Модуляция оптических колебаний

Модуляцией называется нанесение информации на носители путем определенного изменения параметров некоторых физических процессов, состояний, соединений, комбинаций элементов. Чаще всего материализация информации осуществляется изменением параметров физических процессов – колебаний или импульсных последовательностей.

Световая волна в общем случае определяется с помощью четырех параметров: амплитуды, частоты, фазы и поляризации ее электрической компоненты. Поэтому в оптическом диапазоне электромагнитных волн могут быть реализованы следующие простые методы модуляции: АМ, ФМ, ЧМ, поляризационная модуляция (ПМ), а также модуляция по интенсивности (ИМ), которая может рассматриваться как частный случай амплитудной модуляции. Кроме того возможны ещё 11 комбинационных видов модуляции заключающихся в одновременном управляемом изменении сразу нескольких параметров: А-Ч, А-Ф, А-П, Ч-Ф, Ч-П, Ф-П, А-Ч-Ф, А-Ф-П, А-Ч-П, Ч-Ф-П, А-Ч-Ф-П. Первых три простых способа модуляции, а также все комбинационные применяются в ОЛС менее широко, чем ПМ и ИМ, что может быть объяснено следующими причинами. Во-первых, фотодетекторы ОЛС являются квадратичными по отношению к напряженности поля, что вызывает значительные нелинейные искажения при использовании аналоговой АМ. Во-вторых, модуляция и демодуляция оптической несущей по амплитуде, фазе и частоте, а также комбинационная модуляция технически достаточно сложны. Основным преимуществом ПМ является возможность уменьшения (почти в два раза) уровня фона и нечувствительность к атмосферной турбулентности, что важно для линий связи. Кроме того, ПМ позволяет увеличить в некоторых условиях помехоустойчивость ОЛС в 2 раза, если на приемном конце использовать обе поляризованные ортогональные составляющие излучения. Если поляризатор установить на передающем конце, тогда по оптическому каналу передается излучение, модулированное по интенсивности.

Методы модуляции обычно дополнительно классифицируются по характеру изменения модулирующего сигнала на аналоговые, импульсные и цифровые. Аналоговой модуляции соответствует плавное изменение модулирующего сигнала, импульсной – изменение параметров модулирующей последовательности импульсов; а цифровой – определенная группа модулирующих импульсов или код. В оптических системах связи применяются два режима модуляции: без поднесущей и с поднесущей. В первом режиме световая несущая модулируется непосредственно информационным сигналом. Во втором режиме информационным сигналом модулируется сигнал СВЧ поднесущей, а затем СВЧ поднесущая модулирует оптическую несущую.

В оптическом диапазоне указанные методы модуляции реализуются на основе различных физических принципов. Многие из этих принципов были развиты до появления лазеров, некоторые являются результатами исследования физических явлений в связи с необходимостью конструирования широкополосных малогабаритных модуляторов с малым потреблением мощности для лазерных систем связи. Возможные методы модуляции на основе различных физических принципов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Физический принцип модуляции Метод модуляции

_____________________________

АМ ИМ ЧМ ФМ ПМ

Изменение мощности накачки х

Модуляция поглощением х

Изменение длины резонатора х

Эффект Зеемана х х

Эффект Штарка х

Эффект фотоупругости х х х

Пьезоэлектрический эффект х х х

Акустооптический эффект х х

Магнитооптический эффект х х х х

Электрооптический эффект х х х х х

Некоторые из этих принципов неразрывно связаны с генерацией оптического излучения лазером, другие реализуются отдельными модулирующими блоками, помещенными вне генерируемого лазера. В соответствии с этим методы модуляции можно разделить на внешние и внутренние (в зависимости от того, где расположен модулятор – внутри резонатора лазера или вне его). Внутренние модуляторы по сравнению с внешними выгодно отличаются более низкой подводимой мощностью, однако широкополосная модуляция в них ограничена полосой пропускания резонатора лазера. Кроме того, внутренние модулятора уменьшают усиление резонатора лазера.

Наиболее практическими и широко используемыми принципами модуляции являются: модуляция мощности накачки, например полупроводниковых лазеров, оптикоакустическая модуляция и электрооптическая модуляция. Т.к. электрооптические модуляторы являются наиболее универсальными и наиболее практичными, а также в связи с использованием подобного модулятора в данной лабораторной установке рассмотрим подробнее принцип действия электрооптических модуляторов.

Электрооптические модуляторы

Электрооптические модуляторы нашли широкое применение в системах лазерной связи. Они характеризуются следующими положительными факторами: а) на основе электрооптического эффекта можно реализовать все рассмотренные методы модуляции, б) возможна широкополосная модуляция, в) спектральный диапазон по несущей включает весь оптический диапазон, г) электрооптические кристаллы не очень дороги, и модуляторы просты по конструкции.

