2. Побудова і параметри електрооптичного модулятора

Принцип дії електрооптичного модулятора полягає у такому. Зовнішній електричний сигнал прикладається до кристала, при цьому змінюється показник заломлення речовини, що викликає фазову модуляцію лінійно-поляризованого світла або модуляцію напрямку вектора поляризації світла. Вихідний аналізатор пере­творює фазову модуляцію в амплітудну.

Типовий модуляційний елемент (рис. 2.1) складається з двох кристалів однакових розмірів, орієнтованих так, що їхні крис­талографічні вісі взаємно ортогональні (два кристали використо­вуються для компенсації температурних коливань навколишнього середовища). Потужність променя на виході такого елемента без урахування поглинання в кристалі визначається співвідношенням

де Р₀ — потужність вхідного променя, а — напівхвильова на­пруга, що дорівнює такій напрузі керування, за якої досягаєть­ся повна зміна світлопропускання модулятора (при цьому два

Рис. 2.1. Побудова електрооптичного модулятора з використанням поперечного ефекту Поккельса

промені світла із взаємноортогональною поляризацією зрушують­ся відносно один одного на половину довжини хвилі, тобто Δφ = π).

Головний параметр модулятора — значення напівхвильової на­пруги . Для пристрою, зображеного нарис. 2.1, вона дорівнює

(2.2)

При використанні поздовжнього ефекту Поккельса зро­стає в l/d раз у порівнянні з (2.2), однак величина керуючої по­тужності при цьому не зменшується. Значення параметра для різних модуляторів лежить у межах від сотень вольт до оди­ниць кіловольт. Висока керуюча напруга є одним з найістотніших недоліків електрооптичних модуляторів. Використання плівко­вих та нанорозмірних елементів дозволяє значно зменшити цей па­раметр (з тисяч до десятків вольт) та використовувати модулятори в інтегральних електрооптичних елементах. Граничні частоти цих приладів, обумовлені значенням власної ємності, становлять де­сятки гігагерц. До важливих параметрів належать прозорість (70...95 %) і величина залишкового потоку(3...7 %), що проходить через повністю затемнений модулятор.

Використання світловодів та інтегральних хвилеводів суттєво збільшило можливості електрооптичних пристроїв. Для форму­вання модуляторів застосовують інтегральні мікроелектронні тех­нології. Це дало змогу не тільки зменшити геометричні розміри ча­рунок модулятора та керуючі напруги, але й розмістити керуючі елементи безпосередньо на підкладці мікросхеми.

3. Магнітооптичні модулятори

Модулятори цієї групи використовують декілька ефектів, най­більше використовуються ефекти Фарадея та Коттона — Мутона.

Фізична основа більшості магнітооптичних пристроїв заснова­на на ефекті Фарадея.

Магнітооптичний ефект Фарадея виникає в поздовжньо-намаг- нічених гіротропних середовищах, у яких властивості середовища для хвиль кругових поляризацій правого й лівого обертання вияв­ляються різними. У гіротропному підмагніченому середовищі за поширенням хвиль кругової поляризації для поляризацій правого й лівого обертання маємо різні магнітні проникності, а отже, і коефіцієнти заломлення. Це приводить до того, що при проход­женні однакової відстані вони одержують різний набіг фази. Якщо на вхід подається лінійна поляризація, то її можна уявити у ви­гляді суперпозиції двох кругових з різним напрямком обертання. Після проходження гіротропного середовища вони одержують різницю фаз і підсумовуються на виході вже з іншою орієнтацією вектора Е . Таким чином, ефект Фарадея приводить до повороту площини поляризації лінійно-поляризованої хвилі. При цьому кут повороту залежить від керуючого магнітного поля

, (2.3)

де — постійна Верде, що залежить від типу матеріалу; Θ — кут між напрямком світла й керуючого магнітного поля; l — довжина середовища уздовж поширення світла.

Ефект проявляється у феромагнетиках (μ > 1), діамагнетиках (μ < 1, для Sі0₂ μ = 0,999987) і парамагнетиках (μ > 1).

Магнітооптичний ефект Коттона — Мутона аналогічний електрооптичному ефекту Керра й виникає в поперечно намагні­ченому кристалі зі спеціальних видів граната або скла. Під дією магнітного поля кристал з ізотропного стає одноосьовим і різниця коефіцієнтів переломлення незвичайної й звичайної хвиль про­порційна квадрату напруженості магнітного поля Н:

Δп = п_e - п₀ = К_КМ Н ², (2.4)

де K_КМ — коефіцієнт Коттона — Мутона, що залежить від типу матеріалу.

Придатними для виготовлення модуляторів світла є магніто­оптичні речовини, такі, наприклад, як ферит-гранати, прозорі для випромінювання аж до 1,5...2 мкм. Швидкодія магнітооптичних модуляторів зазвичай значно менша, ніж в електрооптичних (f_гр ~ 10⁴ Гц), однак добротність їх приблизно на порядок вища.

Основні шляхи вдосконалювання модуляторів: зменшення ке­руючої напруги й потужності, збільшення граничної частоти, під­вищення добротності — пов’язані з пошуками нових, удосконалених матеріалів і з переходом на тонкоплівкову технологію (див. розділ 5).

Магнітні нанокомпозити , в яких феромагнітні гранули з розмі­ром, близьким до однодоменного, хаотично розташовані в діелект­ричній матриці, являють собою клас наноструктурних магнітних матеріалів з незвичайними й перспективними для практичних за­стосувань властивостями. Наявність у таких системах гігантського й тунельного магнітоопору, гігантського аномального ефекту Хол- ла, великої магнітооптичної активності, аномального оптичного по­глинання й інше являє як фундаментальний, так і практичний інте­рес. Нещодавно в цих системах виявлений і новий магнітооптичний ефект — магніторефрактивний ефект (МРЕ), що складається в значній зміні оптичних параметрів нанокомпозитів з тунельним магнітоопором при їхньому намагнічуванні. Разом з тривимірними нанокомпозитами метал-діелектрик, великий інтерес становлять тривимірні системи: феромагнітний метал — немагнітний напів­провідник і феромагнітний метал — антиферомагнетик, а також квазідвовимірні гібридні мультишари, в яких ультратонкі шари нанокомпозитів розділені діелектричними прошарками [3].