《光电子技术实验》讲义

光电子技术实验讲义光电子技术实验实 验 讲 义光信息教研室2012年9月目 录实验一 LD/LED的P-I-V特性曲线测试- 2 -实验二 光纤数值孔径测量实验- 8 -实验三 光源调制与解调实验10实验四 电光调制实验15实验五 声光调制实验19实验六、APD特性参数的测量25实验一 LD/LED的P-I-V特性曲线测试一、实验目的1、通过测试LD/LED的功率电流（P-I）特性曲线和电压电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith），掌握LED发光二极管和LD半导体激光器的工作特性。二、实验内容1、测试LD/LED的功率电流（P-I）特性曲线和电压电流（V-I）特性曲线。三、实验仪器1、LD激光二极管（带尾纤输出，FC型接口） 1只2、LED发光二极管 1只3、LD/ LED电流源 1台4、光功率计 1台5、万用表 1台四、实验原理激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写。1、半导体激光器的结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Eu和价带顶的能量El之间的能量差称为禁带宽度或带隙，不同的半导体材料有不同的带隙。本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的，N型半导体导带被电子占据的几率大，P型半导体价带被空穴占据的几率大。如下图（b）、（c）所示。图1 半导体激光器的电子和空穴分布半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为0.10.3m的窄带隙P型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N型和P型半导体，称为限制层。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的N层之间形成的是P-N异质结，而与左侧的P层之间形成的是P-P异质结，故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称DH结构。图2 半导体激光器的基本结构施加正向偏压后，就能使右侧的N层向有源层注入电子，左侧的P层向有源层注入空穴，但由于左侧的P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层，同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在0.10.3m的有源层内，形成了粒子数的反转分布。前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反转分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激发光子诱发更强的受激辐射。2、半导体激光器的主要特性（1）输出电压特性LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如下图所示：图3 激光器输出V-I特性曲线由V-I曲线我们可以计算出LD/LED总的串联电阻R和开门电压VT。（2）输出光功率特性激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I的关系曲线，既PI曲线表示。图4 LD/LED的P-I特性曲线在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因此，LD和LED的功率电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别。LED的P-I曲线基本上是一条近似的直线。从图5中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流Ith，只有在工作电流IfIth部分，P-I曲线才近似一根直线。而在IfIth部分，LD输出的光功率几乎为零。给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流子（电子）进行激发，当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。当注入电流达到一定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光(即相干光)输出，这个一定值称为阈值电流。阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。式中If为注入电流，为普朗克常数，为入射光频率，为光速，为入射光波长，e为电子电量，D为外微分量子效率，Ith为阈值电流，Pth为阈值功率。根据P-I曲线可以求出激光器的阈值电流Ith和外微分量子效率D：将P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜率为，由曲线求得斜率，可计算D。