Модуляція оптичного випромінювання
Управліннявипромінюванням — головна проблема, що виникає при освоєнні нового діапазонуспектра електромагнітних коливань.
Модуляція світла– зміна його параметрів ( амплітуди, довжини хвилі, фази), можлива також змінаполяризації, напрямку розповсюдження, розподілу лазерних мод і т. ін.) взалежності від управляючого (модулюючого) сигналу. У техніці волоконно-оптичногозв'язку модулюючий сигнал є електричним, але він може бути також акустичним,механічним і навіть оптичним.
Прилади, якіздійснюють управління оптичним випромінюванням у відповідності з параметрамисигналу, що передається, називаються модуляторами. Можливість використанняпринципових переваг оптичного діапазону багато в чому залежить від наявностідостатньо ефективних та порівняно нескладних схем модуляції.
Для видимого таближнього інфрачервоного оптичного діапазону (1-8)1014 Гц принциповоможливі смуги частот модуляції, які дорівнюють 1011-1012Гц.
До модуляторівоптичного діапазону ставляться такі вимоги:
— широкосмуговість, що забезпечує необхідну інформаційну ємність;
— лінійністьмодуляційної характеристики;
— великийдинамічний діапазон;
— достатняглибина модуляції світла;
— простотареалізації;
— мінімальна масата габарити;
— високаефективність, економічність, низька вартість;
-експлуатаційнанадійність (стабільність параметрів при зміні температури, тиску, вологостінавколишнього середовища).
Існує дваосновних засоби модуляції оптичного випромінювання. Перший з них заснований навикористанні джерела, в якому здійснюється процес модуляції. Модуляція випромінюванняу цьому випадку здійснюється в процесі його генерації. Така модуляція називаєтьсяпрямою, внутрішньою або безпосередньою, її прикладом є зміна потужностівипромінювання напівпровідникового лазера або світлодіода зміною його струмунакачування. Другий засіб — модуляція випромінювання джерела спеціальниммодулятором, встановленим на його виході. Така модуляція називаєтьсязовнішньою.
На рис. 1наведені схеми внутрішньої і зовнішньої модуляції.
Вибір того абоіншого засобу модуляції залежить від типу випромінювача та від необхідної смугичастот модулюючого сигналу. В системах, що використовують світловипромінюючідіоди (СД) та лазерні діоди (ЛД) застосовується внутрішня модуляція. Всистемах, що використовують інші типи лазерів (це системи з атмосфернимоптичним каналом), змінювати з великою швидкістю енергію накачування складно,тому в цьому випадку застосовується зовнішня модуляція.
/>
ДУС – джерелоуправляючого сигналу; ГСН – генератор струму накачування; ДОВ – джерелооптичного випромінювання; ОМ – оптичний модулятор.
Рисунок1 – Схеми внутрішньої (а) та зовнішньої (б) модуляції оптичного випромінювання
Досліджуютьсяпитання застосування зовнішньої модуляції у ВОСП наступних поколінь, в якихбудуть застосовуватися різноманітні оптоелектронні схеми.
У загальномувипадку внутрішня модуляція, яка заснована на зміні потужності накачування,більш економічна, ніж зовнішня. При зовнішній модуляції спочатку необхідноотримати від джерела повну оптичну потужність, а після цього для формуваннясигналу більшу її частину загасити. При внутрішній модуляції потужність, щовипромінюється, логічно регулювати від мінімальних значень до максимальних увідповідності з управляючим сигналом. У цьому випадку струм накачуваннязмінюється у відповідності з управляючим (модулюючим) сигналом, що призводитьдо еквівалентної зміни інтенсивності (потужності) оптичного випромінювання. Цейвид модуляції простий, не вносить втрат в оптичний лінійний тракт, не вимагаєскладних приладів, він особливо важливий, бо застосовується не тільки докогерентного, але й до некогерентного випромінювання. Модулюючими можуть бутияк 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 потужностіоптичного випромінювання збільшує відношення сигнал/шум, але вимагає більшоїсмуги частот в лінії, що не є обмежуючим чинником для ВОСП. Можливостіамплітудної модуляції оптичного випромінювання обмежені нелінійністюват-амперної характеристики випромінювача. Ефективними є різноманітні видиімпульсної 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 амплітудноїмодуляції застосовуються неімпульсні випромінювачі: світлодіоди та лазернідіоди безперервної дії. Для імпульсних видів модуляції в основномузастосовуються імпульсні ЛД.
