3666 АМПЛИТУДНЫЙ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР - Страница 2

 

 

Электрооптический элемент вырезан из анизотропного кристалла  таким образом, чтобы  направление  оптической оси  в отсутствие внешнего электрического поля совпадало с осью x, а разрешенные направления поляризации двух лучей при возникновении двойного лучепреломления - с осями y и z.

Внешнее электрическое поле в кристалле создается  приложением напряжения U к полупрозрачным электродам, нанесенным на торцы элемента. Следует подчеркнуть, что напряженность внешнего поля Евн = U/l в  этом случае  определяется как величиной U, так и  протяженностью кристалла l в направлении оси x.

Линейный поляризатор 2 на входе модулятора пропускает в направлении x только ту компоненту падающего   излучения, плоскость поляризации которой ориентирована по направлению P1 под  углом 45 градусов к осям z и y. В этом случае амплитуды составляющих напряженности электрического поля Еz и Еy этой компоненты в кристалле будут одинаковыми. Поляризатор 3 на выходе пропускает составляющую электромагнитной волны, прошедшей через электрооптический элемент, вектор напряженности которой ориентирован в направлении P2 перпендикулярном к P1.

При отсутствии внешнего электрического поля  свет, распространяясь  вдоль оптической оси кристалла,  не испытывает двойного лучепреломления: показатели преломления среды для направлений поляризации  z и y равны. Составляющие Ez и Ey распространяются через кристалл с одинаковыми скоростями, поэтому складываются без фазового сдвига, и характер поляризации света, проходящего через кристалл, не изменяется: свет остается плоско поляризованным (рис.2). Поскольку плоскость поляризации  перпендикулярна к направлению  P2,  свет через модулятор не проходит.

Воздействие внешнего электрического поля Евн изменяет направление оптической оси. Возникает двойное лучепреломление. Показатели преломления кристалла для лучей Ez и Ey становятся различными, изменяясь в различных направлениях на величину, пропорциональную Евн:

 

nz= n0 + kEвн , ny = n0kEвн . ( 1)

 

Здесь n0показатель преломления в отсутствие внешнего поля, k - электрооптический коэффициент, зависящий от природы кристалла. При смене полярности прикладываемого напряжения направления изменений nz и ny становятся противоположными.

Лучи распространяются  с разными скоростями vz = c/ nz и vy = c/ ny и, поскольку частота колебаний ν у них  одинакова, имеют различные длины волн: λz= vz/ν = λ/ nz и    λy= vy /ν = λ/ ny.

Между колебаниями, как это поясняется на рис.4, появляется фазовый сдвиг

Δφx = 2πx/λz - 2πx/λy = 2πx(nz -ny )/λ, (2)

нарастающий по мере продвижения волны.

 

На выходе из кристалла

Δφl = 4πl kEвн /λ = 4πkU/λ. (3)

Выходящий из кристалла свет приобретает эллиптическую поляризацию, появляется составляющая электромагнитной волны, пропускаемая выходным поляризатором.

По мере увеличения напряжения  и  соответственно сдвига фаз величина этой составляющей растет,  интенсивность света на выходе модулятора увеличивается. При величине фазового сдвига Δφl = π выходящий из кристалла свет снова становится плоско поляризованным с плоскостью поляризации, повернутой на 90 градусов относительно  положения на входе в кристалл. Интенсивность света достигает максимального значения. Напряжение, обеспечивающее этот фазовый сдвиг,  называется полуволновым.  Его величина

Uπ = λ / 4k. ( 4)

 

Следует подчеркнуть, что полуволновое напряжение не зависит от длины  электрооптического элемента и может рассматриваться как параметр вещества. При длине волны 0,6 мкм оно составляет, например, 7,5 кВ для КDP и 8,5 кВ для АDP. Необходимость использования столь высоких управляющих напряжений является серьезным недостатком рассматриваемого модулятора, использующего продольный эффект Поккельса.

Существенное снижение управляющего напряжения может быть получено, если в качестве электрооптического элемента использовать стопу из N пластин, подключенных параллельно к источнику напряжения. В этом случае фазовые сдвиги пластин суммируются и полуволновое напряжение стопы оказывается в N раз меньше, чем для одной пластины. Такой прием, однако, не получил широкого применения по причине более сложной технологии изготовления электрооптического элемента и существенного увеличения потерь интенсивности светового потока при его прохождении через множество электродов.