（3）温度特性激光器输出光功率是随温度而变化的，有两个原因：一是激光器阈值电流Ith随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率D随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，D减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动时，阈值电流Ith随温度的变化更加明显。阈值与温度的近似关系可以表示为：式中，为室温，为室温下的阈值电流，为特征温度。不同温度下，LD的P-I曲线如图3，根据此图可以求出LD的特征温度。 图5 LD温度特性曲线3、ZY-YSLD3125型激光器我们所用ZY-YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱F-P腔激光器LD，内置背景光探测器PD，这种激光器使用时具有下图所示四种型式：图6 LD激光器的四种形式图中，LD为激光器，PD为背景光探测器。PD-N side dwon的管是探测器PD的负（N）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，PD-P side dwon的管是探测器PD的正负（P）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，与激光器LD的负（N）相连的称为DVD型管，与激光器LD的正（P）相连的称为POINT型管。所用ZY-YSLD3125型激光器为PD-N side dwon的POINT型管，单模光纤同轴封装，带尾纤FC连接。性能指标如下表所示参数符号测试条件最小值典型值最大值单位额定功率PoutIop=Ith+200.21mW中心波长CW129013101330nm光谱宽度CW25nm阈值电流IthCW1015mA工作电流IopCWIth+20mA探测器电流ImCW100A探测器暗电流IdCW0.1nA 表中CW表示连续。管脚图如下图7 LD引脚说明：1.激光器正&管壳；2.激光器负；3.探测器负；4.探测器正。4、ZY-YSLED3215型LED发光二极管ZY-YSLED3215型LED发光二极管的性能指标如下表所示： 参数符号测试条件最小值典型值最大值单位额定功率PoutIF =60mA10W中心波长CW128013101350nm光谱宽度CW170nm工作电压VopCW1.21.7V上升下降时间Tr/TfCW3ns管脚说明如下：图8 LED引脚说明：1.管壳； 2.LED负；3.LED正5、ZY606型LD/ LED电流源本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各种中小功率LD的电流测试及老化测试。设备内部带APC(Automatic Power Control)电路及ACC(Automatic Current Control)电路，可以实现以下三种功能：1） LD电源；2） Iop及Im电流测试；3） LD恒功老化及恒流老化。图9 仪器前面板操作说明1) 本机只能对PD-N side down的LD进行测量，不能用来测量PD-P side down安装的激光器，否则会损坏激光器。2) 本机的一大特色是设备内部带APC（Automatic Power Control）电路，这种电路是LD在实际应用时通常采用的一种恒功控制电路。因此，一只LD在本机上所表现的直流特性，将与它在实际应用时的直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对LD进行寿命及稳定性考核。从而反映出LD在应用产品（如光通信模块、DVD激光头等）中工作时的稳定性。没有APC电路的设备，则不能实现上述功能。操作步骤1）通电之前，确保“粗调”“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。 2）确认LD或LED已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD或LED尚未发光。 3）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，LD射出激光。改调“细调”旋钮，可将LD输出调至要求的数值（用一台光功率计来测量LD的输出功率）。通过Iop显示窗口可以读出输出电流值，通过Im显示窗口可以读出探测电流值。注意：LED内部没有探测器，故不能用恒功档测试，只能用恒流档进行测试。 4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效，Im窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过Iop显示窗口可以读出输出电流值。5）恒功老化：将被测LD调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后工作电流的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。6）恒流老化：将被测LD调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后输出功率的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。