Меню

Как выбрать модуляцию света



модуляция света

МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА (модуляция оптического излучения) — изменение по заданному закону во времени амплитуды (интенсивности), частоты, фазы или поляризации колебаний оптич. излучения. Применяется для управления световыми пучками с целью передачи информации при помощи оптич. сигналов или для формирования световых потоков с определ. параметрами. В зависимости от того, какая характеристика подвергается изменению, различают амплитудную, фазовую, частотную или поляризационную M. с. Для излучений видимого и ближнего ИК-диапазонов (10 14 -8 . 10 14 Гц) возможны частоты модуляции с верх, пределом до 10 11 — 10 12 Гц. Естественная M. с. происходит при испускании света элементарными излучателями (атомами, ионами); независимость испускания такими излучателями фотонов и различие в частоте последних приводит к тому, что излучение содержит набор частот и флуктуирует по амплитуде, т. е. является амплитудно-частотно-модулированным. Естеств. частотная M. с. происходит также при неупругом рассеянии света на внутримолекулярных колебаниях (см. Комбинационное рассеяние света)и на упругих волнах в конденсиров. средах (см. Мандельштама — Бриллюэна рассеяние ).В обоих случаях рассеянный свет содержит частоты, отличные от частоты падающего света.

M. с., при к-рой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике (генераторе) оптич. излучения, наз. внутренней M. с. При внешней M. с. параметры излучения изменяют после его выхода из источника с помощью модуляторов света. T. к. регистрация излучения модулированного по частоте, фазе или поляризации сопряжена с техн. трудностями, то на практике все эти виды M. с. преобразуют в амплитудную модуляцию либо непосредственно в схеме модулятора, либо с помощью спец. устройств, помещаемых перед приёмником излучения.

Простейшая амплитудная M. с.- это периодич. меха-нич. прерывание светового потока с помощью колеблющихся и вращающихся заслонок, призм, зеркал, вращающихся дисков с отверстиями, растров.

Существует много способов M. с. па основе физ. эффектов (электрооптический, магнитооптический, упру-гооптический и др.), возникающих при распространении света в разл. средах. Для такой M. с. применяют управляемый двулучепреломляющий элемент из материала, обладающего естественной или наведённой анизотропией. Внеш. управляющее поле (напр., электрическое или поле упругих напряжений) приводит к изменению оптич. характеристик среды. В широко распространённых модуляторах па основе Поккельса эффекта фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами линейно зависит от величины напряжённости электрич. поля, а в модуляторах на основе Керра эффекта — зависимость квадратичная. Для получения амплитудной M. с. электрооптич. вещество обычно помещают между скрещенными поляризаторами. Важным свойством электрооптич. эффекта является его малая инерционность, позволяющая осуществлять M. с. вплоть до частот 10 12 Гц. В электрооптич. модуляторах ослабление модулирующего сигнала не зависит от интенсивности модулируемого света, и потому для увеличения глубины модуляции используют многократное прохождение света через один и тот же модулирующий кристалл. Примером может служить модулятор на основе интерферометра Фабри — Перо, заполненного электрооптич. средой.

С целью увеличения объёма информации, переносимой световым лучом, используют пространственную M. с., различную в каждой точке поперечного сечения пучка света. Осн. элемент пространств. модулятора света — кристалл, на поверхности к-рого записывается определ. потенциальный рельеф; проходящий через кристалл пучок света оказывается промо-дулированным в каждой точке поперечного сечения в соответствии с потенциальным рельефом, записанным на кристалле, при этом модуляция может быть амплитудной и фазовой.

Из многочисл. магнитооптич. эффектов для M. с. наиб. применение нашёл Фарадея эффект в прозрачных веществах. Периодически меняющееся магн. поле приводит к периодич. изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через магнитооптич. элемент, помещённый в магн. поле. Угол поворота плоскости поляризации пропорц. длине пути света в веществе и при достаточной прозрачности среды может быть сделан сколь угодно большим. Важной особенностью магнитооптич. модуляторов является постоянство коэф. удельного вращения плоскости поляризации в ИК-диапазоне длин волн. Это повышает конкурентоспособность магнитооптич. устройств при больших длинах волн оптич. излучения по сравнению с электрооптическими, в к-рых управляющее напряжение линейно возрастает с увеличением длины волны света. В магнитооптич. модуляторах света удаётся достичь глубины модуляции 40% на частотах модуляции до 10 8 Гц.

