Модуляторы оптического излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 5. Модуляторы

Модуляторы. Классификация. Физические эффекты, положенные в основу принципа действия. Материалы. Конструкции.

5.1 Модуляторы. Классификация. Физика работы

электрооптический модулятор лазер магнитооптический

Модуляция излучения является непременным условием эффективного использования лазеров и других генераторов света в оптоэлектронике. Лишь с помощью модуляции возможен высокоскоростной ввод полезной информации в световой луч.

Как следует из уравнения световой волны (1.1), модулироваться могут амплитуда, частота, фаза и направление вектора поляризации. Однако, поскольку все известные фотоприемники реагируют только на изменение амплитуды колебаний (через интенсивность), то, в конечном счете, все виды модуляции должны быть переведены в амплитудную модуляцию.

Применительно к лазерам выделяют внутреннюю и внешнюю модуляцию. Внутренняя модуляция осуществляется в самом излучателе за счет изменения режима возбуждения (полупроводниковые лазеры) или изменение добротности резонатора (газовые лазеры). Следует отметить, что при этом, как правило, возникают нежелательные побочные эффекты, приводящие к ухудшению когерентности излучения. Даже в полупроводниковых лазерах, у которых внутреннее управление интенсивностью света наиболее просто и эффективно, модуляция в гигагерцевом диапазоне вызывает трудности: возрастает порог генерации, ухудшается модовый состав излучения и т. п.

Внешняя модуляция лазерного излучения может осуществляться с помощью специальных устройств -- модуляторов, в которых осуществляется управление теми или иными параметрами светового колебания. Для прогресса оптоэлектроники необходимы высокоэффективные быстродействующие модуляторы.

О важности развития этих приборов свидетельствует тот факт, что при разработке и производстве лазеров значительный объем затрат (до 25%) приходится на создание так называемого сопутствующего оборудования -- модуляторов и высоковольтных источников питания.

Модуляторы совместно с дефлекторами (приборами, служащими для изменения пространственного положения лазерного луча) и управляемыми транспарантами (приборами, обеспечивающими пространственную модуляцию света) образуют группу устройств управления световым лучом. При этом достижения физики и технологии модуляторов создают ту основу, на которой развиваются и остальные приборы этой группы.

Эффект Поккельса, или линейный электрооптический эффект, представляет собой физическую основу большинства современных модуляторов света. Этот эффект имеет место во многих анизотропных кристаллах, для которых также характерно явление двойного лучепреломления, т. е. расщепление проходящего света на два луча (называемых обыкновенным и необыкновенным), распространяющихся с разными скоростями и различно поляризованных.

В таких кристаллах могут быть выделены три взаимно перпендикулярных направления (х, у, г), показатели преломления света вдоль которых, вообще говоря, различны (n_x, n_у и n_z соответственно). В ряде кристаллов, называемых одноосными, направления Ох и Оу оказываются равнозначными; в этом случае по=п,х или nу и ne=nz представляют собой показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной световых волн. При n0?ny?nx кристаллы называют двуосными.

При распространении луча вдоль оси Оz (ось оптической симметрии) в одноосном кристалле скорость света не зависит от характера поляризации. Если же к кристаллу прикладывается электрическое поле, то значения nх и nу начинают различаться, кристалл становится двуосным и скорости распространения световых волн, поляризованных в направлениях Ох и Оу, оказываются различными.

Феноменологически можно считать, что показатель преломления для обыкновенной волны в направлении Оz изменяется линейно с напряженностью электрического поля

nо(Е)=nо+r_П*Е,(5.1)

где r_П -- коэффициент пропорциональности. Это изменение показателя преломления, пропорциональное напряженности электрического поля, и составляет суть эффекта Поккельса. В практически интересном случае, когда излучение распространяется под углом 45° по направлению к кристаллографической оси Оz, выполняется соотношение

r_П=1/2((n₀³)*r₆₃),

где r₆₃ -- электрооптический коэффициент, см/В (использование сложного индекса означает, что r₆₃ представляет собой компонент соответствующего тензора). Важная особенность эффекта Поккельса--его практическая безынерционность (вплоть до 10^-13 с), свойственная полевым эффектам вообще.

По мере проникновения луча света в глубь кристалла изменяется разность фаз между колебаниями с различной поляризацией; соответственно этому характер поляризации на выходе оказывается иным, чем на входе. В зависимости от длины путей в кристалле и приобретенной разности фаз между этими лучами ?ц_0e , характер поляризации на выходе кристалла будет изменяться так, как это показано в табл. 1.6.

В соответствии с взаимной ориентацией направлений распространения светового луча Оz и напряженности электрического поля Е выделяют продольный (Оz||Е) и поперечный (Оz+Е) эффекты Поккельса.