五、实验步骤1、按图10所示线路连接LD或LED，其引脚说明见图7和图8。本实验没有采用积分球，可直接将LD或LED与光功率计连接，将LD或LED在暗室内放入光功率计的接口处图10连接框图2、通电之前，确保“粗调”、“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。实验中用到的LD是POINTER管，电流源要选择使用POINTER档位。开启LD的驱动电源，缓慢调节电流旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试LD两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录LD的电压值和光功率值。绘制LD的P-I曲线和V-I曲线。I(mA)0369121518U(V)P(uW)表1 4、开启LED的驱动电源（恒流档测量），缓慢调节“粗调”旋纽逐渐增加工作电流，并用万用表测试LED两端的电压值。每隔一定电流间隔，记录LED的电压值和光功率值。绘制LED的P-I曲线和V-I曲线。I(mA)0102030405060U(V)P(uW)表2 六、思考题1、串联电阻R对于LD/LED的应用性能有何影响？2、为什么LD/LED的输出特性有较大差异？实验二 光纤数值孔径测量实验一、实验目的1、熟悉光纤数值孔径的定义和物理意义；2、掌握测量光纤数值孔径的方法。二、实验内容1、测量光纤数值孔径（强度数值孔径）。三、实验仪器1、ZY12226B型光纤数值孔径测试实验仪 1套四、实验原理1、光纤的几何构造一般裸光纤具有纤心，包层及敷层（外套）的三层结构，芯和包层由硅玻璃组成，典型单模光纤的芯径为4-8m，多模光纤为50-100m，几何形状为圆对称，包层直径一般达百微米以上，敷层是一个保护外套，直径一般达百微米或几百微米，由塑料制成，也有用极薄的清漆或丙烯酸制作。本实验用的光纤为塑料光纤，纤芯的直径为1mm，保护外套直径为约2.2mm。2、光纤的数值孔径假设光线以入射角进入纤芯，如果纤芯的折射率比包层折射率稍大，则进入纤芯的光线在纤芯与包层界面上有可能发生全反射，设这个临界角为，应有设数值孔径角，由Snells定理因此光纤的数值孔径如同对微透镜或成像透镜的数值孔径定义一样，是入射介质的折射率与最大收光角正弦的乘积这与上式同义，故有定义分数折射率差弱导时有此即为弱导近似下，阶跃型光纤数值孔径理论公式。EIA（Electronic Industries Association）建议，根据接收光功率最大值的5% 取值。以上是对于理论而言，实际测量的是有效数值孔径，有效数值孔径分强度数值孔径和功率数值孔径：强度数值孔径：用实验的方法测出光纤远场中角强度的分布，把5%最大强度所对应的半角正弦做为强度数值孔径NA。功率数值孔径：用实验的方法测出光纤出射光锥总功率90%所对应的半角正弦，称功率数值孔径NA。强度数值孔径测量示意图如图1所示：图1 强度数值孔径测量示意图五、实验步骤1、本实验装置的旋转调节台的细调角度为0-35，先顺时针旋转旋转调节至底部，然后逆时针约5，此时使用旋转粗调，调整发射与接收光纤的对准位置，目测使其准直。2、按照实验一的步骤准直装置组件，驱动电流调至5mA，发射与接受光纤之间的间距调至6mm。3、记录此时最大的输出电压V1和旋转台上的标注的角度值1，计算最大输出电压的5%所对应的最小输出电压V2。4、逆时针调节旋转调节旋钮，不断观察输出显示电压，当输出电压达到最小输出电压的时候停止调节。5、读取旋转调节架上的角度读数2，计算孔径角=2-1，计算光纤数值孔径NA=sin。6、重复步骤1、2、3，顺时针调节旋转调节旋钮，每0.5记录一组数据（角度和输出电压），绘制角度与输出电压的关系曲线。7、恒流驱动调至最小，关闭电源，还原实验装置。六、思考题 1、本实验中影响光纤数值孔径测量精度的因素主要有哪些？- 11 -编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第31页 共32页实验三 光源调制与解调实验一、实验目的1、了解光源调制及其解调的原理2、了解光源调制及其解调的实现方法二、实验内容1、幅度调制解调实验2、脉冲调制解调实验3、光音频调制解调实验三、实验仪器1、光源及光调制解调实验仪 1台2、20M双踪示波器 1台3、连接导线 若干4、电源线 1根四、实验原理1、调制的基本概念调制就是使载波的某一参量(例如其幅度、频率、相位等)按欲传输信号规律变化的过程。调制不仅可以使光信号携带信息，从而具有与背景辐射不同的特征，便于抑制背景光的干扰，而且可以抑制系统中各环节的固有噪声和外部电磁场的干扰。因此采用调制的光电系统在信号的传输和探测过程中，具有更高的探测能力。光波的调制形式很多，可以分为三类：模拟调制、脉冲调制和数字调制。 在模拟调制形式中，信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振，因此在任何时刻，信息信号的幅度与波参数的幅度之间都有一对应的关系。模拟调制包括调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种方式。其中调频和调相又称为调角，如图1所示；调频(或调角)系统比调幅系统有较高的抗干扰能力。