电光调制试验.docx
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电光调制试验
實驗二
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~主筆
實驗二電光調制實驗
1、實驗目的:
1.了解熟悉電光效應(Electro-OpticalEffect)。
2、實驗內容:
1.KDP光調製(EOM)組基本特性的測量
2.EOM對頻率的響應
3、實驗原理:
電光效應(electro-opticeffect)早在年就由普克爾(Pockels)發現,所以又稱普克爾效應,它是由電場的一次項所引起的折射率變化而產生,是一線性的電光效應,其時間響應可達飛秒量級。
基本上,此效應是將電場加在晶體上,改變其介電張量(dielectrictensor),因而使通過此晶體的光極化方向被調整,再利用極化器(polarizer)及分析器(analyzer),使極化之調變轉換成光振幅之調變,因此調變正比於外加電場。
普克爾效應只發生在光學性質是各向異性(anisotropic)的晶體中,也就是不具中心對稱的晶體才有此效應,例如:
砷化鎵(GaAs)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鋅化銻(ZnTe)等,而矽(Si)則無此效應。
由於普克爾效應的反應速度極快,因此與超快雷射結合後,亦可作高頻電子電路的量測,可利用半導體基底(substrate)本身的普克爾效應.,或是利用電光晶體,作成一針頭的形狀靠近待測電路,來偵測電路上的電場。
利用此效應的優點是量測的位置較有彈性,甚至積體電路的表面有保護層(passivation)時,亦可做量測,缺點則是靈敏度較差,因此,偵測出之信號雜訊較大。
對一些特定的積體電路,如:
天線即主動元件等,其電場方向之量測亦很重要,利用普克爾效應也可做到。
4、實驗器材:
1.He-Nelaser
2.Polarizer(P1,P2)
3.Pockelscell(內為KDP晶體)
4.高壓電源供應器
5.光度計
6.光具座
7.示波器
8.波形產生器
9.信號放大器(OPamp)
5、實驗步驟:
1.KDP光調製(EOM)組,基本特性的測量:
(1)實驗裝置圖:
圖2.1電光調制實驗裝置圖
(2)依照圖2.1的次序,將各光學元件與電路安裝完成,且完成光學路徑的準直工作。
(3)將PolarizerP2及Pockelscell自支架上移走,旋轉PolarizerP1使光感知器讀值為最大,此時雷射偏振方線與P1相同。
(4)將P2放入後,旋轉P2直到光度計讀值最小。
(5)將Pockelscell放入,旋轉cell直到光度計讀值最小,此時改變輸入電壓V,並不會改變光度計讀值,故可以確定Pockelscell中KDP晶體的光軸與入射光偏振面平行或垂直。
(6)紀錄Pockelscell旋轉台上的角度後,在順時針轉Pockelscell450。
(7)由零伏特開始增加輸入電壓,每10伏特記錄光度計讀值一次,直到輸入電壓為400伏特為止。
(8)緩慢的將電壓歸零,反轉輸入電壓,由零伏特開始下降,每下降10伏特記錄光度計讀值一次,直到輸入電壓為-400伏特為止。
(9)將上述資料,繪成T-V的影響曲線。
並由圖上求得1.Vλ/22.V0工作點電壓。
(Vλ/2與V0參見底下注意事項說明)
(10)估算Pockelscell中KDP晶體的幾何結構與尺寸,稍後利用公式推出KDP晶體電光係數值r6z。
(參見底下注意事項說明)
(11)在(5)的步驟後,架上補償器,並旋轉補償器,使改變補償器內部晶體厚度,並不會改變光度計的讀值時,將Pockelscell與補償器都旋轉45°,再重複(7)和(8)的步驟。
可以發現補償器可以提供相位,將整個正弦函數圖形平移,讓輸入電壓為零時的光讀計讀值亦為零。
(12)將直流電壓輸入改為放大器以及信號產生器,利用補償器將工作點調為200V,觀察各種輸入波形所產生的頻率響應,和輸出信號延遲,並記錄輸入頻率及示波器上的輸出電壓差。
2.EOM對頻率的響應:
由訊號產生器輸出正弦波(sinewave),經過信號放大器(opamp)放大50倍(電壓足以驅動EOM),調整補償器的光軸與厚度使工作點恰落於線性範圍中心。
頻率每增加10Hz,記錄輸出的強度,作頻率對強度圖。
6、數據分析及討論
數據:
1.光強度隨電壓之電光調制特性:
輸入電壓
光強度
輸入電壓
光強度
輸入電壓
光強度
輸入電壓
光強度
0
26
210
114
-10
30
-210
8.4
10
32
220
115
-20
25
-220
10
20
35
230
114
-30
22
-230
14
30
41
240
115
-40
18
-240
17
40
46
250
114
-50
15
-250
20
50
50
260
114
-60
11
-260
23
60
55
270
113
-70
9
-270
27
70
61
280
113
-80
7
-280
31
80
65
290
112
-90
5
-290
36
90
71
300
111
-100
3
-300
40
100
77
310
109
-110
2
-310
44
110
81
320
106
-120
1.4
-320