При імпульснихвидах модуляції випроміювання напівпровідникових лазерів в умовах кімнатноїтемператури відбувається розігрів p-n переходу, що веде до збільшенняпорогового струму, зменшення вихідної потужності, деякого розширення спектравипромінювання. Ці явища обмежують швидкість передачі системи. Для попередженнярозігріву p-n переходу ЛД вміщують в мікроохолоджувач.
Окрім модуляціїінтенсивності, можливі частотна та фазова модуляція оптичного випромінювання.Частоту лазера можна змінювати, використовуючи її залежність від температуриактивної речовини. Цей засіб, що називається термічним, заснований на змініенергетичних рівнів із зміною температури. Різниця між енергетичними рівнямивизначає частоту коливань, тож змінюючи температуру активної речовини лазера,можна змінювати його частоту. Цей засіб є дуже інерційним і має в основномутеоретичний інтерес.
Зміна частотивипромінювання можлива під дією магнітного поля (ефект Зеємана). Внаслідок діїмагнітного поля спектральна лінія випромінювання лазера розщеплюється на трискладові. Для широкополосної модуляції з використанням ефекту Зеємана потрібнівідносно потужні магнітні поля, тож необхідні громіздкі та потужні прилади.
Аналогічно длячастотної модуляції може бути використаний ефект Штарка, що полягає врозщепленні і зміщенні енергетичних рівнів при накладенні потужногоелектричного поля. При цьому для зміни частоти на декілька гігагерц потрібнанапруженість електричного поля до 105 — 106 В/см.Частотна модуляція може бути здійснена також зміною параметрів оптичногорезонатора. Ці засоби модуляції є внутрішніми, бо зміна параметравипромінювання (частоти) відбувається в процесі генерації випромінювання.
Для зовнішньоїмодуляції оптичного випромінювання застосовуються спеціальні прилади –модулятори, в яких використовуються різноманітні ефекти взаємодії оптичноговипромінювання з речовиною (рис. 2). У більшості випадків зовнішня модуляціясвітла заснована на зміні дійсної або уявної частин діелектричної проникностісередовища. Це призводить до модуляції фази або амплітуди світла, що пройшлокрізь модулятор.
Більшість оптичних модуляторів можуть бутивиконані у будь-якому виконанні: об΄ємному, планарному або волоконному;виняток складають модулятори на основі монокристалічних середовищ, їх волоконневиконання є проблематичним, бо потребує вирощування монокристалів у виглядіволокон. Планарні та смугові модулятори застосовуються в приладах обробкиінформації, застосування їх в ВОСП передбачається у перспективі.
Для оптичних модуляторів використовуються оптичноанізотропні речовини. Оптичною анізотропією зветься залежність оптичнихвластивостей середовища від направлення розповсюдження хвилі та її поляризації.Вона зумовлена електричними або магнітними властивостями середовища.Характерною особливістю таких речовин є відмінність показника заломлення длярізних напрямків разповсюдження хвилі. Це явище визначає також залежністьфазової швидкості світла від властивостей середовища, в якому вонорозповсюджується. В оптичних модуляторах найчастіше використовується залежністьпоказника заломлення середовища n від зовнішніх впливів, наприклад, віднапруженості електричного або магнітного полів.
В таких середовищах вектори електричного(магнітного) поля /> та індукції /> в загальному випадку непаралельні і пов'язані тензорним співвідношенням
/>,/>, (1)
де />,/> - тензори діелектричної тамагнітної проникностей.
Загалом (1) має вигляд:
/>,
/>, (3)
/>,
де />-діелектрична проникність вакууму.
Елементи в (2) характеризують анізотропнедіелектричне середовище і складають тензор діелектричної проникності.Аналогічні співвідношення можна навести для векторів />і/>. Тензор діелектричноїпроникності є симетричним, тобто /> Діагональнікомпоненти тензора />,/>,/> звуться головнимизначеннями тензора відносної діелектричної проникності, а відповідні />, />, /> головними показникамизаломлення і дорівнюють головним осям еліпсоїда уздовж напрямків x, y, z. Цейеліпсоїд визначає поверхню постійної щільності енергії і називається еліпсоїдомпоказників заломлення (рис 3), для якого виконується рівняння
/>. (3)
Довжини напівосей еліпса дорівнюютьголовним значенням показника заломлення кристала. Слід відмітити, що ізотропнесередовище характеризується сферичною поверхнею показника заломленя, тобто незалежить від напрямку. На практиці більшість електрооптичних кристалів єодноосними в тому змісті, що вони мають одну головну вісь (звичайно вісь z).
