Основные характеристики оптических модуляторов

Размещено на http://www.allbest.ru

Основные понятия

Для того, чтобы понять, что же такое оптический модулятор, необходимо знать, что такое модулятор.

Модулятор - устройство, изменяющее параметры несущего сигнала в соответствии с изменениями информационного сигнала. Процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала процесс называют модуляцией, а передаваемый сигнал модулирующим.

Теперь поговорим о модуляции света.

Модуляция света - это изменение его параметров в зависимости от управляющего (модулирующего) сигнала. С ее помощью производят наложение информации на световую волну или световой поток, осуществляющие ее перенос.

Модулировать, т.е. целенаправленно изменять, можно: амплитуду (интенсивность), частоту, фазу, поляризацию, направление распространения и пространственное распределение волны или светового потока. В оптической электронике наибольшее распространение как наиболее эффективные получили амплитудная и фазовая модуляция.

Различают внешнюю и внутреннюю модуляцию. В первом случае (рис.1а) модулятор находится вне резонатора и осуществляет модуляцию излучения, генерируемого лазером. Во втором случае (рис.1б) модулятор находится внутри резонатора, изменяя его свойства (добротность) и осуществляя модуляцию генерируемого излучения.

Временные диаграммы показывают пример амплитудной модуляции.

Рис. 1

модуляция свет оптический поккельс

1. Основные характеристики оптических модуляторов

Важнейшими характеристиками оптических модуляторов являются:

Глубина модуляции:

Ширина полосы пропускания или диапазон модулирующих частот ?н, которые определяются как разность между верхней и нижней частотами, при которых глубина модуляции уменьшается на 50% от максимального значения. Полоса частот ?н определяет предельный объем информации, который можно передать с помощью данного модулятора;

Рабочая апертура - тот угол, измеряемый в градусах или стерадианах, в пределах которого оптическое излучение может быть введено в модулятор;

Спектральная область - область длин волн, в которой модулятор способен работать;

Рабочее напряжение или напряжение полуволнового смещения - те величины сигнала, которые необходимо подать на вход модулятора, чтобы перевести его из «открытого» состояния в «закрытое»;

Потери, вносимые модулятором, выражаемые, как правило, в децибелах:

где - интенсивность света в отсутствие модулятора, Imax - интенсивность света, прошедшего через модулятор в открытом состоянии;

Потребляемая мощность на единицу ширины полосы пропускания модулятора Р/?f, выражаемая обычно в Вт/ГГц.

2. Виды оптических модуляторов

Устройства, осуществляющие модуляцию, -- модуляторы -- в соответствии с используемыми физическими принципами и механизмами воздействия на оптическую несущую можно разделить на:

Электрооптические модуляторы

Первые электрооптические модуляторы были изготовлены в начале 1930-х годов на основе селенида цинка (ZnSe). К сожалению, они обладали низкой электрооптической чувствительностью при высокой трудоемкости изготовления. В 1970 начали применять кристаллы KDP (KH2PO4), и было предложено несколько моделей проекторов, в которых использовалась адресация электронным пучком или при помощи ЭЛТ (многослойные структуры фоторезистор/KDP).

Работа электрооптического модулятора основана на следующем физическом эффекте. При приложении к кристаллу напряжения происходит изменение направления поляризации света, прошедшего через кристалл. Для того, чтобы осуществить амплитудную модуляцию падающего излучения, электрооптический кристалл помещают между поляризатором и анализатором с взаимно ортогональными плоскостями пропускания. Поляризатор, стоящий на входе модулятора, пропускает только плоскополяризованную составляющую светового потока, поступающего от источника излучения. Если к кристаллу не было приложено напряжение, то направление поляризации световой волны не меняется, и она задерживается выходным анализатором. Если же напряжение приложено, плоскость поляризации волны поворачивается на угол, зависящий от величины электрического поля в кристалле, и часть светового потока проходит анализатор. Условием максимальной яркости является поворот излучения в кристалле на .

Системы на основе электрооптических модуляторов имеют существенные ограничения: высокое управляющее напряжение, неравномерность электрических характеристик обусловленную дефектностью кристалла, необходимость низких рабочих температур для обеспечения нужной чувствительности.

