Как и в радиотехнике, модуляция состоит во введении информации в световую волну за счет изменения во времени одной из ее характеристик — амплитуды, фазы, частоты, а также поляризации. Используемые в оптоэлектронике фотоприемники обычно чувствительны только к интенсивности света, поэтому на практике модуляцию фазы, частоты или поляризации света обычно преобразуют в амплитудную.
Если оптическое излучение преобразуется необходимым образом в процессе его генерирования в самом источнике, модуляцию называют внутренней (прямой). В случае светодиодов или полупроводниковых лазеров модуляцию интенсивности излучения можно осуществить за счет изменения возбуждающего тока. Это простой и удобный способ, применяемый на практике. Однако очень часто возникает необходимость производить модуляцию уже вышедшего из источника излучения (внешняя модуляция). Оптические модуляторы могут работать на более высоких частотах по сравнению с частотами, достижимыми при внутренней модуляции. Разумеется, при этом нельзя рассчитывать на использование движущихся шторок, экранов, зеркал, призм, дисков с отверстиями или других механических устройств, быстродействие которых не превышает ~1·104Гц. Модуляторы оптического излучения в системах обработки и передачи информации работают на основе различных физических процессов, протекающих при прохождении света в модулирующей среде под действием внешних факторов.
3.1.1. Принципы работы оптических модуляторов
Для модуляции света широко используют хорошо изученный электрооптический эффект Керра (1875), состоящий в возникновении оптической анизотропии под действием внешнего электрического поля в изотропном веществе. Для наблюдения эффекта (рис. 3.1, а) прозрачное диэлектрическое вещество помещают между обкладками плоского конденсатора, к которому прикладывают напряжение U, создающее в модулирующей среде МС достаточно сильное электрическое поле E. Ячейку Керра помещают между скрещенными поляризатором П и анализатором А. При U=0 интенсивность света на выходе устройства также равна нулю, однако при наложении напряжения модулирующая среда становится в оптическом отношении подобной двулучепреломляющему кристаллу с оптической осью, параллельной направлению электрического поля. Поэтому, пройдя через ячейку Керра световая волна распадается на две линейно поляризованные составляющие. Одна из них поляризована так, что ее электрический вектор ориентирован перпендикулярно внешнему полю E (обыкновенная волна), а другая — параллельно E (не обыкновенная волна). Для обеспечения максимальной глубины модуляции нужно, чтобы главная плоскость поляризатора П составляла с вектором E угол 45°. Обыкновенная и не обыкновенная волны имеют различные показатели преломления (по и пе) и поэтому распространяются в среде с различными скоростями. Пройдя ячейку Керра, свет оказывается эллиптически поляризованным и в большей или меньшей мере проходит через анализатор.
Теория и опыт показывают, что различие по и пе пропорционально E 2 (отсюда и используемое название—квадратичный эффект Керра):
, (3.1)
где kK—коэффициент, не зависящий от E. Разность фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами после прохождения пути l в модулирующей среде составляет
, (3.2)
где В =kк/λ — так называемая постоянная Керра.
Квадратичный эффект Керра объясняется оптической анизотропией молекул модулирующей среды, т. е. отличием их способности к поляризации электрическим полем световой волны в различных направлениях. В отсутствие внешнего электрического поля E анизотропные молекулы ориентированы хаотически и вещество в целом изотропно. Если молекулы обладают собственным электрическим дипольным моментом, то достаточно сильное электрическое поле вызывает их преимущественную ориентацию и вещество становится макроскопически анизотропным.
В веществах, состоящих из молекул, не обладающих собственным дипольным моментом, внешнее электрическое поле может его индуцировать, причем из-за анизотропии молекул дипольный момент не обязательно совпадает с направлением E. Возникает пара сил, заставляющая молекулы ориентироваться определенным образом относительно E. В соответствии со сказанным различают ориентационный и поляризационный эффекты Керра. Время ориентационной релаксации дипольных молекул по порядку величины составляет 10-9 с. Это означает, что при частотах модуляции, больших 108-109 Гц, ориентационный эффект Керра практически не проявляется и остается эффективным только поляризационный эффект, быстродействие которого ограничено временем 10-12–10-13с.
Электрооптические явления наблюдаются не только в изотропных веществах, но и в кристаллах, обладающих естественной оптической анизотропией. Чтобы двойное лучепреломление не проявлялось при E = 0, одноосный кристалл вырезают так, чтобы образовались грани, перпендикулярные его оптической оси, а свет направляют вдоль нее. Управляющее электрическое поле создают в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, т. е. так же, как и в ячейке Керра (рис. 3.1, а). Возможно также модулирующее устройство, в котором электрическое поле направлено параллельно распространению света. Для этого на соответствующие грани анизотропного кристалла наносят прозрачные электроды (рис. 3.1,6). В соответствии с рис. 3.1 используют термины — продольный и поперечный электрооптические эффекты. Изменение двойного лучепреломления анизотропного кристалла, помещенного в электрическое поле, называют эффектом Поккельса — по имени обнаружившего его физика (1894). В отличие от эффекта Керра разность п0и пев эффекте Поккельса пропорциональна первой степени E:
, (3.3)
где kп—электрооптический коэффициент, отличающийся от kK в формуле (3.1) и по значению, и по размерности. Как
и для эффекта Керра, эффекту Поккельса свойственна малая инерционность, позволяющая модулировать свет до частот ~1·1013Гц. Следует, однако, иметь в виду, что верхняя граница частоты модуляции чаще всего определяется не процессами в веществе, а емкостью устройства и оказывается на несколько порядков ниже.
