Типы оптических модуляторов

Действие оптических модуляторов основано на использовании различных физических эффектов, получаемых при протекании светового потока в различных средах, как правило, в кристаллах соответствующей структуры. Наиболее часто в технике оптической связи используются акустооптические модуляторы, использующие законы акустооптики, и электрооптические модуляторы, использующие законы электрооптики.

Принцип действия акустооптического модулятора (АОМ) основан на зависимости показателя преломления некоторых оптически прозрачных материалов (например, ниобата лития LiNbО₃) от давления. Это давление может быть создано акустическими (ультразвуковыми) волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим преобразователем - пьезокристаллом (ПК), наклеенным на образец акустооптического материала для создания акустооптической ячейки (АОЯ), являющейся основным элементом модулятора (см. рис. 7.22).

Кристалл ниобата лития

Рис. 7.22. Схема прохождения пучка света в АОЯ

Акустическая волна создает в оптической среде структуру с периодически изменяющимся показателем преломления, играющую роль дифракционной решетки. Линии равного показателя преломления (на рис. 7.22 они показаны сплошными горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической волны λ_ав.

АОЯ может быть использована в различных типах акустооптических приборов: дефлекторах, сканерах, модуляторах, фильтрах и процессорах в зависимости от того, каким параметром оптического луча осуществляется управление. Так как оптические модуляторы осуществляют модуляцию интенсивности оптического луча, то и от АОЯ требуется модуляция интенсивности луча.

При входе падающего пучка в АОЯ (рис. 7.22) в результате его взаимодействия с фронтом звуковой волны от ПК (характер взаимодействия зависит от соотношения диаметра пучка d, длины световой волны λ и внутреннего угла падения θ) возникает дифракция света на ультразвуке, приводящая к расщеплению падающего пучка на проходящий и дифрагированный. В оптических модуляторах используются условия возникновения дифракции Брэгга, т. е. выполняется соотношение

2λ_ав sin θ = m λ,

где λ_ав играет роль постоянной решетки; m - порядок отражения; λ - длина световой волны в материале АОЯ.

Для целей модуляции обычно используется дифрагированный свет, так как полная (100%) модуляция проходящего света требует очень большой акустической мощности.

Для модуляции интенсивности отклоненного оптического луча мощность генератора акустических колебаний должна модулироваться по амплитуде, а переключение достигается путем включения и выключения сигнала генератора. Взаимодействие с амплитудно-модулированной звуковой волной и модулирует интенсивность дифрагированной волны, играющей роль выходной волны для модулятора. В результате акустооптического взаимодействия частота лазерного излучения смещается на величину, равную акустической частоте

,

что связано с перемещением дифракционной решетки и может быть использовано для гетеродинного детектирования, при котором происходит точное измерение фазовых параметров. При этом, если луч направлен против направления акустического распространения, выходная частота выше входной, в противном случае наоборот. Очевидно, что по мере увеличения частоты глубина модуляции уменьшается, ухудшая параметры системы, использующей акустооптический модулятор. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и имеет порядок 10^-7с. К основным недостаткам АОМ можно отнести следующие:

- нелинейность функции преобразования;

- уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты модуляции, что ограничивает их использование в высокоскоростных схемах SDH;

- смещение частоты модулированного лазерного излучения на величину акустической модулирующей частоты;

- невысокая эффективность дифракции, определяемая отношением интенсивностей дифрагированного и падающего пучков (ее увеличение достигается за счет увеличения мощности акустического сигнала).

Достоинствами АОМ являются простота реализации и надежность.

Самое широкое применение в оптических системах передачи нашли электрооптические модуляторы, принцип действия которых основан на использовании электрооптического эффекта в кристаллах. Оптические характеристики кристаллов, например, такие, как показатель преломления и поляризация света, зависят от распределения связанных зарядов (электронов и ионов) в среде.

Под действием приложенного электрического поля оно может меняться, что приводит к изменению показателя преломления и состояния поляризации. В кристаллах, не имеющих центральной симметрии, указанное действие проявляется в виде электрооптического эффекта Поккельса, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально приложенному электрическому полю.

В кристаллах с центральной симметрией наблюдается квадратичный электрооптический эффект Керра - явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля. Эти два наиболее значительных электрооптических эффекта могут быть использованы при построении электрооптических модуляторов.

Дата добавления: 2015-08-26