Эффект Поккельса -- явление возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии: в силу линейности при изменении направления поля эффект должен менять знак, что невозможно в центрально-симметричных телах. Эффект Поккельса практически безынерционен (быстродействие порядка 10?10 с). Соответствующий элемент называется ячейкой Поккельса и представляет собой кристалл, помещенный между двумя николями (призмами). Свет с произвольной поляризацией, проходя через торец призмы испытывает двойное лучепреломление, расщепляясь на два луча -- обыкновенный, имеющий горизонтальную плоскость поляризации и необыкновенный, с вертикальной плоскостью поляризации. После чего обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от плоскости склеивания и выходит через боковую поверхность. Необыкновенный беспрепятственно выходит через противоположный торец призмы. Призмы не пропускают свет в отсутствие электрического поля, а при наложении поля пропускание появляется.

Электрооптическая ячейка (например, сосуд с жидким кристаллом) размещена между прозрачными электродами, создающими в среде электрическое поле. Весь этот модуль, в свою очередь, размещен между поляризаторами, причем выходной по свету поляризатор называют анализатором. Поляризатор - это оптический прибор, который из естественно поляризованного света вырезает линейно поляризованный компонент. На эту операцию тратится половина светового потока. Пленочные поляризаторы, а они чаще всего и используются, отсекаемый компонент просто поглощают. Однако в тех случаях, когда речь идет о модуляции световых потоков очень высокой интенсивности, поглощенная энергия может привести к опасным перегревам поляризатора.

За поляризатором световой поток линейно поляризован вдоль вектора Pп. В анизотропной среде могут распространяться только волны, поляризованные вдоль собственных направлений, определяемых кристаллом - пусть это будут векторы P1 и P2. Падающий на электрооптическую ячейку световой поток разделяется на два компонента, поляризованных вдоль собственных направлений среды. Интенсивности этих компонент пропорциональны косинусам углов между направлениями поляризации падающего света и собственными среды. Если эти углы равны 45°, то интенсивности компонент совпадают. Именно так и ориентируют входной поляризатор. Собственные векторы поляризации анализатора и поляризатора, обычно, либо скрещены (ортогональны), либо параллельны. При скрещенных поляризаторах модуляция позитивная, при параллельных - негативная.

Коэффициенты преломления анизотропной среды для волн с поляризациями P1 и P2 различны, соответственно различны и фазовые скорости этих волн. В итоге одна из компонент отстает от другой по фазе. На выходе ячейки компоненты объединяются в один поток (интерферируют). При этом из-за приобретенного сдвига фаз функции поляризации меняется и становится эллиптической. Приборов, способных регистрировать фазовые сдвиги или функцию поляризации, в принципе, нет, и приходится прибегать к косвенным методам - преобразованию фазового сдвига в изменение интенсивности потока. Вот эту функцию и выполняет анализатор. Он просто вырезает из эллиптически поляризованной волны компонент, поляризация которого задана анализатором. Интенсивность этой компоненты пропорциональна косинусу удвоенного фазового сдвига. График соответствующей зависимости при скрещенных поляризаторе и анализаторе показан на рис. 2.

Диэлектрическая проницаемость, а с ней и коэффициенты преломления компонент в ячейке, зависят от приложенного к электродам электрического напряжения. Поэтому от напряжения будет зависеть и фазовый сдвиг. Если фазовый сдвиг линейно зависит от напряжения, то функцию, представленную на рис.2 можно рассматривать, как модуляционную характеристику. В действительности она сложнее. В основе управления жидкокристаллической средой лежит переориентация молекул - процесс, зависящий от вязкости среды, характера сил взаимодействия с границами ячейки и многих других факторов.

При использовании оптически активных жидких кристаллов конструкция модулятора та же, что и в рассмотренном выше случае анизотропных сред. Отличие только в функциях поляризации компонент в кристалле. Вошедшая в оптически активную среду волна распадается на круговые волны с левой и правой циркуляциями вектора поляризации. И в этом случае скорости компонент различны, а фазовый сдвиг зависит от приложенного напряжения. На выходе из ячейки волны интерферируют, в итоге возникает линейно поляризованная волна повернутая относительно поляризатора на угол, равный фазовому сдвигу. Анализатор вырезает соответствующий компонент. Так формируется волна, модулированная по интенсивности. Зависимость интенсивности выходящего света от фазового сдвига также определяется функцией, показанной на рис. 2.

3. Продольная электрооптическая модуляция

На рис.3 изображена геометрия продольного электрооптического модулятора. Этот модулятор представляет собой тонкую электрооптическую кристаллическую пластинку большой площади.