Более широкое применение в связи с этим получил модулятор с поперечным эффектом Поккельса (рис.5). Необходимость использования в этом случае двух элементов поясняется ниже. Оптическая ось кристалла здесь ориентирована вдоль оси z перпендикулярно к направлению света, поэтому в отличие от продольного эффекта  уже в отсутствие электрического поля имеет место двойное лучепреломление. Показатель преломления nz для луча, поляризованного в направлении оптической оси, является главным показателем преломления для необыкновенного луча  ne и при изменении электрического поля (поскольку оно параллельно оптической оси) в отличие от nx, остается постоянным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разность фаз между компонентами Еz и Ey на выходе элемента

 

Δφl = 2πl [ne – (n0 - kEвн)] /λ = 2πl (ne n0 ) /λ + 2πkEвнl /λ. (5)

 

Первое слагаемое отражает сдвиг фаз, обусловленный естественной анизотропией кристалла, второе - воздействие приложенного поперечного электрического поля. Напряжение прикладывается к электродам, нанесенным на боковые грани элемента, поэтому  напряженность электрического поля   Eвн=U/d определяется размером кристалла в направлении поля d и от  длины  l не зависит. На величину π фазовый сдвиг изменяется при полуволновом напряжении

Uπ = λd / 2kl.                                              ( 6)

 

Из сопоставления этого выражения с (4) видно, что при поперечном эффекте Поккельса по сравнению с продольным полуволновое напряжение снижается в  l /2d раз:  при реальных размерах элемента (l = 50 ...100  мм,  d = 3 ...5 мм) - почти на порядок. Важным преимуществом модулятора, использующего поперечный эффект, является также отсутствие электродов на пути светового потока.

Одиночные элементы с поперечным управляющим полем почти не применяются, так как величина фазового сдвига, обусловленного естественным двойным лучепреломлением, сильно зависит от температуры. При указанных выше размерах элемента фазовый сдвиг  может изменяться в пределах нескольких радиан при изменении температуры на 10С.

Температурную нестабильность  компенсируют, пропуская луч через два одинаковых элемента, установленные так, что направления их оптических осей  взаимно перпендикулярны (рис.5). Действительно, если, например,   составляющая Ez в первом элементе, поляризованная в направлении оптической оси, опережает компоненту Ey, то во втором элементе её поляризация  перпендикулярна  к оптической оси и ситуация изменяется  на противоположную. В результате фазовые сдвиги, обусловленные естественным двойным лучепреломлением,  и соответственно их температурные изменения взаимно компенсируются. Разности же фаз, обусловленные электрическим полем при  соответствующем выборе его направлений в  элементах, как это отмечено на рисунке, суммируются. Величина полуволнового напряжения по сравнению с одиночным элементом при этом уменьшается ещё в два раза.

 

Зависимость интенсивности света I2, прошедшего через модулятор, от величины напряжения описывается следующим выражением:

I2 = I1 sin2(Δφ/2) = I1 sin2(πU/2Uπ ), (7)

 

где I1 - интенсивность света на входе модулятора.

 

Графическое изображение этой зависимости представлено на рис.6,а. Как видно из рисунка, с помощью модулятора обеспечивается практически 100%–я модуляция светового потока. Это позволяет использовать электрооптический модулятор в качестве быстродействующего оптического затвора: при отсутствии напряжения на кристалле затвор закрыт, при подаче  полуволнового напряжения – открывается. Время срабатывания затвора не превышает 10-9 с. Затворы такого типа применяются, например, для быстрого включения добротности оптического резонатора с целью получения коротких и гигантских по мощности импульсов лазерного излучения.

В системах оптической связи, где важно обеспечить минимальные искажения при передаче информации, используется, естественно, только средний участок характеристики электрооптического модулятора, наиболее близкий к линейному.  Смещение рабочей точки на середину этого участка  обеспечивается  либо приложением  половины  полуволнового на-

пряжения, либо введением дополнительной пластины, вырезанной из кристалла, обладающего естественным двойным лучепреломлением, и обес- печивающей фазовую задержку π / 2.  Такие пластины обычно называются четвертьволновыми. Статическая характеристика модулятора в этом случае имеет вид, показанный на рис.6,б.

