Модуляция излучения ОКГ с помощью оптических модуляторов

В оптических модуляторах (ОМ) для получения АМ, ИМ, ФМ и ЧМ используются электрооптические и магнитооптические вещества, в которых происходит изменение электрических или магнитных параметров при действии внешнего электрического или магнитного поля.

В жидкостях и газах наблюдается поперечный эффект Керра в виде поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света на угол φ при изменении приложенного ортогонально направлению луча электрического модулирующего поля Е_мод (рис. 11.1). Под действием поля происходит поляризация и ориентация молекул жидкости. Поэтому эффект Керра имеет квадратичную зависимость φ от поля Е_мод:

, (11.1)

где В_к – постоянная Керра; l – длина кюветы с веществом; Е_мод=Е₀+Е_~; Е₀ – постоянное поле ( ), изменением которого можно выбрать рабочую точку на модуляционной характеристике, Е_~ – переменное модулирующее поле ( ).

а) б)

Рис. 11.1. Эффект Керра и его применение для АМ

Если дополнить ячейку Керра анализатором (в виде поляроида), то на его выходе будет происходить изменение амплитуды светового колебания (мощности светового излучения) по закону модулирующего сигнала (рис. 11.1, б). Максимум излучения будет при совпадении поляризации луча и пластинки, ноль – при ортогональности поляризаций.

В кристаллах (например в ниобате лития) и твердых оптически прозрачных веществах (стёкла, диэлектрики) наблюдается поперечный и продольный эффект Поккельса (рис. 11.2, а, б). Обычно молекулы твердого вещества уже поляризова-ны, поэтому происходит лишь их ориентация. Поэтому в эффекте Поккельса наблюдается линейная зависимость φ от поля Е_мод:

, (11.2)

где к_п – электрооптический коэффициент при эффекте Поккельса, остальные обозначения такие же, что и в формуле (11.1).

Входную поляризацию света Е_св обычно ориентируют под углом около 45° к поперечным осям кристалла.

Для продольного эффекта Поккельса торцевые обкладки изготовляются с отверстием для луча ОКГ или на торцы кристалла наносится оптически прозрач-ный слой металла (несколько атомных слоев). Этот вариант модулятора требует большего по величине модулирующего напряжения и поэтому применяется реже.

а) б)

Рис. 11.2. Поперечный (а) и продольный (б) эффекты Поккельса

и их использование для АМ

На основе электрооптических свойств реализовано несколько типов модуля-торов, например АМ (ИМ)-модулятор на эффекте интерференции двух световых разделенных когерентных потоков, у одного из которого может изменяться фаза светового колебания. При сдвиге фазы на ψ_св=πна выходе модулятора мощность Р_вых светового колебания будет равна нулю, при ψ_св=0 потоки в световодах складываются на выходе, и Р_вых= Р_вх (без учета потерь) рис. 11.3, а.

а) б)

Рис. 11.3. АМ (ИМ) модулятор Маха-Цандера (а) и фазовый модулятор света (б)

В световодах и кристаллах легко выполнить фазовую модуляцию светового монохроматического потока за счет воздействия на участок световода (или кристалла) электрического поля (рис. 11.3, б)

(11.3)

Время задержки при прохождении светового колебания изменяется ввиду изменения скорости света, зависящей от изменения диэлектрической про-ницаемости вещества ε от вариаций модулирующего напряжения (напряженности поля Е_мод).

Аналогичным методом можно осуществить и ЧМ, если модулирующее напряжение U_~ предварительно продифференцировать, поскольку .

Для получения переданной такими видами модуляции информации исполь-зуются соответствующие способы детектирования (см. п. 11.3).

Иногда для модуляции светового колебания используются и магнитоопти-ческие эффекты Фарадея (продольный в парамагнитных кристаллах) и Коттона-Мутона (поперечный в магнитных жидких и газовых средах), когда происходит поворот плоскости поляризации вектора линейно-поляризованного светового монохроматического колебания при изменении продольного (эффект Фарадея) или поперечного лучу (эффект Коттона-Мутона) магнитного поля . Для эффекта Фарадея это

, (11.4)

где – постоянная Верде (радиан/ Тл·м); l – длина магнитооптического кристалла (типа рубина и др. парамагнетиков).

Для реализации АМ здесь также необходимо поместить на выход ячейки анализатор (как показано на рис. 11.2). Однако АМ такого типа почти не приме-няются ввиду требуемой высокой напряженности , которая создается токовой обмоткой и мощным модулятором.

В оптоэлектронике находят применение для ИМ и достаточно новые эффекты, например эффект Франца-Келдыша в полупроводниках (М.В. Келдыш, академик, президент АН СССР в 60-70-е годы). Эффект заключается в том, что если через малый объем полупроводника пропускать кванты света hf с энергией W_св меньше энергетической ширины запрещенной зоны (ЗЗ) ∆W_ЗЗ, то они проходят через ПП без поглощения. Если на ПП действовать небольшим напря-жением, то ширина ЗЗ уменьшается и кванты интенсивно поглощаются ПП: происходят переходы носителей заряда из валентной зоны в зону проводимости. Конструктивно ПП помещается в разрыв световода с электродами для подачи импульсного напряжения соответствующей полярности (обычно порядка 10В). В качестве оптического модулятора можно использовать полупроводниковый ОКУ (рис. 10.14, б), который будет выполнять назначение аттенюатора (ослабителя) при отсутствии напряжения питания на ПП диоде и усилителя – при подаче напряжения.

Все эти устройства применяются в различных типах ВОЛС (внутримикро-схемных, внутриобъектных, городских, межгородских, магистральных и межкон-тинентальных). Их достоинства – огромная информационно-пропускная способ-ность и высокая помехозащищенность.