Работа модуляторов оптического излучения может быть основана на магнитооптических эффектах, в частности на эффекте, впервые исследованном Коттоном и Мутоном (1907). Этот эффект аналогичен электрооптическому эффекту Керра (рис. 3.2, а): модулирующая среда помещена между скрещенными поляроидом и анализатором, направление магнитного поля перпендикулярно световому лучу, главные плоскости поляризаторов составляют с направлением магнитного поля 45°. Эффект Коттона—Мутона наблюдается в макроскопически изотропном веществе, состоящем из молекул или агрегатов молекул, обладающих постоянным магнитным моментом, но хаотически ориентированных. Внешнее магнитное поле, взаимодействуя с магнитными моментами молекул, упорядочивает их ориентацию, вследствие чего вещество становится анизотропным, приобретая свойства кристалла с двойным лучепреломлением. Как и в случае эффекта Керра, под действием магнитного поля световой пучок разделяется на два луча—обыкновенный и необыкновенный—и, пройдя модулирующую среду, становится эллиптически поляризованным из-за различия п0 и пе, причем это различие пропорционально квадрату напряженности Н магнитного поля:
, (3.4)
где kKM — коэффициент Коттона — Мутона (иногда под ним подразумевают величину kкм/λ).
В оптических модуляторах может использоваться также эффект Фарадея (1845), заключающийся во вращении плоскости поляризации света, распространяющегося в среде вдоль магнитного поля (рис. 3.2, б). Эффект объясняется тем, что в намагниченном веществе различаются показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света п+и п-. Плоскополяризованный свет представляет собой сумму лево- и правополяризованных составляющих. После прохождения модулирующей среды между ними возникает разность хода, в результате чего плоскость поляризации поворачивается на угол φ, пропорциональный длине l пути света в веществе и первой степени H:
, (3.5)
где ρ — постоянная Верде, названная по имени исследователя, подробно изучившего магнитное вращение плоскости поляризации света.
Действие оптического модулятора может основываться и на ряде других эффектов, рассматриваемых в последующих разделах настоящей главы: акустооптическом, обратном пьезоэлектрическом, в результате изменения коэффициента оптического поглощения, способности материала рассеивать свет и т. п.
3.1.2. Характеристики и параметры оптических модуляторов
Независимо от принципа действия оптические модуляторы характеризуются рядом параметров: глубиной модуляции сигнала, оптическими потерями, полосой прозрачности, полосой модулируемых частот, удельной потребляемой мощностью, значением управляющего напряжения и др.
Если Фmin обозначить интенсивность света, прошедшего через модулятор в отсутствие управляющего сигнала (при полном затемнении), а Фmах — при его подаче (при полном просветлении), то глубина (степень) модуляции определяется как
(3.6)
Под глубиной модуляции часто подразумевают также отношение Фmах к Фmin, которое обычно выражают в децибелах:
(3.7)
Если Фmin ≈ 0, модулятор можно использовать в качестве оптического затвора (светоклапана), т. е. устройства, включающего-выключающего свет.
Оптические потери модулятора или затвора характеризуют отношением интенсивности света Ф0 в отсутствие устройства к его значению Фmax при полном просветлении модулятора и тоже выражают в децибелах:
(3.8)
Полоса прозрачности определяет спектральный диапазон излучения, проходящего через модулятор без заметного ослабления.
Под полосой пропускания Δf модулятора подразумевают диапазон частот модуляции, в котором он может работать. Обычно Δf определяется как разность верхней fв и нижней fн частот и, поскольку fв >> fн, то Δf ≈ fв. Оптический затвор характеризуют также временем срабатывания (быстродействием), которое по порядку величины близко к / fв -1.
Для модуляции затрачивается энергия, причем тем большая, чем больше Δf. Поэтому в качестве характеристики модулятора вводится параметр, определяемый потребляемой мощностью на единицу полосы частот модуляции (обычно выражается в милливаттах на мегагерцы).
В случае скрещенных поляризаторов на входе и выходе модулятора амплитуда прошедшей световой волны пропорциональна sinφ, где φ — угол поворота плоскости поляризации, обусловленного приложением напряжения U, a интенсивность света на выходе
, (3.9)
где Uλ/2 — так называемое полуволновое напряжение, равное такому U, при котором достигается максимальное светопропускание устройства, т. е. когда фаза выходящего света изменяется на π.
Электрооптические модуляторы получили широкое распространение. Эффективными материалами для таких устройств являются: ниобат лития LiNbO3 с областью прозрачности 0,4 — 4,5 мкм, танталат лития LiTaO3 (0,4 — 5 мкм), титанаты бария и висмута (ВаТiO3 и Bi4Ti3O12), ниобат и танталат калия (KNbO3 и КТаО3), а также КТаxNb1-xO3 (KTN) (0,5–4,5 мкм). Применяются также такие «классические» электрооптические материалы, как дигидрофосфат калия КН2РО4 (сокращенное обозначение KDP) и его дейтерированная модификация KD2PO4 (DKDP) с областью прозрачности 0,3 — 1,2 мкм, дигидрофосфат аммония NH4H2PO4 (ADP), дигидроарсенид аммония NH4H2AsO4 (ADA) и многие другие материалы.
В магнитооптических модуляторах используют ферромагнитные материалы, в частности ферриты, сочетающие в себе ферромагнитные и полупроводниковые (диэлектрические) свойства и представляющие собой сложные оксиды железа и некоторых других элементов. Некоторые их разновидности широко применяют для покрытия лент магнитофонов и видеомагнитофонов. Могут использоваться многие разновидности ферритов, в частности железоиттриевый гранат Y3Fe5O12, алюмоиттриевый гранат Y3A15O12 (ИАГ), другие материалы (BixY1-xFe5O12, Y2BiFe3, 8Ga1,2O12), прозрачные в красной и ближней инфракрасной областях спектра.
В оптических модуляторах могут также использоваться многие другие эффекты, описанные в последующих разделах главы.