實(shí)驗(yàn)名稱：基于古斯-漢欣效應(yīng)的電光開關(guān)研究

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、可調(diào)諧激光器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖一：實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖一所示，波長(zhǎng)為860.00nm的激光從可調(diào)諧激光器出射后，經(jīng)過一偏振片和兩個(gè)直徑為0.1mm的小孔得到TE偏振和準(zhǔn)直的激光再入射到雙面金屬包覆波導(dǎo)的上層金屬膜上。偏振片、兩個(gè)小孔之間大致相距0.5m，且在光路中插入一平面鏡，以使光路更為緊湊。PMN-PT透明陶瓷大小為5.62mm*4.2mm*3.00mm(l*w*h)，并將由其構(gòu)成的雙面金屬包覆波導(dǎo)固定在一個(gè)倍角轉(zhuǎn)臺(tái)上，實(shí)物照片見圖3.13，在雙面金屬包覆波導(dǎo)的上下兩金屬膜上通過導(dǎo)電銀膠分別引出電極。外加載電壓先由一個(gè)可編程信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)所需的小電壓信號(hào)，再由高壓放大器進(jìn)行放大，最后加載到雙面金屬包覆波導(dǎo)的兩個(gè)電極上。一個(gè)三孔陣列，其小孔直徑為0.1mm，小孔間的距離為0.4mm，三孔陣列在反射光方向精確放置，以使無外加載電壓時(shí)，反射光能從通道1通過。在實(shí)驗(yàn)過程中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號(hào)和反射光強(qiáng)大小信號(hào)均由數(shù)字示波器接收并測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖二：反射光強(qiáng)及GH位移與外加載電壓之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，小圖分別為外加載電壓為0V，500V，650V時(shí)的反射光斑

為了測(cè)量出光波信號(hào)分別從通道2、3中通過所需的電壓，我們先在反射光方向不放置三孔陣列和光電二極管，而是放置一位置靈敏器(PSD)測(cè)量出反射光GH位移大小與外加載電壓下之間的關(guān)系。反射光強(qiáng)及GH位移與外加載電壓之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖二所示，外加載電壓范圍為0-650V，間隔為50V。實(shí)驗(yàn)中，入射角固定在反射光強(qiáng)最大的位置，此處入射光幾乎沒被耦合入導(dǎo)波層，所以GH位移最小，可作為測(cè)量GH位移的基準(zhǔn)點(diǎn)。信號(hào)發(fā)生器的電壓信號(hào)設(shè)為頻率1Hz的矩形波，由于信號(hào)頻率較低，所以無須高速PSD也可測(cè)量GH位移的大小。因?yàn)橥饧虞d任何電壓后，導(dǎo)波層PMN-PT透明陶瓷的折射率都會(huì)變大，而厚度都會(huì)變小。在外加載電壓較低時(shí)，超高階導(dǎo)模會(huì)向左移動(dòng)，這是因?yàn)榇藭r(shí)逆壓電效應(yīng)占主導(dǎo)，從而導(dǎo)致△N<0。當(dāng)外加載電壓超過400V后，超高階導(dǎo)模開始向右移動(dòng)，因?yàn)橛行д凵渎逝c電光效應(yīng)成二次關(guān)系，當(dāng)外加載電壓較高時(shí)，電光效應(yīng)開始占主導(dǎo)，從而導(dǎo)致△N>0。在實(shí)驗(yàn)原理部分可知，不管超高階導(dǎo)模是左移還是右移，均可使反射光強(qiáng)的GH位移發(fā)生變化。當(dāng)外加載電壓從0V加大至200后，GH位移從0μm增大到290μm，再加大至400V時(shí)，則GH位移減小至32μm，外加載電壓繼續(xù)加大至650V，GH位移再次增大至830μm。圖二中的三個(gè)小圖分別為外加載電壓為0V，500V，650V時(shí)的反射光斑，從中可證實(shí)理論結(jié)果，即GH位移越大，其反射光強(qiáng)越小，且光斑半徑會(huì)變大。當(dāng)外加載電壓為830V時(shí)(圖二中未給出)，反射光的GH位移達(dá)到最大值為1040mm，此時(shí)反射光的反射率只有0.11，太大的GH位移已不適合用于制作電光開關(guān)，因?yàn)榉瓷涔獍邥?huì)嚴(yán)重變形甚至分裂。

圖三：電光開關(guān)的周期調(diào)制實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，調(diào)制周期為20微秒。

當(dāng)設(shè)信號(hào)發(fā)生器的頻率為50kHz時(shí)，基于GH位移效應(yīng)的電光開光實(shí)驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果如圖三所示。當(dāng)無外加載電壓時(shí)(圖三中未顯示)，反射光從通道1出射，其插入損耗為0.22dB，而通道2，3相對(duì)于通道1的串?dāng)_分別為-29.8dB和-32.7dB。如圖三(a)所示，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號(hào)峰—峰值為179mV，偏置電壓為80mV時(shí)，經(jīng)電壓放大器放大后，加載在PMN-PT透明陶瓷上的電壓為537V，此時(shí)反射光能從通道2出射，其插入損耗在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)分別為3.77dB和36.5dB，通道1，3相對(duì)于通道2的串?dāng)_分別為-29.2dB和-37.4dB。類似地，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號(hào)峰-峰值為214mV時(shí)，經(jīng)電壓放大器放大后其外加載電壓為642V，此時(shí)反射光能從通道3出射，其插入損耗在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)分別為6.12dB和41.2dB(見圖三(b))，通道1，3相對(duì)于通道2的串?dāng)_分別為-32.6dB和-31.3dB。通道2，3中的開關(guān)時(shí)間如圖三(c)所示，其開啟時(shí)間(定義為光強(qiáng)從最大值的10%增加到90%所需的時(shí)間)分別為0.42μs和0.28μs，而關(guān)閉時(shí)間(定義為光強(qiáng)從最大值的90%減小到10%所需的時(shí)間)分別為0.94μs和1.63μs。

圖：ATA-7100高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