电光调制通信的频谱测量

李潮锐

(中山大学 物理学院，广东 广州，510275)

电光调制通信的频谱测量

李潮锐

(中山大学 物理学院，广东 广州，510275)

晶体电光调制的物理基础是电光效应. 通常在测量半波电压的基础上，进而观测线性区音频调制信号的通信特性. 尽管线性区域具有实际应用价值，但是非线性区的谐波调制频谱分析丰富了实验教学内容. 通过对通用教学装置技术改进，结合使用锁相放大技术，实现了直流光电流、谐波调制通信的基频和倍频信号随偏压变化的全区域同步测量. 实验结果直观准确地显示了电光效应半波电压和调制通信的最佳偏置电压. 由此可见，层次化测量技术配置不仅拓展实验教学方法，也将使同一实验项目针对不同学习对象可以具有个性化的教学定位和教学内容.

电光效应；频谱测量；锁相技术；直流偏置

电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，由于极化而使晶体折射率发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变. 晶体电光效应及其调制通信是近代物理实验课程广泛采用的教学内容之一. 在教学实施过程中，通常在测量半波电压[1-4]的基础上，进而观测音频调制信号在线性区的传输特性. 随着教学实验装置的技术改进，从语音播放的定性监听，到谐波调制通信基频和倍频信号的观测记录[5]，既丰富了实验教学内容又实现物理测量定量分析目的. 由此可见，合理的实验技术硬件配置将使同一实验项目针对不同学习对象可以具有个性化的教学定位和教学内容. 对于非物理专业或物理专业低年级实验教学(或演示教学)，语音播放实现对物理过程的定性或半定量观测；对于物理专业高年级实验教学，解调谐波的频谱分析加深对物理现象的理解和定量描述.

电光效应实验操作的主要难点在于激光束通过晶体光轴的准确调节. 从光斑几何共轴(粗调)，到锥光干涉法[6]和倍频方法[1,3，7]的教学实践中，体现了物理实验教学队伍不断探索教学技术改进的敬业精神. 精准的实验条件是实现物理观测定量分析的必备基础，教学技术改进有助于帮助学生理解实验物理原理.

本工作是在文献[5]基础上，通过分解电光调制教学装置的实验功能，部分使用分立单元设备，并结合使用锁相放大技术[8]，同步测量不同直流偏置的光电流强度以及谐波调制通信的基频和倍频信号变化，直观准确地获得半波电压和调制通信的线性工作点. 基于实验结果，进一步探讨电光调制实验技术的科学性和关键环节，也作为锁相放大技术的物理实验测量应用例子.

1 实验技术方法

电光效应一般分为折射率变化量与外电场强度的一次方成正比的Pockels(泡克耳斯)效应和折射率变化量与外电场强度的二次方成正比的Kerr(克尔)效应. 已有文献[9-11]对电光调制实验改进及教学进行深入探讨，本文主要讨论铌酸锂(LiNbO3)晶体Pockels效应及其调制通信的频谱测量方法.

主体设备为华东师大科仪DGT-1电光调制实验仪，采用同步测量直流光电流、谐波调制通信的基频和倍频信号随直流偏压变化. 样品为5 mm×5 mm×44 mm铌酸锂晶体. 首先，关闭并切断实验仪内部直流偏压供电连接，改由汉晟普源HSPY1000-01直流电源提供直流偏置电压，且用Fluke45多用表监测偏压值. 由Rigol DG4162信号源经“外调输入”提供外调制谐波信号. 光敏二极管测量的光信号同时包含着对应于直流偏置和交变调制的光强变化信息，DGT-1实验仪已将它们分离并提供独立监测端口. 使用Keithley 2701多用表取代实验仪“光强指示表”测量经光电转换后的(直流)光电流相对值. 由中大科仪OE1022锁相放大器测量“解调监视”输出信号，且以DG4162同步输出作为OE1022的参考信号. OE1022锁相放大器选用同步测量谐波基频和倍频信号的R(模量)和θ(相对于调制信号源同步输出的相位差)电压测量模式. 所有仪器通过USB接口或RS232接口实现计算机测控，其中OE1022锁相放大器采用内部RS232转USB连接方式.

尽管参照电光调制实验仪说明书可基本完成光路调节，但是在教学实践中可采用更适合于教学指导的实验操作步骤. 为便于光路调节，可适当使用较强的激光输出. 光路准直调节时，固定激光器在光具座的一端，沿导轨移动光接收器，同时调节激光束方位保持光点落在光接收孔处，直至光接收器在光具座另一端的合适位置并固定. 调节晶体光轴时，使晶体端面反射光斑与激光出射点近乎重叠；在起偏器与晶体(或起偏器与激光器)之间放置1片毛玻璃或镜头纸，利用散射锥光所形成的干涉图案，细调晶体方位使光接收器处光点位于十字中心交叉点位置. 逐渐缓慢增加直流偏压，观察接收器光电流变化，必要时适当减小激光输出强度，以确保最大光电流处于可测范围内. 适当调节实验仪“调制幅度”和“解调幅度”使“解调监视”输出信号幅值不超1.0 V，以防止锁相放大器过载. 一旦确定最佳实验条件，随之将直流偏置电压缓慢复位，稍等约10 min方可进行实验测量.

2 实验结果及分析

合理设置设备的工作参量，特别是锁相放大器量程，以防过载损坏仪器. 部分关键仪器参量包括：HSPY1000-01直流电源电压输出范围为0～650.0 V，电压增量为5.0 V. DG4162信号源通道1输出频率为462.0 Hz(便于与文献[5]实验结果比较)且Vpp为1.00 V的谐波信号. OE1022锁相放大器选用同步测量谐波基频和倍频信号电压模量R和相位θ并写入数据缓存区.

图1为直流光电流、谐波调制通信的基频和倍频信号随偏置电压变化情况. 当偏置电压为零(或没有偏置作用)时，谐波调制输出只有倍频信号. 随着偏置电压缓慢增加，基频和倍频信号都逐渐增强. 由图1(a)可见，当偏置电压至约40 V处，倍频信号达到极大值，随后开始减弱，但图1(b)中基频信号继续保持随偏压增大而增强的趋势. 当偏置电压为约220 V时，图1(a)中倍频信号达到极小值，而图1(b)中基频信号处于极大值. 这一实验结果说明: 此时调制输出接近完全线性响应，即为调制通信的最佳偏压工作点. 随后，基频信号开始减弱，而倍频信号却逐步加强. 当基频信号处于极小值时，直流光电流达到最大值，此时偏置电压520 V，即为半波电压.

(a)解调信号倍频分量随偏压变化

(b)解调信号基频分量随偏压变化

(c)光强(转化为电压)随偏压变化图1 光强及解调信号随偏置电压变化

实验结果显示，调制通信线性响应的偏置电压点并非准确地位于1/2半波电压处. 此处通常被选为音频调制的播放工作点. 事实上，即使在该处附近小范围改变偏压，凭听觉无法分辨信号失真与否. 音频播放监听只是定性的实验观测. 尽管使用模拟示波器可以比较清晰地监测零偏置或半波电压附近的倍频分量，但是在大范围“线性”区依然难以准确判断倍频信号存在与否. 使用声卡或数字存储示波器采集，通过频谱分析可以有效地获得解调信号的基频和倍频信息. 实际上，由于测量灵敏度限制，也无法获取“线性”区信号频谱的准确参量. 锁相放大技术是周期微弱信号检测的有效方法，利用它可以实现对全区域解调信号频谱准确测量.

由上述分析可见，利用OE1022锁相放大器的多谐波同步观测技术，可以实现对通信解调信号质量随偏压变化进行更准确的定量测量分析. 采用直流光电流、谐波调制通信的基频和倍频信号同步测量方法，实验结果直观准确地显示了电光效应半波电压和调制通信的最佳偏置工作点.

图1(a)实验结果清晰地表明，当激光束准确通过晶体光轴时，最强倍频信号并非出现在偏置为零处. 当偏置为零时，基频信号消失，只观测到倍频信号，此时激光束与晶体光轴处于共轴. 显然，这是倍频法的实验技术原理依据. 教学实践表明，在调节激光束与晶体共轴时，锥光干涉法比倍频法更具可操作性和直观有效.

