高压放大器在古斯-汉欣效应电光开关研究中的应用

实验名称：基于古斯-汉欣效应的电光开关研究

测试设备：高压放大器、信号发生器、示波器、可调谐激光器等。

实验过程：

图一：实验装置图

实验装置图如图一所示，波长为860.00nm的激光从可调谐激光器出射后，经过一偏振片和两个直径为0.1mm的小孔得到TE偏振和准直的激光再入射到双面金属包覆波导的上层金属膜上。偏振片、两个小孔之间大致相距0.5m，且在光路中插入一平面镜，以使光路更为紧凑。PMN-PT透明陶瓷大小为5.62mm*4.2mm*3.00mm(l*w*h)，并将由其构成的双面金属包覆波导固定在一个倍角转台上，实物照片见图3.13，在双面金属包覆波导的上下两金属膜上通过导电银胶分别引出电极。外加载电压先由一个可编程信号发生器产生一个所需的小电压信号，再由高压放大器进行放大，最后加载到双面金属包覆波导的两个电极上。一个三孔阵列，其小孔直径为0.1mm，小孔间的距离为0.4mm，三孔阵列在反射光方向精确放置，以使无外加载电压时，反射光能从通道1通过。在实验过程中，信号发生器产生的电压信号和反射光强大小信号均由数字示波器接收并测量。

实验结果：

图二：反射光强及GH位移与外加载电压之间的实验结果图，小图分别为外加载电压为0V，500V，650V时的反射光斑

为了测量出光波信号分别从通道2、3中通过所需的电压，我们先在反射光方向不放置三孔阵列和光电二极管，而是放置一位置灵敏器(PSD)测量出反射光GH位移大小与外加载电压下之间的关系。反射光强及GH位移与外加载电压之间关系的实验结果如图二所示，外加载电压范围为0-650V，间隔为50V。实验中，入射角固定在反射光强最大的位置，此处入射光几乎没被耦合入导波层，所以GH位移最小，可作为测量GH位移的基准点。信号发生器的电压信号设为频率1Hz的矩形波，由于信号频率较低，所以无须高速PSD也可测量GH位移的大小。因为外加载任何电压后，导波层PMN-PT透明陶瓷的折射率都会变大，而厚度都会变小。在外加载电压较低时，超高阶导模会向左移动，这是因为此时逆压电效应占主导，从而导致△N<0。当外加载电压超过400V后，超高阶导模开始向右移动，因为有效折射率与电光效应成二次关系，当外加载电压较高时，电光效应开始占主导，从而导致△N>0。在实验原理部分可知，不管超高阶导模是左移还是右移，均可使反射光强的GH位移发生变化。当外加载电压从0V加大至200后，GH位移从0μm增大到290μm，再加大至400V时，则GH位移减小至32μm，外加载电压继续加大至650V，GH位移再次增大至830μm。图二中的三个小图分别为外加载电压为0V，500V，650V时的反射光斑，从中可证实理论结果，即GH位移越大，其反射光强越小，且光斑半径会变大。当外加载电压为830V时(图二中未给出)，反射光的GH位移达到最大值为1040mm，此时反射光的反射率只有0.11，太大的GH位移已不适合用于制作电光开关，因为反射光斑会严重变形甚至分裂。

图三：电光开关的周期调制实验结果图，调制周期为20微秒。

当设信号发生器的频率为50kHz时，基于GH位移效应的电光开光实验响应结果如图三所示。当无外加载电压时(图三中未显示)，反射光从通道1出射，其插入损耗为0.22dB，而通道2，3相对于通道1的串扰分别为-29.8dB和-32.7dB。如图三(a)所示，当信号发生器产生的电压信号峰—峰值为179mV，偏置电压为80mV时，经电压放大器放大后，加载在PMN-PT透明陶瓷上的电压为537V，此时反射光能从通道2出射，其插入损耗在开启状态和关闭状态分别为3.77dB和36.5dB，通道1，3相对于通道2的串扰分别为-29.2dB和-37.4dB。类似地，当信号发生器产生的电压信号峰-峰值为214mV时，经电压放大器放大后其外加载电压为642V，此时反射光能从通道3出射，其插入损耗在开启状态和关闭状态分别为6.12dB和41.2dB(见图三(b))，通道1，3相对于通道2的串扰分别为-32.6dB和-31.3dB。通道2，3中的开关时间如图三(c)所示，其开启时间(定义为光强从最大值的10%增加到90%所需的时间)分别为0.42μs和0.28μs，而关闭时间(定义为光强从最大值的90%减小到10%所需的时间)分别为0.94μs和1.63μs。

图：ATA-7100高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