Для M. с. используют также искусственную оптич. анизотропию, к-рая возникает в первоначально изотропных твёрдых телах под действием упругих напряжений (фотоупругость ).При прохождении плоскопо-ляризов. излучения через фотоупругую среду с наведённым двулучепреломлением излучение становится эллиптически поляризованным. Помещая такую среду между скрещенными поляризатором и анализатором, наблюдают амплитудную M. с., аналогичную модуляции в электрооптич. средах. Применение таких модуляторов особенно целесообразно в ИК-диапазоно, т. к. разность фаз колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей n 3 , где n — показатель преломления, равный 4 6 для веществ, прозрачных в этом диапазоне.

Читайте также:  Как провести свет до туалета

В основе работы акустооптич. модуляторов лежит явление дифракции света на фазовой решётке, образованной периодич. изменением показателя преломления среды при прохождении через неё УЗ-волн (см. Дифракция света на ультразвуке).

Методы, основанные на изменении поглощения света средой, обеспечивают лишь амплитудную M. с. При этом обязательно имеют место потери световой энергии в модулирующем устройстве. Электрич. управление поглощением света полупроводниками легко может быть получено либо при изменении концентрации свободных носителей или их подвижности, либо за счёт сдвига края полосы поглощения (Келдыша — Франца эффект).

Внутреннюю M. с. осуществляют, используя для питания электрич. источников света переменное или импульсно-периодич. напряжение. Лампы накаливания при этом из-за своей инерционности дают заметную глубину модуляции лишь до частот

10 2 Гц; газоразрядные источники света менее инерционны и допускают модуляцию до частот 10 5 Гц (при глубине модуляции 50-70%).

Появление лазеров вызвало интенсивное развитие методов внутр. M. с., основанных на управлении когерентным излучением за счёт изменения параметров лазера. При этом мн. устройства, применяемые как внеш. модуляторы, помещаются внутри оптического резонатора лазера. Используя разл. способы внутр. модуляции, получают любой вид M. с.: амплитудный, частотный, фазовый и поляризационный. Частотой излучения лазера управляют, изменяя добротность оптич. резонатора лазера, напр. меняя оптич. длину резонатора. С этой целью одно из зеркал резонатора закрепляют либо на магнитострикционном стержне (см. Магнитострикционный преобразователь ),либо на пье-зоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект достигается путём изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор, для чего используется электрооптич. кристалл. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также при наложении на активную среду магн. или электрич. полей (см. Зеемана эффект, Штарка эффект), под действием к-рых происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, ответственных за генерацию когерентного получения. Изменяя величину коэф. усиления, получают амплитудную модуляцию излучения лазера. Для этого воздействуют на разность населённостей активной среды, либо изменяя мощность сё возбуждения, либо используя вспомогат. возбуждение, приводящее к перераспределению населённостей. Амплитудная модуляция излучения может быть получена и при помощи модуляции тока разряда газовых или полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме. Одним из методов управления когерентным излучением является модуляция величины обратной связи лазера, т. е. коэф. отражения зеркал резонатора. С этой целью используют резонатор, одно из зеркал к-рого вращается с большой скоростью, и потому условия генерации выполняются лишь в короткие промежутки времени. Вместо зеркал часто используют вращающуюся призму полного внутр. отражения. Изменение величины обратной связи можно получить, заменяя одно из зеркал на систему зеркал, образующих интерферометр Фабри — Перо. Коэф. отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, изменяя к-рое можно модулировать интенсивность излучения и получать т. н. гигантские импульсы, мощность излучения в к-рых существенно превосходит мощность непрерывной генерации. Наконец, излучение лазеров также модулируют, изменяя добротность оптич. резонатора путём введения потерь, величина к-рых управляется внеш. сигналом. Для этого используют модуляторы на основе электрооптич. и фотоупругих сред. Для т. и. «пассивного» управления добротностью применяют метод, основанный на введении в резонатор элементов (растворов, стёкол), прозрачность к-рых изменяется под действием светового излучения. Такой вид модуляции (автомодуляции) широко используется для генерирования импульсов когерентного излучения нано- и пи-косекундного диапазонов.

Интересным случаем внутр. M. с. является режим синхронизации мод, к-рый осуществляется при модуляции добротности (длины резонатора) с частотой, близкой к частоте мсжмодовых биений лазера. При синхронизации мод лазер генерирует короткие и мощные импульсы, следующие друг за другом с частотой внеш. модуляции.

Лит. см. при ст. Модуляторы света. A. H. Капорский.

Источник

Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора

Так как фазовые скорости света ux и uy в электрооптических кристаллах (n=c/u) являются функциями напряженности поля Е, то, изменяя E можно осуществлять фазовую модуляцию света, поляризованного по осям OX’ и OY’.

Пусть световой луч, поляризованный по оси OX’ распространяется вдоль направления OZ’. Тогда свет, пройдя путь l вдоль оптической оси кристалла, относящегося к кристаллографическому классу 42m, приобретает с учетом (5.6а) фазовую задержку d:

Читайте также:  Что такое моделируется свет

где l — длина волны света; U-приложенное к кристаллу напряжение. Как видно из (5.7) фазовая задержка d зависит от U, что позволяет осуществить фазовую модуляцию света прошедшего через кристалл.

Пусть падающий на кристалл свет поляризован линейно вдоль направления OX. Тогда в кристалле распространяются две ортогонально поляризованные компоненты с одинаковыми амплитудами и разными скоростями ux и uy . Пройдя путь l, эти компоненты приобретают разность фаз Г, равную разности соответствующих фазовых задержек:

. (5.8)

Приобретенная в кристалле разность фаз определяет состояние поляризации вышедшего из кристалла излучения. При отсутствии напряжения (Г=0) поляризация света на выходе из кристалла совпадает с поляризацией исходной волны. При достижении Г=p/2 свет обладает круговой поляризацией, а при Г=p поляризация света ортогональна поляризации с поляризацией исходной волны. Зависимость характера поляризации света Р, прошедшего через кристалл, от фазовой задержки Г представлена на таблице. 5.1.

Напряжение, соответствующее значению Г=p, называется полуволновым напряжением: Ul/2=l/(2no 3 r63). (5.9)

откуда следует, что полуволновое напряжение – это напряжение, необходимое для получения разности хода в кристалле равное l/2. Полуволновое напряжение является одним из основных характеристик электрооптических модуляторов.

Таким образом, при изменении напряжения осуществляется модуляция поляризации света. Для получения амплитудной модуляции необходимо модулированный по поляризации свет пропустить через анализатор.

Рис.5.3. Оптическая схема электрооптического модулятора. 1.поляризатор, 2.электрооптический кристалл, 3 анализатор.

Пусть плоско–поляризованный свет падает на систему кристалл-анализатор, показанной на рис.5.3. Если плоскости анализатора и поляризация падающего на кристалл света взаимно перпендикулярны, то интенсивность света на выходе системы будет равна: I=Isin 2 G/2, (5.11)

где G — разность фаз, I­­ –интенсивность падающего света. Зависимость (5.11) называется модуляционной характеристикой ЭОМ.

Режимы работы и конструктивные особенности
электрооптических модуляторов

Рассмотрим схемы использования электрооптического эффекта для целей модуляции добротности резонатора лазера. В лазере ЭОЗ обычно перекрывает одно из зеркал резонатора, чаще всего зеркало (1) с коэффициентом отражения

Рис.5.4. Схема лазера с ЭОЗ в полуволновом режиме. 1,6 – зеркала резонатора; 2,4 – поляризатор и анализатор, соответственно; 3 – электрооптический кристалл(ячейка Поккельса); 5 – активный элемент.

