3666 АМПЛИТУДНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР

В Е Д Е Н И Е

 

Одной из наиболее важных тенденций в развитии систем обработки информации является непрерывное увеличение объема и скорости обработки данных. Современная электроника на базе интегральных микросхем достигла в этом отношении значительных успехов. Дальнейшее радикальное улучшение основных показателей информационных систем связывается с привлечением оптических методов обработки информации.

Оптическая обработка информации предполагает использование ряда принципиально новых элементов и средств. К их числу прежде всего относятся быстродействующие модуляторы света, с помощью которых осуществляется введение информации в световую волну. Как и в радиотехнике, введение информации заключается в изменении (модуляции) одной или нескольких характеристик электромагнитной волны под воздействием информационного сигнала. Изменяться могут амплитуда, фаза, частота, направление распространения волны, ее поляризация. Поскольку используемые в оптоэлектронике фотоприемники обычно реагируют только на интенсивность света, модуляцию частоты, фазы и поляризации, как правило, преобразуют в амплитудную.

Наиболее удобно и просто модуляция интенсивности осуществляется в случае светоизлучающих диодов и полупроводниковых лазеров путем изменения величины возбуждающего тока. Такая модуляция, при которой необходимое изменение оптического излучения осуществляется непосредственно в процессе его генерирования в самом источнике, называется прямой или внутренней. Однако часто, особенно при работе с интенсивными световыми потоками, возникает необходимость производить модуляцию уже вышедшего из источника излучения, т.е. внешнюю модуляцию. В этом случае также обеспечиваются более высокие частоты по сравнению с частотами, достигаемыми при внутренней модуляции.

Модуляторы оптического излучения, используемые в системах обработки и передачи информации, работают на основе различных физических явлений, таких как электрооптический и акустооптический эффекты, магнитооптический эффект и другие. Наиболее быстродействующими и перспективными считаются электрооптические модуляторы.

 

Целью данной лабораторной работы является ознакомление с устройством и принципом работы электрооптического модулятора и принципом построения оптической линии связи.

Основные теоретические сведения

Прежде чем приступить к рассмотрению принципа работы амплитудного электрооптического модулятора, следует вспомнить и уяснить ряд положений, касающихся таких понятий и явлений, как поляризация, двойное лучепреломление и электрооптический эффект.

 

Поляризация электромагнитной волны определяется  характером изменения во времени пространственной ориентации векторов напряженности электрического и магнитного полей. Поскольку эти векторы взаимно перпендикулярны (и перпендикулярны к направлению распространения вoлны), то, говоря о различных видах поляризации, обычно оперируют только вектором напряженности электрического поля Е.

Если положение плоскости, в которой лежат вектор Е и направление распространения волны, не изменяется во времени, волна называется линейно или плоско поляризованной.

Эллиптически поляризованной является волна, у которой в каждой точке пространства вектор Е вращается в плоскости, перпендикулярной к  направлению распространения волны, одновременно изменяясь периодически по модулю так, что его конец описывает эллипс.

Частным случаем эллиптической поляризации является круговая поляризация, когда величина вектора Е при вращении не изменяется и его конец описывает окружность.

Эллиптически поляризованную волну можно разложить на сумму двух линейно поляризованных волн с ортогональными направлениями поляризации. На рис.1 в качестве примера, иллюстрирующего это положение, изображен результат сложения двух взаимно перпендикулярных векторов E1 и E2, изменяющихся во времени по синусоидальному закону с одинаковыми амплитудами и некоторым фазовым сдвигом Δφ.

Изменение характера поляризации  электромагнитной волны в зависимости от разности фаз этих  колебаний показано на рис.2. При отсутствии фазового сдвига (Δφ=0) волна остается плоско поляризованной. При π/2 > Δφ >0 результирующий вектор описывает эллипс, при Δφ = π/2 – окружность, при π >Δφ > π/2 – снова эллипс, главная ось которого повернута на 90 градусов. Когда фазовый сдвиг достигает π, эллипс сжимается до главной оси; волна снова становится линейно поляризованной.

