Модуляція оптичного випромінювання

Модуляція оптичного випромінювання

Управління випромінюванням - головна проблема, що виникає при освоєнні нового діапазону спектра електромагнітних коливань.

Модуляція світла - зміна його параметрів ( амплітуди, довжини хвилі, фази), можлива також зміна поляризації, напрямку розповсюдження, розподілу лазерних мод і т. ін.) в залежності від управляючого (модулюючого) сигналу. У техніці волоконно-оптичного зв'язку модулюючий сигнал є електричним, але він може бути також акустичним, механічним і навіть оптичним.

Прилади, які здійснюють управління оптичним випромінюванням у відповідності з параметрами сигналу, що передається, називаються модуляторами. Можливість використання принципових переваг оптичного діапазону багато в чому залежить від наявності достатньо ефективних та порівняно нескладних схем модуляції.

Для видимого та ближнього інфрачервоного оптичного діапазону (1-8)10¹⁴ Гц принципово можливі смуги частот модуляції, які дорівнюють 10¹¹-10¹² Гц.

До модуляторів оптичного діапазону ставляться такі вимоги:

- широкосмуговість, що забезпечує необхідну інформаційну ємність;

- лінійність модуляційної характеристики;

- великий динамічний діапазон;

- достатня глибина модуляції світла;

- простота реалізації;

- мінімальна маса та габарити;

- висока ефективність, економічність, низька вартість;

-експлуатаційна надійність (стабільність параметрів при зміні температури, тиску, вологості навколишнього середовища).

Існує два основних засоби модуляції оптичного випромінювання. Перший з них заснований на використанні джерела, в якому здійснюється процес модуляції. Модуляція випромінювання у цьому випадку здійснюється в процесі його генерації. Така модуляція називається прямою, внутрішньою або безпосередньою, її прикладом є зміна потужності випромінювання напівпровідникового лазера або світлодіода зміною його струму накачування. Другий засіб - модуляція випромінювання джерела спеціальним модулятором, встановленим на його виході. Така модуляція називається зовнішньою.

На рис. 1 наведені схеми внутрішньої і зовнішньої модуляції.

Вибір того або іншого засобу модуляції залежить від типу випромінювача та від необхідної смуги частот модулюючого сигналу. В системах, що використовують світловипромінюючі діоди (СД) та лазерні діоди (ЛД) застосовується внутрішня модуляція. В системах, що використовують інші типи лазерів (це системи з атмосферним оптичним каналом), змінювати з великою швидкістю енергію накачування складно, тому в цьому випадку застосовується зовнішня модуляція.

ДУС - джерело управляючого сигналу; ГСН - генератор струму накачування; ДОВ - джерело оптичного випромінювання; ОМ - оптичний модулятор.

Рисунок 1 - Схеми внутрішньої (а) та зовнішньої (б) модуляції оптичного випромінювання

Досліджуються питання застосування зовнішньої модуляції у ВОСП наступних поколінь, в яких будуть застосовуватися різноманітні оптоелектронні схеми.

У загальному випадку внутрішня модуляція, яка заснована на зміні потужності накачування, більш економічна, ніж зовнішня. При зовнішній модуляції спочатку необхідно отримати від джерела повну оптичну потужність, а після цього для формування сигналу більшу її частину загасити. При внутрішній модуляції потужність, що випромінюється, логічно регулювати від мінімальних значень до максимальних у відповідності з управляючим сигналом. У цьому випадку струм накачування змінюється у відповідності з управляючим (модулюючим) сигналом, що призводить до еквівалентної зміни інтенсивності (потужності) оптичного випромінювання. Цей вид модуляції простий, не вносить втрат в оптичний лінійний тракт, не вимагає складних приладів, він особливо важливий, бо застосовується не тільки до когерентного, але й до некогерентного випромінювання. Модулюючими можуть бути як аналогові сигнали з різноманітними видами модуляції електричної піднесучої, так і цифрові. Найпростішим видом модуляції є аналогова модуляція інтенсивності. Частотна модуляція електричної піднесучої з наступною модуляцією потужності оптичного випромінювання збільшує відношення сигнал/шум, але вимагає більшої смуги частот в лінії, що не є обмежуючим чинником для ВОСП. Можливості амплітудної модуляції оптичного випромінювання обмежені нелінійністю ват-амперної характеристики випромінювача. Ефективними є різноманітні види імпульсної модуляції: широтно-імпульсна (ШІМ), частотно-імпульсна (ЧІМ), позиційно-імпульсна (ПІМ), що називається також фазоімпульсною (ФІМ), інтервально-імпульсна модуляція (ІІМ), імпульсно-кодова та деякі інші.

