Модулятори оптичних сигналів (стр. 1 из 2)
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 КН2Р04), 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 світлового променя, і він блокується аналізатором, тому що останній розташований під кутом 900 до поляризованого вхідного випромінювання.
При збільшенні напруги здійснюється перетворення лінійного стану поляризації вхідного променя в один з наступних станів: круговий, еліптичний чи лінійний. При досягненні максимальної напруги чарунка здійснює напівхвильове уповільнення, обертаючи вхідну поляризацію на 900. У цьому випадку аналізатор стає цілком прозорим для вихідного променя, і вхідне випромінювання надходить на вихід пристрою. Таким чином, напруга, прикладена до чарунки Поккельса, визначає рівень потужності оптичного сигналу на виході пристрою, а його зміна приводить до модуляції світлової хвилі.
Чарунки Поккельса дозволяють здійснювати модуляцію світлової хвилі, що поширюється, у смузі частот від 0 Гц до 1 ГГЦ і вище, при цьому глибина модуляції може досягати значень більш 99.9%. Негативна сторона звичайних чарунок Поккельса полягає у використанні високої модулюючої напруги. Тому основні зусилля розроблювачів були сконцентровані на усунення цього недоліку застосуванням сучасних мікроелектронних технологій введення одномодових оптичних хвилеводів у електрооптичний матеріал, такий, як, наприклад, нiобат літію (LiNbO3). У цьому випадку дифузійний одномодовий оптичний хвилевід виконується розділеним на дві гілки, убудовані в чарунку Поккельса, утворюючи тим самим диференціальну структуру (рис. 4).
Рисунок 4 – Дифузійний одномодовий оптичний хвилевід
Тому прикладене до чарунки електричне поле збільшує швидкість поширення світлової хвилі в одній гілці і зменшує в другій гілці хвилеводу. Звичайно, якщо довжина взаємодії складає 1 см, досить прикласти близько 8 В, щоб досягти повного придушення, що має місце при різниці фаз гілок, рівної 180°. Іноді один із двох хвилеводів виконують на
довжини хвилі довше іншого для того, щоб створити двосторонню модуляцію, що відповідає повному включенню при + 4В, половині включення при 0 В та повне вимикання при – 4В. Тут максимальне значення напруги модуляції залежить від електрооптичного коефіцієнта ниобата літію і конфігурації електродів, а вихідна потужність визначається шляхом геометричного додавання двох електричних полів, що беруть участь, і для пристрою без втрат визначається виразом