 

Явление двойного  лучепреломления наблюдается в оптически анизотропных средах, т.е. средах, оптические свойства которых зависят от направления распространения волны и ее поляризации. Оптическая анизотропия кристаллов вытекает соответственно из анизотропии (неодинаковости по различным направлениям) поля сил, связывающих атомы кристаллической решетки. Все кристаллы, кроме кубических, оптически анизотропные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При падении электромагнитной волны (светового луча) на поверхность анизотропной среды в ней в общем случае будут распространяться две линейно поляризованные компоненты (два луча). Плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны. Поскольку реакция атомов анизотропной среды на воздействие электромагнитного поля зависит от его направления, условия прохождения этих лучей через среду будут различными. В общем случае они будут распространяться в разных направлениях с разными скоростями и испытывать разное поглощение. В электрооптических модуляторах используются, естественно, оптически прозрачные среды, поэтому поглощением и тем более его различием для двух волн можно пренебречь. Скорость волны в таких средах v = c/n, где c - скорость света, n – показатель преломления, различный для двух лучей.

В любой анизотропной среде имеются одно или два направления, при распространении вдоль которых скорость  волны не зависит от ее поляризации, т.е. двойное лучепреломление отсутствует. Эти направления называются оптическими  осями. По числу таких направлений кристаллы делятся на одноосные и двухосные. В электрооптических модуляторах используются, как правило, одноосные кристаллы.

Применительно к одноосному кристаллу один из распространяющихся в нем лучей принято называть обыкновенным, другой - необыкновенным. Обыкновенный луч поляризован в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат оптическая ось и направление распространения. Необыкновенный же луч поляризован в этой плоскости. Поведение обыкновенного луча не отличается от поведения луча в изотропной среде. Для него выполняется хорошо известное соотношение: sinα /sinβ = n , где α и β - углы падения и преломления луча, n - показатель преломления изотропной среды или же показатель преломления анизотропной среды для обыкновенного луча. И в том и другом случаях этот показатель не зависит от направления распространения луча. Показатель же преломления для необыкновенного луча зависит от направления и изменяется в пределах между n0 и некоторым значением ne , которые называются главными показателями преломления одноосного кристалла.

 

Электрооптический эффект заключается в изменении оптических характеристик среды под воздействием внешнего электрического поля. Различают квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра) и линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса). Первый наблюдается в аморфных, жидких и газообразных средах, в центросимметричных кристаллах, т.е. средах, изотропных в отсутствие электрического поля. Под воздействием поля эти среды становятся анизотропными с оптической осью, ориентированной вдоль направления поля. При этом разность показателей преломления no и ne изменяется пропорционально квадрату напряженности поля.

Эффект Поккельса имеет место исключительно в нецентросимметричных кристаллах (пьезоэлектриках). Наиболее известными среди них являются кристаллы дигидрофосфата аммония (NH4H2PO4), или сокращенно ADP, дигидрофосфата калия (КH2PO4), или KDP, хлорида меди (CuCl), ниобата лития (LiNbO3) и др. Воздействие электрического поля изменяет направления оптических осей анизотропных кристаллов. Значения главных показателей преломления изменяются при этом пропорционально напряженности поля. Благодаря линейному характеру данной зависимости, эффект Поккельса получил наиболее широкое практическое применение и используется почти во всех созданных модуляторах света. Нелинейные искажения в этих модуляторах относительно невелики. Другое важное свойство эффекта Поккельса – его малая инерционность позволяет осуществлять модуляцию света до частот порядка 1013 Гц.

Линейный электрооптический эффект наблюдается как при продольном, так и поперечном (по отношению к световому лучу) направлении вектора напряженности внешнего поля. В соответствии с этим различают продольный и поперечный эффекты Поккельса.

Устройство и принцип работы

амплитудного электрооптического  модулятора

Типичная схема амплитудного электрооптического модулятора для случая продольного эффекта Поккельса представлена на рис.3. Он состоит из электрооптического элемента 1 и двух скрещенных поляризаторов 2,3.

 



 
тектонических движениях земной