Классическим электрооптическим материалом являются кристаллы КDР (дигидрофосфата калия КН₂РО₄), прозрачные в области спектра л=0,35 ... 1.34 мкм и имеющие r_вз=10^-11 м/В. Из той же группы веществ получили распространение кристаллы ADP(NH₄H₂PO₄), АDА(NН₄Н₂Аs0₄), СDА(СsН₂Аs0₄) и их дейтерированые модификации (например, КD₂Р0₄ обозначается DКDР). Очень перспективны также ниобат лития (LiNbО₃) и танталат лития (LiТаО₃) , имеющие более широкую область прозрачности (л=0.4 ... 4 мкм).

Определенный практический интерес представляет и квадратичный электрооптический эффект (эффект Кер-ра), наблюдаемый в центросимметричных веществах (жидкости, газы, аморфные тела) и описываемый соотношением

-- постоянная Керра.

Здесь выделяются кристаллы группы перовскитов: танталат ниобат калия КТN (КТа_0,65Nb_0.35O₃ ), титанат бария (ВаТiOз), а также некоторые жидкости: нитробензол, сероуглерод и др.

5.2 Устройство электрооптического модулятора

Устройство электрооптического модулятора основано на том, что, изменяя напряжение, прикладываемое к кристаллу, можно осуществить фазовую модуляцию линейно-поляризованного света или модуляцию направления вектора поляризации света, а помещая на выходе анализатор--преобразовать фазовую модуляцию в амплитудную.

Типичный модуляционный элемент (рис. 1.17) состоит из двух кристаллов одинаковых размеров, ориентированных так, что их кристаллографические оси взаимно ортогональны (два кристалла используются для компенсации температурных колебаний окружающей среды).

Интенсивность света на выходе такого элемента без учета поглощения в кристалле определяется соотношением

где и₀ -- интенсивность входного луча, а U_0,5л - полуволновое напряжение, равное такому напряжению управления, при котором достигается полное изменение светопропускания модулятора (при этом два луча света с взаимноортогональной поляризацией сдвигаются относительно друг друга на половину длины волны, т. е. ?ц =р). Полуволновое напряжение, представляющее важнейшую характеристику модулятора, для устройства, представленного на рис. 1.17, равно

(1.16)

При использовании продольного эффекта Поккельса U_0.5л возрастает в l/d раз по сравнению с (1.16), однако величина управляющей мощности при этом не уменьшается. Значение параметра U_0.5л для различных модуляторов лежит в пределах от сотен вольт до единиц киловольт. Высокое управляющее напряжение является одним из наиболее существенных недостатков электрооптических модуляторов. Граничные частоты этих приборов, определяемые величиной собственной емкости, обычно составляют сотни мегагерц, но могут лежать и в гигагерцовом диапазоне. Из других параметров важными являются прозрачность (составляющая 50...90%) и величина остаточного потока (3 ... 7%), проходящего через полностью затемненный модулятор. Комбинированным параметром, характеризующим величину, обратную добротности модулятора, является отношение управляющей мощности к полосе частот; у электрооптических приборов эта величина близка к 10^-1 мВт/МГц.

5.3 Магнитооптические модуляторы

Для изготовления модуляторов света могут использоваться и магнитооптические вещества, такие, например, как феррит-гранаты, прозрачные вплоть до 1,5 ... ... 2 мкм. Принцип их действия основан на эффекте Фарадея: при прохождении света через среду, помещенную в магнитное поле, наблюдается поворот плоскости поляризации луча. Быстродействие магнитооптических модуляторов значительно уступает электрооптическим (типично fпред~10⁴ Гц), однако добротность их примерно на порядок выше.

Основные пути совершенствования модуляторов: уменьшение управляющих напряжения и мощности, увеличение граничной частоты, повышение добротности -- связаны с поисками новых, более совершенных материалов и с переходом на тонкопленочную технологию. (см. гл. 6)

Магнитные нанокомпозиты, в которых ферромагнитные гранулы с размером близким к однодоменному хаотически расположены в диэлектрической матрице, представляют собой класс наноструктурных магнитных материалов с необычными и перспективными для практических приложений свойствами. Наличие в таких системах гигантского и туннельного магнитосопротивления, гигантского аномального эффекта Холла, большой магнитооптической активности, аномального оптического поглощения и др. представляет как фундаментальный, так и практический интерес. Недавно в этих системах обнаружен и новый магнитооптический эффект - магниторефрактивный эффект (МРЭ), который состоит в значительном изменении оптических параметров нанокомпозитов с туннельным магнитосопротивлением при их намагничивании. Наряду с трехмерными нанокомпозитами металл-диэлектрик, большой интерес представляют трехмерные системы ферромагнитный металл - немагнитный полупроводник и ферромагнитный металл - антиферромагнетик, а также квазидвумерные гибридные мультислои, в которых ультратонкие слои нанокомпозитов разделены диэлектрическими прослойками.(10)

Размещено на Allbest.ru