電光調(diào)制通信的頻譜測量

李潮銳

(中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州，510275)

電光調(diào)制通信的頻譜測量

李潮銳

(中山大學(xué) 物理學(xué)院，廣東 廣州，510275)

晶體電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是電光效應(yīng). 通常在測量半波電壓的基礎(chǔ)上，進(jìn)而觀測線性區(qū)音頻調(diào)制信號的通信特性. 盡管線性區(qū)域具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但是非線性區(qū)的諧波調(diào)制頻譜分析豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容. 通過對通用教學(xué)裝置技術(shù)改進(jìn)，結(jié)合使用鎖相放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了直流光電流、諧波調(diào)制通信的基頻和倍頻信號隨偏壓變化的全區(qū)域同步測量. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀準(zhǔn)確地顯示了電光效應(yīng)半波電壓和調(diào)制通信的最佳偏置電壓. 由此可見，層次化測量技術(shù)配置不僅拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，也將使同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目針對不同學(xué)習(xí)對象可以具有個(gè)性化的教學(xué)定位和教學(xué)內(nèi)容.

電光效應(yīng)；頻譜測量；鎖相技術(shù)；直流偏置

電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)是電光效應(yīng)，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(fā)生變化，當(dāng)光波通過此介質(zhì)時(shí)，其傳輸特性就受到影響而改變. 晶體電光效應(yīng)及其調(diào)制通信是近代物理實(shí)驗(yàn)課程廣泛采用的教學(xué)內(nèi)容之一. 在教學(xué)實(shí)施過程中，通常在測量半波電壓[1-4]的基礎(chǔ)上，進(jìn)而觀測音頻調(diào)制信號在線性區(qū)的傳輸特性. 隨著教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的技術(shù)改進(jìn)，從語音播放的定性監(jiān)聽，到諧波調(diào)制通信基頻和倍頻信號的觀測記錄[5]，既豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容又實(shí)現(xiàn)物理測量定量分析目的. 由此可見，合理的實(shí)驗(yàn)技術(shù)硬件配置將使同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目針對不同學(xué)習(xí)對象可以具有個(gè)性化的教學(xué)定位和教學(xué)內(nèi)容. 對于非物理專業(yè)或物理專業(yè)低年級實(shí)驗(yàn)教學(xué)(或演示教學(xué))，語音播放實(shí)現(xiàn)對物理過程的定性或半定量觀測；對于物理專業(yè)高年級實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解調(diào)諧波的頻譜分析加深對物理現(xiàn)象的理解和定量描述.

電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作的主要難點(diǎn)在于激光束通過晶體光軸的準(zhǔn)確調(diào)節(jié). 從光斑幾何共軸(粗調(diào))，到錐光干涉法[6]和倍頻方法[1,3，7]的教學(xué)實(shí)踐中，體現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍不斷探索教學(xué)技術(shù)改進(jìn)的敬業(yè)精神. 精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)條件是實(shí)現(xiàn)物理觀測定量分析的必備基礎(chǔ)，教學(xué)技術(shù)改進(jìn)有助于幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)物理原理.

本工作是在文獻(xiàn)[5]基礎(chǔ)上，通過分解電光調(diào)制教學(xué)裝置的實(shí)驗(yàn)功能，部分使用分立單元設(shè)備，并結(jié)合使用鎖相放大技術(shù)[8]，同步測量不同直流偏置的光電流強(qiáng)度以及諧波調(diào)制通信的基頻和倍頻信號變化，直觀準(zhǔn)確地獲得半波電壓和調(diào)制通信的線性工作點(diǎn). 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步探討電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)技術(shù)的科學(xué)性和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也作為鎖相放大技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)測量應(yīng)用例子.

1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法

電光效應(yīng)一般分為折射率變化量與外電場強(qiáng)度的一次方成正比的Pockels(泡克耳斯)效應(yīng)和折射率變化量與外電場強(qiáng)度的二次方成正比的Kerr(克爾)效應(yīng). 已有文獻(xiàn)[9-11]對電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及教學(xué)進(jìn)行深入探討，本文主要討論鈮酸鋰(LiNbO3)晶體Pockels效應(yīng)及其調(diào)制通信的頻譜測量方法.