Діелекричнапроникність уздовж осі дорівнює />, а вперпендикулярних напрямках />незалежить від вибору осей (/>),еліпсоїд показників заломлення у цьому разі є еліпсоїдом обертання. Такікристали мають два головних значення показника заломлення:/> та />. Хвильовий вектор />, хвилі щорозповсюджується, можна розкласти на дві компоненти уздовж осей еліпса, тодіодна компонента хвильового вектора нормальною до головної площини, а друга — паралельна їй. Інакше, у хвилі можна виділити дві складові поляризації: однавідповідає коливанням електричного поля перпендикулярно до головної площини(звичайна хвиля ), друга — коливанням вектора Е паралельно до цієї площини. Длябудь-якого кутового напрямку Θ хвильового вектора (рис. 2) коливаннязвичайної хвилі спрямовані вздовж головної осі еліпсоїда показників заломления(вісь у), що відповідає звичайному показнику заломлення/>. Друга вісь еліпсазмінюється із зміною кута Θ, але її значення завжди знаходиться поміж /> та />, це значення називаєтьсянезвичайним показником заломлення/>.
Отже, внаслідокоптичної анізотропії у середовищі виникає подвійне променезаломлення, тобтоіснує такий напрямок у речовині (z), по якому плоскополяризований проміньсвітла, що входить в це середовище, перетворюється у два, що розповсюджуються втому ж напрямку, плоско- поляризованих променів, у яких площини поляризаціївзаємно перпендикулярні та у загальному випадку не співпадають із площиноюполяризації вхідного променя, тобто з΄являються звичайний та незвичайнийпромені.
Назви 'звичайний'та 'незвичайний' відповідають різному поводженню променів у кристалі. Ванізотропному середовищі в довільному напрямку розповсюджуються дві лінійнополяризовані хвилі із взаємно перпендикулярними поляризаціями. Це означає, щоіснує дві поверхні хвильових векторів. В одноосному кристалі одна з цихповерхонь — сфера і відповідна хвиля має сферичний фронт. Це звичайна хвиля ідля неї кристал є ізотропним середовищем. Хвильовий фронт незвичайної хвилі єеліпсоїдом обертання (для одноосних кристалів). Це зумовлює особливостізаломлення світла: при проходженні межі разділу ізотропне середовище — одноосний кристал падаючий промінь подвоюється, звичайний промінь поводить себеаналогічно хвилям в ізотропному середовищі, заломлений промінь лежить у однійплощині із променем, що падає (для нього поверхня хвильових векторів- сфера, ане еліпсоїд).
Другий промінь — незвичайний, він є аномальним, у загальному випадку він не лежить у площиніпадіння. Звичайний промінь має постійну швидкість розповсюдження, яка незалежить від зовнішнього впливу на речовину, швидкість другого змінюється увідповідності з мірою зовнішнього впливу на кристал
/>; />. (4)
Таким чином,після проходження крізь анізотропне середовище плоскополяризований проміньперетворюється в два когерентних плоскополяризованих промені, що мають зрушенняфаз світлових коливань. При складанні цих коливань за межами анізотропногосередовища утвориться промінь світла, характер поляризації якого відрізняєтьсявід лінійної поляризації вхідного променя та залежить від зрушення фаз міжзвичайним та незвичайним променями. Модуляція поляризації за допомогоюполяроїдів перетворюється в амплітудну.
При зовнішньомувпливі (електричному, магнітному, механічному) на анізотропне середовищезмінюється еліпсоїд показників заломлення, що веде відповідно до змінидвопроменезаломлення. При цьому буде змінюватися швидкість незвичайногопроменя, а на виході анізотропного середовища буде змінюватися характерполяризації світла. Зміна поляризації може бути перетворена у змінуінтенсивності за рахунок інтерференції між складовими поляризованої хвилі,тобто можлива реалізація амплітудної модуляції.