在调频系统中，噪声叠加在信号幅度上，可以通过限幅去削掉一部分噪声而不影响信息的检出。但是调幅系统实现起来相对简单一些。 图1 模拟调制 图2 脉冲调制脉冲调制和数字调制则是对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，而用脉冲序列作载波。如图2所示，在脉冲调制中，脉冲序列的某一参量随低频调制信号的变化而变化。脉冲调制主要有脉冲调幅(PAM)、脉冲调宽(PWM)、脉冲调频(PFM)和脉冲调位(脉冲调相或脉冲时间调制PPM)等形式。数字调制本实验不做讨论。2、解调的基本概念解调就是将调制后的信号还原。本实验仪通过光电探测器接收调制光信号，然后通过放大处理电路将调制之后的信号还原。锁相环解调原理：锁相环芯片使用LM567(其它型号有NE567、JRC567等)。LM567 为通用音调译码器，当输入信号于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由 I与 Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。 主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。 其内部电路如图3。图3 LM567内部原理图4为红外接收解调控制电路。图中，IC2 是 LM567。LM567 是一片锁相环电路，采用 8 脚双列直插塑封。其、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率 f2，f21/1.1RC。其、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的 2 倍。脚是输入端，要求输入信号25mV。脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为 100mA。LM567 的工作电压为4.759V，工作频率从直流到 500kHz，静态工作电流约 8mA。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当 LM567 的脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，脚由高电平变成低电平，脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号。在图 4 的电路中我们仅利用了 LM567 接收到相同频率的载波信号后脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。图4 红外接收解调控制电路五、实验步骤注意事项1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常工作。2、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。实验仪介绍（1）面板各功能模块介绍麦克风放大电路：麦克风接入音频插孔，通过麦克风产生音频信号经过放大电路后由T9孔输出，输出信号可通过实验仪配套连接线引出。输出音频信号大小可以通过该电路模块的音量调节钮控制。（2）音频放大电路：T20孔输入音频信号，经过放大后直接驱动扬声器发声。音量大小可以通过该模块音量调节旋钮控制。（3）波形发生电路：该模块电路用来产生方波和正弦波信号，分别通过T1和T2对应输出，TP1和TP2用来接示波器观测对应输出波形，GND接示波器地。调节频率调节旋钮可以调整输出信号频率。J2上黑色短路块用来选择输出频率范围：从上之下共三档，范围分别是1-100Hz，10-1KHz，50-8KHz。（4）脉冲调制电路：该电路用于将波形发生电路输出的方波信号调制成红外光信号，通过 TPP测量其波形。（5）幅度调制电路：该电路用于将波形发生电路输出的正弦波信号和麦克风放大电路输出的音频信号调制成红外光信号输出。通过TPA测量其波形。（6）放大电路：该电路将光接收输出信号进行放大。通过TP_PD可测量放大器输入信号，TP3用来观测对应输出波形。该电路调节旋钮用来调整放大增益。（7）判决电路：由于方波信号经过调制解调后信号出现畸变，通过该电路可以将发生畸变的方波信号23整形还原成方波信号。T15为信号输入端，T16为信号输出端，TP4用来观测对应输出信号。该电路调节旋钮用来调节判决电平。（8）锁相环电路：该电路输入方波信号，当输入方波信号与锁相环中心频率一致时，T19孔输出高低电平控制信号。该电路调节旋钮用来调整锁相环中信频率，TP6用来观测中心频率信号。TP5用来观测锁相环输出信号。（9）信号指示电路：当T17孔输入高低电平时，对应发光二极管发光或者熄灭。（10）光发射和光接收。光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。（11）电源模块：可以提供+5V/0.5A、-5V/0.5A和+12V/0.5A、-12V/0.5A电源。1）波形产生实验1、 打开实验仪电源开关，用示波器探头同时观测TP1（对应方波信号）和TP2（对应正弦波信号）。2、 J2短路块短接J2最上面两个引脚，调节频率调节旋钮，观测输出信号频率变化范围。