Для амплітудної модуляції застосовуються неімпульсні випромінювачі: світлодіоди та лазерні діоди безперервної дії. Для імпульсних видів модуляції в основному застосовуються імпульсні ЛД.

При імпульсних видах модуляції випроміювання напівпровідникових лазерів в умовах кімнатної температури відбувається розігрів p-n переходу, що веде до збільшення порогового струму, зменшення вихідної потужності, деякого розширення спектра випромінювання. Ці явища обмежують швидкість передачі системи. Для попередження розігріву p-n переходу ЛД вміщують в мікроохолоджувач.

Окрім модуляції інтенсивності, можливі частотна та фазова модуляція оптичного випромінювання. Частоту лазера можна змінювати, використовуючи її залежність від температури активної речовини. Цей засіб, що називається термічним, заснований на зміні енергетичних рівнів із зміною температури. Різниця між енергетичними рівнями визначає частоту коливань, тож змінюючи температуру активної речовини лазера, можна змінювати його частоту. Цей засіб є дуже інерційним і має в основному теоретичний інтерес.

Зміна частоти випромінювання можлива під дією магнітного поля (ефект Зеємана). Внаслідок дії магнітного поля спектральна лінія випромінювання лазера розщеплюється на три складові. Для широкополосної модуляції з використанням ефекту Зеємана потрібні відносно потужні магнітні поля, тож необхідні громіздкі та потужні прилади.

Аналогічно для частотної модуляції може бути використаний ефект Штарка, що полягає в розщепленні і зміщенні енергетичних рівнів при накладенні потужного електричного поля. При цьому для зміни частоти на декілька гігагерц потрібна напруженість електричного поля до 10⁵ - 10⁶ В/см. Частотна модуляція може бути здійснена також зміною параметрів оптичного резонатора. Ці засоби модуляції є внутрішніми, бо зміна параметра випромінювання (частоти) відбувається в процесі генерації випромінювання.

Для зовнішньої модуляції оптичного випромінювання застосовуються спеціальні прилади - модулятори, в яких використовуються різноманітні ефекти взаємодії оптичного випромінювання з речовиною (рис. 2). У більшості випадків зовнішня модуляція світла заснована на зміні дійсної або уявної частин діелектричної проникності середовища. Це призводить до модуляції фази або амплітуди світла, що пройшло крізь модулятор.

Більшість оптичних модуляторів можуть бути виконані у будь-якому виконанні: обґємному, планарному або волоконному; виняток складають модулятори на основі монокристалічних середовищ, їх волоконне виконання є проблематичним, бо потребує вирощування монокристалів у вигляді волокон. Планарні та смугові модулятори застосовуються в приладах обробки інформації, застосування їх в ВОСП передбачається у перспективі.

Для оптичних модуляторів використовуються оптично анізотропні речовини. Оптичною анізотропією зветься залежність оптичних властивостей середовища від направлення розповсюдження хвилі та її поляризації. Вона зумовлена електричними або магнітними властивостями середовища. Характерною особливістю таких речовин є відмінність показника заломлення для різних напрямків разповсюдження хвилі. Це явище визначає також залежність фазової швидкості світла від властивостей середовища, в якому воно розповсюджується. В оптичних модуляторах найчастіше використовується залежність показника заломлення середовища n від зовнішніх впливів, наприклад, від напруженості електричного або магнітного полів.

В таких середовищах вектори електричного (магнітного) поля та індукції в загальному випадку не паралельні і пов'язані тензорним співвідношенням

,, (1)

де , - тензори діелектричної та магнітної проникностей.

Загалом (1) має вигляд:

,

, (3)

,

де - діелектрична проникність вакууму.

Елементи в (2) характеризують анізотропне діелектричне середовище і складають тензор діелектричної проникності. Аналогічні співвідношення можна навести для векторів і. Тензор діелектричної проникності є симетричним,тобто Діагональні компоненти тензора ,, звуться головними значеннями тензора відносної діелектричної проникності, а відповідні , , головними показниками заломлення і дорівнюють головним осям еліпсоїда уздовж напрямків x, y, z. Цей еліпсоїд визначає поверхню постійної щільності енергії і називається еліпсоїдом показників заломлення (рис 3), для якого виконується рівняння

. (3)

Довжини напівосей еліпса дорівнюють головним значенням показника заломлення кристала. Слід відмітити, що ізотропне середовище характеризується сферичною поверхнею показника заломленя, тобто не залежить від напрямку. На практиці більшість електрооптичних кристалів є одноосними в тому змісті, що вони мають одну головну вісь (звичайно вісь z).