Деякі матеріали велектричному полі стають двопроменезаломлюючими (наведенедвопроменезаломлення). Відомі два різновиди електрооптичного ефекту: нелінійний(квадратичний) електрооптичний ефект Керра та лінійний оптичний ефектПоккельса. 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 властивостейдвопроменезаломлення з оптичною віссю, яка направлена вздовж силових лінійелектричного поля (ефект Керра). При розповсюдженні світла перпендикулярно дооптичної осі існує таке співвідношення
/>, (5)
де К — постійнаКерра, λ-довжина оптичної хвилі; E-напруженість прикладеного електричногокеруючого поля.
При проходженнішляху L різниця оптичних шляхів звичайного та незвичайного променів складає.
/>, (6)
а різниця фаз міжхвилями
/>. (7)
Ефект Керра маєдуже малу інерційність, тобто запізнення зміни оптичної анізотропії віднапруженості керуючого електричного поля не перевищує 10-10с. Цедозволяє створити швидкодіючі ключі, модулятори світла та інші прилади, щоназиваються осередками Керра. За відсутності зовнішнього поля осередок непропускає світло, при появі зовнішнього поля, коли осередок діє якчвертьхвильова пластинка, інтенсивність світла, що пройшло крізь неї, сягаємаксимуму, таким чином, осередок діє як модулятор інтенсивності (потужності)оптичного випромінювання. Наведене двопроменезаломлення пропорційне першомуступеню напруженості прикладеного до кристала електричного поля називаєтьсяефектом 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 подвійногопроменезаломлення при рівних відстанях між електродами. В осередку Керра цянапруга складає кіловольти. Охолодження модулятора до температури, близької доточки Кюрі, дозволяє знизити напругу до 100 В.
Ефект Поккельсавикористовується для створення швидкодіючих ключів, модуляторів та іншихприладів, що називаються осередками Поккельса. Ефект Поккельса виникає як прирозповсюдженні променя вздовж прикладеної напруги або оптичної осі кристала — подовжній ефект, так і перпендикулярно йому — поперечний ефект (рис. 4).
Поперечніосередки Поккельса мають деякі переваги у порівнянні з подовжніми. Електроди упоперечних осередках розташовуються паралельно пучку світла, відстань між ними(d) може бути достатньо малою, а довжина шляху променя L достатньо великою. Цедозволяє створити напівхвильовий осередок з відносно невеликою різницеюпотенціалів між електродами та забезпечити необхідну різницю оптичних шляхів тарозбіжність фаз поміж хвилями у відповідності з 6 та 7.
У подовжніхосередках розбіжність фаз між звичайною та незвичайною хвилями для фіксованоїрізниці потенціалів не залежить від довжини осередка, тому що при збільшеннійого довжини зменшується напруженість електричного поля. Отже, збільшитирозбіжність фаз можна лише збільшенням різниці потенціалів, що прикладається доосередка. Проте для створення високошвидкісних осередків переважно требавикористовувати подовжній ефект, тому що в цьому випадку електроди мають меншийрозмір та відповідно меншу ємність, що підвищує швидкодію осередка.
Найважливішимипараметрами електрооптичних модуляторів є напівхвильова напруга та потрібнапотужність, що управляється. Напівхвильова напруга Vп забезпечує на довжині Lфазове зрушення між звичайною та незвичайною хвилями, що дорівнює π.Напівхвильова напруга змінюється у межах від 100 В до 10 кВ для різнихматеріалів. Необхідна потужність визначається виразом
/>,
де Δf-ширина смуги пропускання; d – відстань між електродами; L- довжина осередка;φ- глибина модуляціі.
Якість усіх типівмодуляторів (електрооптичних, магнітооптичних, акустичних) оцінюється критеріємякості модулятора, що пов'язаний з використанням модуляторів у високочастотномудіапазоні
/>.
Для електричнихмодуляторів інтенсивності та фази використовується ніобат літію (LiNbO5),смуга прозорості якого складає Δλ=0,45-4,5 мкм. Ці модуляторизабезпечують частоту модуляції до 4 ГГц.
Основний недолікоб΄ємних електрооптичних модуляторів полягає в досить високому критеріїякості (або напівхвильової напруги). Ця проблема достатньо успішно вирішуєтьсяу модуляторах на основі планарних хвилеводів, товщина плівки в такомумодуляторі складає декілька мікрометрів. Прикладена напруга змінює модовуструктуру 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 зоб΄ємними, довжина планарного модулятора не перевищує одного сантиметра.