Вектор модулирующего электрического поля параллелен направлению распространения света всюду, кроме области электродов. В случае линейного электрооптического эффекта изменение показателя преломления, вызванное электрическим полем, пропорционально напряженности электрического поля Е. Вызванное электрическим полем изменение фазы (фазовая задержка) для света, проходящего через кристаллическую пластинку, пропорционально величине EL, которая равна приложенному напряжению V и не зависит от толщины кристаллической пластинки L.

Рис. 3 Геометрия типичного продольного электрооптического модулятора

Величина глубины модуляции пропорциональна приложенному напряжению. Полуволновые напряжения прямо пропорциональны длине волны света и обратно пропорциональны электрооптическому коэффициенту. Для света в видимом диапазоне длин волн эти напряжения имеют величину порядка нескольких киловатт. Увеличение толщины пластинки приводит к увеличению длины взаимодействия, но и к уменьшению напряженности электрического поля. Следовательно, полное увеличение модуляции за счет увеличения толщины пластинки при продольной модуляции отсутствует. Для излучения ИК-диапазона из-за большой длины волны света (скажем, 10,6 мкм) возникает необходимость в приложении высоких напряжений. Продольные модуляторы используются только тогда, когда требуются большие площади устройства и большое поле зрения.

4. Поперечная электрооптическая модуляция

Геометрия поперечного электрооптического модулятора приведена на рис.4. При данной напряженности электрического поля такая структура позволяет обеспечить большую длину взаимодействия. Модулирующее поле является поперечным относительно направления распространения оптического пучка. Ограничиваясь рассмотрением только линейных электрооптических эффектов, можно показать, что изменение показателя преломления, индуцированное электрическим полем, пропорционально напряженности поля Е. Электрически индуцированное изменение фазы (или фазовая задержка) для света, проходящего через кристаллическую пластинку, пропорционально при этом величине EL, или VL/d, где d - расстояние между электродами. Таким образом, изменение фазы пропорционально длине кристалла L. Это преимущество было использовано при создании электрооптических модуляторов лазерных пучков с низкими управляющими напряжениями.

Рис. 4 Геометрия типичного поперечного электрооптического модулятора.

5. Электрооптические модуляторы Фабри-Перо

Выше при рассмотрении электрооптических модуляторов, в частности с поперечной геометрией (рис.2), было показано, что модуляция пропорциональна длине взаимодействия L. Если Vm - амплитуда модулирующего напряжения и на модулятор подано соответствующее смещающее напряжение, то глубину фазовой модуляции можно записать в виде

(1)

а глубина амплитудной модуляции принимает вид:

(2)

Согласно (1) и (2), для осуществления большой глубины модуляции полуволновые напряжения должны быть малы при данном напряжении модуляции, а для этого в случае поперечной схемы модулятора требуются кристаллы большой длины. Так как в оптическом резонаторе свет отражается многократно, эффективная длина взаимодействия светового пучка в электрооптическом кристалле сильно возрастает. Это существенно увеличивает глубину модуляции как в фазовых, так и в амплитудных модуляторах. Рассмотрим теперь эти устройства более подробно.

6. Магнитооптический модулятор

Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется и двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея сводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного поля вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

Модуляцию луча по поляризации следует преобразовать в модуляцию но интенсивности. Эта операция может быть выполнена чисто оптическими средствами. .Для этого достаточно магнитооптический элемент поместить (по лучу) между скрещенными поляризаторами (направления пропускания линейно поляризованного света поляризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных поляризаторов принято называть поляризационным микроскопом. Эта система, в принципе, не пропускает свет. Однако, если в такой микроскоп ввести оптически активную среду, то часть света, пропорциональная квадрату синуса угла поворота плоскости поляризации, пройдет через систему. Итак, с помощью эффекта магнитооптической активности удается промодулировать свет по интенсивности приблизительно пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Магнитооптические эффекты применяются при считывании информации с магнитооптических дисков.

Рис. 5 Магнитооптический модулятор света: 1 - магнитооптический элемент; 2 - катушка, создающая магнитное поле; 3 - поляризаторы

7. Акустооптический модулятор

Изменение показателя преломления вещества возможно не только при воздействии электрических и магнитных полей, но и при механических деформациях упругой среды - фотоупругости.

Фотоупругость -- пьезооптический эффект, возникновение оптической анизотропии (неодинаковости свойств среды) в первоначально изотропных твёрдых телах под действием механических напряжений.

Акустооптический модулятор (АОМ) -- устройство для изменения интенсивности пропускаемого света, вследствие его дифракции на решётке, образуемой в стекле в результате пространственной модуляции показателя преломления акустической волной.