Діелекрична проникність уздовж осі дорівнює , а в перпендикулярних напрямках не залежить від вибору осей (), еліпсоїд показників заломлення у цьому разі є еліпсоїдом обертання. Такі кристали мають два головних значення показника заломлення: та . Хвильовий вектор , хвилі що розповсюджується, можна розкласти на дві компоненти уздовж осей еліпса, тоді одна компонента хвильового вектора нормальною до головної площини, а друга - паралельна їй. Інакше, у хвилі можна виділити дві складові поляризації: одна відповідає коливанням електричного поля перпендикулярно до головної площини (звичайна хвиля ), друга - коливанням вектора Е паралельно до цієї площини. Для будь-якого кутового напрямку И хвильового вектора (рис. 2) коливання звичайної хвилі спрямовані вздовж головної осі еліпсоїда показників заломления (вісь у), що відповідає звичайному показнику заломлення. Друга вісь еліпса змінюється із зміною кута И, але її значення завжди знаходиться поміж та , це значення називається незвичайним показником заломлення.

Отже, внаслідок оптичної анізотропії у середовищі виникає подвійне променезаломлення, тобто існує такий напрямок у речовині (z), по якому плоскополяризований промінь світла, що входить в це середовище, перетворюється у два, що розповсюджуються в тому ж напрямку, плоско- поляризованих променів, у яких площини поляризації взаємно перпендикулярні та у загальному випадку не співпадають із площиною поляризації вхідного променя, тобто зґявляються звичайний та незвичайний промені.

Назви 'звичайний' та 'незвичайний' відповідають різному поводженню променів у кристалі. В анізотропному середовищі в довільному напрямку розповсюджуються дві лінійно поляризовані хвилі із взаємно перпендикулярними поляризаціями. Це означає, що існує дві поверхні хвильових векторів. В одноосному кристалі одна з цих поверхонь - сфера і відповідна хвиля має сферичний фронт. Це звичайна хвиля і для неї кристал є ізотропним середовищем. Хвильовий фронт незвичайної хвилі є еліпсоїдом обертання (для одноосних кристалів). Це зумовлює особливості заломлення світла: при проходженні межі разділу ізотропне середовище - одноосний кристал падаючий промінь подвоюється, звичайний промінь поводить себе аналогічно хвилям в ізотропному середовищі, заломлений промінь лежить у одній площині із променем, що падає (для нього поверхня хвильових векторів- сфера, а не еліпсоїд).

Другий промінь - незвичайний, він є аномальним, у загальному випадку він не лежить у площині падіння. Звичайний промінь має постійну швидкість розповсюдження, яка не залежить від зовнішнього впливу на речовину, швидкість другого змінюється у відповідності з мірою зовнішнього впливу на кристал

; . (4)

Таким чином, після проходження крізь анізотропне середовище плоскополяризований промінь перетворюється в два когерентних плоскополяризованих промені, що мають зрушення фаз світлових коливань. При складанні цих коливань за межами анізотропного середовища утвориться промінь світла, характер поляризації якого відрізняється від лінійної поляризації вхідного променя та залежить від зрушення фаз між звичайним та незвичайним променями. Модуляція поляризації за допомогою поляроїдів перетворюється в амплітудну.

При зовнішньому впливі (електричному, магнітному, механічному) на анізотропне середовище змінюється еліпсоїд показників заломлення, що веде відповідно до зміни двопроменезаломлення. При цьому буде змінюватися швидкість незвичайного променя, а на виході анізотропного середовища буде змінюватися характер поляризації світла. Зміна поляризації може бути перетворена у зміну інтенсивності за рахунок інтерференції між складовими поляризованої хвилі, тобто можлива реалізація амплітудної модуляції.

Деякі матеріали в електричному полі стають двопроменезаломлюючими (наведене двопроменезаломлення). Відомі два різновиди електрооптичного ефекту: нелінійний (квадратичний) електрооптичний ефект Керра та лінійний оптичний ефект Поккельса. Зміна коефіцієнта заломлення кристала залежить від типу кристала, прикладеної електричної напруги, її напрямку відносно оптичних осей кристала X, Y, Z. Оптична анізотропна речовина в електричному полі набуває властивостей двопроменезаломлення з оптичною віссю, яка направлена вздовж силових ліній електричного поля (ефект Керра). При розповсюдженні світла перпендикулярно до оптичної осі існує таке співвідношення

, (5)

де К - постійна Керра, л-довжина оптичної хвилі; E-напруженість прикладеного електричного керуючого поля.

