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. ............