Если оси поляризатора и анализатора параллельны, то затвор закрывается при подаче на ячейку Поккельса полуволнового напряжения (Ul/2), так как в этом случае вышедшей из электрооптического кристалла луч поляризован ортогонально оси анализатора. Затвор открывается при сбросе напряжения. Если же оси скрещены, то затвор закрыт при отсутствии напряжения и открыт при наличии полуволнового напряжения на ячейке Поккельса. Чаще всего используется ЭОЗ в режиме сброса напряжения, ввиду не критичности к амплитуде управляющего импульса. Это связано с тем, что для срыва генерации лазера не обязательно полностью зак­рывать затвор, а достаточно внести потери, превышающие усиление в резонаторе. Затем достаточно подать импульс напряжения, с амплитудой равной запирающему напряжению (с обратным знаком), которая может быть значительно меньше Ul/2. Во втором режиме, для обеспечения минимальных потерь в момент генерации, необходимо на затвор подать импульс напряжения с амплитудой, точно равной Ul/2. На рис.5.4. показана схема подачи напряжения на электроды затвора. Резистор R имеет сопротивление порядка единиц Mом, а емкость С выби­рается из условия С>>Сз, где Сз — емкость затвора (20-100 пФ). Обычно С»10 3 пФ. Электроды наносятся на грани модулирующего элемента токопроводящей пастой.

Управляющее напряжение можно уменьшить в два раза, если использовать электрооптический модулятор в четвертьволновом режиме. В этом случае на ячейку Поккельса (2) подается постоянное четвертьволновое напряжение (Ul/4), вследствие чего при однократном прохождении через кристалл луч приобретает круговую поляризацию (рис.5.5.).

Рис. 5.5. Схема использования электрооптического

кристалла в четвертьволновом режиме.

При обратном прохождении через кристалл отраженного от зеркала (1) луча с круговой поляризацией, луч приобретает поляризацию, ортогональную исходной и не пропускается поляризатором (3), т.е. затвор закрыт. Затвор открывается при подаче импульсного напряжения обратной полярности.

Модуляторы, основанные на ячейках Поккельса, обладают высокой контрастностью и позволяют модулировать оптическое излучение с частотой до нескольких гигагерц. Однако они имеют относительно высокое полуволновое напряжение (единиц киловольт в ближней ИК-области спектра), что затрудняет их непосредственное использование в современных системах передачи информации. Ранее применялись модуляторы на основе ячейки Керра ( n=BnE 2 – квадратичный электрооптический эффект), но при этом к ней приходилось прилагать еще большее напряжение – до 20 кВ.

Рис.5.6. Электрооптический модулятор с одномодовыми диффузными волноводами.

Модуляция, и переключение оптического излучения в системах волоконно-оптической связи осуществляется также электрооптическими модуляторами, но изготовленными применением современных микроэлектронных технологий. Для этого в электрооптическом материале образуют тонкопленочные и диффузные диэлектрические волноводы. Тонкопленочные волноводы состоят из однородной пленки толщиной порядка длины световой волны, нанесенной методом катодного распыления на однородную подложку с более низким показателем преломления. Диффузные волноводы изготавливают методом обратной диффузии Li2O из монокристаллов LiNbO3 и LiTaO3, а также диффузией некоторых элементов в подложку, например атомов Ti (титан) в монокристалл LiNbO3. В этих волноводах в отличие от тонкопленочных волноводов отсутствует четко выраженная граница между волноводным слоем и подложкой, т.е. имеется плавное распределение показателя преломления по поперечному сечению волновода. На рисунке 5.6. одна из конструкций электрооптического модулятора с низким управляющим напряжением, использующая вышеописанную интегральную технологию.