49
120
86
330
104
-130
0.777
-330
54
130
91
340
101
-140
0.693
-340
58
140
96
350
98
-150
0.814
-350
63
150
100
360
95
-160
1.2
-360
70
160
103
370
93
-170
1.8
-370
77
170
106
380
89
-180
2.6
-380
81
180
109
390
85
-190
4.7
-390
85
190
111
400
80
-200
5.9
-400
86
200
112
表2-1
圖2-2T-V影響曲線
其工作點電壓為50V
2.加入補償器後之特性:
輸入電壓
光強度
輸入電壓
光強度
輸入電壓
光強度
輸入電壓
光強度
0
6.4
210
64
-10
5
-210
23
10
8
220
65
-20
3.3
-220
26
20
10
230
67
-30
2
-230
29
30
12
240
68
-40
1.49
-240
33
40
15
250
70
-50
0.639
-250
36
50
17
260
71
-60
1.1
-260
39
60
20
270
72
-70
1.12
-270
43
70
23
280
73
-80
1.23
-280
47
80
26
290
73
-90
1.15
-290
50
90
29
300
74
-100
0.857
-300
55
100
33
310
73
-110
1.1
-310
57
110
36
320
74
-120
2
-320
61
120
39
330
73
-130
3
-330
64
130
42
340
73
-140
5
-340
67
140
45
350
73
-150
6
-350
70
150
49
360
71
-160
8
-360
73
160
52
370
70
-170
10
-370
75
170
56
380
69
-180
14
-380
77
180
60
390
67
-190
16
-390
80
190
62
400
66
-200
19
-400
81
200
64
表2-2
圖2-3加入補償器後之T-V影響曲線
其工作點電壓約為130V
3.EOM對頻率的響應:
頻率
光強度
頻率
光強度
頻率
光強度
頻率
光強度
40
0.040625
590
1.625
1140
1.54688
1690
1.25
50
0.059375
600
1.625
1150
1.54688
1700
1.25
60
0.0625
610
1.625
1160
1.54688
1710
1.25
70
0.103125
620
1.625
1170
1.54688
1720
1.25
80
0.1345
630
1.625
1180
1.54688
1730
1.21875
90
0.1345
640
1.625
1190
1.54688
1740
1.21875
100
0.16875
650
1.625
1200
1.54688
1750
1.21875
110
0.206
660
1.625
1210
1.53125
1760
1.21875
120
0.215625
670
1.625
1220
1.53125
1770
1.21875
130
0.275125
680
1.625
1230
1.53125
1780
1.21875
140
0.328125
690
1.75
1240
1.5
1790
1.21875
150
0.3625
700
1.75
1250
1.5
1800
1.21875
160
0.4
710
1.75
1260
1.5
1810
1.20313
170
0.459625
720
1.75
1270
1.51563
1820
1.20313
180
0.4625
730
1.625
1280
1.51563
1830
1.20313
190
0.50625
740
1.625
1290
1.51563
1840
1.1875
200
0.546875
750
1.625
1300
1.46875
1850
1.20313
210
0.671875
760
1.625
1310
1.46875
1860
1.20313
220
0.7185
770
1.625
1320
1.46875
1870
1.1875
230
0.7185
780
1.59375
1330
1.46875
1880
1.1875
240
0.76825
790
1.59375
1340
1.45313
1890
1.1875
250
0.76825
800
1.59375
1350
1.45313
1900
1.1875
260
0.86875
810
1.59375
1360
1.45313
1910
1.1875
270
0.86875
820
1.59375
1370
1.45313
1920
1.1875
280
0.86875
830
1.71875
1380
1.45313
1930
1.20313
290
0.975
840
1.71875
1390
1.45313
1940
1.20313
300
0.975
850
1.59375
1400
