+7 (3822) 534050

Оптические модуляторы и их типы


МОДУЛЯЦИЯ 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. 

Из характеристики световой волны  видно, что, модулировать, то есть 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 (рисунок 1а) модулятор находится вне резонатора и осуществляет модуляцию излучения, генерируемого лазером. 

Во втором случае (рисунок 1б) модулятор находится внутри резонатора, изменяя его свойства (например, добротность Q) и осуществляя модуляцию генерируемого излучения. 

Рисунок 1 - Устройство резонатора

Важнейшими характеристиками оптических модуляторов являются: 

  1. Глубина модуляции:

    \(\eta = {I_{max}-I_{min} \over I_{max}}\)

     

    где Imax и Imin – интенсивности света при полностью открытом и закрытом состоянии модулятора;

  2. Ширина полосы пропускания или диапазон модулирующих частот ∆ν, которые определяются как разность между верхней и нижней частотами, при которых глубина модуляции уменьшается на 50% от максимального значения; полоса частот ∆ν определяет предельный объем информации, который можно передать с помощью данного модулятора;
  3. Рабочая апертура – тот угол, измеряемый в градусах или стерадианах, в пределах которого оптическое излучение может быть введено в модулятор;
  4. Спектральная область – область длин волн, в которой модулятор способен работать;
  5. Рабочее напряжение или напряжение полуволнового смещения – те величины сигнала, которые необходимо подать на вход модулятора, чтобы перевести его из «открытого» состояния в «закрытое»; 
  6. потребляемая мощность на единицу ширины полосы пропускания модулятора Р/∆f, выражаемая обычно в Вт/ГГц
  7. Потери, вносимые модулятором, выражаемые, как правило, в децибелах: 

          \(\beta = 10\lg{I_0 \over I_{max}}\)

где I0 – интенсивность света в отсутствие модулятора, Imax – интенсивность света, прошедшего через модулятор в открытом состоянии; 

Для осуществления модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на свет. То есть работа оптического модулятора должна основываться на процессах взаимодействия света с веществом. Возможно использование эффектов, рассмотренных выше: электрооптические, магнитооптические и пьезооптические эффекты. 

Соответствующие модуляторы называются электрооптическими, магнитооптическими и пьезооптическими или акустооптическими, если деформация в кристалле создается с помощью акустической волны. 

По соотношению характерных геометрических размеров рабочей области модулятора к длине световой волны и вытекающим отсюда отличиям в системах ввода излучения различают объемные и волноводные модуляторы. Первые работают с плоскими волнами. Вторые являются составными элементами оптических интегральных схем и волоконной оптики. 

Наибольшее значение как отдельные элементы оптической электроники получили электрооптические и акустооптические модуляторы.


ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ

Оптические модуляторы применяются при внешней модуляции уже сформированного светового луча. Различают следующие типы модуляторов:

  1. Акустооптические, использующие законы акустооптики;
  2. Электрооптические, использующие законы электрооптики;
  3. Электрооптические, использующие полупроводниковые усилители

АКУСТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ

Принцип действия акустооптического модулятора (АОМ) основан на зависимости показателя преломления оптически прозрачных материалов (например, ниобата лития LiNbO3) от давления. Это давление может быть создано акустическими (ультразвуковыми – УЗ) волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим преобразователем – пьезокристаллом. Пьезокристалл наклеивают на акустооптический материал для создания акустооптической ячейки, являющейся основным элементом модулятора (Рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема прохождения пучка света в АОМ

Акустическая волна создаёт в оптической среде структуру с периодически изменяющимся показателем преломления, играющую роль дифракционной решётки. Линии равного показателя преломления (на рисунке 2 они показаны сплошными горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической волны λав. Чтобы не было отражённой акустической волны, применяют поглотитель.

При входе падающего пучка в акустооптической ячейки в результате его взаимодействия с фронтом звуковой волны от ПК возникает дифракция света на ультразвуке, приводящая к расщеплению падающего пучка на проходящий и дифрагированный. Характер взаимодействия зависит от соотношения диаметра пучка δ, длины световой волны λ и угла падения θ. В оптических модуляторах используются условия возникновения дифракции Брэгга, то есть когда выполняется соотношение

\(\lambda\ sin\theta=m\lambda\)

где λав играет роль постоянной решётки dm – порядок дифракции (m=0,1,2,…); λ – длина световой волны.

