Prezentacija OM 3 chast`
advertisement
Модуляция оптической несущей Группа ОС Способы модуляции оптической несущей Оптическую несущую можно представить как электрическое поле монохроматического оптического излучения, мгновенное значение которого равно Е (t ) E м cos(0t 0 ) где EM — амплитуда поля; o и o — соответственно, частота и фаза оптической несущей. Квадрат выражения называется мгновенной интенсивностью оптического излучения, т.е. E (t ) ( E cos (0 t 0 ) 2 2 м 2 здесь EM — амплитудное значение интенсивности Способы модуляции оптической несущей Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсивности оптического излучения под воздействием управляющего модулирующего сигнала называется модуляцией. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. Существуют разные способы модуляции параметров оптического излучения. Прямая или непосредственная модуляция прямая или непосредственная модуляция, при которой модуляция излучения лазерного диода (ЛД) или светоизлучающего диода (СИД) достигается изменением тока накачки или тока смещения (рис. 9.1а). Эти изменения управляют инжекцией электронов через р-n и в широких пределах меняют интенсивность выходного оптического излучения. Управляющий модулирующий сигнал Модулируемый источник излучения Модулированный оптический сигнал Внешняя модуляция Для внешней модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на оптическое излучение. Для этой цели необходим оптический модулятор. Немодулированное оптическое излучение Оптический модулятор Управляющий модулирующий сигнал Внутренняя модуляция Преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения с помощью соответствующего оптического модулятора, помещаемого внутрь лазерного резонатора, например, Фабри-Перо, и изменяющего его добротность. Иногда такой вид модуляции оптического излучения называется автомодуляцией. Лазерный резонатор Оптический модулятор Активная среда Модулированный оптический сигнал Оптический амплитудный модулятор Оптический амплитудный модулятор представляет собой устройство, в котором происходит взаимодействие оптического излучения (света) с кристаллом, свойства которого изменяются под воздействием управляющего или модулирующего сигнала: электрического, магнитного полей или внешнего давления. Самое широкое применение в оптических системах передачи нашли электрооптические модуляторы, принцип действия которых основан на электрооптическом эффекте в кристаллах, показатель преломления которых изменяется под воздействием приложенного электрического поля. Оптический амплитудный модулятор Электрооптическое явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально приложенному электрическому полю, называется эффектом Поккельса. Явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля, называется эффектом Керра. Кристаллы, порождающие эффекты Поккельса или Керра при воздействии на них электрического поля, называются электрооптическими криcтaллами. К ним относятся кристаллы фосфорокислого калия КН, Р04, соединения лития LiNbO3 (ниобат лития), LiTaO3 (танталат лития) или соединения вида GаАs и CdTe. Электрооптический модулятор П — скрещенный поляризатор; Я — ячейка (Поккельса или Керра), представляющая плоский конденсатор — кристалл, помещенный между двумя электродами, к которым прикладывается электрическое поле (управляющий или модулирующий сигнал); К — компенсатор, устраняющий световое излучение в плоскости, параллельной плоскости приложения электрического поля; А — скрещенный анализатор, выделяющий оптическое излучение соответствующей длины волны и поляризации. П Вход А Я К + Выход Электрооптический модулятор Оптическое излучение, поступающее на Вход электрооптического амплитудного модулятора, преобразуется в поляризаторе П в линейно поляризованный свет. В отсутствии управляющего (модулирующего) электрического поля ячейка Я прозрачна для светового луча на выходе поляризатора П, который полностью гасится анализатором А, так как последний расположен под углом 90 к поляризованному входному излучению. При подключении электрического поля (управляющего или модулирующего электрического сигнала) линейно поляризованная световая волна в ячейке Я распадается на две, поляризованные вдоль поля (необыкновенная волна) и перпендикулярно полю (обыкновенная) волны. Это явление называется двойным лучепреломлением. Обыкновенная и необыкновенная волны имеют в ячейке различные скорости распространения, вследствие чего выходящий из кристалла свет оказывается эллиптически поляризованным и частично проходит через анализатор А. При увеличении напряжения осуществляется преобразование состояния поляризации входного луча до такого состояния, когда анализатор становится полностью прозрачным для входного луча и излучение поступает на Выход модулятора. Изменяя уровень приложенного к ячейке Я напряжения, можно управлять интенсивностью выходного оптического излучения. Таким образом, напряжение, приложенное к ячейке, определяет уровень мощности оптического сигнала на выходе модулятора, а его изменение приводит к модуляции световой волны. Электрооптический модулятор Ячейки Керра и Поккельса обладают малой инерционностью, что позволяет осуществлять модуляцию оптической несущей до частот порядка 1013 Гц. При этом глубина