Принцип действия АОМ основан на дифракции света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале (стекле). Бегущую ультразвуковую волну создает пьезоэлектрический преобразователь, присоединённый к стеклянной пластине. Благодаря появлению участков сжатия и растяжения, возникающих в стекле и различающихся показателем преломления, в среде формируется дифракционная решётка. Световой пучок, дифрагируя на решётке, образует несколько выходных пучков (дифракционных порядков), разнесённых в пространстве под равными углами относительно друг друга. При помощи апертуры из всех выходных лучей выделяется первый максимум, который существует только при наличии звуковой волны в модуляторе, и блокируются все остальные.

Акустооптический модулятор состоит из пьезоэлектрического модулятора (transducer), стеклянного тела (Quartz), в котором пьезоэлектрический преобразователь генерирует звуковые волн. Поглотитель (Absorber) поглощает прошедшую звуковую волну, создавая условия для установления дифракционной решётки бегущей волны. Проходящий свет рассеивается на решётке в несколько дифракционных порядков.

В зависимости от толщины стеклянного тела АОМ имеет некоторые отличия в работе. В тонком модуляторе принцип работы не отличается от того как это описано ранее. В толстом модуляторе при правильном выборе угла падения входного луча и благодаря условию синхронизма можно возбудить в основном первый (или минус первый) порядок дифракции. Промышленность выпускает толстые модуляторы, так как они требуют звуковую волну меньшей мощности. Высокая эффективность дифракции в толстых модуляторах достигается из-за более широкой дифракционной решётки.

Рассмотрим подробней толстый и тонкий модуляторы.

Тонкий модулятор (дифракция Рамана-Ната)

При ортогональном падении света на поверхность кристалла проходящий свет c длиной волны л и звуковой волной дифрагирует под углом ? в несколько дифракционных порядков m:

Для низкочастотного звука, длина волны которого удовлетворяет условию , резонансная дифракция имеет место при нормальном падении света на звуковой пучок - это т. н. дифракция Рамана - Ната. В этом случае световая волна проходит сквозь звуковой пучок не отражаясь, а периодическое изменение п под действием УЗ приводит к модуляции фазы прошедшей волны. Такая волна эквивалентна значительному числу плоских волн, распространяющихся под малыми углами к проходящему световому пучку. При выходе из области акустооптического взаимодействия световой пучок разбивается на серию лучей с частотами , m=0, 1, . . .,

Рис. 5 Схема дифракции Рамана - Ната

Толстый модулятор (Брэгговский режим)

Практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на стекло под углом Брэгга. При этом наблюдается дифракция Брэгга, при которой интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме первого, становятся малыми.

Резонансная дифракция света на высокочастотном звуке, длина волны которого удовлетворяет условию , называется дифракцией Брэгга или брэгговской дифракцией.

Она представляет собой частичное отражение волны от звуковой решётки. Эффективная дифракция имеет место, если волны, отражённые от соседних максимумов показателя преломления, имеют разность оптического хода, равную . Это происходит, если свет падает под определенным углом, т. н. углом Брэгга . При брэгговской дифракции свет отклоняется только в один из максимумов 1-го порядка. В зависимости от того, какой угол - тупой или острый, частота дифрагированного света равна (+1-й порядок) или (-1-й порядок).

Рис. 6 Схема дифракции Брэгга в изотропной среде: 1 - проходящий свет; 2 - дифрагированный свет

Подытожим.

Общая эффективность модуляции света в значительной степени зависит от параметров световых пучков. Появление лазеров -- вследствие свойственной их излучению высокой степени монохроматичности (т.е. очень малый разброс частот, в идеале -- одна частота (длина волны)), малой расходимости и большой энергетической светимости -- позволило создать экономичные и эффективные. Модуляцию света в лазерах используют не только для ввода информации, но и для увеличения мощности излучения (в ряде случаев -- на несколько порядков).

Модуляция света широко применяется в научных исследованиях, в частности при изучении процессов, возбуждаемых светом в веществе, -- люминесценции, фотопроводимости, фотохимических реакций и пр.; в оптической локации, служащей для измерения расстояний и скоростей движущихся объектов (Светодальномер, Электрооптический дальномер); в системах оптической связи, оптической звукозаписи, в оптоэлектронике, фототелеграфии и телевидении; при измерении и сравнении световых потоков (см. Фотометрия). Кодирование, декодирование и запись информации с помощью модуляции света используется в вычислительной технике. Акустические методы модуляции света применяются в аналоговых вычислительных машинах.

Размещено на Allbest.ru