實驗名稱：基于古斯-漢欣效應的電光開關研究

測試設備：高壓放大器、信號發生器、示波器、可調諧激光器等。

實驗過程：

圖一：實驗裝置圖

實驗裝置圖如圖一所示，波長為860.00nm的激光從可調諧激光器出射后，經過一偏振片和兩個直徑為0.1mm的小孔得到TE偏振和準直的激光再入射到雙面金屬包覆波導的上層金屬膜上。偏振片、兩個小孔之間大致相距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)，并將由其構成的雙面金屬包覆波導固定在一個倍角轉臺上，實物照片見圖3.13，在雙面金屬包覆波導的上下兩金屬膜上通過導電銀膠分別引出電極。外加載電壓先由一個可編程信號發生器產生一個所需的小電壓信號，再由高壓放大器進行放大，最后加載到雙面金屬包覆波導的兩個電極上。一個三孔陣列，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，反射光能從通道1通過。在實驗過程中，信號發生器產生的電壓信號和反射光強大小信號均由數字示波器接收并測量。

實驗結果：

圖二：反射光強及GH位移與外加載電壓之間的實驗結果圖，小圖分別為外加載電壓為0V，500V，650V時的反射光斑

為了測量出光波信號分別從通道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)測量出反射光GH位移大小與外加載電壓下之間的關系。反射光強及GH位移與外加載電壓之間關系的實驗結果如圖二所示，外加載電壓范圍為0-650V，間隔為50V。實驗中，入射角固定在反射光強最大的位置，此處入射光幾乎沒被耦合入導波層，所以GH位移最小，可作為測量GH位移的基準點。信號發生器的電壓信號設為頻率1Hz的矩形波，由于信號頻率較低，所以無須高速PSD也可測量GH位移的大小。因為外加載任何電壓后，導波層PMN-PT透明陶瓷的折射率都會變大，而厚度都會變小。在外加載電壓較低時，超高階導模會向左移動，這是因為此時逆壓電效應占主導，從而導致△N<0。當外加載電壓超過400V后，超高階導模開始向右移動，因為有效折射率與電光效應成二次關系，當外加載電壓較高時，電光效應開始占主導，從而導致△N>0。在實驗原理部分可知，不管超高階導模是左移還是右移，均可使反射光強的GH位移發生變化。當外加載電壓從0V加大至200后，GH位移從0μm增大到290μm，再加大至400V時，則GH位移減小至32μm，外加載電壓繼續加大至650V，GH位移再次增大至830μm。圖二中的三個小圖分別為外加載電壓為0V，500V，650V時的反射光斑，從中可證實理論結果，即GH位移越大，其反射光強越小，且光斑半徑會變大。當外加載電壓為830V時(圖二中未給出)，反射光的GH位移達到最大值為1040mm，此時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，因為反射光斑會嚴重變形甚至分裂。

圖三：電光開關的周期調制實驗結果圖，調制周期為20微秒。

當設信號發生器的頻率為50kHz時，基于GH位移效應的電光開光實驗響應結果如圖三所示。當無外加載電壓時(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相對于通道1的串擾分別為-29.8dB和-32.7dB。如圖三(a)所示，當信號發生器產生的電壓信號峰—峰值為179mV，偏置電壓為80mV時，經電壓放大器放大后，加載在PMN-PT透明陶瓷上的電壓為537V，此時反射光能從通道2出射，其插入損耗在開啟狀態和關閉狀態分別為3.77dB和36.5dB，通道1，3相對于通道2的串擾分別為-29.2dB和-37.4dB。類似地，當信號發生器產生的電壓信號峰-峰值為214mV時，經電壓放大器放大后其外加載電壓為642V，此時反射光能從通道3出射，其插入損耗在開啟狀態和關閉狀態分別為6.12dB和41.2dB(見圖三(b))，通道1，3相對于通道2的串擾分別為-32.6dB和-31.3dB。通道2，3中的開關時間如圖三(c)所示，其開啟時間(定義為光強從最大值的10%增加到90%所需的時間)分別為0.42μs和0.28μs，而關閉時間(定義為光強從最大值的90%減小到10%所需的時間)分別為0.94μs和1.63μs。

圖：ATA-7100高壓放大器指標參數

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審核編輯 黃宇