrum measurement; phase-locked technology; DC bias

2017-04-16

國家自然科學基金項目(No.J1210034，No.J1103211)

李潮銳(1962-)，男，廣東汕頭人，中山大學物理學院副教授，博士，主要從事凝聚態電磁性質研究

O4-34;O439

A

1005-4642(2017)06-0028-04