主體設(shè)備為華東師大科儀DGT-1電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀，采用同步測量直流光電流、諧波調(diào)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(guān)閉并切斷實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)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(jiān)測偏壓值. 由Rigol DG4162信號源經(jīng)“外調(diào)輸入”提供外調(diào)制諧波信號. 光敏二極管測量的光信號同時(shí)包含著對應(yīng)于直流偏置和交變調(diào)制的光強(qiáng)變化信息，DGT-1實(shí)驗(yàn)儀已將它們分離并提供獨(dú)立監(jiān)測端口. 使用Keithley 2701多用表取代實(shí)驗(yàn)儀“光強(qiáng)指示表”測量經(jīng)光電轉(zhuǎn)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(diào)監(jiān)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(diào)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測控，其中OE1022鎖相放大器采用內(nèi)部RS232轉(zhuǎn)USB連接方式.

盡管參照電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀說明書可基本完成光路調(diào)節(jié)，但是在教學(xué)實(shí)踐中可采用更適合于教學(xué)指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)操作步驟. 為便于光路調(diào)節(jié)，可適當(dāng)使用較強(qiáng)的激光輸出. 光路準(zhǔn)直調(diào)節(jié)時(shí)，固定激光器在光具座的一端，沿導(dǎo)軌移動光接收器，同時(shí)調(diào)節(jié)激光束方位保持光點(diǎn)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(diào)節(jié)晶體光軸時(shí)，使晶體端面反射光斑與激光出射點(diǎn)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(xì)調(diào)晶體方位使光接收器處光點(diǎn)位于十字中心交叉點(diǎn)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(shí)適當(dāng)減小激光輸出強(qiáng)度，以確保最大光電流處于可測范圍內(nèi). 適當(dāng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀“調(diào)制幅度”和“解調(diào)幅度”使“解調(diào)監(jiān)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(shí)驗(yàn)條件，隨之將直流偏置電壓緩慢復(fù)位，稍等約10 min方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

合理設(shè)置設(shè)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(guān)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(xiàn)[5]實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)緩存區(qū).

圖1為直流光電流、諧波調(diào)制通信的基頻和倍頻信號隨偏置電壓變化情況. 當(dāng)偏置電壓為零(或沒有偏置作用)時(shí)，諧波調(diào)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(qiáng). 由圖1(a)可見，當(dāng)偏置電壓至約40 V處，倍頻信號達(dá)到極大值，隨后開始減弱，但圖1(b)中基頻信號繼續(xù)保持隨偏壓增大而增強(qiáng)的趨勢. 當(dāng)偏置電壓為約220 V時(shí)，圖1(a)中倍頻信號達(dá)到極小值，而圖1(b)中基頻信號處于極大值. 這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明: 此時(shí)調(diào)制輸出接近完全線性響應(yīng)，即為調(diào)制通信的最佳偏壓工作點(diǎn). 隨后，基頻信號開始減弱，而倍頻信號卻逐步加強(qiáng). 當(dāng)基頻信號處于極小值時(shí)，直流光電流達(dá)到最大值，此時(shí)偏置電壓520 V，即為半波電壓.

(a)解調(diào)信號倍頻分量隨偏壓變化

(b)解調(diào)信號基頻分量隨偏壓變化

(c)光強(qiáng)(轉(zhuǎn)化為電壓)隨偏壓變化圖1 光強(qiáng)及解調(diào)信號隨偏置電壓變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，調(diào)制通信線性響應(yīng)的偏置電壓點(diǎn)并非準(zhǔn)確地位于1/2半波電壓處. 此處通常被選為音頻調(diào)制的播放工作點(diǎn). 事實(shí)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(jiān)聽只是定性的實(shí)驗(yàn)觀測. 盡管使用模擬示波器可以比較清晰地監(jiān)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(qū)依然難以準(zhǔn)確判斷倍頻信號存在與否. 使用聲卡或數(shù)字存儲示波器采集，通過頻譜分析可以有效地獲得解調(diào)信號的基頻和倍頻信息. 實(shí)際上，由于測量靈敏度限制，也無法獲取“線性”區(qū)信號頻譜的準(zhǔn)確參量. 鎖相放大技術(shù)是周期微弱信號檢測的有效方法，利用它可以實(shí)現(xiàn)對全區(qū)域解調(diào)信號頻譜準(zhǔn)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(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對通信解調(diào)信號質(zhì)量隨偏壓變化進(jìn)行更準(zhǔn)確的定量測量分析. 采用直流光電流、諧波調(diào)制通信的基頻和倍頻信號同步測量方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀準(zhǔn)確地顯示了電光效應(yīng)半波電壓和調(diào)制通信的最佳偏置工作點(diǎn).