1.45313
1950
1.20313
310
1.01875
860
1.59375
1410
1.42188
1960
1.125
320
1.0375
870
1.59375
1420
1.42188
1970
1.15625
330
1.09375
880
1.59375
1430
1.42188
1980
1.125
340
1.09375
890
1.625
1440
1.42188
1990
1.60938
350
1.1825
900
1.625
1450
1.42188
2000
1.60938
360
1.1825
910
1.625
1460
1.39063
2100
1.07875
370
1.1825
920
1.79688
1470
1.39063
2200
1.07875
380
1.2065
930
1.79688
1480
1.39063
2300
1
390
1.2065
940
1.79688
1490
1.375
2600
0.921875
400
1.35625
950
1.79688
1500
1.375
3000
0.84375
410
1.35625
960
1.64063
1510
1.375
3300
0.71875
420
1.35625
970
1.64063
1520
1.34375
3700
0.640625
430
1.54688
980
1.64063
1530
1.34375
4000
0.640625
440
1.54688
990
1.64063
1540
1.32813
4300
0.625
450
1.54688
1000
1.54688
1550
1.32813
5000
0.453125
460
1.57813
1010
1.54688
1560
1.32813
6100
0.481875
470
1.57813
1020
1.54688
1570
1.3125
6600
0.40625
480
1.57813
1030
1.54688
1580
1.3125
7000
0.40625
490
1.57813
1040
1.54688
1590
1.3125
8000
0.359375
500
1.59375
1050
1.54688
1600
1.3125
9000
0.34375
510
1.59375
1060
1.54688
1610
1.3125
10000
0.3125
520
1.59375
1070
1.51563
1620
1.3125
12000
0.296875
530
1.59375
1080
1.51563
1630
1.3125
13000
0.234375
540
1.625
1090
1.51563
1640
1.29688
15000
0.21875
550
1.625
1100
1.54688
1650
1.29688
16000
0.21875
560
1.625
1110
1.54568
1660
1.29688
18000
0.1875
570
1.625
1120
1.54688
1670
1.29688
19000
0.1875
580
1.625
1130
1.54688
1680
1.25
20000
0.1875
表2-3
圖2-4頻率對強度圖
分析和討論:
1.電光調制的電壓與強度分布:
圖2-2及圖2-4為電光調制其電壓與光強度的分布圖,由圖2-2我們可
以看到光強度和輸入電壓是成一正弦波函數,其工作電壓在50伏特至70
伏特左右,在這範圍中附近,輸入電壓是和光的強度成正比的。
那我們再比
較加入補償器後有什麼不同,由圖形,我們可以看到加入補償器後,其圖形
會延遲而變成一餘弦波。
這原因是因為補償器內的晶體具有延遲波片的作
用,會讓X方向的偏極領先或落後Y方向的偏極,這就要視補償器內的晶
體性質而定。
2.頻率和強度的相對關係:
由此圖形我們可以觀測到EOM在頻率為950Hz之前都還能隨著頻率的加大而成正比上升,可是從950Hz之後就逐漸下滑到最後就幾乎成一直線而不會因頻率的變動而有所變動。
這是因為在950Hz之前EOM的振盪能跟得上訊號輸出器的頻率振盪,因此能隨著其頻率加快而成正比跟著加快,可是到後來就因為其頻率已逐漸跟不上訊號產生器的頻率振盪,所以其圖形之曲線便漸漸下滑,到最後因為EOM的振盪頻率已完全跟不上訊號產生器的頻率了,所以便停在那邊,不再因輸入的頻率而有所變動。
7、實驗注意事項
1.在外加電場的作用下,電光晶體的作用,相當於一個波晶片(waveplate),當線偏振光通過時,可利用輸入電壓V改變其偏振狀態,及正常光(ordinarylight)與非正常光(extraordinarylight)二者間的相位差。
隨外加電場大小而改變,配合其他光學元件,即可改變通過光的強度。
2..電光晶體折射率的空間分佈:
(1)晶體的光學性質,可由折射率橢圓方程式X2/nx2+Y2/ny2+Z2/nz2=1,來描述。
當外加電場時,不僅造成原主軸上的折射率大小發生變化,且主軸的方向也可能轉動,如此折射率橢球離開了原來的標準位置,需更改成X2/nx12+Y2/ny12+Z2/nz12+2YZ/n42+2XZ/n52+2XY/n62=1來描述。
Δ(1/ni2)=ΣrijEj,rij代表各方向上的電光係數。