Электрооптический модулятор, представленный на рис.5.6 (а) имеет две ветви оптического пути. В данной конструкции силовые линии приложенного электрического поля (рис.5.6.б) в волноводах имеют противоположные направления, что позволяет увеличивать скорость распространения световой волны в одной ветви и уменьшать во второй ветви волновода. Таким образом можно уменьшить управляющее напряжение модулятора до 8 В на 1 см длины пути луча.

Акустооптические модуляторы

Принцип действия акустооптического модулятора основан на зависимости показателя преломления оптической среды от внешнего давления (эффект фотоупругости). Под действием ультразвуковых волн (f»10 4 ¸10 13 Гц) благодаря фотоупругости происходит модуляция показателя преломления среды, вследствие чего среда приобретает свойства оптической фазовой решетки, период которой равен длине акустической волны. Примером таких материалов являются кристаллы ТеО2 (диоксид теллура), LiNbO3 (ниобат лития), PbMoO4 (молибдат свинца) и т.д. В этих кристаллах давление создается акустическими волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим преобразователем.

Рис.5.7. Ход лучей в акустооптическом модуляторе.

Ход лучей в акустооптическом модуляторе имеет вид, показанный на рис. 5.7.

Акустические волны созданные генератором (пьезоэлектрический кристалл) образуют ряд горизонтальных линий с одинаковыми показателями преломления, так называемую решетку Брэгга. Она перемещается со скоростью Uак и обеспечивает отражение входного луча. Акустическая волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, вызывает периодическое изменение его показателя преломления n:

такую среду можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку с периодом, равным длине ультразвуковой волны , где K=W/Uак -волновое число, W-циклическая частота, Uак — скорость акустической волны .

Характер дифракции света на акустических волнах существенно зависит от параметра .

В случае наблюдается дифракция Брэгга. Дифракционная картина Брэгга состоит из двух максимумов: нулевого и первого порядков дифракции. Отражение происходит при определенных углах, так называемых углах Брэгга.

Если шаг решетки 2s равен оптической длине волны света в материале, тогда: (5.12)

и происходит интерференция всех отраженных волн. Здесь L=Uак/ -длина акустической волны; — частота генератора акустических волн, -угол Брэгга в кристалле, m-дифракционный порядок; -длина оптической волны, n-показатель преломления материала.

С точки зрения применений наибольший интерес представляет угол Брэгга за пределами кристалла . По закону Снеллиуса: или из (5.12): . (5.13)

Как видно из формулы (5.13) при Uак =const. угол Брэгга зависит только от частоты генератора акустических волн и оптической длины волны .

При модуляции мощности генератора акустических волн происходит модуляция интенсивности отклоненного светового луча. Интенсивность отклоненного светового луча в первом максимуме выражается как:

(5.14)

где — геометрические размеры акустического волнового пучка; -акустическое качество материала; Pак акустическая мощность. Как видно из формулы (5.14), увеличивая Pак можно в принципедобиться 100% — ной эффективности модулятора. Акустическое качество зависит от следующих физических характеристик материала: , (5.15)

где — плотность среды; -компонента тензора наведенной анизотропии.

Соотношение (5.14) является модуляционной характеристической акустооптического модулятора света.

Акустооптический модулятор характеризуется следующими параметрами: 1) Нелинейная функция преобразования, которая позволяет определить рабочую точку для обеспечения необходимого значения контрастности и глубины модуляции лазерного излучения:

, (5.16)

где fM – частота модуляции; f=0,35/t; t=0,85Vak/L – длительность фронта нарастания акустической волны.

Рис. 5.8. Примеры нелинейной функцией преобразования. 1- f = 80 MГц; 2 – f = 200 MГц; 3 – f = 800 МГц.

2) Контрастность модуляции лазерного излучения, определяемая отношением его максимальной интенсивности, прошедшего через модулятор к минимальному значению: , (5.17)

3) Глубина модуляции оптического излучения, которая определяется как: . (5.18)

Еще одной особенностью акустооптического модулятора является то, что в результате акустооптического взаимодействия лазерного излучения с движущейся дифракционной решеткой, частота лазерного излучения смещается на величину акустической частоты .

Источник

Adblock
detector