При проходженні шляху L різниця оптичних шляхів звичайного та незвичайного променів складає.

, (6)

а різниця фаз між хвилями

. (7)

Ефект Керра має дуже малу інерційність, тобто запізнення зміни оптичної анізотропії від напруженості керуючого електричного поля не перевищує 10^-10с. Це дозволяє створити швидкодіючі ключі, модулятори світла та інші прилади, що називаються осередками Керра. За відсутності зовнішнього поля осередок не пропускає світло, при появі зовнішнього поля, коли осередок діє як чвертьхвильова пластинка, інтенсивність світла, що пройшло крізь неї, сягає максимуму, таким чином, осередок діє як модулятор інтенсивності (потужності) оптичного випромінювання. Наведене двопроменезаломлення пропорційне першому ступеню напруженості прикладеного до кристала електричного поля називається ефектом Поккельса. Ефект Поккельса має таку ж швидкодію, як і ефект Керра, однак напруга, що прикладається до кристала приблизно на порядок менша напруги, необхідної для одержання в осередку Керра однакового подвійного променезаломлення при рівних відстанях між електродами. В осередку Керра ця напруга складає кіловольти. Охолодження модулятора до температури, близької до точки Кюрі, дозволяє знизити напругу до 100 В.

Ефект Поккельса використовується для створення швидкодіючих ключів, модуляторів та інших приладів, що називаються осередками Поккельса. Ефект Поккельса виникає як при розповсюдженні променя вздовж прикладеної напруги або оптичної осі кристала - подовжній ефект, так і перпендикулярно йому - поперечний ефект (рис. 4).

Поперечні осередки Поккельса мають деякі переваги у порівнянні з подовжніми. Електроди у поперечних осередках розташовуються паралельно пучку світла, відстань між ними (d) може бути достатньо малою, а довжина шляху променя L достатньо великою. Це дозволяє створити напівхвильовий осередок з відносно невеликою різницею потенціалів між електродами та забезпечити необхідну різницю оптичних шляхів та розбіжність фаз поміж хвилями у відповідності з 6 та 7.

У подовжніх осередках розбіжність фаз між звичайною та незвичайною хвилями для фіксованої різниці потенціалів не залежить від довжини осередка, тому що при збільшенні його довжини зменшується напруженість електричного поля. Отже, збільшити розбіжність фаз можна лише збільшенням різниці потенціалів, що прикладається до осередка. Проте для створення високошвидкісних осередків переважно треба використовувати подовжній ефект, тому що в цьому випадку електроди мають менший розмір та відповідно меншу ємність, що підвищує швидкодію осередка.

Найважливішими параметрами електрооптичних модуляторів є напівхвильова напруга та потрібна потужність, що управляється. Напівхвильова напруга Vп забезпечує на довжині L фазове зрушення між звичайною та незвичайною хвилями, що дорівнює р. Напівхвильова напруга змінюється у межах від 100 В до 10 кВ для різних матеріалів. Необхідна потужність визначається виразом

,

де Дf- ширина смуги пропускання; d - відстань між електродами; L- довжина осередка; ц- глибина модуляціі.

Якість усіх типів модуляторів (електрооптичних, магнітооптичних, акустичних) оцінюється критерієм якості модулятора, що пов'язаний з використанням модуляторів у високочастотному діапазоні

.

Для електричних модуляторів інтенсивності та фази використовується ніобат літію (LiNbO₅), смуга прозорості якого складає Дл=0,45-4,5 мкм. Ці модулятори забезпечують частоту модуляції до 4 ГГц.

Основний недолік обґємних електрооптичних модуляторів полягає в досить високому критерії якості (або напівхвильової напруги). Ця проблема достатньо успішно вирішується у модуляторах на основі планарних хвилеводів, товщина плівки в такому модуляторі складає декілька мікрометрів. Прикладена напруга змінює модову структуру поля плівки, що призводить до фазової затримки та перетворення мод, це веде до фазової модуляції, яка достатньо легко перетворюється на амплітудну. Критерій якості таких модуляторів нижче на три порядки у порівнянні з обґємними, довжина планарного модулятора не перевищує одного сантиметра.