а) Электрооптический модулятор интенсивности излучения

Схема, поясняющая принцип действия электрооптического модулятора интенсивности излучения, показана на рис. 2.

Рис. 2

Луч лазера интенсивности линейно поляризуется под углом 45⁰ по отношению к эллипсоиду коэффициентов преломления

кристалла. Анализатор, следующий за модулятором, ориентируется

ортогонально поляризации излучения лазера. Таким образом, если к кристаллу электрическое поле не приложено, то луч лазера полностью ослабляется модулятором. Состояние поляризации лазера, ячейка Поккельса и анализатор могут быть представлены поляризационными матрицами, отнесенными к кристаллическим осям.

Матрицы поляризации луча лазера имеет вид

Модулятор с полной фазовой задержкой характеризуется операционной матрицей

Матричный оператор анализатора

Матрица поляризации луча на выходе модулятора

Эта матрица характеризует линейно-поляризованный свет под углом –45⁰ по отношению к оси кристалла модулятора. Амплитуда

Электрического поля светового излучения пропорциональна sinГ/2.

Мнимая единица i соответствует фазовому сдвигу, на 90⁰ обоих

Компонент электрического поля X` и Y`, входящих в модулятор,

В данном случае это обстоятельство не оказывает влияния на последующие выкладки. Интенсивность излучения на выходе модулятора

где - полуволновое напряжение модулятора.

На рис. 3 графически показана зависимость между отношением выходной интенсивности излучения ко входящей в модулятор и фазовым сдвигом (модуляционная характеристика).

Т

Рис.3.

.к. фазовая задержка пропорциональна модулирующему напряжению, то в первом случае выбора рабочей точки (рис. 3а) наблюдаются значительные искажения. Искажения могут быть сведены к минимуму установкой рабочей т очки модулятора на линейном участки модуляционной характеристики (рис. 3б) и при ограничении амплитуды управляющего напряжения величиной 0,25 . Снимки реальных осциллограмм сигналов и их спектров, соответствующих положению рабочей точки 1,2 и 3, приведены на рис 4а, 4б и 4в – соответственно.

Рис.4а.

Рис.4б.

Рис.4в.

Рабочая точка модулятора может устанавливаться подачей на кристалл постоянного напряжения (электрическое смещение), которое вносит четвертьволновую фазовую задержку Г= /2 (в отсутствие модулирующего напряжения). Практически более конструктивным решением этого вопроса является применение четвертьволновой оптической пластины (оптическое смещение). Пластина устанавливается до или после ячейки Поккельса. Операционная матрица пластины, вносящей фазовую задержку в четверть длины-волны /2 имеет вид

Тогда результирующая поляризационная матрица на выходе модулятора

Интенсивность излучения на выходе модулятора становится равной

Таким образом, при отсутствии модулирующего напряжения интенсивность излучения на выходе модулятора равна половине интенсивности излучения на входе. В электрооптических кристаллах фазовая задержка линейно зависит от приложенного напряжения. Для приложенного синусоидального модулирующего напряжения фазовая задержка может быть записана в виде

Г = k_mu_msin t

где k_m - постоянная пропорциональность,

u_m - максимальное модулирующее напряжение и

- частота модуляции.

Тогда интенсивность на выходе модулятора

Это уравнение может быть записано с применением функций Бесселя первого рода

Таким образом, на выходе модулятора имеем постоянную составляющую с интенсивностью, равной ½ интенсивности излучения на входе модулятора, гармоническую составляющую основной частоты с относительной амплитудой и высшие основной частоты. Гармоники основной частоты. Высшие гармонические составляющие характеризуют искажения модуляционного процесса. Величина искажений D_i определяется отношением корня квадратного из суммы квадратов амплитуд гармоник к амплитуде основной гармоники

Коэффициент глубины модуляции определяется

Если необходимо получить модуляцию, близкую к 100% нужно учитывать, что в этом случае третья и высшие гармонические составляющие становятся большими и, следовательно, искажения увеличиваются.

Электрооптический поляризационный модулятор

В электрооптическом поляризационном модуляторе лазерный луч (интенсивность I₀ ) ориентируется так, что его плоскость поляризации составляет угол 45⁰ с кристаллическими осями ячейки Поккельса. Ячейка обеспечивает фазовую задержку пропорциональную приложенному напряжению. На выходе модулятора поляризационная матрица имеет вид

Для четвертьволновой пластинки с положительной фазовой задержкой Г= /2 имеем

Следовательно, имеет место левая круговая поляризация света. Для четвертьволновой пластины с отрицательной фазовой задержкой Г= - /2

получим

Следовательно, световой луч имеет правую круговую поляризацию. Значение фазовой задержки, лежащих между Г= - /2 и Г= /2 определяют эллиптическую поляризацию со степенью эллиптичности прямопропорциональной фазовой задержки.