3、 关闭电源开关。4、 J2短路块短接J2中间两个引脚，重复步骤1、2、3。5、 J2短路块短接J2最下面两个引脚，重复步骤1、2、3。2）幅度调制解调实验1、将光发射模块上的开关拨到幅度调制一端。2、波形发生电路正弦波输出端T2孔用导线连接至幅度调制模块的信号输入端T6孔。3、光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。4、打开电源，用示波器同时观察TP2（正弦波信号）和TP3（放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放大倍数，直至输出信号（TP3）效果最好为止。5、对比调制之前的正弦波信号和解调放大之后的正弦波信号并分析。6、挡住光路，对比调制之前的正弦波信号和解调放大之后的正弦波信号并分析。7、关闭电源。拆除所有连线。3）脉冲调制解调实验1、将光发射模块上的开关拨到脉冲调制一端。2、波形发生电路方波输出端T1孔用导线连接至脉冲调制模块的信号输入端T3孔。3、光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。4、打开电源，用示波器观察TP3（放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放大倍数，直至输出信号效果最好为止。关闭电源。5、放大电路输出端T14通过导线连接至判决电路输入端T15，用示波器观察TP4（判决电路输出信号）。打开电源，调节判决电路旋钮，直至输出占空比大约50%的方波。关闭电源。6、判决电路输出端T16通过导线连接至信号指示电路输入端T17。7、打开电源，将波形频率从最低开始调节，观察对比脉冲调制指示灯和信号指示电路指示灯变化情况并分析。8、挡住光路，观察对比脉冲调制指示灯和信号指示电路指示灯变化情况并分析。9、关闭电源。拆除所有连线。4）锁相环解调实验1、打开电源，用示波器观察TP6（锁相环中心频率信号）。调节锁相环电路旋钮观察并记住中心频率调节范围。波形发生电路J2短路块短接中间两个引脚，用示波器观测TP1（方波输出信号），调节频率调节旋钮，使输出方波频率在锁相环中心频率范围内，关闭电源。2、波形发生电路方波输出端T1孔用导线连接至脉冲调制模块的信号输入端T3孔。3、光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。将光发射模块上的开关拨到脉冲调制一端。4、打开电源，用示波器观察TP3（放大电路输出信号）。调节放大电路旋钮可以调整放大倍数，直至输出信号效果最好为止。关闭电源5、打开电源，放大电路输出端T14通过导线连接至判决电路输入端T15，用示波器观察TP4（判决电路输出信号）。打开电源，调节判决电路旋钮，直至输出占空比大约50%的方波。关闭电源。6、判决电路输出端T16通过导线连接至锁相环电路输入端T17。锁相环电路输出端T19通过导线连接至信号指示电路输入端T17。7、打开电源，用示波器观测TP6（锁相环中心频率信号），调节锁相环电路旋钮使中心频率信号和方波信号频率相等。8、遮挡光路，观察信号指示电路指示灯变化。用示波器观察TP5（锁相环输出）信号变化，分析锁相环工作过程，及其应用场合。9、关闭电源。拆除所有连线。5) 音频实验1、将麦克风（也可以将其它音源设备输出）接至麦克风放大电路输入端（音频插孔），麦克风放大电路输出端T9通过导线连接至音频放大电路输入端T20。2、打开电源，对着麦克风说话或播放音乐，调节两个音量调节旋钮，直至输出音量适中。分析音频传输过程。3、关闭电源，拆除所有连线。6) 音频调制解调实验1、将麦克风（也可以将其它音源设备输出）接至麦克风放大电路输入端（音频插孔），麦克风放大电路输出端T9通过导线连接至音幅度调制电路输入端T6。将光发射模块上的开关拨到幅度调制一端。光发射通过5芯屏蔽线与HK_1相连接。光接收通过5芯屏蔽线与HK_2相连。将光发射模块上的开关拨到幅度调制一端。2、放大电路输出端T14通过导线连接至音频放大电路输入端T20。3、打开电源，对着麦克风说话或播放音乐，调节两个音量调节旋钮和放大电路旋钮，直至输出音量适中。分析音频调制解调过程。4、遮挡光路，观察输出音频变化，并分析。5、关闭电源，拆除所有连线。六、思考题1、解调出来的信号会发生畸变，分析原因。2、根据锁相环原理，设计单路红外遥控电路。实验四 电光调制实验一、实验目的1、理解电光调制器的结构和工作原理，掌握晶体电光调制实验方法。2、实现模拟光调制。二、实验内容1、组装电光调制实验装置。2、模拟光调制。三、实验仪器1、铌酸锂电光调制器 1套2、起偏器 1个3、检偏器 1个4、1/4波片 1个5、He-Ne激光器（带电源） 1台6、光电探测器 1个7、ZY605电光调制器 1台8、ZYEOM-II-SS信号源 1太9、双踪示波器 1台10、音频信号源 1个四、实验原理1、横向电光效应由晶体光学原理可知，对于横向电光效应，在加上电压之后，晶体旋转后的两个主轴方向和方向的折射率要发生变化，不再相等。因而沿和方向振动的光的传播速度也不相等，这样在经过长为厚为的晶体后要产生相位差。经数学推导，有如下表达式：上式中第一项表示天然双折射造成的相位差，第二项由电光效应引起，为电光延迟。是光通过晶体在主轴和方向传播的相位差；V是沿垂直晶体光轴方向加上的电压。