Модулятори оптичних сигналів

Модулятори оптичних сигналів

Вступ

Однією з найважливіших задач волоконної оптики в зв'язку є модулювання оптичних сигналів, яка потребує використання різніх фізичніх ефектів.

Нижче будуть розглянуто використання акустооптичних і електрооптичних ефектів.

1. Акустооптичнi модулятори

Акустооптичнi модулятори широко використовуються у волоконній оптиці завдяки трьом основним властивостям: можливості переключення луча по двох напрямках; модуляції інтенсивності оптичного променя; можливості зсуву оптичної частоти.

Принцип дії акустооптичного модулятора заснований на залежності показника заломлення ряду оптично прозорих матеріалів від зовнішнього тиску.

Такими матеріалами є (диоксид телуру), (ниобат літію) і (молибдат свинцю). У модуляторах тиск створюється акустичними хвилями (рис. 1), якi генеруються п'єзоелектричним перетворювачем і утворюючими ряд горизонтально орієнтованих ліній з однаковим показником заломлення, так звана дифракційна решітка Брегга.

Рисунок 1 – Дифракційна решітка Брегга

Дана решітка забезпечує часткове відбиття вхідного променя і переміщається з акустичною швидкістю .

При цьому вхідний і вихідний промені мають той самий кут нахилу до поверхні, однак новий напрямок луча має місце тільки при визначених кутах (кутах Брегга). Коли крок решітки дорівнює оптичній довжині хвилі в матеріалі, досягається інтерференція всіх часткових хвиль, у цьому випадку

, (1)

де і – швидкість поширення і довжина акустичної хвилі;

– частота генератора акустичної хвилі; – кут Брегга в кристалі;

т – порядок переломленого променя; – довжина оптичної хвилі в повітрі; n – показник заломлення кристала, рівний 5.18 для і 5.26 для . Швидкість поширення хвилі для даних кристалів, відповідно, дорівнює 3630 м/с і 4260 м/с.

За межами кристалу найбільший інтерес представляє кут Брегга першого порядку, що може бути обчислений з вищенаведених рівнянь за допомогою закону Снеллiуса, застосованого до межи між кристалом і повітрям

(2)

Звідси видно, що в даному виразу вiдсутнiй показник заломлення, тому при фіксованій швидкості акустичної хвилі кут Брегга виявляється залежним тільки від частоти генератора акустичної хвилі й оптичної довжини хвилі. Типові кути Брегга становлять значення близько 1°, тому для поділу променів необхідно використовувати горизонтальну структуру модулятора.

Для модуляції інтенсивності відхиленого оптичного променя потужність генератора акустичних коливань повинна модулюватися по амплітуді, а переключення досягається шляхом вмикання і вимикання сигналу генератора.

При цьому інтенсивність дифрагованого луча пропорційна акустичної потужності, показнику якості матеріалу (М₂ ), геометричним розмірам (L/Н), і обернено пропорційна квадрату довжини хвилі, тобто

(3)

З останнього виразу видно, що акустооптичний модулятор має нелінійну функцію перетворення (рис. 2), яка представляється зазвичай у вигляді

, (4)

де – частота модуляції, – тривалість фронту наростання акустичної хвилі.

Рисунок 2 – Нелінійна функція перетворення акустооптичного модулятора

Як видно з даної залежності, для здійснення аналогової модуляції потрібен зсув робочої точки в лінійну область, забезпечуючи тим самим необхідне значення контрастності і глибини модуляції лазерного випромінювання, що визначаються відомими виразу

, (5)

, (6)

де і – максимальна і мінімальна обмірювана інтенсивність випромінювання лазера для променя першого порядку.

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 сві

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать