Внешняя модуляция оптического излучения

 

Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации и других) при прохождении светового луча через какую-либо среду и основана на следующих физических явлениях:

- электрооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (LiNBO₃ – ниобит лития) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала),

- магнитооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием магнитного поля (эффект Фарадея), создаваемого источником модулирующего сигнала,

- электроабсорбционный эффект – изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала,

- упругооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием акустической (механической) волны, создаваемой источником модулирующего сигнала (эффект Брэгга, Эффект Рамана – Ната).

Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили: электрооптический эффект (в том числе электроабсорбционный эффект, который часто причисляют к электрооптическому) и акустический эффект.

 

Электрооптическая модуляция

 

Электрооптическая модуляция (ЭОМ) может происходить на основе линейного эффекта. Этот эффект наблюдается в анизотропных кристаллах, где изменение показателя преломления линейно зависит от напряженности поля (эффект Поккельса) . Линейная модуляция света может происходить в кристаллах LiNBO₃, BaTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂, KNBO₃ и других.

Нелинейная модуляция света ( - эффект Керра) может происходить в глицерине, сероуглероде, стекловолокнах с некоторыми примесями полупроводников и редкоземельных элементов.

В технике оптических систем передачи чаще применяются модуляторы с линейным электрическим эффектом. В таких модуляторах внешнее переменное электрическое поле создает в веществе оптическую анизотропию, наблюдаемую как двойное лучепреломление (рисунок 5.8). При этом образуется набег фазы между обыкновенным (ординари) и необыкновенным (экстраординари) лучами.

(7.10)

где L – длина пути в веществе (кристалле),

n₀ – коэффициент преломления для обыкновенного луча,

n_e – коэффициент преломления для необыкновенного луча,

λ – длина волны излучения.

Внешнее электрическое напряжение, деформирующее значение показателя преломления n(x, y, z) в различных плоскостях должно иметь определенную степень воздействия:

(7.11)

где E_p – степень воздействия внешнего поля,

γ _ip – электрические постоянные, определяемые характеристиками кристалла (материала),

i – направление воздействия (по оси x, y, z).

Например, если в направлении x кристалла приложить электрическое напряжение U₀, то при толщине кристалла d коэффициент преломления вдоль оси х и y для обыкновенной и необыкновенной волн будет иметь вид:

,

, (7.12)

Таким образом, изменения и приводят к изменению поляризации волны когерентного излучения, проходящего через кристалл. Рисунки 7.12, 7.13 показывают изменения поляризации и образование модулированного по интенсивности излучения.

Рисунок 7.12

Рисунок 7.13

 

На выходе анализатора схемы ЭОМ интенсивность излучения будет меняться по правилу:

(7.13)

где U_π – напряжение при котором φ =π – называется полуволновым,

U_m – модулирующее напряжение.

На выходе кристалла обыкновенная и необыкновенная волны интерферируют и результирующий вектор будет вращаться. При полуволновом напряжении на выходе модулятора наблюдается максимум интенсивности (если φ ₀=0).

Величина полуволнового напряжения

(7.14)

Частотная характеристика модулятора определяется межэлектродной емкостью С и внутренним сопротивлением источника r модулирующих сигналов

(7.15)

При малых значениях r и С полоса частот модулирующего сигнала достигает десятков гГц. ЭОМ пригоден для импульсной модуляции света, так как является безинерционным прибором.

К недостаткам ЭОМ относят необходимость приложения напряжений модуляции, большие габариты, температурную зависимость .

 

 

Модулятор Маха – Цендера

Модулятор Маха - Цендера (М - Z) представляет собой интерферометр, исполняющий волноводы на основе необита лития (LiNbO₃) или конфигурацию направленного разветвителя. Волноводы М – Z модулятора имеют конфигурацию Y- разветвителя. Коэффициент преломления такого материала как LiNbO₃ может изменятся под действием внешнего напряжения. Воздействие внешнего напряжения, оптическое/электромагнитное поле в двух рукавах М – Z модулятора (на выходе модулятора) имеют одинаковый сдвиг фаз и интерференция синфазна. Дополнительный фазовый сдвиг, вносимый в одном из рукавов за счет измерения коэффициента преломления, вызванного приложенным напряжением, нарушает эту синфазность интерференционной картины и уменьшает мощность сигнала передатчика на выходе. В частности, наблюдается полное отсутствие света на выходе, если вносимый фазовый сдвиг между двумя рукавами будет равен n???, учитывая противофазный характер интерференции. В результате такого механизма действия, электрический поток бит, поданный на модулятор, создает оптическую копию бит на выходе (рисунок 7.14).