(2)假設晶體在某方向上(例如為X軸)有反轉對稱(即有對稱中心),則外加電場Ex,在對稱中心的左方與右方,產生大小相等,方向相反的電光效應(總效應為零),使得此軸上的一次電光係數為零。
可知,rij中尚存有哪些不為零的項目,直接與晶體的對稱性質有關。
2.KDP電光晶體的橫向效應:
(1)橫向效應所使用的45°-Z切割晶體,取自KDP自然結晶中的部位與方向。
(2)在Z軸方向上加電場,使該晶體變成電致雙晶軸晶體,因此晶體是45°切割,所以新建立的光軸X`與Y`即是立方體的邊。
(3)現有一平面偏極光,垂直Y`Z平面射入晶體,偏振面與Z軸垂直為45°,當其進入晶體後,因nz≠ny光波將分成Ez與Ey`兩分量,當其通過晶體後,二分量間的相位差為δ=(2π/λ)l*(nz-ny`)=(2π/λ)l*(ne-n0)+(π/λ)(l/d)*n03r6zV。
(4)上式前項與外加電壓無關,是由KDP自然雙折射效應,所造成的相位移。
其後項才是與外加電場成正比的電光效應。
因為(ne-n0)項的存在,使相位差δ對溫度極端敏感,故不可單獨使用。
(5)為了減少45°-Z切割KDP晶體,橫向效應中,自然雙折射的延遲現象,該種晶體在使用時,經常成對出現,垂直偏極光與水平偏極光通過此晶體的相位延遲分別為2π*l*(ne+ny`)/λ,2π*l*(ne+nx`)/λ,則垂直偏極光與水平偏極光兩者的相位差2π*l*(nx`-ny`)/λ,δ=(2π/λ)*(l/d)*n03r6zV,如此即可抵銷自然雙折射現象,大大改善了電光調制晶體組的相位差,因溫度而漂移的特性。
(6)由δ的公式可知,利用切割技巧可提高l/d的比值,大幅降低了橫向效應的Vλ/2的驅動電壓。
又因外加電場方向恆與入射光方向垂直,晶體又不需要蒸鍍昂貴的透明電極,使得在實用上成本降低很多,故商品化的電光調制器多屬於此種類型。
3.一次電光效應,經常用來調制光的強度。
在外加電場的作用下,電光晶體的作用,相當於一個波晶片,當線偏振光通過時,可利用輸入電壓V改變其偏振狀態,即正常光與非正常光兩者間的相位差。
隨外加電壓大小而便,配合其他光電元件,即可改變通過光的強度其系統結構如下圖所示:
將450一Z切割之KDP晶體組,放在兩個正交偏振器P1與P2中間,P1的偏振軸與X’軸夾角450,由左方進入的光,經由P1成為線偏振光,當其通過KDP晶體組後,成為橢圓偏振光,P2將此橢圓偏振光在P2偏振軸上的分量,送入光感知器中,感知器即可將光強度信號轉換成電器信號。
4.光強度I與調制電壓V的關係:
(1)設光通過P1後,強度為2A02,當其通過KDP晶體後,依垂直與水平兩振動方向,分成快慢兩個分量,二者間的相位差δ=2π/λ*L/d*n03r6ZV
因Vλ/2=λd/2Ln03r6Z則δ=Vπ/Vλ/2。
---------(*)
(2)落在檢偏鏡上的兩個光波,波方程式可分別表示如下:
EZ=A0eiwt,EY’=A0ei(wt-δ)設通過檢偏鏡後,光的振幅為EP2,是上述兩個電場,在P2偏振軸上的分量和,則EP2可表示為:
EP2=2-1/2A0eiwt-2-1/2A0ei(wt-δ)
(3)光感知器接收到的是光的強度Iout則:
Iout=2(A0)2sin2δ/2
(4)將公式(*)代入上式,則整個光調製系統的透射率T=Iout/Iin=sin2(Vπ/2Vλ/2)
5.
(1)因前後兩個晶塊的幾何缺陷,物理特性與環境條件均不容易相同,使得透射率對電壓V之響應曲線,並不存在於標準位置,故T-V曲線如下圖所示:
8.參考數據:
六參考文獻:
1.A.Yariv,“OpticalElectronicsinModernCommunications”,chapter9,5thEd.(Oxford,1997).
2.A.YarivandP.Yeh,“OpticalWavesinCrystals”,(JohnWiley&Sons,1984).
七問題:
1.實驗步驟(10)中請說明你如何估算。
答:
由注意事項說明1-
(2):
假設晶體在某方向上(例如為X軸)有反轉對稱(即有對稱中心),則外加電場Ex,在對稱中心的左方與右方,產生大小相等,方向相反的電光效應(總效應為零),使得此軸上的一次電光係數為零。
可知,rij中尚存有哪些不為零的項目,直接與晶體的對稱性質有關。
和實驗注意事項2-(3):
現有一平面偏極光,垂直Y`Z平面射入晶體,偏振面與Z軸垂直為45°,當其進入晶體後,因nz≠ny光波將分成Ez與Ey`兩分量,當其通過晶體後,二分量間的相位差為δ=(2π/λ)l*(nz-ny`)=(2π/λ)l*(ne-n0)+(π/λ)(l/d)*n03r6zV。
及注意事項2-(5):
為了減少45°-Z切割KDP晶體,橫向效應中,自然雙折射的延遲現象,該種晶體在使用時,經常成對出現,垂直偏極光與水平偏極光通過此晶體的相位延遲分別為2π*l*(ne+ny`)/λ,2π*l*(ne+nx`)/λ,則垂直偏極光與水平偏極光兩者的相位差2π*l*(nx`-ny`)/λ,δ=(2π/λ)*(l/d)*n03r6zV
由以上的資料顯示,晶體的結構與尺寸對於本實驗的結果會有影響,所以我們可以由輸入電壓及光強度的對應,將之化為數據分析,再代入上述資料中之公式δ=(2π/λ)*
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