 

 

писание экспериментальной установки

Структурная схема экспериментальной установки для исследования амплитудного электрооптического модулятора представлена на рис.7. Она содержит источник излучения 1, исследуемый модулятор 2 и фотоприемное устройство 3.

 

 

 

В качестве источника излучения используется гелий-неоновый лазер. В электрооптическом модуляторе на основе кристалла КDP используется поперечный эффект Поккельса. Фотоприемное устройство состоит из фотодиода и усилителя. Постоянное напряжение на модулятор подается от выпрямителя 4.  Источником переменного напряжения 5 служит генератор синусоидальных колебаний. Постоянная составляющая сигнала с фотодиода регистрируется с помощью микроамперметра фотоприемника, переменная – с помощью осциллографа 8 и милливольтметра 9.

Установка для исследования модулятора в общих чертах представляет не что иное, как оптическую линию связи, и может быть использована для передачи различного рода информации (речи, музыки и т.д.). В данной работе предусмотрена возможность передачи по этому каналу связи звукового (речевого) сигнала. Модулирующее напряжение в этом случае снимается с микрофона 7 и через усилитель 6 поступает на модулятор. Выход фотоприемника подключается через усилитель низкой частоты 10 к звуковой колонке 11.

Порядок выполнения работы

 

1. Включить блок питания лазера и фотоприемник. Визуально убедиться, что лазерный луч после прохождения через модулятор попадает на фотодиод.

2. Наблюдая за показаниями микроамперметра фотоприемника, убедиться в том, что интенсивность луча, прошедшего через модулятор, изменяется при повороте поляризатора на выходе модулятора в ту или другую сторону. Установить поляризатор в положение, соответствующее минимальным показаниям прибора.

3. Снять статическую характеристику модулятора, действуя в следующей последовательности:

а) убедиться в том, что источник постоянного напряжения подключен к модулятору;

б) поставить регулятор напряжения источника в крайнее левое положение и включить источник;

в) изменяя напряжение, снять показания микроамперметра;

г) вывести высокое напряжение, изменить его полярность и повторить предыдущий пункт.

4. Построить статическую характеристику для двух полярностей напряжения. Определить величину полуволнового напряжения.

5. Снять амплитудно-частотную характеристику оптической линии связи. Для этого:

а) соединить модулятор с генератором переменного напряжения, включить генератор, осциллограф и милливольтметр;

б) установить напряжение смещения, обеспечивающее положение рабочей точки на середине линейного участка статической характеристики модулятора;

в) регулируя амплитуду переменного напряжения, добиться неискаженной передачи синусоидального сигнала, контролируя его форму по экрану осциллографа;

г) при постоянной амплитуде напряжения, изменяя частоту генератора во всем диапазоне значений, зафиксировать показания милливольтметра;

д) выключить генератор и милливольтметр.

6. Построить амплитудно-частотную характеристику канала связи в полулогарифмическом масштабе.

7. Проверить работу канала связи при передаче звукового (речевого) сигнала. Для этого:

а) подключить к модулятору вместо генератора усилитель с микрофоном;

б) включить усилитель;

в) убедиться в прохождении сигнала, добиться его неискаженной передачи.

8. Выключить все приборы и источники напряжений.

 

Контрольные вопросы

1. Виды поляризации электромагнитных волн.

2. Явление двойного лучепреломления.

3. Электрооптический эффект.

4. Устройство и принцип работы модулятора.

5. Достоинства модулятора с поперечным эффектом Поккельса.

6. Изобразите и поясните, как будет изменяться статическая характеристика модулятора при повороте выходного поляризатора вокруг своей оси на 45 и 90 градусов.

 

Библиографический список

1. Ярив А. Введение в оптическую электронику. М.: Высшая школа, 1983. С. 231 - 246.

2. Смирнов А.Г.   Квантовая электроника и оптоэлектроника.      Мн.: Вышейшая школа, 1987. С. 105 - 110.

3. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.И. Оптико-электронные квантовые приборы. М.: Радио и связь, 1982. С. 302 - 304, 307 - 323.

4. Пихтин А.Н. Квантовая и оптическая электроника. М.: Высш. школа, 2001.