модуляции может достигать значений более 99,9 %. В случае применения ячеек Поккельса из-за линейной зависимости между показателем преломления и напряженностью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики. Из-за квадратичности эффекта Керра происходит удвоение частоты и возникновение постоянной составляющей. Соответствующими изменениями геометрии кристаллов ячеек Поккельса и Керра можно осуществлять фазовую модуляцию оптической несущей. Оптические модуляторы на основе магнитооптического эффекта - эффекта Фарадея П-поляризатор. Входной сигнал, проходя через поляризатор П, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую. ЯФ-ячейки Фарадея. Перемагничивание, производимое переменным полем модуляционной ячейки Фарадея (ЯФ), вызывает соответствующее изменение плоскости поляризации проходящего через ЯФ света, поступающего с выхода поляризатора П. А-анализатор. Проходя через скрещенный с поляризатором П анализатор А, оптическое излучение становится модулированным по амплитуде. ЯФ П А Вход Выход Управляющий или модулирующий сигнал Акустооптические модуляторы принцип действия основан на явлении дифракции света на ультразвуке, приводящего к изменению показателя преломления ряда оптически прозрачных материалов. Такими материалами, нашедшими широкое применение в технике оптических систем передачи, являются кристаллы диоксида теллура — ТеО2, ниобата лития — LiNbO3 и молибдата свинца — PbMo04. Акустическая волна (звуковой пучок) Кристалл Световая волна Максимумы дифракции Дифрагированный свет -3 порядок -2 порядок -1 порядок Основной луч Волновой фронт входной световой волны +1 порядок Волновой фронт выходной световой волны +2 порядок +3 порядок Акустооптические модуляторы При распространении света в среде, где присутствуют акустические (ультразвуковые) упругие волны, происходит дифракция света. Упругие волны представляют возмущения, распространяющиеся в твердых (жидких и газообразных) средах. При распространении ультразвуковых (упругих— акустических) волн в среде возникают механические деформации сжатия (под давлением акустического поля), которые переносятся из одной точки среды в другую, меняя ее структуру. При распространении упругих волн в кристаллах может возникнуть ряд специфических эффектов, например, различия в направлениях распространения света, его интенсивности и поляризации, фазовой и групповой скоростей распространения. Диапазон частот упругих акустических волн простирается от долей Гц до 10 Гц. Акустические (ультразвуковые) волны создают давление на оптически прозрачный материал, приводящее к периодическому изменению его показателя преломления. В результате этого в кристаллах возникает структура, аналогичная дифракционной решетке, период которой равен длине акустической волны . Акустооптические модуляторы Если в такой структуре распространяется луч света, то в кристалле помимо основного возникают дифракционные пучки света положительных и отрицательных порядков (порядка дифракции), характеристики которых (поляризация, интенсивность и направления в пространстве) зависят от параметров акустического поля (частоты, интенсивности, толщины пучка акустических волн), а также от угла , под которым падает свет на пучок акустических (упругих) волн . Лишь при определенном значении угла эффективность дифракции света на ультразвуке оказывается максимальной и зависит от длины L пути, пройденного светом в области акустооптического взаимодействия (объеме кристалла, находящегося под воздействием акустического поля). При достаточно большой длине L интенсивность дифрагированного света становится сравнимой с интенсивностью входного (падающего) света. Акустооптический модулятор на основе брэгговской дифракции Дифракция света на ультразвуке для диапазона частот (гиперзвука) от 109 до 1013 Гц при выполнении условий L/ > 1, где — длина волны оптического излучения; L—длина пути, проходимого светом в области акустооптического взаимодействия; — длина акустической волны, приводит к так называемой брэгговской дифракции. Она возникает в изотропной среде, если световой луч падает на звуковой пучок под углом Брэгга Б = arcsin(2/) . Акустооптический модулятор на основе брэгговской дифракции L — длина пути взаимодействия оптического излучения и акустической волны в кристалле; Б — угол Брэгга; Л1, Л2 и Д — линзы и диафрагмы в модуляторе предназначены для выделения необходимого дифракционного максимума. L Световая волна Поглотитель акустических волн L1 Д L2 Б Модулированное оптическое излучение Фронт акустической волны Акустическая волна Управляющий или модулирующий сигнал Пьезоизлучатель акустических волн Акустооптический модулятор на основе брэгговской дифракции Принцип действия акустооптического модулятора заключается в следующем: под воздействием управляющего или модулирующего сигнала изменяются параметры пьезоизлучателя акустических волн и, следовательно, изменяются параметры брэгговской дифракционной решетки, образованной бегущей ультразвуковой волной. При прохождении световой волны по кристаллу происходит изменение ее амплитуды или интенсивности. Отметим, что имеет место только первый порядок дифракции, определяемый соотношениями между длиной волны входного оптического излучения , значением L и длиной акустической волны .