Для целей модуляции обычно используется дифрагированный свет, так как полная (100%) модуляция проходящего света требует очень большой акустической мощности. Модуляция создаётся амплитудно-модулированной звуковой волной, взаимодействие с которой и модулирует интенсивность дифрагированной волны, играющей роль выходной волны для модулятора. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и имеет порядок 10-7с.

АОМ является достаточно простым и надёжным устройством, хотя и имеет определённые недостатки, основные из них следующие:

  • нелинейность характеристики преобразования;
  • уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты модуляции, что ограничивает их использование в высокоскоростных схемах;
  • смещение частоты модулированного лазерного излучения на величину акустической модулирующей частоты;
  • невысокая эффективность дифракции, определяемая как отношение интенсивностей дифрагированного и падающего пучков (её увеличение достигается за счёт увеличения мощности акустического сигнала).

Акустооптическая ячейка может быть использована в различных типах акустооптических приборов: дефлекторах, сканнерах, модуляторах, фильтрах и процессорах – в зависимости от того, каким параметром оптического луча осуществляется управление.


ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ

Оптические характеристики любой среды, например, такие, как показатель преломления, влияют на характер и поляризацию света, зависят от распределения связанных зарядов (электронов и ионов) в среде. Под действием приложенного электрического поля оно может меняться, что приводит к изменению так называемого эллипсоида показателя преломления и состояния поляризации. В средах, не имеющих центральной симметрии, указанное действие проявляется в виде линейного электрооптического эффекта Поккельса. В средах с центральной симметрией, напротив, наблюдается квадратичный электрооптический эффект Керра. Эти два наиболее значительных электрооптических эффекта могут быть использованы при построении электрооптических модуляторов.

а) Электрооптические модуляторы на основе эффекта Керра.
Для модуляции света широко используют хорошо изученный электрооптический эффект Керра (1875 г.), состоящий в возникновении оптической анизотропии под действие внешнего электрического поля в изотропном веществе. Для наблюдения эффекта (рисунок 3а) прозрачное диэлектрическое вещество помещают между обкладками плоского конденсатора, к которому прикладывают напряжение U, создающее в модулирующей среде МС достаточно сильное электрическое поле Е. Ячейку Керра помещают между скрещенными поляризатором П и анализатором А. При U = 0 интенсивность света на выходе устройства также равна нулю, однако при наложении напряжения модулирующая среда становится в оптическом отношении подобной двулучепреломляющему кристаллу с оптической осью, параллельной направлению электрического поля.

Рисунок 3 – Работа оптических модуляторов на основе эффекта Керра (а) и продольного эффекта Покельса (б)

Поэтому, пройдя через ячейку Keppa, световая волна распадается на две линейно поляризованные составляющие. Одна из них поляризована так, что её электрический вектор ориентирован перпендикулярно внешнему полю (обыкновенная волна), а другая – параллельно (необыкновенная волна). Для обеспечения максимальной глубины модуляции нужно, чтобы главная плоскость поляризатора П составляла с вектором угол 45°. Обыкновенная и необыкновенная волны имеют различные показатели преломления (no и ne) и поэтому распространяются в среде с различными скоростями. Пройдя ячейку Керра, свет оказывается эллиптически поляризованным и в большей или меньшей мере проходит через анализатор.
Теория и опыт показывают, что различие no и ne пропорционально E2

\(\Delta n_0=n_e-n_0=k_кE^2\)

где kк – коэффициент, не зависящий от E. 

Разность фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами после прохождения пути l в модулирующей среде составляет:

\(\varphi=2\pi {{n_e-n_0}\over \lambda}l=2\pi {{k_кE^2}\over \lambda}l=2\pi BLE^2\)

где B = kк/λ – так называемая постоянная Керра. 

Квадратичный эффект Керра объясняется оптической анизотропией молекул модулирующей среды, т.е. отличием их способности к поляризации электрическим полем световой волны в различных направлениях. В отсутствие внешнего электрического поля анизотропные молекулы ориентированы хаотически и вещество в целом изотропно. Если молекулы обладают собственным электрическим дипольным моментом, то достаточно сильное электрическое поле вызывает их преимущественную ориентацию и вещество становится макроскопически анизотропным.

В веществах, состоящих из молекул, не обладающих собственным дипольным моментом, внешнее электрическое поле может его индуцировать, причём из-за анизотропии молекул дипольный момент не обязательно совпадает с направлением электрического поля. Возникает пара сил, заставляющая молекулы ориентироваться определенным образом относительно электрического поля. В соответствии со сказанным различают ориентационный и поляризационный эффекты Kepра. Время ориентационной релаксации дипольных молекул по порядку величины составляет 10пс. Это означает, что при частотах модуляции, больших 100Мгц–1Ггц, ориентационный эффект Керра практически не проявляется и остается эффективным только поляризационный эффект, быстродействие которого ограничено временем 0,1–1нс.

б) Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса.
Электрооптические явления наблюдаются не только в изотропных веществах, но и в кристаллах, обладающих естественной оптической анизотропией. Чтобы двойное лучепреломление не проявлялось при Е = 0, одноосный кристалл вырезают так, чтобы образовались грани, перпендикулярные его оптической оси, а свет направляют вдоль нее. Управляющее электрическое поле создают в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, т. е. так же, как и в ячейке Керра (рисунок 6.5,а). Возможно также модулирующее устройство, в котором электрическое поле направлено параллельно распространению света. Для этого на соответствующие грани анизотропного кристалла наносят прозрачные электроды (рисунок 6.5,б). В соответствии с рисунком 6.5 используют термины – продольный и поперечный электрооптические эффекты. Изменение двойного лучепреломления анизотропного кристалла, помещённого в электрическое поле, называют эффектом Поккельса – по имени обнаружившего его физика (1894 г.). В отличие от эффекта Керра разность no и ne в эффекте Поккельса пропорциональна первой степени Е:

\(\Delta n_0=n_e-n_0=k_пE^2\)

где kп – электрооптический коэффициент, отличающийся от kк  по значению, и по размерности.
Как и для эффекта Керра эффекту Поккельса свойственна малая инерционность, позволяющая моделировать свет до частот порядка 10МГц. Следует, однако, иметь ввиду, что верхняя граница частоты модуляции чаще всего определяется не процессами в веществе, а ёмкостью устройства и оказывается на несколько порядков ниже.

Таким образом, ячейка Поккельса позволяет осуществить модуляцию световой волны по интенсивности за счёт эффекта Поккельса при амплитудной модуляции подаваемого на неё напряжения. Глубина модуляции – до 99,9%. Реализация такого типа модуляторов характерна для использования объёмной оптики, тогда как для интегральной оптики более характерным является применение управляемых направленных ответвителей и модуляторов, использующих схему интерферометра Маха-Цендера.

в) Электрооптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера. 
Такой модулятор в соответствии со схемой интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) состоит из двух идентичных плеч интерферометра (Рисунок 4).

На схеме показаны два типа электродов: электроды для создания модулирующего электрического поля и электроды для создания постоянного электрического поля, позволяющего задавать рабочую точку на передаточной характеристике такого модулятора.

Рисунок 4 – Схема электрооптического модулятора типа интерферометра Маха-Цендера

Модулирующее напряжение U должно быть разнополярным. В зависимости от полярности приложенного напряжения происходит изменение показателя преломления среды, в результате чего изменяется скорость прохождения сигнала. Движение оптической несущей замедляется в одном плече и ускоряется в другом.

Модулирующие электроды достаточно протяжённы для обеспечения эффективного распределённого (на длине L) взаимодействия полей электрической и оптической волн.

В зависимости от приложенного к электродам напряжения U и длины L в зоне взаимодействия полей, распространяющиеся по этим плечам моды приобретают сдвиг фаз

\(\Delta\varphi=k_m\Delta n_{эфф}L\)

где Δnэфф=nэффrE/2 – амплитуда изменения эффективного показателя преломления моды;nэфф – эффективный показатель преломления моды;r – электрооптичекий коэффициент рабочей оптической среды;Е – напряженность электрического поля, создаваемая напряжением U;km – волновой вектор моды.

На выходе ИМЦ происходит модуляция входного светового потока по интенсивности ввиду интерференции достигших его световых мод.

При фазовом сдвиге до Δφ = π и более произойдёт ослабление сигнала на выходе модулятора порядка 20дБ.

Передаточная характеристика ИМЦ (рисунок 5) представляет собой отрезок синусоиды, из которой для управления процессом модуляции выбирают одну из полуволн, задавая на ней определённое напряжение смещения Uсм с помощью системы электродов напряжения смещения. Это напряжение может быть выбрано как для работы в линейной, так и в квадратичной области передаточной характеристики.

Рисунок 5 – Передаточная характеристика модулятора типа ИМЦ

Такой тип модулятора наиболее широко используется в различных приложениях, и прежде всего в системах нового поколения и мультиплексирования по длинам волн.