圖1(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明，當(dāng)激光束準(zhǔn)確通過晶體光軸時(shí)，最強(qiáng)倍頻信號并非出現(xiàn)在偏置為零處. 當(dāng)偏置為零時(shí)，基頻信號消失，只觀測到倍頻信號，此時(shí)激光束與晶體光軸處于共軸. 顯然，這是倍頻法的實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理依據(jù). 教學(xué)實(shí)踐表明，在調(diào)節(jié)激光束與晶體共軸時(shí)，錐光干涉法比倍頻法更具可操作性和直觀有效.

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)啟示

經(jīng)過30多年來實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)，原來由直流穩(wěn)壓電源、光電靈敏電流計(jì)、收音機(jī)(音頻信號源)和光敏二極管光電轉(zhuǎn)換解調(diào)放大驅(qū)動揚(yáng)聲器等獨(dú)立實(shí)驗(yàn)單元組成的電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，現(xiàn)時(shí)已“集成”為一體化且廣泛使用的電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)儀. 它不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)可操作性，還實(shí)現(xiàn)了光電流和解調(diào)輸出的同步觀測. 在課堂教學(xué)技術(shù)上，調(diào)制信號從電臺廣播到數(shù)碼音頻播放，提高了調(diào)制通信的穩(wěn)定性和教學(xué)演示質(zhì)量. 當(dāng)使用信號源輸出為調(diào)制信號時(shí)，由聲卡或數(shù)字存儲示波器記錄解調(diào)信號可實(shí)現(xiàn)對電光調(diào)制特性半定量分析. 非線性調(diào)制響應(yīng)必然導(dǎo)致通信失真，解調(diào)信號頻譜分析才能準(zhǔn)確描述通信傳輸質(zhì)量. 對于諧波調(diào)制，文獻(xiàn)[5]采用傅里葉分析獲得不同偏置電壓時(shí)解調(diào)信號基頻和倍頻分量強(qiáng)度，并由此確定調(diào)制通信的“線性”工作區(qū). 該方法僅選擇幾個(gè)特征直流偏壓點(diǎn)進(jìn)行頻譜分析，并沒有獲取每一偏置壓對應(yīng)的解調(diào)信號頻譜信息. 盡管使用聲卡或數(shù)字存儲示波器采集都可以對解調(diào)信號實(shí)時(shí)傅里葉分析，但在“線性”區(qū)附近由于測量靈敏度限制難以獲得準(zhǔn)確的倍頻分量.

本文使用鎖相放大技術(shù)更快速實(shí)施解調(diào)信號頻譜準(zhǔn)確測量，實(shí)現(xiàn)調(diào)制通信質(zhì)量定量分析. 利用OE1022鎖相放大器多諧波同步測量和數(shù)據(jù)緩存功能，實(shí)時(shí)采集解調(diào)信號基頻和倍頻諧波的模量及相位差. 鎖相技術(shù)原理已是部分高校近代物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容之一. 在學(xué)生充分理解鎖相技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，開設(shè)其測量應(yīng)用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也是教學(xué)內(nèi)容的必然延伸或拓展. 事實(shí)上，若能結(jié)合鎖相技術(shù)優(yōu)化已有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測量方法，不僅幫助學(xué)生加深對實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理的理解，還滿足不同層次學(xué)習(xí)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(shù)應(yīng)用的可行性教學(xué)個(gè)例，本工作也再次豐富了鎖相技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容.

從分立單元設(shè)備到一體化實(shí)驗(yàn)裝置，隨著設(shè)備性能穩(wěn)定和操作簡易，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以更注重于實(shí)驗(yàn)原理和教學(xué)內(nèi)容的課堂討論. 為達(dá)到這一教學(xué)目的，適當(dāng)分解實(shí)驗(yàn)功能并適量采用分立單元設(shè)備是一項(xiàng)有意義的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法“回歸”，也是作者最近10多年來從課程規(guī)劃、項(xiàng)目建設(shè)到教學(xué)實(shí)施的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn). 相比于30多年前的單元設(shè)備，本工作使用了智能儀器并通過計(jì)算機(jī)測控實(shí)施測量分析. 由于理解了每臺設(shè)備的實(shí)驗(yàn)功能，而它們之間的關(guān)聯(lián)也清晰地展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理，計(jì)算機(jī)測控僅僅是實(shí)驗(yàn)測量的輔助手段.

從音頻播放監(jiān)聽、模擬示波器觀測、聲卡或數(shù)字存儲示波器數(shù)據(jù)采集分析，到鎖相放大技術(shù)頻譜測量，層次化實(shí)驗(yàn)技術(shù)配置將使同一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)需要.

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[責(zé)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(xué)基金項(xiàng)目(No.J1210034，No.J1103211)

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

O4-34;O439

A

1005-4642(2017)06-0028-04