За своєю сутністю з електрооптичним тісно пов'язаний акустооптичний ефект. Акустичний ефект є окремим випадком ефекту фотопружності - зміни показника заломлення речовини під дією пружних механічних впливів. В акустооптичному ефекті еліпсоїд показників заломлення змінюється при впливі механічних напруг , що виникають під дією звукового тиску (акустичної хвилі).

Акустична хвиля в середовищі збуджується за допомогою пґєзоелектричного перетворювача. При цьому в матеріалі формується дифракційна ґратка, зміни показника заломлення якої в кожній точці та в кожний момент часу будуть пропорційні акустичній хвилі. В залежності від умов узгодження акустичного імпедансу на кінцях зразка у ньому може бути створений або режим біжучих хвиль, або режим стоячих хвиль. Проте швидкість звуку у середовищі значно менша швидкості світла (v<<c), тому у режимі біжучих хвиль світло “не буде помічати” переміщення акустичних хвиль. Отже, в першому наближенні можна розглядати режим стоячих хвиль. В обох режимах акустична потужність змінюється з періодом , де Л -довжина акустичної хвилі в фотопружному середовищі. Схема акустооптичної системи наведена на рис. 5.

На зразок пґєзокристала, в якому зовнішнім електричним полем збуджена площинна електрична хвиля, направлена світлова хвиля з хвильовим вектором . Акустична хвиля відображена вектором , а вихідна світлова хвиля - вектором . Для збереження імпульсу та енергії повинні виконуватися умови

Таким чином, світлова хвиля в акустооптичному модуляторі повинна бути практично перпендикулярна акустичній хвилі, що збуджується у зразку (рис. 6).

Ця хвиля падає під дуже малим кутом И_о, а виходить із зразка під кутом И_е. Розподіл світлової хвилі в дальній зоні уздовж напрямку визначається напрямками головних дифракційних максимумів, що визначається з умови

Це так званий режим дифракції Брегга. Якщо до зразка підключити генератор з частотою, що змінюється, то в ньому буде формуватися дифракційна ґратка з періодом, що змінюється. Це дозволяє керувати кутом відхилення пучка на виході або отримати оптичний дефлектор.

При проходженні крізь анізотропне середовище фаза хвилі набуває зрушення після проходження відстані L

. (11)

В акустичному модуляторі інтенсивність модульованого світла визначається глибиною фазової модуляції ДЦ

, (12)

де І₀ - інтенсивність немодульованого світлового потоку.

Конструктивно акустооптичний модулятор являє пластину електрооптичного матеріалу, яка однією боковою стороною контактує з п'єзоелектричною пластиною, в якій збуджуються акустичні коливання при прикладенні до неї електричної напруги відповідної частоти.

Недоліком акустооптичних модуляторів є їх інерційність. Вона зумовлена відносно малою швидкістю розповсюдження акустичних хвиль. Тому, якщо модулюючий сигнал змінюється швидко, то відбувається “змазування” інформації, що переноситься на світловий сигнал. Ширина смуги пропускання акустичних модуляторів може бути розширена при переході до планарних модуляторів. На основі акустооптичного ефекту створені переривачі та модулятори з постійною часу не більше 1 мкс, ефективністю від 50 до 80%.

На основі ефекту Фарадея заснована дія магнітооптичних модуляторів. Ефект Фарадея викликає обертання площини поляризації лінійно- поляризованого світла. Об'ємний модулятор, що складається з магнітооптичного матеріалу, вміщується в соленоїд. Якщо вздовж циліндричного зразка проходить лінійно-поляризоване оптичне випромінювання, то поляризація, а після проходження спеціального аналізатора - й інтенсивність світлової хвилі виявляються функціями прикладеного магнітного поля. Можливий планарний варіант магнітооптичного модулятора. В такому модуляторі, як і в планарному електрооптичному, виникає перетворення мод. Внаслідок сильного двопроменезаломлення моди розповсюджуються під різними кутами (цей кут складає біля 20 градусів). Тому будь-яка модуляція струму намагнічування призводить до змін потужності, що переноситься цією модою.

Недоліком магнітооптичних модуляторів є великий коефіцієнт поглинання тих матеріалів, які використовуються в діапазоні видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання. Окрім цього такі модулятори потребують сильних магнітних полів.

Взагалі оптичний модулятор будь-якого типу на основі наведених ефектів може бути виготовлений у волоконному виконанні. Волоконно - оптичні модулятори відкривають нові можливості побудови розподілених систем передачі інформації, дозволяючи здійснити багатократне безрозривне введення інформації у світловий сигнал.