За своєю сутністюз електрооптичним тісно пов'язаний акустооптичний ефект. Акустичний ефект єокремим випадком ефекту фотопружності — зміни показника заломлення речовини піддією пружних механічних впливів. В акустооптичному ефекті еліпсоїд показниківзаломлення змінюється при впливі механічних напруг, що виникають під дієюзвукового тиску (акустичної хвилі).
Акустична хвиля всередовищі збуджується за допомогою п΄єзоелектричного перетворювача. Прицьому в матеріалі формується дифракційна ґратка, зміни показника заломленняякої в кожній точці та в кожний момент часу будуть пропорційні акустичній хвилі.В залежності від умов узгодження акустичного імпедансу на кінцях зразка у ньомуможе бути створений або режим біжучих хвиль, або режим стоячих хвиль. Протешвидкість звуку у середовищі значно менша швидкості світла (v ,де Λ -довжина акустичної хвилі в фотопружному середовищі. Схемаакустооптичної системи наведена на рис. 5.
На зразокп΄єзокристала, в якому зовнішнім електричним полем збуджена площиннаелектрична хвиля, направлена світлова хвиля з хвильовим вектором />. Акустична хвилявідображена вектором />, а вихіднасвітлова хвиля — вектором />. Длязбереження імпульсу та енергії повинні виконуватися умови
Таким чином,світлова хвиля в акустооптичному модуляторі повинна бути практичноперпендикулярна акустичній хвилі, що збуджується у зразку (рис. 6).
Ця хвиля падаєпід дуже малим кутом Θо, а виходить із зразка під кутом Θе.Розподіл світлової хвилі в дальній зоні уздовж напрямку визначається напрямкамиголовних дифракційних максимумів, що визначається з умови
Це так званийрежим дифракції Брегга. Якщо до зразка підключити генератор з частотою, щозмінюється, то в ньому буде формуватися дифракційна ґратка з періодом, щозмінюється. Це дозволяє керувати кутом відхилення пучка на виході або отриматиоптичний дефлектор.
При проходженнікрізь анізотропне середовище фаза хвилі набуває зрушення після проходженнявідстані L
/>. (11)
В акустичномумодуляторі інтенсивність модульованого світла визначається глибиною фазовоїмодуляції ΔΦ
/>, (12)
де І0 — інтенсивність немодульованого світлового потоку.
Конструктивноакустооптичний модулятор являє пластину електрооптичного матеріалу, яка однієюбоковою стороною контактує з п’єзоелектричною пластиною, в якій збуджуютьсяакустичні коливання при прикладенні до неї електричної напруги відповідноїчастоти.
Недолікомакустооптичних модуляторів є їх інерційність. Вона зумовлена відносно малоюшвидкістю розповсюдження акустичних хвиль. Тому, якщо модулюючий сигналзмінюється швидко, то відбувається “змазування” інформації, що переноситься насвітловий сигнал. Ширина смуги пропускання акустичних модуляторів може бутирозширена при переході до планарних модуляторів. На основі акустооптичногоефекту створені переривачі та модулятори з постійною часу не більше 1 мкс,ефективністю від 50 до 80%.
На основі ефектуФарадея заснована дія магнітооптичних модуляторів. Ефект Фарадея викликаєобертання площини поляризації лінійно- поляризованого світла. Об'ємниймодулятор, що складається з магнітооптичного матеріалу, вміщується в соленоїд.Якщо вздовж циліндричного зразка проходить лінійно-поляризоване оптичневипромінювання, то поляризація, а після проходження спеціального аналізатора –й інтенсивність світлової хвилі виявляються функціями прикладеного магнітногополя. Можливий планарний варіант магнітооптичного модулятора. В такомумодуляторі, як і в планарному електрооптичному, виникає перетворення мод.Внаслідок сильного двопроменезаломлення моди розповсюджуються під різнимикутами (цей кут складає біля 20 градусів). Тому будь-яка модуляція струмунамагнічування призводить до змін потужності, що переноситься цією модою.
Недолікоммагнітооптичних модуляторів є великий коефіцієнт поглинання тих матеріалів, яківикористовуються в діапазоні видимого та ближнього інфрачервоноговипромінювання. Окрім цього такі модулятори потребують сильних магнітних полів.
Взагалі оптичниймодулятор будь-якого типу на основі наведених ефектів може бути виготовлений уволоконному виконанні. Волоконно — оптичні модулятори відкривають новіможливості побудови розподілених систем передачі інформації, дозволяючиздійснити багатократне безрозривне введення інформації у світловий сигнал.