Реферат: Модулятори оптичних сигналів

У результаті акустооптичної взаємодії частота лазерного випромінювання зміщається на величину, рівну акустичній частоті , що зв'язано з переміщенням дифракційних ґрат і може бути використане для гетеродинного детектування, при якому відбувається точний вимір фазових параметрів. При цьому, якщо промінь спрямований проти напрямку акустичного поширення, вихідна частота вище вхідний, у противному випадку навпаки. Очевидно, що в міру збільшення частоти глибина модуляції зменшується, погіршуючи параметри системи, що використовує акустооптичний модулятор.

2 . Електрооптичнi модулятори

В даний час найбільш розповсюдженим оптичним модулятором є чарунка Поккельса, принцип дії якої заснований на двопромінєзаломленні у кристаллах.

У залежності від того, як (паралельно чи перпендикулярно) щодо розповсюджуваної в кристалі світлової хвилі прикладено електричне поле, чарунки Поккельса поділяються на чарунки подовжнього чи поперечного типу.

Тут слід зазначити, що для забезпечення введення в чарунку оптичного випромінювання в чарунках подовжнього типу необхідно використовувати прозорі чи кільцеві модулюючi електроди. Популярним матеріалом для таких чарунок є KDP (хімічна формула КН₂ Р0₄ ), тому що в цьому матеріалі напруженість електричного поля визначає відмінність у показниках заломлення по і напрямках вiсiв кристала, а сам кристал виконує роль керованої напругою пластини уповільнення. Тому, змінюючи рівень прикладені до осередку напруги, можна керувати інтенсивністю вихідного світлового променя. Для цього досить реалізувати схему, приведену на рис. 3, що функціонує в такий спосіб.

Рисунок 3 – Схема керування інтенсивністю вихідного світлового променя

У вихідному стані, коли до чарунки не прикладена напруга, вона прозора для світлового променя, і він блокується аналізатором, тому що останній розташований під кутом 90⁰ до поляризованого вхідного випромінювання.

При збільшенні напруги здійснюється перетворення лінійного стану поляризації вхідного променя в один з наступних станів: круговий, еліптичний чи лінійний. При досягненні максимальної напруги чарунка здійснює напівхвильове уповільнення, обертаючи вхідну поляризацію на 90⁰ . У цьому випадку аналізатор стає цілком прозорим для вихідного променя, і вхідне випромінювання надходить на вихід пристрою. Таким чином, напруга, прикладена до чарунки Поккельса, визначає рівень потужності оптичного сигналу на виході пристрою, а його зміна приводить до модуляції світлової хвилі.

Чарунки Поккельса дозволяють здійснювати модуляцію світлової хвилі, що поширюється, у смузі частот від 0 Гц до 1 ГГЦ і вище, при цьому глибина модуляції може досягати значень більш 99.9%. Негативна сторона звичайних чарунок Поккельса полягає у використанні високої модулюючої напруги. Тому основні зусилля розроблювачів були сконцентровані на усунення цього недоліку застосуванням сучасних мікроелектронних технологій введення одномодових оптичних хвилеводів у електрооптичний матеріал, такий, як, наприклад, нiобат літію (LiNbO₃ ). У цьому випадку дифузійний одномодовий оптичний хвилевід виконується розділеним на дві гілки, убудовані в чарунку Поккельса, утворюючи тим самим диференціальну структуру (рис. 4).

Рисунок 4 – Дифузійний одномодовий оптичний хвилевід

Тому прикладене до чарунки електричне поле збільшує швидкість поширення світлової хвилі в одній гілці і зменшує в другій гілці хвилеводу. Звичайно, якщо довжина взаємодії складає 1 см, досить прикласти близько 8 В, щоб досягти повного придушення, що має місце при різниці фаз гілок, рівної 180°. Іноді один із двох хвилеводів виконують на довжини хвилі довше іншого для того, щоб створити двосторонню модуляцію, що відповідає повному включенню при + 4В, половині включення при 0 В та повне вимикання при – 4В. Тут максимальне значення напруги модуляції залежить від електрооптичного коефіцієнта ниобата літію і конфігурації електродів, а вихідна потужність визначається шляхом геометричного додавання двох електричних полів, що беруть участь, і для пристрою без втрат визначається виразом

, (7)

де – потужність оптичного випромінювання на вході модулятора;

і – відповідно, що керує напруга і напруга повного придушення, В.

З даного вираження випливає, що лінійна модуляція може бути досягнута тільки в лінійній області функції .

Приведена конструкція має ряд особливостей, що дозволяють забезпечити:

– ефективне узгодження модулятора з джерелом напруги, що модулює, на високих частотах завдяки компланарної лінії передачі;

– незалежність електричного імпедансу від довжини взаємодії, що дозволяє варіювати максимальним рівнем керуючої напруги;

– широку смугу частот модуляції, тому що електрична й оптична хвилі поширюються в одному напрямку.

В ідеалі, коли швидкості обох хвиль однакові, хвилевід може бути нескінченно довгим, а керуюча напруга може бути зменшена до нуля.

Для того щоб проаналізувати частотну залежність коефіцієнта модуляції оптичного сигналу постійної потужності, прикладемо електричний імпульс (імпульс нульової тривалості) до смугової лінії передач із нескінченною смугою частот. Якщо розглядати модулятор, для якого при нульовій напрузі на електричному вході на оптичному виході сигнал буде відсутній, глибина модуляції імпульсу буде визначатися оптичним імпульсом кінцевої тривалості , рівної різниці часу надходження на вихід швидкої оптичної і повільний електричної хвиль, тобто.

, (8)

де і – показники заломлення для електричної й оптичної хвиль, відповідно; – довжина ділянки взаємодії електричного полючи з оптичною хвилею; с= 3 х 10¹⁰ см/с – швидкість світла.

Для модулятора з нiобата літію LiNb0₃ , , a тоді пс/см.

Використовуючи перетворення Фур'є прямокутного імпульсу в частотну область, можна визначити залежність коефіцієнта перетворення модулятора від частоти як

, (9)

що відповідає функції . Для модулятора довжиною 2 см перший нуль має місце при 7.7 ГГц, однак на практиці нулі менш виражені через втрати у смуговій лінії передачі.