Физические принципы и основные элементы для модуляции оптического излучения.

Для того, чтобы луч лазера “загрузить” информацией и сделать полезным для целей квантовой электроники, необходимо иметь возможность управлять им по заданной программе. Таким образом, управление лазерным излучением – это изменение одного или нескольких параметров излучения по заданному закону во времени или пространстве. Функцию управления излучения выполняют модуляторы и дифлекторы, среди которых выделяют:

1. Модуляторы, предназначенные для изменения по заданному закону во времени интенсивности, фазы, частоты или поляризации лазерного излучения;

2. Дефлекторы, используемые для изменения по заданному закону положения пучка лазерного излучения в пространстве;

3. Пространственно-временные модуляторы – они объединяют функции модуляторов и дефлекторов.

В настоящее время используется модуляция интенсивности излучения, а не других параметров волны электромагнитного излучения, таких как фаза, поляризация. Это связано с тем, что имеются лишь амплитудные фотоприемники, реагирующие на изменение интенсивности излучения. Поэтому, независимо от используемого для модуляции физического эффекта, в конечном счете все сводится к модуляции интенсивности. Наибольшее применение в модуляторах когерентной оптоэлектроники нашли электрооптические (эффект Поккельсаи Керра), акусто-оптические и магнитооптический эффекты (эффект Фарадея).

Под модуляцией лазерного излучения понимается воздействие информационного сигнала на излучение лазера, заключающееся в изменении показателя преломления оптической среды, изменении добротности резонатора.

Изменение показателя преломления возможно при воздействии на вещество электрического, магнитного поля (эффект Фарадея), температуры или же механических напряжений.

Метод изменения добротности резонатора основан на создании большой перенаселенности активных частиц на метастабильном уровне активного вещества путем перекрывания излучения светозатвором.

По месту расположения модулятора относительно резонатора лазера модуляторы лазерного излучения (МЛИ) делят на два класса: внерезонаторные (внешние) и внутрирезонаторные (внутренние). Внешние МЛИ модулируют уже сформированный лазерный луч, в то время как внутренние модулируют излучение в процессе его генерации.

Классификация внерезонаторных модуляторов лазерного излучения.

Классификация внутрирезонаторных модуляторов лазерного излучения.

По условию запуска МЛИ могут быть пассивными и активными. Пассивный срабатывает при достижении мощности излучения определенного порога, а активные получают сигнал управления из вне.

Внерезонаторные модуляторы лазерного излучения

Электрооптические эффекты характеризуются возникновением оптической анизотропии в веществе под действием электрического поля, в результате чего изменяется показатель преломления вещества. Появление оптической анизотропии- это следствие изменения диэлектрической проницаемости вещества под действием электрического поля. Важнейшим следствием анизотропии оптических свойств является двойное лучепреломление, заключающееся в том, что упавший на кристалл вещества луч света (волна) возбуждает в нем две волны (два луча) с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.

Световая волна, направление вектора Е которой перпендикулярно одной из оптических осей кристалла, называется обыкновенной волной. Волна с поляризацией, перпендикулярной поляризации обыкновенной волны, называется необыкновенной волной.

Если в анизотропных кристаллах выделить два взаимно перпендикулярных направления х и у и обозначить показатели преломления по каждой из осей - n_x, n_y, то кристаллы, в которых показатели преломления по каждой из осей различны (n_x¹n_y), называют двухосными. Кристаллы, в которых направления х и у оптически однородны, называют одноосными (n_x»n_y = n₀).

При распространении луча вдоль оси z в одноосном кристалле,скорость света не зависит от характера поляризации. Если же к кристаллу прикладывается электрическое поле, то равенство n_x и n_y нарушается, и кристалл становится двухосным. При этом скорости распространения световых волн, поляризованных по осям х и у, также начинают различаться.

Показатель преломления для обыкновенной волны по оси z изменяется линейно при изменении напряженности электрического поля:

,

где r_п – электрооптическая постоянная Поккельса;

Е – напряженность электрического поля;

n₀ – показатель преломления в отсутствии поля.

Это изменение n₀(Е), пропорциональное напряженности электрического поля, и составляет суть эффекта Поккельса, называемого линейным электрооптическим эффектом. Под влиянием внешнего поля одноосный исходный кристалл становится оптически анизотропным и приобретает свойства двухосного. При прохождении световой волной некоторого пути l в таком кристалле возникает разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами:

.

По мере проникновения излучения вглубь кристалла изменяется разность фаз между сигналами с различной поляризацией. В результате поляризация выходных и входных сигналов оказывается различной. В зависимости от длины пути в кристалле и получившейся разности фаз, поляризация выходного луча может быть линейной, эллиптической или круговой.

Рассмотрим устройство электрооптического модулятора лазерного излучения.

Основу модулятора составляют два кристалла одинаковых размеров. Их кристаллографические оси взаимно перпендикулярны, что обеспечивает компенсацию температурного влияния на модуляцию. Температурные изменения как бы вычитаются при прохождении оптического сигнала последовательно через оба кристалла. Изменяя напряжение управление U_упр, т.е. напряженность электрического поля Е, можно изменять поляризацию выходного излучения. Для преобразования изменения поляризации в изменение интенсивности применяется анализатор.

Интенсивность излучения на выходе устройства, без учета поглощения в кристалле, определяется выражением:

, где I_вх – интенсивность излучения на входе;

U_упр – напряжение управления;

U_l/2 – полуволновое напряжение управления.

Полуволновое напряжение равно такому напряжению управления, при котором два луча в кристалле сдвигаются относительно друг друга на половину длины волны, т.е. фазовый сдвиг Dj = p. Для объемных модуляторов:

, где d, l – геометрические размеры кристалла.

Для объемных модуляторов значение U_l/2 может лежать в диапазоне от сотен вольт до единиц киловольт. Количественно эффективность модулятора характеризуется глубиной модуляции m:

.

Управляющая характеристика модулятора имеет вид, показанный на рис. Из графика видно, что целесообразно работать на крутом участке управляющей характеристики, используя постоянное смещение U_см. При этом глубина модуляции существенно увеличивается. В таких модуляторах можно получить пропускание до 90%, а остаточный поток - до 5% от входного оптического сигнала.

Качество модулятора характеризуется добротностью, которая равна отношению граничной частоты модулятора к мощности управления:

.

Рис. 1.2

Для электрооптических объемных модуляторов f_гр может достигать сотен мегагерц, а Д_м – 10 мГц/ мВт. Основным недостатком объемных электрооптических модуляторов является высокое рабочее напряжение.

Основными материалами для изготовления объемных ячеек Поккельса являются: дегидрофосфат калия (KH₂PO₄),ниобат лития (LiNbO₃), танталат лития (LiTaO₃). Они оптически прозрачны в области длин волн 0,35-1,35 мкм.

Для применения в микрооптоэлектронике наиболее перспективны тонкопленочные модуляторы, в которых используются те же электрооптические эффекты, что и в объемных модуляторах. Здесь применяют ниобат и танталат лития, а также твердые растворы на их основе. Для тонкопленочных модуляторов удается повысить f_гр до 10⁹ Гц и снизить рабочие напряжения до единиц-десятков вольт.