为晶体的横向半波电压，对一定传播长度而言，与晶体的厚度成正比，晶体越薄，则横向半波电压越小，越容易实现电光调制。2、横向电光调制器结构图1 横向电光振幅调制器典型的电光振幅调制器结构如图1所示。P、Q分别为起偏器和检偏器，能将寻常光转换为与偏振片偏振方向相同的偏振光。二者结构相同，但偏振方向相互垂直。P的偏振方向平行于晶体的x主轴，Q的偏振方向平行于晶体的y主轴。在P、Q之间放置铌酸锂电光晶体和1/4波片。3、调制原理加上横向电场后，铌酸锂电光晶体的感应主轴分别旋转到与原主轴成45的夹角方向和。入射光经过P后分解成沿和轴两个相位和振幅都分别相等的分量。若入射光的输入光强，则输出光强=22sin2(/2)。所以透过率： 图2 电光信号调制曲线由T-V曲线图可以看出，其关系曲线是非线性的，所以必须选取合适的调制工作点，否则调制光强将发生畸变。但是在附近有线性关系，因此在实际使用时，必须设法使调制器工作在这段线性部分。在中间加入1/4波片，使得在和两个分量间的相位差，此时透过率为：式中电压V在直线部分变动，由于调制电压值一般远小于半波电压,即VV,因而上式可近似为这表明在一个小的正弦调制电压的作用下，就会使已调制光波的强度变化与调制信号成线性关系，那么光强的变化就能正确的反映信号的变化。当V0时，透过光强I0；当V=V时，透过光强最大；V=V/2时，透过的光强为最大值的一半。下图为加波片和不加波片的区别示意图由图可见,加波片相当于给调制器增加了一个直流偏压,从而使调制器的工作点移到这一中心点，在此工作点附近，输出光强度随外加电压的变化近似线型，于是很小的正弦信号就能引起不畸变的正弦输出调制光强。五、实验步骤1、实验装置如图3所示；2、按如图所示布置好光路的各元器件，打开氦氖激光器电源开关，调整底座高度，使输出的光束依次通过起偏器、电光调制晶体、波片、检偏器后，光束落在探测器接收区域，将探测器与示波器的CH1/CH2相连，直接观察此时有无光照的情况下示波器波形的变化。3、将ZY605电光调制器信号源的信号输出CH1/CH2输出电缆与示波器相连，将信号源的输出信号设置为峰-峰值=80V左右，频率设置为1KHZ，关闭电源。4、将ZY605电光调制器信号源的信号输出CH2输出电缆线与电光调制器相连。5、打开信号源开关，调整起偏器和检偏器，使之成正交，再调整1/4波片，观察示波器的波形，直到调制出来的波形清晰且无失真为止。图4 实验装置图改变信号源的输出频率，输出一定频率的正弦波，观察调制光的波形，记录所观测到的波形。7、调节此正弦信号的幅度，记录波形的变化。8、将信号源改为音频信号，通过信号源及音箱定性观察音频信号的调制与解调。六、思考题1、上述实验中1/4波片的作用是什么？2、实验过程中去掉起偏器或检偏器能否观察到实验现象？为什么？实验五 声光调制实验一、实验目的1、理解声光调制器的结构和工作原理，掌握晶体声光调制实验方法。2、掌握声光调制中各项测量参数的测量方法。3、实现模拟信号声光调制与解调。二、实验内容1、声光调制光路调整。2、声光效应参数测量。3、模拟信号声光调制与解调。三、实验仪器 1、声光调制实验仪 一台 2、示波器 一台四、实验原理若有一超声波通过某种均匀介质，介质材料在外力作用下发生形变，分子间因相互作用力发生改变而产生相对位移，将引起介质内部密度的起伏或周期性变化，密度大的地方折射率大，密度小的地方折射率小，即介质折射率发生周期性改变。这种由于外力作用而引起折射率变化的现象称为弹光效应。弹光效应存在于一切物态。如上所述，当声波通过介质传播时，介质就会产生和声波信号相应的、随时间和空间周期性变化的。这部分受扰动的介质等效为一个“相位光栅”。其光栅常数就是声波波长s，这种光栅称为超声光栅。声波在介质中传播时，有行波和驻波两种形式。特点是行波形成的超声光栅的栅面在空间是移动的，而驻波场形成的超声光栅栅面是驻立不动的。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。到达另一端时，如果遇到吸声物质，超声波将被吸声物质吸收，而在声光晶体中形成行波。由于机械波的压缩和伸长作用，则在声光晶体中形成行波式的疏密相间的构造，也就是行波形式的光栅。当超声波传播到声光晶体时，它由一端传向另一端。如果遇见反声物质，超声波将被反声物质反射，在返回途中和入射波叠加而在声光晶体中形成驻波。由于机械波压缩伸长作用，在声光晶体中形成驻波形式的疏密相同的构造，也就是驻波形式的光栅。声光效应是指光通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。布拉格声光调制如果声波频率较高，且声光作用长度较大，此时的声扰动介质也不再等效于平面位相光栅，而形成了立体位相光栅。这时，相对声波方向以一定角度入射的光波，其衍射光在介质内相互干涉，使高级衍射光相互抵消，只出现0级和1级的衍射光，这就是布拉格声光衍射，如图1所示，这种衍射形式效率较高，有利于制成各种实用器件。图1 布拉格声光衍射下面从波的干涉加强条件来推导布拉格方程。为此，可把声波通过的介质近似看作许多相距s的部分反射、部分透射的镜面。对于行波场，这些镜面将以速度s沿x方向移动（因为mc所以在某一瞬间，超声场可近似看成是静止的，因而对衍射光的分布没影响）。对驻波超声场则完全是不动的。当平面波以i入射至声波场，在B、C、E各点处部分反射，产生衍射光。各衍射光相干增强的条件是它们之间的光程差应为其波长的整数倍，或者说必须同相位。图2表示在同一镜面上的衍射情况，入射光在B、C点的反射光同相位的条件必须使光程差AC-BD等于光波波长的整数倍，即 (1)图2 入射光束在镜面上发生衍射要使声波面上所有点同时满足这以条件，只有使 (2)即入射角等于衍射角才能实现。对于相距s的两个不同的镜面上的衍射情况，由上下面反射的反射光具有同相位的条件，其光程差FE+EG必须等于光波波长的整数倍，即 (3)考虑到，所以 或 (4)式中，i=d=B，B称为布拉格角。可见，只有入射角等于布拉格角B时，在声波面上的光波才具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值，上式称为布拉格方程。由于发生布拉格声光衍射时，声光相互作用长度较大，属于体光栅情况。理论分析表明，在声波场的作用下入射光和衍射光之间存在如下关系 (5)式中Ei和Ej分别为入射和衍射光场，这为我们描述两个光场的能量转换效率提供了方便。定义：在作用距离L处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率，即 (6)由于，注意到。因此，(6)式可写为 (7)式中是传播距离L后位相改变量。引入有效弹光系数pe和有效应变Se， (8)其中有效应变Se同声波场强度Is的关系是 (9)式中是声速，是介质密度。于是(2.29)式写成 (10)或 (11)式中，M2是声光介质的物理参数组合，是由介质本身性质决定的量，称为声光材料的品质因数(或声光优质指标)，它是选择声光介质的主要指标之一。从(4)式可见：(a)若在超声功率Ps一定的情况下，欲使衍射光强尽量大，则要求选择M2大的材料，并且，把换能器做成长面较窄（即L大H小）的形式；(b)如果超声功率足够大，使达到/2时，100%(c)当Ps改变时，I1/I0也随之改变，因而通过控制Ps(即控制加在电声换能器上的电功率)就可以达到控制衍射光强的目的，实现声光调制。四、实验步骤1、光路的调节(1) 在光具座的滑座上放置好激光器和光电接收器，并安装好声光调制器的载物台；(2) 按系统连接方法将激光器、声光调制器、光电接收器等组件连接到声光调制电源箱；(3) 光路准直：打开电源开关，接通激光电源。用光阑来调整光路，先将半导体激光器放置在导轨零点处锁定，把光阑拉到激光器附近，再由近及远，观察激光光斑打在光阑上的位置，调整激光器调整架的前后两个螺丝，使激光光斑打在由近及远光阑上的位置保持一致，反复调节，使得一定距离内激光束是平行光；(4) 将声光调制器的通光孔置于载物平台的中心位置，调整好高度，使得激光束刚好通过通光孔；(5) 调整光电探测器的高度，使得激光束落在光电传感器中心。2、观察声光调制的衍射现象（1）调节激光束的亮度，使在相屏中心有明晰的光点呈现，此即为声光调制的0级光斑；（2）打开声光调制电压，此时以80MHz为中心频率的超声波开始对声光晶体进行调制；（3）微调载物平台上声光调制器的转向，以改变声光调制器的光束入射角，即可出现因声光调制而出现的衍射光斑；（4）仔细调节光束对声光调制器的角度，当+1级（或者1级）衍射光最强时，声光调制器即运转在布拉格条件下的偏转状态。注：布拉格衍射一级衍射达到极值的条件是：1)控制电压为一特定的值；2)入射激光必须以特定的角度布拉格角入射。3、观察交流信号调制特性打开信号发生器，输入交流的正弦波信号。加法器把直流偏压和信号发生器的交流电压叠加在一起输出到线性声光调制器上，在示波器上可看到被调制的半导体激光的正弦波，测出示波器上信号波的相对幅度。改变直流偏压的大小或增加信号发生器的信号强度，观察输出波形的调制特性。不失真波形 下失真波形 上失真波形4、声光调制与光通讯实验演示 在驱动源输入端加入外调制信号（如音频信号、文字和图像等），则衍射光强将随次信号变化，从而达到控制激光输出特性的目的，实现模拟光通信和图像处理。5、测量声光调制器的衍射效率定义：在作用距离处衍射光强和入射光强之比为声光衍射效率。衍射效率，其中为最大衍射光强，为0级光强。6、计算声光调制偏转角定义1级光和0级光间的距离为d，声光调制器到接收孔之间的距离为L,由于Ld，即可求出声光调制的偏转角： 7、测量超声波的波速将超声波频率F，偏转角与激光波长代入，其中F=80MHz，将求出的一起带入上式即可求得。六、注意事项1、调节过程中必须避免激光直射人眼，以免对眼睛造成危害。2、供电电源应提供保护地线，示波器的地线需与系统良好连接。3、为防止强激光束长时间照射而导致光敏管疲劳或损坏，调节使用后需要随即用塑盖将光电接收孔盖好。七、思考题1、上失真和下失真出现的原因是什么？2、声光调制偏转角测量实验可以如何进行改进以提高测量精度？实验六、APD特性参数的测量一、实验目的1、加深对雪崩光电二极管工作原理的理解。2、掌撑雪崩光电二极管暗电流、光电流的测量方法。3、理解雪崩光电二极管光照特性曲线，并掌握其光照特性测量方法。二、实验内容1、测试APD的暗电流、光电流及光电特性。三、实验仪器1、APD光电二极管实验箱 一台四、实验原理1、雪崩光电二极管(APD)的结构- 雪崩光电二极管(APD)的结构与PINPD不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子空穴对，在反向时夹在I 层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区（雪崩区）,耗尽层仍为I层，起产生一次电子空穴对的作用。- Si-APD最典型的结构是拉通型RAPD如图1所示，有四层结构：高掺杂的N+型半导体，为接触层；P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；轻掺杂半导体层，为漂移区（光吸收区）；高掺杂的P+型半导体，为接触层。图1 RAPD的结构2、雪崩光电二极管(APD)的工作原理-SAM-APD管有四层结构：高掺杂的N+型半导体，为接触层；P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸收区）；高掺杂的P+型半导体，为接触层。- - 当外加的反向偏压(约100V150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到PN结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达105V/m，已经高出碰撞电离的电场。SAM-APD管在外加的反向偏压(约50V150V)下的场分布如图1-1所示。- 此时若光从P+区照射，则和PIN一样，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空穴对。如图2所示。雪崩光电二极管具有光生伏特效应，当有入射光作用时，光子的能量大于或等于带隙（），在耗尽层区、n区和P区都会发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带形成光生电子-空穴对。若电子-空穴对在耗尽层内，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。若电子-空穴对在耗尽层两侧没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成与漂移电流相同方向的电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流的总和即为光生电流。若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在N区和P区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N区过剩的电子通过外电路流向P区，同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。图2 光子在I层被吸收产生电子、空穴对这里，光生电流信号的大小与入射光子的数量有关系。另一方面，我们还知道了雪崩光电二极管工作时，一般加反向偏压，加反向电压后可以提高雪崩光电二极管的响应度，改变固有的电子动动速度。因此，理论上讲偏压的大小也能够影响光生电流的大小。3、雪崩光电二极管光照特性雪崩光电二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过雪崩光电二极管的电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如图3-1所示。这就是雪崩光电二极管的光照特性。图3 光照特性曲线五、实验步骤1、暗电流测量（1）用航空插座连接线与APD原理实验箱上的“APD输入”接口相连，使用同轴电缆线进行连接LED1与光源；将高压调节、光照度调节电位器逆时针调节到最小为止。 图4 APD光电二极管测量原理图（2）按光路结构图进行组装好光路，（3）将“静态特性测试/时间特性测试”开关（以下简称“静态/时间”开关）打到“静态特性测试”档；（4）将高压开关打到开，缓慢调节高压调节旋钮至电压表显示为155V，记下此时电流表的显示值，该值即为APD光电二极管在155V时的暗电流；（在调节偏压时请慢慢进行调节，调节时注意电压表上显示的电压值，请不要调节超过160V，超过160V可能会造成APD器件的损坏）（5）将高压调节旋钮逆时针调节到零2、光电流测量（1）将“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；将光源与照度计探头旋接，并与实验箱上的“LED2”相连。（2）将高压开关打至开，缓慢调节高压调节旋钮，将高压调节至150V。光照度调节为0Lx,如照度不为零请调节照度表右边的调零电压器将其调至为零。（3）缓慢调节光照度电位器，分别记下照度在10Lx,20Lx,30Lx,40Lx时的电流值。缓慢调节高压调节旋钮，分别记下电压为120V,125V，130V，135V，140V，145V和150V时的电流值照度电流偏压102030405060708090100110120125130135140145150（4）将高压调节旋钮逆时针调节到零；光照度调节旋钮逆时针调节到零；3、光照特性测量（1）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；（2）调节光照度调节旋钮使照度表显示为1lx。（3）缓慢增加电压至150V，记下此时的电流值；再将电压逆时针调节到零。（4）重复步骤（2），依次记下