Рисунок 7.14

 

Характеристики внешнего модулятора частенка описываются так называемым коэффициентом ослабления сигнала (ER) – отношением уровней сигнала при включенном и выключенном состояниях и модуляционной шириной полосы. Модуляторы на основе необита лития обеспечивают ER порядка 20 дБ и могут осуществлять модуляцию потока со скоростью до 75 Гбит/с.

 

 

Акустооптическая модуляция

Эти модуляторы (АОМ) основаны на акустооптическом эффекте – изменении показателя преломления вещества под воздействием ультразвуковых волн (УЗВ). Наиболее ярко этот эффект проявляется в ряде материалов: диокись теллура (TeO₂), молибдонате свинца (PbMoO₄), ниобате лития (LiNbO₃) и других. УЗВ можно возбудить в веществе с помощью пьезокристалла. Для получения УЗВ используют генератор с малым выходным сопротивлением и большой акустической мощностью P_a. При прямом пьезоэффекте механические колебания резонатора передаются твердому телу, по которому распространяется УЗВ. В результате, в твердом теле создаются сжатия и разряжения плотности ρ вещества, что приводит к изменению показателя преломления .

Величина зависит от акустических свойств вещества и акустической мощности

(7.16)

где М – коэффициент дифракционного качества,

S – площадь поперечного сечения АОМ.

где n – показатель преломления вещества,

P – константа упругости материала,

ρ – плотность материала,

V_a – скорость распространения УЗВ в материале.

Если кристалл осветить потоками монохроматического света, то созданные УЗВ сжатия и разряжения плотности будут представлять собой для света дифракционную решетку с периодом Λ _зв, равным длине УЗВ. В результате, произойдет дифракция света, появятся дифракционные максимумы и минимумы.

В зависимости от частоты УЗВ различают два вида дифракции: дифракцию Рамана – Ната и дифракцию Брэгга.

1. Дифракция Рамана – Ната.

В этом случае световой поток направлен перпендикулярно плоскости ДР (рисунок 3.16) и соблюдается условие

(7.17)

где λ – длина волны света,

Λ _зв – длина волны УЗВ

L – длина взаимодействия между УЗВ и световым потоком.

Рисунок 7.15

По закону дифракции

, m=1, 2, …, j. (7.18)

где m – порядок дифракции,

Q_m – угол дифракции.

Для максимума первого порядка m=1 и угол дифракции

Выходным каналом в таких модуляторах является максимум нулевого порядка.

2. Для получения дифракции Брэгга необходимо уменьшить длину УЗВ, так, чтобы соблюдалось условие

(7.19)

При этом луч света направляют под углом Брэгга к нормали (рисунок 7.16) - угол обычно очень мал.

 

Рисунок 7.16

Необходимо отметить, что в случае дифракции Брэгга исчезают все максимумы дифракции, кроме нулевого и первого. При чем в данном случае максимум первого порядка является выходным каналом.

Акустические модуляторы имеют ограниченный спектр модулирующих сигналов (не выше 1 гГц).

 

Контрольные вопросы:

- Что такое модуляция оптического излучения и её виды?

- Чем характеризуется прямая модуляция?

- Чем вызваны нелинейные искажения при прямой модуляции СИД?

- Частотная характеристика при прямой модуляции СИД?

- В чем особенность прямой модуляции полупроводникового лазера?

- Виды шумов при модуляции лазера?

- Виды физических явлений при внешней модуляции?

- Принцип действия ЭОМ?

- Принцип действия модулятора Маха-Цендера?

- Принцип действия АОМ?

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: