Модуляторы оптической несущей

Оптическую несущую можно представить как электрическое поле монохроматического оптического излучения, мгновенное значение которого при фиксированных пространственных координатах равно

, (1)

где - амплитуда поля; и - соответственно, частота и фаза оптической несущей. Таким образом, оптическое излучение харак­теризуется амплитудой, частотой, мгновенной фазой, или поляри­зацией. Квадрат выражения (1) называется мгновенной интенсивностью оптического излучения, т.е.

, (2)

здесь - амплитудное значение интенсивности.

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.

Первый из них - это прямая или непосредственная модуляция, при которой модуляция излучения лазерного диода (ЛД) или светоизлучающего диода (СИД) достигается изменением тока накачки или тока смещения (рис. 11, а). Эти изменения управляют инжекцией электронов через и в широких пределах меняют интенсивность выходного оптического излучения. Ограничение частоты модуляции связано с постоянными времени генерации и рекомбинации свобод­ных носителей, а также емкостями в цепях возбуждения.

Непосредственная модуляция, помимо изменения интенсивности излучения, оказывает динамическое влияние на спектр излучения, изменяя длину волны и амплитуды отдельных мод резонаторов для ЛД, причем, чем меньше количество излучаемых мод, тем сущест­веннее это влияние. Поэтому возникла необходимость использова­ния внешних модуляторов.

Второй способ - модуляция излучения немодулированного ис­точника света. Это внешняя модуляция (рис. 11,6). Для внешней модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на оптическое излучение. Для этой цели необходим оптический модулятор.

Третий способ - внутренняя модуляция, при которой 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.

В оптических системах передачи используются два метода приема модулированного оптического сигнала: 1) прямая или непо­средственная демодуляция модулированного по интенсивности оптического излучения и 2) когерентный прием оптических сигна­лов, при котором применяется гетеродинный или гомодинныйспособы преобразования частот. При когерентном приеме возмож­ны синхронная и несинхронная демодуляция по промежуточной частоте сигналов с различными видами модуляции.

Устройства, реализующие модуляцию оптической несущей, на­зываются оптическими модуляторами.

Принципы действия оптических модуляторов реализуются на ос­нове физических эффектов, протекающих при распространении светового потока в различных средах, как правило, в кристаллах соответствующей структуры.

Так как прием оптического излучения, модулированного по часто­те, фазе или поляризации, сопряжен с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции оптической несущей преобразу­ют в амплитудную модуляцию (или модуляцию по интенсивности) либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств, помещаемых перед оптическим модулятором.

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.

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 кри­сталлами. К ним относятся кристаллы фосфорокислого калия КН₂РО₄, соединения лития LiNbO₃ (ниобат лития), LiTaO₃ (танталат лития) или соединения вида GaAs и СоТе.

Обобщенная функциональная схема электрооптического модулятора приведена на рис. 12, где приняты следующие обозначения: 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.

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.

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.

В оптических системах передачи находят применение оптические моду­ляторы, использующие одну из разновидностей магнитооптического эффекта - эффекта Фарадея. Если свет пропустить через вещество (кристалл), которое находится в магнитном поле, то в результате эффекта Фарадея возникает вращение плоскости поляризации света. При распро­странении света в направлении магнитного поля, в котором находится вещество (кристалл), плоскость его поляризации будет поворачиваться вправо на соответствующий угол. Периодически меняющееся магнитное поле приводит к периодическому изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через магнитооптический элемент - ячейку Фарадея, помещенного в магнитное поле. Угол поворота плоскости поляризации равен

,

где V - постоянная величина вращения плоскости поляризации света, отнесенная к единице напряженности приложенного магнитного поля (управляющего или модулирующего сигнала), приходящееся на единицу длины кристалла и называется удельным магнитным вращением или постоянной Верде; удельное магнитное вращение зависит от типа вещест­ва, температуры и длины волны оптического излучения; -длина кристалла в направлении магнитного поля; Н - напряженность магнитного поля. Угол поворота пропорционален длине пути света в кристалле и при достаточно прозрачной среде может быть сделан сколь угодно большим.

При поперечном относительно магнитного поля распространении света различие показателей преломления для линейно поляризованного света приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению. Последнее свойство позволяет реализовать магнитооптический амплитудный модуля­тор (рис. 13).

Входной сигнал, проходя через поляризатор П, оставляет свою верти­кальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную состав­ляющую.

Перемагничивание, производимое переменным полем модуляционной ячейки Фарадея (ЯФ), вызывает соответствующее изменение плоскости поляризации проходящего через ЯФ света, поступающего с выхода поляри­затора П.

Проходя через скрещенный с поляризатором П анализатор А, оптиче­ское излучение становится модулированным по амплитуде.

Эффект Фарадея ярко выражается в редкоземельных гранатах типа R₃Fe₅O₁₂, обладающих высоким удельным магнитным вращением плоско­сти поляризации. Здесь R - редкоземельные элементы: гольмий - Но, диспрозий - Dy, Gd - гадолиний, Tb - тербий, Y - иттрий. Широкое приме­нение получили железо - иттериевый гранат Y₃Fe₅O₁₂ и железо - тербиевый гранат и легированные алюминием или висмутом их соединения, например, Y₃Fe_5-хАl_хО₁₂ или Tb_3-xBi_x Fe₅O₁₂.

Важной особенностью магнитооптических модуляторов является посто­янство коэффициента удельного вращения плоскости поляризации света в инфракрасном диапазоне длин волн (1...5 мкм). Это обстоятельство повышает конкурентоспособность таких модуляторов при построении волоконно-оптических систем передачи, работающих во втором и третьем окнах прозрачности оптического волокна.

Отметим, что в отличие от электрооптического эффекта, который явля­ется взаимным, эффект Фарадея является невзаимным, поэтому он может быть использован при создании различных невзаимных оптических уст­ройств: оптических изоляторов, развязывающих устройств, пропускающих свет только в одном направлении.

Модуляция оптической несущей может быть осуществлена с помощью акустооптических модуляторов, принцип действия которых 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 - РЬМоО₄.

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 10¹³ 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 Л.

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 в, под которым падает свет на пучок акустических (упругих) волн, рис. 14.

Лишь при определенном значении угла в 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.

Дифракция света на ультразвуке для диапазона частот (гиперзвука) от 10⁹ до 10¹³ Гц при выполнении условий > 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 изотропнойсреде, если световой луч падает на звуковой пучок под углом Брэгга . Изменение структуры кристалла приводит к появлению

дифракционной решетки. В этом случае отклонение света происходит только в 1-й порядок дифракции: в +1-й для света, падающего в сторону, противоположную распространению звука, или - 1-й, если свет падает в сторону распространения звука. Падающая под углом Брэгга к дифракци­онной решетке, порожденной воздействием акустических упругих волн гиперзвука, световая волна частично отражается от нее и интерференция отраженных лучей определяет интенсивность дифрагированного света. Она максимальна, если разность оптического хода световых волн, отра­женных от соседних максимумов дифракции кристалла, (см. рис. 14), равна . Таким образом, описанный эффект можно использовать в качестве оптического модулятора интенсивности оптического излучения. Для фикси­рованной 2 существует предельная звуковая частота (- ско­рость звука), выше которой брэгговская дифракция невозможна.

Обобщенная схема акустооптического модулятора на основе брэггов­ской дифракции представлена на рис. 15, где приняты следующие обозна­чения: L - длина пути взаимодействия оптического излучения и акустической волны в кристалле; - угол Брэгга; Л1, Л2 и Д - линзы и диафрагмы в модуляторе предназначены для выделения необходимого дифракционного максимума.

Пьезоизлучатель акустических волн предназначен для формирования упругих волн с заданными параметрами, а поглотитель акустических волн служит для образования бегущей ультразвуковой волны, на которой и происходит дифракция света.

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 .

В результате акустооптического взаимодействия частота оптического излучения смещается на величину, равную акустической частоте , - частота модулирующего или управляющего сигнала и - частота генератора акустической волны – пьезоизлучателя, что связано с переме­щениями дифракционной решетки. При этом, если луч направлен против направления акустической волны, выходная частота выше входной, в противном случае - наоборот. Это явление может быть использовано для гетеродинного приема при частотной, фазовой и амплитудной модуляции оптической несущей.

Внутренняя модуляция оптической несущей осуществляется путем из­менения физических параметров источника оптического излучения, напри­мер, изменением длины резонатора полупроводникового лазерного диода, изменением параметров распределенной обратной связи (РОС) или рас­пределенного брэгговского отражения (РБО).

Изменение оптической длины резонатора лазера приводит к изменению частоты излучения. С этой целью одно из зеркал лазера закрепляют либо на магнитострикционном стержне, либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора / синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект может быть достигнут путем изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор. Для этого внутрь резонатора помещают электрооптический кристалл.

Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также путем наложения на его активный слой магнитного или электрического поля, под действием которого происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, генерирующих когерентное излучения.

Под воздействием магнитного или электрического поля происходит из­менение усиления активного слоя лазера и, следовательно, можно реали­зовать амплитудную модуляцию или модуляцию по интенсивности оптической несущей.

Одним из методов управления когерентным излучением с целью осуще­ствления модуляции является изменение величины обратной связи лазе­ра, т.е. коэффициента отражения зеркал резонатора.

С этой целью используют резонатор, одно из зеркал которого вращается с большой скоростью, и поэтому условия генерации выполняются лишь в короткие промежутки времени, т.е. имеет место импульсная модуляция.

Изменение величины обратной связи можно получить путем замены од­ного из зеркал лазера на интерферометр Фабри - Перо. Коэффициент отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, меняя которое, можно модулировать интенсивность излучения и получать значительные по амплитуде импульсы.

Излучение лазеров можно модулировать, изменяя добротность опти­ческих резонаторов, которая равна

,

здесь - длина резонатора; - коэффициент потерь на поглощение за одно прохождение волны в резонаторе; - длина волны оптического излучения. Изменением потерь , величина которых управляется модули­рующим сигналом, а также изменением длины резонатора , методами указанными выше, можно изменять частоту и интенсивность излучения лазера. Для этого используют электрооптические или акустооптические модуляторы, а также введение в резонатор элементов, прозрачность которых изменяется под действием оптического излучения. Такой вид модуляции называется автомодуляцией и широко используется для гене­рирования импульсов когерентного излучения нано- и пикосекундного диапазонов.

Качество работы оптических модуляторов определяется такими пара­метрами, как управляющее напряжение и мощность, линейность модуля­ционной характеристики, под которой понимается зависимость выходной мощности оптического излучения от управляющего напряжения, динамиче­ский диапазон, глубина модуляции, потери света, широкополосность или быстродействие, экономичность в потреблении энергии.

Метод модуляции оптической несущей выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от вида передаваемой информации и требований, предъявляемых к интенсивности светового потока, мощности модулирую­щего сигнала, коэффициента (глубины) модуляции, импульсному или непрерывному режиму работы.

По совокупности параметров качества, вида информации и требований к параметрам модулированного оптического сигнала электрооптические

модуляторы получили самое широкое применение в технике волоконно-оптических систем передачи.