實(shí)驗(yàn)名稱：PMN-PT透明陶瓷在電光調(diào)制領(lǐng)域的應(yīng)用探索

測(cè)試目的：

PMN-PT透明陶瓷具有優(yōu)良的電光性能，但由于制備高透明陶瓷的難度，其在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少。為了探索其在光通信中的應(yīng)用，我們基于Sm摻雜含量0.5%mol的PMN-PT透明電光陶瓷設(shè)計(jì)了一款電光調(diào)制系統(tǒng)。圖1(a)是該信號(hào)傳輸裝置的示意圖。從左到右依次是632nm的He-Ne激光器，起偏器，透明電光陶瓷，檢偏器，硅光電池及后續(xù)二級(jí)放大電路。信號(hào)發(fā)生器用來產(chǎn)生初始信號(hào)，示波器可以直觀觀察到發(fā)送和接收到的信號(hào)，電腦端使用了自己編的LabVIEW程序可以將信號(hào)顯示到屏幕上。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、He-Ne激光器、起偏器、電光陶瓷、電腦等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：(a)電光開關(guān)的原理示意圖(b)光強(qiáng)隨電場(chǎng)的變化

圖1(a)是電光開關(guān)的原理示意圖。如圖所示，將電光材料放置于兩相互垂直的偏振片之間時(shí)，在未加電場(chǎng)時(shí)，由于起偏器檢偏器相互垂直，理論上激光不能透過檢偏器，但是當(dāng)在電光材料上施加一電場(chǎng)時(shí)，由于電光效應(yīng)使得通過電光材料的偏振光的偏振態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而可以有一部分光透過檢偏器，透過光的強(qiáng)弱可以通過施加的電場(chǎng)大小來調(diào)控。當(dāng)施加的電壓為半波電壓時(shí)，o光和e光相位差達(dá)到180度，光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，此時(shí)透射出透明陶瓷的光的偏振方向與檢偏器平行，光強(qiáng)達(dá)到峰值，如圖1(b)所示。

如圖2所示，我們可以通過高壓放大器將信號(hào)電壓施加到材料的兩端，利用材料本身的電光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的調(diào)制，解調(diào)端利用光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號(hào)解調(diào)為電信號(hào)，通過串口將信號(hào)發(fā)送到電腦復(fù)原并顯示出來，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的傳輸。

圖2：電光調(diào)制系統(tǒng)原理示意圖

在試驗(yàn)過程中的信號(hào)解調(diào)部分，為降低調(diào)制電壓，提高接收端的靈敏度，我們使用了一個(gè)二級(jí)放大電路，如圖3所示，使用了一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)比例運(yùn)算放大電路和一個(gè)同相比例放大電路相結(jié)合的二級(jí)放大電路，可以實(shí)現(xiàn)小信號(hào)下實(shí)現(xiàn)100倍的增益，同時(shí)在后端加入一加減運(yùn)算電路，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的偏置調(diào)節(jié)，這樣就可以任意調(diào)整閾值，可以最大程度的減小環(huán)境光強(qiáng)對(duì)其的影響。通過此放大電路，我們實(shí)現(xiàn)了低電壓條件下電光信息調(diào)制，我們將調(diào)制電壓控制在0.5kV/cm以內(nèi)，后續(xù)可以進(jìn)一步提高靈敏度，控制環(huán)境光強(qiáng)，電場(chǎng)還可以更低，在本文中，因?qū)嶒?yàn)環(huán)境等原因，僅使用0.5kV/cm電場(chǎng)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

圖3：信號(hào)接收端放大電路電路圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

模擬信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際光路圖和信號(hào)對(duì)比圖，我們使用手機(jī)藍(lán)牙作為信號(hào)的輸入端，將模擬信號(hào)加載到陶瓷片兩端，通過電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的調(diào)制后，采集原始信號(hào)和光強(qiáng)信號(hào)，如圖4(b)所示，可以看出，原始音頻信號(hào)和經(jīng)調(diào)制后的激光信號(hào)的波形基本保持一致，說明經(jīng)本PMN-PT透明電光陶瓷調(diào)制后的音頻信息具有很好的保真度。

圖4：(a)電光調(diào)制音頻信息傳輸實(shí)際光路和電路示意圖(b)音頻信號(hào)原始數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)對(duì)比

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審核編輯 黃宇