3 实验教学启示

经过30多年来实验技术改进，原来由直流稳压电源、光电灵敏电流计、收音机(音频信号源)和光敏二极管光电转换解调放大驱动扬声器等独立实验单元组成的电光调制实验系统，现时已“集成”为一体化且广泛使用的电光调制实验仪. 它不仅提高了实验教学可操作性，还实现了光电流和解调输出的同步观测. 在课堂教学技术上，调制信号从电台广播到数码音频播放，提高了调制通信的稳定性和教学演示质量. 当使用信号源输出为调制信号时，由声卡或数字存储示波器记录解调信号可实现对电光调制特性半定量分析. 非线性调制响应必然导致通信失真，解调信号频谱分析才能准确描述通信传输质量. 对于谐波调制，文献[5]采用傅里叶分析获得不同偏置电压时解调信号基频和倍频分量强度，并由此确定调制通信的“线性”工作区. 该方法仅选择几个特征直流偏压点进行频谱分析，并没有获取每一偏置压对应的解调信号频谱信息. 尽管使用声卡或数字存储示波器采集都可以对解调信号实时傅里叶分析，但在“线性”区附近由于测量灵敏度限制难以获得准确的倍频分量.

本文使用锁相放大技术更快速实施解调信号频谱准确测量，实现调制通信质量定量分析. 利用OE1022锁相放大器多谐波同步测量和数据缓存功能，实时采集解调信号基频和倍频谐波的模量及相位差. 锁相技术原理已是部分高校近代物理实验课程教学内容之一. 在学生充分理解锁相技术原理的基础上，开设其测量应用实验项目也是教学内容的必然延伸或拓展. 事实上，若能结合锁相技术优化已有实验项目的测量方法，不仅帮助学生加深对实验技术原理的理解，还满足不同层次学习需要. “微波电子自旋共振的微分测量”[12]提供了锁相放大技术应用的可行性教学个例，本工作也再次丰富了锁相技术应用的实验教学内容.

从分立单元设备到一体化实验装置，随着设备性能稳定和操作简易，实验教学可以更注重于实验原理和教学内容的课堂讨论. 为达到这一教学目的，适当分解实验功能并适量采用分立单元设备是一项有意义的实验教学方法“回归”，也是作者最近10多年来从课程规划、项目建设到教学实施的实践经验. 相比于30多年前的单元设备，本工作使用了智能仪器并通过计算机测控实施测量分析. 由于理解了每台设备的实验功能，而它们之间的关联也清晰地展现了实验技术原理，计算机测控仅仅是实验测量的辅助手段.

从音频播放监听、模拟示波器观测、声卡或数字存储示波器数据采集分析，到锁相放大技术频谱测量，层次化实验技术配置将使同一实验项目满足个性化学习需要.

[1] 孙鉴，牟海维，刘世清，等. 电光调制中半波电压测量方法的研究[J]. 大学物理，2008,27(10)：40-43.

[2] 刘红文，何彦霄，韩睿，等. LiNbO3晶体电光调制中半波电压测量方法研究[J]. 科学技术与工程，2016,16(14)：190-194.

[3] 孙鉴，牟海维，刘世清，等. 电光调制实验中半波电压的测量[J]. 光电子技术，2007,27(3)：212-215.

[4] 张国林,邵长金,孙为. 晶体电光调制实验中半波电压的测定[J]. 实验技术与管理，2003,20(2)：102-105.

[5] 李潮锐. 晶体电光调制及通信观测分析[J]. 实验室研究与探索, 2007,26(12):40-43.

[6] 郑裕芳，李仲荣. 近代物理实验[M]. 广州：中山大学出版社，1988:215,229.

[7] 郭明磊，韩新风，章毛连. 电光调制晶体半波电压倍频测量方法的讨论[J]. 应用光学，2010,31(1)：105-109.

[8] 王自鑫，陈泽宁，王健豪，等. 基于数字锁相放大技术的强噪声背景下检测微弱信号教学实验[J]. 物理实验，2016,36(3):1-4.

[9] 李叶芳，潘洁，梁秀萍. 电光调制通信实验的改进[J]. 物理实验，2001,21(1)：39-40,42.

[10] 张国林，孙为，唐军杰，等. 对晶体电光调制实验中两种选择工作点方法的理论解释[J]. 物理实验，2002,22(10)：6-8,16.

[11] 姚志，李建东，刘昱. 晶体电光调制实验装置与光路调整的改进[J]. 物理实验，2011，31(12):32-34.

[12] 李潮锐. 微波电子自旋共振的微分分析[J]. 物理实验，2017，37(3):21-24.

[责任编辑：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

国家自然科学基金项目(No.J1210034，No.J1103211)

李潮锐(1962-)，男，广东汕头人，中山大学物理学院副教授，博士，主要从事凝聚态电磁性质研究

O4-34;O439

A

1005-4642(2017)06-0028-04